智能机器人的设计与制作

1、智能机器人的设计与制作引言近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技术的出现和发展，不但使传传统的工业生生产面貌发生生根本性变化化，而且将对对人类社会产产生深远的影影响。随着社社会生产技术术的飞速发展展，机器人的的应用领域不不断扩展。从从自动化生产产线到海洋资资源的探索，乃乃至太空作业业等领域，机机器人可谓是是无处不在。目目前机器已经经走进人们的的生活与工作作，机器人已已经在很多的的领域代替着着人类的劳动动，发挥着越越来越重要的的作用，人们们已经越来越越离不开机器器人帮助。机机器人工程是是一门复杂的的学科，它集集工程力学、机机械制造、电电子技术、技技术科学、自自动控制等为为一

2、体。目前前对机器人的的研究已经呈呈现出专业化化和系统化，一一些信息学、电电子学方面的的先进技术正正越来越多地地应用于机器器人领域。目目前机器人行行业的发展与与30 年前的的电脑行业极极为相似。今今天在汽车装装配线上忙碌碌的一线机器器人，正是当当年大型计算算机的翻版。而而机器人行业业的利基产品品也同样种类类繁多，比如如协助医生进进行外科手术术的机械臂、在在伊拉克和阿阿富汗战场上上负责排除路路边炸弹的侦侦察机器人、以以及负责清扫扫地板的家用用机器人，还还有不少参照照人、狗、恐恐龙的样子制制造机器人玩玩具。舞蹈机机器人具有人人类外观特征征、可爱的外外貌、又兼有有技术含量，极极受青少年的的喜爱。我从从

3、前年开始机机器人方面的的研究，在这这过程中尝试试过很多次的的失败，也感感受到了无比比的乐趣。 图1.1、机器器人1 绪论机器人技术作为为20 世纪人人类最伟大的的发明之一，自自20 世纪60 年代初初问世以来，经历40 余年年的发展已取取得长足的进进步。未来的的机器人是一一种能够代替替人类在非结结构化环境下下从事危险、复复杂劳动的自自动化机器，是是集机械学、力力学、电子学学、生物学、控控制论、计算算机、人工智智能和系统工工程等多学科科知识于一身身的高新技术术综合体。走走向成熟的工工业机器人，各各种用途的特特种机器人的的多用化，昭昭示着机器人人技术灿烂的的明天。1.1 国内外外机器人技术术发展的

4、现状状为了使机器人能能更好的应用用于工业，各各工业发达国国家的大学、研研究机构和大大工业企业对对机器人系统统开发投入了了大量的人力力财力。在美美国和加拿大大，各主要大大学都设有机机器人研究室室，麻省理工工学院侧重于于制造过程机机器人系统的的研究，卡耐耐基梅隆机器人人研究所侧重重于挖掘机器器人系统的研研究，而斯坦坦福大学则着着重于系统应应用软件的开开发。德国正正研究开发“MOVE AND PPLAY”机器人系统统，使机器人人操作就像人人们操作录像像机、开汽车车一样。从六六十年代开始始日本政府实实施一系列扶扶植政策，使使日本机器人人产业迅速发发展起来，经经过短短的十十几年。到880 年代中中期，已

5、一跃跃而为“机器人王国国”。其机器人人的产量和安安装的台数在在国际上跃居居首位。按照照日本产业机机器人工业会会常务理事米米本完二的说说法：“日本机器人人的发展经过过了60 年代的的摇篮期。770 年代的的实用期。到到80 年代进进人普及提高高期。”并正式把19880 年定为为产业机器人人的普及元年年”。开始在各各个领域内广广泛推广使用用机器人。中中国机器人的的发展起步较较晚，19772 年我国国开始研制自自己的工业机机器人。七五期间，国家家投入资金，对对工业机器人人及其零部件件进行攻关，完完成了示教再再现式工业机机器人成套技技术的开发，研研制出了喷涂涂、点焊、弧弧焊和搬运机机器人。19986

6、年国国家高技术研研究发展计划划(863 计划)开始实施，智智能机器人主主题跟踪世界界机器人技术术的前沿，经经过几年的研研究，取得了了一大批科研研成果，成功功地研制出了了一批特种机机器人。200 世纪90 年代，我我国的工业机机器人又在实实践中迈进一一大步，先后后研制出了点点焊、装配、喷喷漆、切割、搬搬运等各种用用途的工业机机器人，并实实施了一批机机器人应用工工程，形成了了一批机器人人产业化基地地，为我国机机器人产业的的腾飞奠定了了基础。1.2 机器人人技术的市场场应用机器人融入我们们日常生活的的步伐有多快快？据国际机机器人联盟调调查，20004 年，全全球个人机器器人约有2000 万台，到到2

7、008 年，还将有有700 万台台机器人投入入运行。按照照韩国信息通通信部的计划划，到20113 年，韩韩国每个家庭庭都能拥有一一台机器人；而日本机器器人协会预测测，到20225 年，全全球机器人产产业的“蛋糕”将达到每年年500 亿美美元的规模(现在仅有500亿美元)。与20 世纪70 年代PC 行业的的情况相仿，我我们不可能准准确预测出究究竟哪些用途途将推动这个个新兴行业进进入临界状态态。不过看起起来，机器人人很可能在护护理和陪伴老老年人的工作作上大展宏图图，或许还可可以帮助残疾疾人四处走走走，并增强士士兵、建筑工工人和医护人人员的体力与与耐力。目前前，我国从事事机器人研发发和应用工程程的

8、单位2000 多家，拥拥有量为35500 台左左右，其中国国产占20，其余余都是从日本本、美国、瑞瑞典等40 多个国家引引进的。20000 年已已生产各种类型工业机机器人和系统统300 台套套，机器人销销售额6.774 亿元，机机器人产业对对国民经济的的年收益额为为47 亿元，我我国对工业机机器人的需求求量和品种将将逐年大幅度度增加。1.3 机器人人技术的前景景展望机器人人是人类的得得力助手，能能友好相处的的可靠朋友，将将来我们会看看到人和机器器人会存在一一个空间里边边，成为一个个互相的助手手和朋友。机机器人会不会会产生饭碗的的问题。我们们相信不会出出现“机器人上岗岗，工人下岗岗”的局面，因因

9、为人们随着着社会的发展展，实际上把把人们从繁重重的体力和危危险的环境中中解放出来，使使人们有更好好的岗位去工工作，去创造造更好的精神神财富和文化化财富，机器器人来做这些些危险环境的的工作，展望望21 世纪机机器人将是一一个与20 世纪计算机机的普及一样样，会深入地地应用到各个个领域，所以以很多专家预预测，在211 世纪的前前20 年是机机器人从制造造业走向非制制造业的发展展一个重要时时期，也是智智能机器人发发展的一个关关键时期，目目前国际上很很多国家，也也对机器人对对人类社会的的影响的估计计提出了新的的认识，同时时，我们也可可以看到机器器人技术，涉涉及到多个学学科，机械、电电工、自动控控制、计

10、算机机测量、人工工智能、传感感技术等等，它它是一个国家家高技术实力力的一个重要要标准。语音音识别处理是是语音功能的的一个重要方方面，目前计计算机语音识识别处理过程程基本上一致致，是一种基基于统计模式式识别的理论论。我国的语语音识别研究究起步于五十十年代，近年年来发展很快快，其研究水水平基本与国国外同步，在在汉语语音识识别技术上还还有自己的特特点和优势。可可以预计，语语音技术的发发展前景无限限。2 机器人设计计的内容和要要求2.1 机器人人设计的内容容随着现代科技的的发展，机器器人技术已广广泛应用于人人类社会生活活的各个领域域，特别是机机器人具有人人类外观特征征、可爱的外外貌、又兼有有技术含量，

11、极极受青少年的的喜爱。本课课题要求设计计一具有简单单人体功能的的、模拟舞蹈蹈动作的类人人型机器人，完完成简单人的的基本动作：可以前进后后退，左右侧侧行，左右转转弯和前后摆摆动手臂，行行走频率为每每秒两步，举举手投足、转转圈、头部动动作灵活、并并具备的语音音功能。通过过语音识别技技术，可以对对小机器人进进行语音控制制，通过发出出语音命令，控控制机器人的的。机器人包包括底座、头头部、上身、下下肢、以及电电路控制板，分分别控制手臂臂、头部和底底盘运动的电电机及传动机机构等。通过过电路控制和和机械传动，可可使机器人动动作。知识范范围涉及机构构学、力学、电电子学、自动动控制、计算算机、人工智智能等。具体

12、赋予任务：1、深入了解类类人型机器人人的功能及工工作要求，查查找与课题有有关的文献资资料及参考书书目；2、学习掌握机机构创新设计计的基本知识识和设计方法法，了解控制制对象舞蹈机机器人的工作作原理、动作作过程，进行行简单舞蹈动动作及相应机机构设计；3、根据机器人人构成、工作作原理、主要要特点和技术术指标，分析析比较，加以以论证，确定定机器人运动动控制最终方方案，完成硬硬件电路设计计，单片机控制制程序设计；4、制作舞蹈机机器人模型，完完成各种运动动、动作模拟拟，调试成功功。5、规定的翻译译、论文工作作。2.2 舞蹈机机器人设计的的数据和要求求1、机器人身高高80120 ，表表演时机器人人随音乐翩翩

13、翩起舞，动作作协调、灵活活；2、表演各种的的基本动作，具具体动作可自自行设计。涵涵盖行进、转转圈、举手投投足、头部等动作；3、整套动作持持续4 分钟左右右；4、机器人结构构紧凑、体积积小，重量轻轻；5、灵活的多功功能机器手臂臂：活动空间间大，可3660 度旋转转。6、采用电机驱驱动，运动准准确可靠3 方案设计及及方案论证3.1 设计制制作与调试流流程设计就是根据题题目的要求而而对硬件和软软件进行规划划，并选择最最合适的硬件件电路和软件件程序来达到到目的。硬件件设计是通过过对设计要求求的分析，对对各种元器件件的了解，而而得出分立元元件与集成块块的某些连接接方法，以达达到设计的功功能要求。并并且把

14、这些元元器件焊接在在一块电路板板上。它包括括对各种元器器件的功能和和接法的了解解，以及对各各种元器件的的选择和设计计方案的选择择。软件设计计是分析设计计的硬件用程程序实现其功功能，并且调调试优化产品品功能。机器器人的设计首首先需作总体体方案设计，包包括机械和电电气两部分。根根据机械基础础知识，从整整体上来讲，机机械结构设计计必须与机器器人所要完成成的功能相适适应。机械部部分设计主要要包括底盘设设计、尺寸选选择、驱动方方式设计、电电机选择等；电气是机器器人最重要的的部分，直接接影响着机器器人功能的实实现于否。舞舞蹈机器人要要求完全自动动控制，必须须采用单片机机为控制核心，它类类似于机器人人的大脑

15、，接接收和处理所所有外界信息息，指挥并控控制机器人的的所有动作。语语音识别等功功能是制作机机器人硬件的的难点，它要要求机器人具具有一定的感感觉系统。目目前，机器人人技术已日趋趋成熟，机器器人感觉系统统可通过各种种各样相应的的传感器技术术即可实现。传传感器把接收收到的外部信信息输入到单单片机，再通通过软件进行行控制，从而而单片机发出出命令指挥机机器人动作。软软件编程可以以丰富机器人人的功能，使使机器人动作作更加完善。总总体方案设计计框图如图33.1 所示示。图3.1 机器器人总体制作作过程图3.1 机器器人总体制作作过程3.2 方案的的比较论证及及方案确定根据以上的制作作流程图，我我们把设计分分

16、为两大部分分机械部分和和电气部分进进行论证，对多种方案案进行比较论论证后，选出出一个最佳的的方案，最后后再进行软件件部分的设计计。3.2.1 机机械部分机械部分包括：底盘机构的的设计、弯腰腰机构的设计计、转身机构构的设计、手手臂机构的设计、转头机构构的设计、及及材料与型材材选择。3.2.1.11 底盘机构构的设计(行行走设计)（1）行走式简简图如下图3.2行走机机器人简图行走式，能够在在平地上、凹凹凸不平的地地上步行，能能上下台阶，其其粗糙路面性性能较好，好的关节，稳稳定好的牵引引力。它的缺缺点是不能原原地转动，速速度慢，控制制复杂，移动动困难，操纵性差差，机械复杂杂，电机性能能要求严格，价价

17、格昂贵。（2）移动方式式为履带式简简图如下图3.3移动方方式图履带式移动方式式的特点是运运动平稳，适适合爬坡度比比较大的地方方，这是轮式式所做不的。但但缺点是加工工制作比较麻麻烦，履带一一般是需要到到市场上购买买的，且摩擦擦力很大、能能量损耗大（3）轮式差速速驱动图3.4 底盘盘移动方式图3.4 底盘盘移动方式采用两个驱动轮轮，两个万向向轮，万向轮轮用于平衡。机机构简单，容容易制造及装装配；能在原地旋转以获获得不同的方方向。因此它它是比较适合合的一种底盘盘机构。3.2.1.22 弯腰机构构的设计腰部的设计思路路是，作为人人形机器人的的腰部，主要要做要是承接接了上部的重重量，设计的时候腰部能做做

18、到水平的转转动最好，如如果不能将会会极大地影响响整个机器人人的平衡；所所以尽量减少可变的的环节，故在在腰部转动的的设计中不采采用电机再经经传动其他机机构最后带动动腰部的转动方式，而而是直接使用用电机实现弯弯腰。(1)齿轮机构构简图如下图3.5齿轮传传动方式图3.5 齿轮轮传动方式齿轮机构的优点点是平稳，自自锁性好，精精度高。但加加工比较困难难，且不利于于固定，造价也很高。（2）连杆机构构简图如下图3.6连杆传传动方式结构简单，容易易实现，更重重要的是它的的运动规律正正好符合人体体运动的原理理。我们的机机器人就是采采用这样的机机构来实现弯弯腰的。(3)连杆机构构简图二具体实现方式如如下：先通过过

19、一根轴穿过过鞠躬机构与与机器人上半半身的两只手手臂固定，然后电机通过一一个摇杆连接接到弯腰机构构的一个长方方形槽中，在在电机转动的的过程中，带带动鞠躬机构做以与与手臂固定轴轴为中心的前前后弯腰鞠躬躬动作，所需需的零件包括括一根轴，一一个带有与轴相同大大小的孔和在在孔同一侧的的开有长方形形槽的铝条。并并且考虑在这这个机构上，能够与手臂机构构相固定。机构如图3.77 所示：图3.7 机器器人鞠躬机构构鞠躬机构的装配配顺序如下：(1) 取适当当长度的铝条条打轴孔和磨磨长方形槽，在在上身支架两两端打相同的的孔，轴穿过过该铝条后穿过两个支支架并固定好好(2) 加工可可固定于电机机轴上的摇杆杆，一端可固固

20、定住电机，另另一端固定摇摇杆的轴并与与加工好的铝条的长方方形槽相结合合(3) 将电机机固定在上身身左边支架的的一侧(4) 为了防防止弯腰机构构前倾，用两两根橡胶带做做一定的固定定，以使电机机拉住机构向向下弯腰时更加稳定在弯腰机构中，如如果将机构的的位置和方向向调换过来，动动作就可变为为肩的左右摇摇摆，因为设计水平有有限，没有将将两种动作结结合在一起的的机构设计出出来。3.2.1.33 转身机构构的设计 (1)连杆原原理实现的转转身机构图3.8 转身身机构转身机构的设计计原理和弯腰腰机构的设计计原理差不多多，在此就不不做多的比较较论证了。我们还是采用连连杆机构，但但具体的设计计又和前面稍稍微不同

21、。电机上腰部图3.9 转身身机构(2)电机做转转轴的转身机机构图3.10 机机器人的腰部部机构图3.9 机器器人的腰部机机构机器人的腰部机机构用于实现现机器人左右右转身的动作作，主要部件件包括一个滚滚动轴承、一个自行加工的的可固定滚动动轴承内部圆圆的零件，以以及必备的其其它固定零件件。滚动轴承的特点点在于当内圆圆固定时，外外圆可以转动动，反之亦然然。机器人的的腰部机构正是从这个特点点出发制作的的，要实现机机器人腰部左左右转动，就就让滚动轴承承内部圆与可可固定电机轴的传动动零件固定，同同时该零件与与机器人下身身机构固定，滚滚动轴承与机机器人上身机构固定，再将将电机与传动动零件固定后后又与上身机机

22、构固定，这这样，在电机机转动的过程程中，利用轴承的作用用，机器人下下身机构不动动时，由于上上身机构与轴轴承外圆固定定，电机旋转转带动了轴承外圆的的旋转，于是是，机器人上上身就绕着轴轴承中心作转转身运动。这种机构的缺点点是电机轴受受力较大，电电机容易损坏坏，同时要求求电机有足够够的转矩。头部电机3.2.1.44 手臂和头头部机构的设设计图3.10 手手臂机构手臂机构的是机机器人整体比比较重要的环环节，手臂自自由度较多，机机器人的很多多动作都通过过手臂体现出出来。由于头头部机构比较较简单，在此此和手部一起起画出来，因因为设计要求求没有点头动动作，我们只只要一个电机机来达到头部部动作就可以以了。手臂

23、机构就是机机器人的两只只手臂，在本本次设计中将将机器人的手手部的两个电电机与带动机机器人头部转转动的电机固固定在了同一一个机构上，同同时，将该手手臂与前后弯弯腰的机构相相固定，构成成机器人的上上半身机构的的一部分，然然后该整体又又与机器人的的左右支架和和腰部机构相相结合，一起起构成机器人人的上半身机机构。参看做的很好的的机器人的例例子，机器人人的手臂是机机器人复杂程程度的重要标标志之一。手手臂所具有的的自由度越多多，动作时活活动的空间就就越大，所做做的动作就越越精细，完成成的任务就越越复杂。本次次设计机器人人的手臂由一一根横杆构成成，左右两端端分别固定左左右手的两个个电机，可做做前后3600

24、度的旋转转，中间固定定机器人的头头部电机，可可带动头部做做360 度的的旋转，其中中手臂的机构构还可以继续续扩展，在肩肩部上和臂末末端可再扩展展两个电机，实实现三个自由由度的动作。如如下图所示：图3.12 机机器人的手臂臂机构同时，为了防止止手臂旋转过过度使动作错错乱，同左右右转腰的机构构一样，可在在机器人手臂转动限定角度度内装上限位位开关，以达达到动作的一一致性。装配顺序：(1) 选择合合适钢性材料料钻好孔后将将左右手两个个电机和头部部电机固定住住(2) 将上述述做好的机构构通过一块钢钢片钻孔后用用螺钉固定在在前后弯腰的的机构上(3) 将两个个传动杆固定定到左右两个个手臂电机上上，在传动杆杆

25、的另一端固固定直径大小小适合的两根钢轴作为机机器人的手臂臂用(4) 将一个个传动杆固定定在机器人的的头部电机的的轴上，作为为机器人可3360 度转转动的脖子3.2.1.55 材料与型型材选择机器人制作前，必必须选择用于于机器人本体体的主要结构构材料。在进进行机器人制制作时，特别要确定它自自身的大小、轻轻重等，这就就需要选择合合适的材料来来满足要求。对对机器人本体材料选择，不不仅仅有助于于确定它的强强度、重量、尺尺寸，而且确确定了整体结结构的难度水水平、可能需要的的特殊工具以以及达到可接接受结果所需需要的技术水水平。因此在在选择材料时时，一般是根据机器器人以下原则则进行挑选：（1） 零部件件的形

26、状、大大小有何要求求（2） 零部件件需要多大的的强度；（3） 要选择择多大重量的的零部件下表列出机器人人结构中使用用的材料，比比较它们的优优缺点。表1 结构材料料优缺点比较较根据以上分析：选择机器人人的本体材料料，应该从机机器人的性能能要求出发，满满足机器人的的设计和制作作要求，所以以应在充分掌掌握机器人特特性和各组成成部分的基础础上，从设计计思想出发。机机器人本体是是被用来支承承、连接、固固定机器人的的各部分，也也包括机器人人的运动部分分。伴舞机器器人臂部是运运动的，其整整体也是运动动的，所以，机机器人运动部部分的材料质质量要轻。伴伴舞机器人的的结构设计成成左右对称，高高度适当，上上下半身比

27、例例协调，确保保结构紧凑。关关节连接件的的设计合适，既既要保证机器器人行动起来来灵活自如，动动作顺滑平稳稳，又要具有有一定的承受受负载能力。所所以选用了密密度较小的铝铝制作，因为为铝易于加工工，质量又轻轻，不会增加加机器人的承承载负担。伴舞机器人是仿仿人机器人，材材料截面对构构件质量和刚刚度施加重要要的影响，因因此通过合理理选择构件的的截面可以较较好地满足机机器人的使用用要求，如空空心圆截面，空空心矩形截面面，工字截面面等。若空心心矩形截面是是边长为a，壁厚为t 的正方形，空空心圆截面的的外圆直径也也为a，壁厚也为为t，且令t0.2a，通通过计算可以以得出，在相相同壁厚的条条件下，正方方形空心

28、截面面比空心圆截截面的惯性矩矩高6984，而质质量仅增加227。壁厚厚越薄，则效效果越明显。若若比较条件改改为空心矩形形截面和空心心圆截面型材材的截面相等等，且D0a，设空心圆圆截面壁厚ttD0.2a，可可以计算出正正方形空心截截面的壁厚为为tF0.1477a。此时，正正方形空心截截面比空心圆圆截面的刚度度提高了40060。因此此无论从何角角度来衡量，空空心矩形截面面都比空心圆圆截面的刚性性优越。从设设计，装配的的角度来看，矩矩形截面也有有一定方便之之处。综上所所述，机器人人结构设计为为空心矩形截截面，由铝材材加工而成。其其基本框架是是使用连接件件和角撑支架架来搭建的。而而常见的机器器人联接结

29、构构有扣接零件件、胶接、胶胶带、铆接、焊接等，下面通通过表格逐一一比较各种结结构技术的应应用，从而确确定最后方案案。表2 机器人常常用联接结构构伴舞机器人负载载小，自重轻轻，对寿命要要求不高，因因此除特别讲讲究强度、刚刚度以及抗摩摩擦磨损性的的机构，机械械连接上，应应使机器人具具有较好的坚坚固性，在机机器人做舞蹈蹈动作或行进进过程中，各各种接插件不不能松动、脱脱落，满足合合适的控制方方案，所以选选择铆接方式式。3.2.2 电电气部分结构应用场合扣接零件小型玩玩具机器人胶接格局所需要要的胶粘剂，可可用于重量达达数磅的机器器人上胶带暂时性结构构、轻型材料料和元件的机机器人上铆接小型到中等等尺寸的机

30、器器人，以及轻轻型到中等重重量的机器人人焊接大型和重型型机器人，特特别用于恶劣劣环境的机器器人（1）方案1电机驱动电路采采用继电器构构成桥式换向向电路，继电电器和主控制制电路间用光光电隔离器。考虑到电机机的起动电流流和制动时比比较大，会造造成电源电压压不稳定容易易对单片机和和传感器的工工作产生干扰扰，所以，电电机驱动电路路和单片机以以及传感器电电路用TLPP521-44 光耦隔离离。提高电路路的可靠性。同同时还可以采采用相互独立立的电源供电电。以确保单单片机正常运运行，进而以以保证整个系系统正常工作作。在机器人人的控制系统统中最主要的的就是传感器器电路，传感感器是机器人人感知外界事事物的关键。

31、机机器人通过传传感器收集外外界信息，通通过电路把这这种信息转变变成CPU 能识别的数数字信号，再再通过软件算算法对所收集集的信息进行行处理后，形形成相应的控控制信号，通通过端口去控控制相关的电电机动作。传传感器采用多多种传感器相相互配合使用用。使用光电电编码器判断断角位移和行行程位移。主主要用在机械械手臂的转动动上，使机械械手臂动作更更准确。行程程开关用于位位置的检测，主主要用在机器器人，或机械械手臂上。当当机器人行走走，或机械手手臂动作到达达某种位置时时给单片机一一个电信号。让让单片机发出出相宜的控制制信号。此方案还待解决决的就是传感感器的抗干扰扰能力还不够够高，其中主主要是红外光光电器件容

32、易易受外界光的的干扰。光电电编码器提高高可靠性主要要取决于光电电编码器的加加工精度，光光源和接收管管。一般对于于比赛机器人人的精度要求求不是很高，编编码器可以采采用自制的就就可以达到效效果，而光电电检测（对射射式光偶）器器已经可以从从市场上很容容易的购买到到，所以要提提高光电编码码器的抗干扰扰能力并不难难办到。机械械开关的可靠靠性就更高了了，他简单实实用。但是对对机械开关安安装的位置一一定要准确，牢牢固。如果安安装不到位就就无法触碰就就检测不到电电信号，又因因为机器人经经常运动如果果安装不牢固固开关就容易易松动。对于于提高红外传传感器的抗干干扰能力可以以从以下几个个角度去加强强：图3.11 方

33、方案一的电路路方框图（2）方案2图2.9 电气气方案二框图图图3.12方案案二的电路方方框图方案二的电气图图基本不变，只只是把H 桥换成了了继电器，把把红外信号输输入换成光码码盘。继电器器就有其自身身的优胜，他他相当于短接接没有压降，能能承受的电流流也可以很大大,可以把电机机电枢短路，即即相当于刹车车。方案二的电气方方框图中，机机器人的传感感器系统由光光电编码器，微微动开关，闭闭环电路，语语音电路构成成。可见光探探头用于检测测白色引导线线，光电编码码器，微动开开关和方案一一的功能类似似。3.2.3 电电方案的比较较与选择3.2.3.11电气方案比比较（1）首先我们们采用直流电电机。电机的的选取

34、以方案案（1）的普通直直流电机为最最佳选择，其其控制比较简简单，功率相相对机器人比比赛是够的；而步进电机机功率不够，伺伺服电机太贵贵了；在电机机驱动电路的的选择上我认认为用继电器器构成开关控控制，因为对对电机的控制制要求不一样样所以对不同同的电机采用用不同的控制制方法。三极极管构成的驱驱动电路其优优点是能够进进行脉宽调速速，缺点是三三极管有压降降。用于行走走的电机采用用此种方法驱驱动的力度不不够大，对完完成动作的电电机可以采用用由两个继电电器实现其正正反转和启动动停止。（2）传感器选选用以闭环传传感器为主，其其他传感器为为辅，其中包包括光码盘，触触碰开关。（3）单片机控控制系统采用用单机形式。

35、其其可靠性能更更高。综上所所述，电气方方案选择最佳佳电气方案（2）3.2.3.22机械方案比比较通过以上各个机机械方案的提提出并描述了了各自的优缺缺点，比较得得出所要设计计的机器人的的结论为：（1）移动方式式以方案（11）的四轮移移动为最佳选选择，其速度度要比履带式式移动快，且其能量耗损相相对较少；（2）机械手的的设计模型已已和人的手臂臂很相似，不不会有很大的的改动。（3）转身和弯弯腰机构则是是连杆机构较较为合理，其其它机构不是是成本高，就就是不易于实现，在此我我们选用以设设计好的连杆杆机构。（4）机器人的的材料我们以以铝材为主4 硬件电路设设计4.1 电机驱驱动电路继电器是本系统统的执行机构

36、构，本系统选选用D48110型固态继继电器，固态态继电器(SSSR)与机机电继电器相相比，是一种种没有机械运运动，不含运运动零件的继继电器，但它它具有与机电电继电器本质质上相同的功功能。SSRR是一种全部部由固态电子子元件组成的的无触点开关关元件，他利利用电子元器器件的点，磁磁和光特性来来完成输入与与输出的可靠靠隔离，利用用大功率三极极管，功率场场效应管，单单项可控硅和和双向可控硅硅等器件的开开关特性，来来达到无触点点，无火花地地接通和断开开被控电路。固固态继电器有有三部分组成成:输入电路，隔隔离(耦合)和输出电路路。安输入电电压的不同类类别，输入电电路可分为直直流输入电路路，交流输入入电路和

37、交直直流输入电路路三种。有些些输入控制电电路还具有与与TTL/CCMOS兼容容，正负逻辑辑控制和反相相等功能。固固态继电器的的输入与输出出电路的隔离离和耦合方式式有光电耦合合和变压器耦耦合两种。固固态继电器的的输出电路也也可分为直流流输出电路，交交流输出电路路和交直流输输出电路等形形式。交流输输出时，通常常使用两个可可控硅或一个个双向可控硅硅，直流输出出时可使用双双极性器件或或功率场效应应管。固态继继电器有寿命命长、可靠性性高、灵敏度度高、控制功功率小、电磁磁兼容性好、快快速转换、电磁干扰扰小的优点。D4810型继电器输入电流为5-40mA，电压330V，额定输出电流10A，输出电压范围宽为2

38、0-220V，满足项目的要求。在直流电机电枢上加上一定幅度的直流电压，电机便开始旋转；改变电压方向，电机转向也随之改变。如果电机以恒速运动，不调速可以采用一个简单的电路来控制正/反向，电路原理如图3.1 所示。它采用两个继电器作为控制弱电到驱动电机的强电之间的转换器。正反转控制开关RELAY1 断开，电源开关RELAY3 闭合时，电机正转；反之电机反转。两开关同时断开，电机停转。两开关同时闭合是不允许的，从电路可看出，这这会导致电源源短路。图4.1 直流流电机的简单单双向控制及及继电器图电路原理图如下下：图4.2 继电电器电路图4.3 开关比赛机器人常用用的开关用按按钮开关，数数字开关和接接触

39、开关几种种。按钮开关关在机器调试试阶段可以方方便地提供人人工输入。数数字开关一般般用于向CPPU 的输入入选择，如速速度等级，行行走模式，策策略等。接触触开关则用于于检测是否触触碰，检测的的对象有场地地的道具，环环境界限等，一一般微动开关关即可。4.4 单片机机控制系统采用单机完成控控制的系统，在在系统中P11 口作为光光电传感器的的输入端口，P0.0P0.3 作为行走电机的控制端口。P2 作为动作电机的控制端口。P3.4P3.5 作为光电编码器的记数口。P3 口的另外一些都用来接行程开关。另外留出串行通信的端口以备以后使用图如图4.6 所示.图4.6 控制制系统的的电电路图当P0 口作为为一

40、般的I/O 口用时时我们要接上上一个排阻作作为上拉电阻阻。这是由单单片机的内部部特性所决定定的。单片机机及其外围接接口电路包括括单片机、时时钟电路、复复位电路、外外部接口扩展展电路等。单单片机采用AATMEL889S51 系列单片机机，它是十六六位的高性能能嵌入式控制制器，具有440 个可编编程的I/OO 口，价格格便宜，但功功能强大且支支持在线编程程功能，使用用十分方便。时时钟电路给单单片机系统提提供时间基准准设计时采用用12MHzz 晶振。复复位电路用于于上电后使系系统回复到初初始状态开始始运行。整个个单片机控制制系统框图如如下：图4.7 单片片机控制系统统框图4.7 语音部部分为了实现本

41、次设设计的机器人人最具特色的的智能语音功功能，经仔细细查资料分析论论证后最终采采用为凌阳公公司的专用语语音处理166 位单片机机：SPCEE061A，简简称61 单片机机。61 单片机机能非常容易易、快速地处处理复杂的数数字信号，其其16 位nSP CPU 工作电压为为2.4-33.6V，I/O口输出出电压为2.4-5.55V，CPU 时钟钟频率在0.32MHzz 到49.1552MHz 间可调，具具备14 个中断断源、2 个16 位定时时/计数器和串串行接口设备备，内置了22K 的SRAM 和32K 的FLASHH，并具有2 个10 位DAC(数-模转换)输出通道、77 通道10 位电压压模

42、-数转换器(AADC)和单单通道声音模模-数转换器，在在声音模-数转换器输输入通道还内内置麦克风放放大器和自动动增益控制(AGC)功功能，并且相相对于其它同同类型单片机机相比较，还还具有一系列列特点和优点点：(1) 内部集集成了D/AA 和A/D 电路路，但价格低低廉，耗电量量小，运算效效率高，速度度快(2) 对IOO 口操作方方便，可以对对32 个IO 口单独独进行设置(3) 利用凌凌阳公司开发发的IDE 编译环境，可可使用标准CC 语言和汇汇编语言进行行编程，同时时可将C 语言和汇汇编语言相互互嵌入编程，并并且IDE 具有在线仿仿真和脱机仿仿真模式，在在仿真时可对对IO 口、中中断系统、各

43、各寄存器等数数值方便的监监视(4) 在语音音处理方面有有成熟的技术术和强大的优优势，凌阳公公司不但提供供有系统的语语音开发APPI，并配套套提供了齐全全的说明资料料供开发者使使用61 单片机机的封装有PPLCC-884 和LQFP-80 两种种封装，其中中，80 脚封装装和它的内部部结61 单片机机作为功能强强大的语音处处理型芯片，为为配合它发挥挥出好的性能能，凌阳公司司开发了一套套完整的具备备基本功能的的语音模块电电路，这就是是凌阳公司推推出的61 板。在61 板上，已集集成有麦克风风录入电路，扬扬声器放音电电路等完成语语音功能所需需的标准模块块，并且将程序下载、在在线仿真、键键唤醒等功能能

44、的电路也集集成在了一块块板子上，由由于61 板的设设图4.11 661 单片机机内部结构图图及引脚图计合理，性能稳稳定，单独引引出的IO口引脚方方便开发，所所以，本次设设计直接采用用了凌阳611板作为语音音功能和控制制功能部分的的模块电路使使用，这样，大大大节省了硬硬件电路的开开发时间，能能将精力主要要集中于实现现语音功能的的软件开发上上，也能有更更充分的时间间深入了解软软硬件在现代代相关音频处处理技术方面面的一些基本本原理和问题题。下图是61板的的实物图：图4.12 661板实物图图61板各模块电电路原理如下下：放音电路：在放音电路中，61板采用了SPY0030功放芯片，和LM386工作电压

45、需在4V 以上相比，SPY00030 仅需需2.4V即可可工作；LMM386 输输出功率1000mW 以以下，SPYY0030 约700mWW。这样，在给611板5V的工作电电压下，音量量可达到较好好效果，并且且在运放前端端加上了1KK的精密可调调电阻可调节节音量的大小小。61 板电源源由SPY00029 稳稳压提供。程程序下载电路路：该电路以以74HC2244 实现现，同一般单单片机下载电电路，在此不不再详述。麦麦克风输入电电路：板麦克风输入电电路麦克风输输入电路对于于语音识别的的效果有最直直接最重要的的影响，在661 板的麦麦克风输入电电路中，加入入了许多滤波波措施，并加加入了AGCC 增

46、益，在在对61 板语音音输入和语音音识别的测试试中，即使是是用最普通最最低廉的麦克克风，录入语语音都比较清清晰，语音识识别也非常敏敏感和正确，这这也说明了661 板电路路设计的合理理性。61 单片机最最小系统：SPCE0611A 的最小系统统包括系统锁锁相环PLLL、晶振电路路和复位电路路，可按照661 单片机机的引脚说明明进行连接，这这里不再详述述。5.电机和能源源的选择驱动系统是机器器人的手和脚脚，即运动机机构和执行机机构的基本组组成部分。驱驱动系统的设设计与制作是是比赛机器人人创意与实践践的重要内容容。它的任务务不仅是向机机器人传递动动力，而且要要提供准确的的运动定位和和灵活的操作作，是

47、机器人人制胜的法宝宝之一，因此此其重要性是是不言而喻的的。通常机器器人驱动有电电气，液压，气气压三种方式式。其中以电电气驱动最常常见，它按供供电的方式又又可以分为直直流电机和交交流电机。机机器人比赛规规则通常规定定采用电池供供电，即直流流电。采用直直流电供电的的电机按照其其内部结构又又可分为直流流电机和步进进电机。直流流电机外部接接通直流电就就能旋转；步步进电机的驱驱动原理复杂杂些，必须按按照一定的通通电顺序给电电机供电，电电机才能旋转转。5.1 直流电电机的特性5.1.1 直直流电机的结结构特点直流电机的结构构形式很多，但但基本的结构构是相同的，即即必须有定子子，转子和换换向器。定子子是固定

48、在机机身的圆桶状状部分，一般般由永磁材料料或能产生磁磁场的线圈制制成。转子由由一根旋转轴轴及固定在轴轴上的硅钢片片构成，是把把电能转换成成机械能的部部分。转子的的外沿有槽，槽槽内有电流通通过是，旋转转轴便开始旋旋转。为了在在电机连续旋旋转条件下电电流能顺利通通过转子，旋旋转轴尾部设设置有换向器器，它始终与与定子的电刷刷保持接触，给给电机绕组供供电。直流电电机有普通直直流电机和直直流伺服电机机之分，两者者的区别主要要体现在性能能方面。伺服服电机在调速速范围，机械械特性和调节节特性的线性性度，响应快快速性等方面面均占优，且且当控制电压压改变为零时时能立即停止止转动；普通通电机则做不不到。从结构构上

49、比较，两两者的区别在在于电枢铁心心的长度与直直径之比，伺伺服电机较大大，而气隙较较小。因此在在精密定位和和宽调速范围围的应用场合合，一般都选选用伺服电机机。5.1.2 直直流电机的运运行特性对一般机器人用用户来说，驱驱动的任务仅仅仅是在确定定了机械结构构并计算出所所需要的速度度和驱动力矩矩之后选择合合适的电机和和相应的控制制方法，这就就涉及到电机机的运行特性性问题。机器器人比赛规则则往往对机器器人的质量有有严格的限制制，所以应选选用质量小，功功率适宜的永永磁电机。它它的励磁磁通通是恒定的。在在控制系统钟钟，通常用电电枢电压作为为控制信号，电电压的大小与与电机转速成成正比，改变变电压极性，电电机

50、运转方向向也随之改变变。图4 .1 是电枢枢控制的原理理图。根据电电枢反应原理理，电机转速n 的计算算公式为图5 .1 电电枢控制的原原理图n=n0-KhhTem （5.1）式中中n0Ua/Ktt,Kh=RRa/KtKKe ,而Ua 为电枢枢电压，Ktt 为转矩常常数，Ra 为电枢电阻阻，Ke为电势常常数，电机的的电磁转矩TTem 应为为TemCtIa= KKtIa （5.2）式中中Ia 为电枢枢电流，Ctt 为常数，为磁通量。式式（5.1）是电电枢控制的静静态特性方程程，即稳定运运行状态方程程，由此可得得直流电机的的机械特性和和调节特性。机械特性机械特性指控制制电压恒定时时，电机转速速随转矩

51、变化化的关系。由由转速公式可可得到直流电电机的机械特特性，如图55.2 所示示。机械特性性是线性的，当当电压一定时时，转速升高高则转矩下降降。特性曲线线与纵轴的交交点即为电磁磁转矩等于零零时的理想空空载转速n00，即n0Ua/Kee可以看出，空空载时电机转转速与电枢电电压成正比。但但实际电机空空载运行中，即即使电机轴上上不带负载，因因为自身的空空载损耗，电电磁转矩并不不为零。机械械特性曲线与与横轴的交点点为电机堵转转时（n=00）的转矩，即即所谓的电机机堵转转矩TTd，Td=KttUa/Raa在图5.2 中，机械特特性曲线斜率率k 的绝对值值为k= ttg = n0/Td=Raa/KtKee它

52、表示机械械特性的硬度度，即电机的的转速随转矩矩Tem 的改改变而变化的的程度。由图图5.2 可以以看出，随着着控制电压UUa 增大，电电机的机械特特性曲线平行行地向转速和和转矩增加的的方向移动，但但斜率不变，所所以电枢控制制时电机的机机械特性是一一组平行线。6 机器人的完完整图舞蹈机器人由以以上机械本体体和底盘设计计、材料的选选择和连接方方式的分析最最后制作的机机器人整体图图如下：图6.1 机器器人整体效果果图7 系统的软件件设计在完成了硬件的的设计之后，需需要进行相应应的软件设计计，对机器人人的控制的思思想，是直接接通过软件程程序表达的。因因此，软件设设计是整个设设计过程中最最重要的部分分之

53、一，它关关系到舞蹈动动作的编辑、存存储和执行，关关系到舞蹈机机器人舞姿的的“优美”与否。从伴伴舞机器人的的执行过程来来看，它由单单片机的初始始化程序，包包括外部中断断、定时器中中断、串行中中断、舞蹈动动作初始化;舞蹈动作的的读取、执行行和避障控制制程序两大部部分组成。其其中串行通信信的开关控制制量，不等于于1，表示单片片机进入串行行中断等待，等等于1，程序往下下执行;机器人开始始跳舞的开关关，等于1,表示机器人人开始跳舞，否否则，机器人人保持原来状状态。7.1动作的编编辑动作的编辑最显显著的特征是是步调、节奏奏和动作幅度度，反映在机机器人上就应应该控制机器器人的各个关关节的的电机机转动快慢、时

54、时间和角度。要要使机器人跳跳出让观众赏赏心悦目的动动作，就应该很好好的编排动作作，充分利用用机器人的特特点来展现其其动作之美。因因而，如何使使伴机器人的的动作快慢变变化错落有致致并富有节奏奏感将是控制制系统必须解解决的关键问问题。要设计计机器人的动动作，首先需需要选择合适适的曲子，然然后根据曲子子的节拍进行行动作编排。一一整套的动作作其实是由一一个一个的单单独的舞姿构构成的，所以以设计动作就就必须先设计计好每个动作作，这时就需需要通过电机机的滑块来实实时观察关节节的位置是否否合适，若是是合适的话，就就把这个动作作数据添加到到数据库模块块的动作表中中，接着再调调试下一个动动作如此反复复直到把所有有的动作都编编排好了，那那么动作部分分也就制作好好了。这时可可以把动作数数据表下载到到单片机中，由由单片机来控控制各个关节节，顺序执行行动作表中的的各个动作。同同