畢業(yè)設(shè)計（論文）設(shè)計論文題目瓦力機(jī)器人的制作與實(shí)現(xiàn)學(xué)院（系）電子信息工程專業(yè)電氣工程及其自動化2011年6月16日目錄前言1第一章機(jī)器人的介紹311機(jī)器人的發(fā)展3111機(jī)器人的發(fā)展史3112機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢512機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域713機(jī)器人的核心技術(shù)8第二章單片機(jī)的介紹921什么是單片機(jī)9211單片機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)9212單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域1022單片機(jī)的中斷與I/O口設(shè)置10221AVR單片機(jī)中斷系統(tǒng)11222AVR單片機(jī)的I/O口設(shè)置14第三章系統(tǒng)的硬件組成1831瓦力機(jī)器人視覺系統(tǒng)1832瓦力機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)19321運(yùn)動系統(tǒng)的概述19322L298電機(jī)驅(qū)動芯片2233瓦力機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)25331舵機(jī)使用方法25332MG995舵機(jī)2634瓦力機(jī)器人中樞系統(tǒng)27341單片機(jī)最小系統(tǒng)2735全局供電系統(tǒng)29351DCDC電源變換器的使用29352太陽能電池板的原理30第四章軟件程序的設(shè)計3341程序設(shè)計33總結(jié)39參考文獻(xiàn)40致謝41附錄42瓦力機(jī)器人的制作與實(shí)現(xiàn)學(xué)院（直屬系）電子信息工程學(xué)院專業(yè)班級電氣071501姓名馮小軍指導(dǎo)教師曹金亮摘要近幾年，單片機(jī)在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。從工業(yè)到人們的日常生活，大部分的科技產(chǎn)品都是通過單片機(jī)來控制。在它問世之前，自動控制設(shè)備不能被廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)榭刂圃O(shè)備的體積龐大，耗電量大，價格昂貴。在第一臺微處理器成功研制不久，第一個單片機(jī)就問世了。因?yàn)槠湫∏傻捏w積，低功耗，以及高效的性能，單片機(jī)受到了大家的歡迎。今天，單片機(jī)成為了解決低復(fù)雜度，中等復(fù)雜度控制問題的傳統(tǒng)選擇。文章介紹了單片機(jī)在中斷，I/O口使用的基本功能。機(jī)器人技術(shù)代表著一個國家的綜合實(shí)力，我國也非常重視，經(jīng)常派代表參見國外或組織國內(nèi)的機(jī)器人比賽。機(jī)器人技術(shù)對科學(xué)技術(shù)發(fā)展和對人類社會進(jìn)步的巨大推動作用，在21世紀(jì)必將得到越來越大的發(fā)展，特別是將成熟的單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人技術(shù)以提高機(jī)器人智能性方面的研究一直是一個活躍的研究領(lǐng)域，但在我國這方面的研究相對滯后。本次設(shè)計是為一個機(jī)器人瓦力，實(shí)現(xiàn)自主行走，自主識別，機(jī)器人身體轉(zhuǎn)動。我選擇的方法是單片機(jī)開發(fā)設(shè)計使用的傳統(tǒng)方法，通過本次設(shè)計，可以了解整個單片機(jī)開發(fā)的流程。文章首先介紹了AVR單片機(jī)的基本知識。并且給出了框圖，流程圖等。論文涵蓋了從需求分析，系統(tǒng)設(shè)計，編程，原理圖以及最后的試驗(yàn)板焊制等產(chǎn)品開發(fā)的基本過程。關(guān)鍵詞單片機(jī)，機(jī)器人，軟件編程，原理圖MAKEANDIMPLEMENTPERFORMANCEOFTHEROBOTELECTRONICSANDINFORMATIONENGINEERINGELECTRICAL071501FENGXIAOJUNDIRECTORCAOJINLIANGABSTRACTSINGLECHIPMICROCOMPUTERHASACHIEVEDAIMMENSEPOPULARITYINALLFILEDINRECENTYEARSFROMINDUSTRYTOPEOPLESCOMMONLIVES,THEMOSTOFTECHNICALAPPLICATIONSARECONTROLLEDBYMCUBEFOREITAPPEARED,THEAUTOMATICDEVICESCANTBEWIDELYUSEDBECAUSEOFTHEIRHUGESIZE,LARGEQUANTITYOFPOWERCOSTANDHIGHPRICETHEFIRSTSCMAPPEAREDASSOONASTHEFIRSTMCUMICROCONTROLLERUNITWASSUCCESSFULLYDEVELOPEDDUETOITSSMALLSIZE,LOWPOWERCOSTANDHIGHPERFORMANCE,ITHASBEENWELCOMEDBYPEOPLENOWADAYS,MCUHASBEENSELECTEDASATRADITIONALSOLUTIONFORLOWORMEDIUMCOMPLEXITYPROBLEMSABOUTDEVICESCONTROLLINGTHISPAPERINTRODUCESTHEMICROCONTROLLERINTERRUPT,I/OPORTTOUSETHEBASICFUNCTIONSROBOTTECHNOLOGYSTANDSFORACOUNTRYSNATIONALPOWEROURCOUNTRYSHOWSMUCHATTENTIONTOTHIS,ANDUSUALLYDISPATCHESDELEGATIONTOATTENDINTERNATIONALROBOTCONTESTACCORDINGTOTHERULEOFTHECONTEST,THETASKOFTHEROBOTISANALYZED,ANDITMAINLYINCLUDESEIGHTITEMSCOURSEIDENTIFICATION,SPACEORIENTATION,ENVIRONMENTIDENTIFICATION,ERRORCORRECTION,SPEEDCONTROL,AUTODECISION,INSIDEDETECTIONANDOBJECTSEIZINGTHEAPPROACHWECHOOSEISTHECOMMONWAYFORMCUDEVELOPINGFROMWHICHWECANGETANACKNOWLEDGEABOUTTHEMCUDEVELOPFLOWINGPROCESSTHEPAPERFIRSTINTRODUCESKNOWLEDGEONAVRSERIALMCU,THENCOMPARESSOMEPOSSIBLEMETHODOLOGIESATTHESAMETIME,ITALSOSHOWSBLOCKDIAGRAMS,FLOWINGPROCESSDIAGRAMSANDSOONITPRESENTSTHEPROCESSINCLUDINGREQUIREMENTANALYSIS,SYSTEMDESIGN,MCUPROGRAMMING,PROGRAMEMULATION,ANDFINALWELDINGOFTHEBOARDWHICHFORMSACOMPLETEPROCEDUREFORPRODUCTMANUFACTURE。KEYWORDSMCU，ROBOT,SOFTWARETRANSLATION，SCHEMATIC前言機(jī)器人是一門綜合性的學(xué)科，它集工程力學(xué)、機(jī)械制造、電子技術(shù)、技術(shù)科學(xué)、自動控制等為一體。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個綜合性的結(jié)果，也是對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一門科學(xué)技術(shù)。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展把我們從危險和枯燥中解脫出來。機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)用于處理核能和放射性化學(xué)制品的很多不同用途，包括核武器、電廠、環(huán)境清潔和某些藥品的處理。機(jī)器人也用于執(zhí)行很多乏味、不愉快但必需的任務(wù)，如焊接和看門工作。另外機(jī)器人還可用于干人干不了的活，比方說人們對太空的認(rèn)識，人上不的時候，叫機(jī)器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，還有在微觀環(huán)境下，對原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。其次，發(fā)展機(jī)器人技術(shù)可以提高國防實(shí)力。在海灣戰(zhàn)爭、波黑戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭中，各種無人機(jī)和地面軍用機(jī)器人系統(tǒng)在戰(zhàn)場偵察、探雷排雷、監(jiān)視、通訊中繼、電子對抗、火力導(dǎo)引、戰(zhàn)果評估、騷擾、攻擊等方面都起了特殊的作用。鑒于高新技術(shù)對未來戰(zhàn)爭的指揮系統(tǒng)、戰(zhàn)場環(huán)境將產(chǎn)生重大影響。另外，機(jī)器人可以形成一個巨大的產(chǎn)業(yè)。盡管目前發(fā)展相對成熟的只有工業(yè)機(jī)器人，但從世界機(jī)器人的發(fā)展趨勢看，服務(wù)機(jī)器人、個人機(jī)器人具有巨大的市場潛力，可以預(yù)見，個人機(jī)器人將會像個人電腦一樣走進(jìn)千家萬戶，成為了社會必不可少的生活用品。近年來本等開發(fā)了多種可以應(yīng)用于常生活里的機(jī)器人。例如在電視上頻頻露面的類人型機(jī)器人ASIMO（由日本田開發(fā)）。2007年8月，ASIMO隨日本首相訪問捷克，開始了它的“外交”之路。SONY亦不甘落后，先是開發(fā)了風(fēng)靡全球的AIBO機(jī)器狗，后來又推出拎人型機(jī)器人SDR4X。美國一家公司開發(fā)了一種IBOT自動平衡輪椅，并已經(jīng)獲得FDA的認(rèn)證。這種輪椅可以為殘疾人的行動帶來更多的便利，將為他們的生活帶來革命性的變化。機(jī)器人技術(shù)成了科技經(jīng)濟(jì)的必爭之地，世界各國都非常重視機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)與研究。目前本繼前兩個機(jī)器人計劃“極限作業(yè)機(jī)器人”計劃和“微機(jī)械技術(shù)”開發(fā)計劃之后，正在實(shí)施第三個“人型機(jī)器人”計劃；美國僅花在無人機(jī)上的費(fèi)用就已達(dá)25億美元。我國政府也非常重視機(jī)器人的研究，早在“七五”期間就開始了工業(yè)機(jī)器人和水下機(jī)器人攻關(guān)計劃，并取得了一定的成績。1986年，國家“863”計劃將智能機(jī)器人列入其中。經(jīng)過十幾年的艱苦奮斗，從跟蹤世界先進(jìn)水平到自主開發(fā)，取得了舉世矚目的成果。例如，我國在爭取公海海域優(yōu)先開采權(quán)的過程中，由國家“863”計劃研制的6000米水下無纜自治機(jī)器人系統(tǒng)先后兩次出海，獲得了海底錳結(jié)核分布的珍資料，使我國成為世界上少數(shù)幾個具有深海探測能力的國家之一。我國對培養(yǎng)機(jī)器人時代所需要的人才也非常重視。近幾年來，我國舉辦了多次機(jī)器人大賽，也派隊伍參加許多國際性的競賽，比如機(jī)器人足球、機(jī)器人滅火、機(jī)器人走迷宮、機(jī)器人相撲等等。第一章機(jī)器人的介紹11機(jī)器人的發(fā)展111機(jī)器人的發(fā)展史“機(jī)器人”一詞起源于捷克語，意為強(qiáng)迫勞動力或奴隸。這個詞是由劇作家KARELCAPEK引入的，他虛構(gòu)創(chuàng)作的機(jī)器人很象FRANKENSTEIN博士的怪物由化學(xué)和生物學(xué)方法而不是機(jī)械方法創(chuàng)造的生物。美國美國是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人，比起號稱“機(jī)器人王國“的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。盡管美國在機(jī)器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應(yīng)用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機(jī)器人技術(shù)在國際上仍一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。具體表現(xiàn)在（1）性能可靠，功能全面，精確度高；（2）機(jī)器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首；（3）智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用；（4）高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。英國早在1966年，美國UNIMATION公司的尤尼曼特機(jī)器人和AMF公司的沃莎特蘭機(jī)器人就已經(jīng)率先進(jìn)入英國市場。1967年英國的兩家大機(jī)械公司還特地為美國這兩家機(jī)器人公司在英國推銷機(jī)器人。接著，英國HALLAUTOMATION公司研制出自己的機(jī)器人RAMP。70年代初期，由于英國政府科學(xué)研究委員會頒布了否定人工智能和機(jī)器人的LIGHTHALL報告，對工業(yè)機(jī)器人實(shí)行了限制發(fā)展的嚴(yán)厲措施，因而機(jī)器人工業(yè)一蹶不振，在西歐差不多居于末位。但是，國際上機(jī)器人蓬勃發(fā)展的形勢很快使英政府意識到機(jī)器人技術(shù)的落后，導(dǎo)致其商品在國際市場上的競爭力大為下降。于是，從70年代末開始，英國政府轉(zhuǎn)而采取支持態(tài)度，推行并實(shí)施了一系列支持機(jī)器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機(jī)器人的重要性、在財政上給購買機(jī)器人企業(yè)以補(bǔ)貼、積極促進(jìn)機(jī)器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國機(jī)器人開始了在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用及大力研制的興盛時期。法國法國不僅在機(jī)器人擁有量上居于世界前列，而且在機(jī)器人應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進(jìn)水平。這主要?dú)w功于法國政府一開始就比較重視機(jī)器人技術(shù)，特別是把重點(diǎn)放在開展機(jī)器人的應(yīng)用研究上。德國德國工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。這里所說的德國，主要指的是原聯(lián)邦德國。它比英國和瑞典引進(jìn)機(jī)器人大約晚了五六年。其所以如此，是因?yàn)榈聡臋C(jī)器人工業(yè)一起步，就遇到了國內(nèi)經(jīng)濟(jì)不景氣。但是德國的社會環(huán)境卻是有利于機(jī)器人工業(yè)發(fā)展的。因?yàn)閼?zhàn)爭，導(dǎo)致勞動力短缺，以及國民技術(shù)水平高，都是實(shí)現(xiàn)使用機(jī)器人的有利條件。到了70年代中后期，政府采用行政手段為機(jī)器人的推廣開辟道路；在“改善勞動條件計劃”中規(guī)定，對于一些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機(jī)器人來代替普通人的勞動。這個計劃為機(jī)器人的應(yīng)用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。日爾曼民族是一個重實(shí)際的民族，他們始終堅持技術(shù)應(yīng)用和社會需求相結(jié)合的原則。除了像大多數(shù)國家一樣，將機(jī)器人主要應(yīng)用在汽車工業(yè)之外，突出的一點(diǎn)是德國在紡織工業(yè)中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)改造原有企業(yè)，報廢了舊機(jī)器，購買了現(xiàn)代化自動設(shè)備、電子計算機(jī)和機(jī)器人，使紡織工業(yè)成本下降、質(zhì)量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適銷對路。到1984年終于使這一被喻為“快完蛋的行業(yè)“重新振興起來。與此同時，德國看到了機(jī)器人等先進(jìn)自動化技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985年以后要向高級的、帶感覺的智能型機(jī)器人轉(zhuǎn)移的目標(biāo)。經(jīng)過近十年的努力，其智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位。俄羅斯在前蘇聯(lián)，從理論和實(shí)踐上探討機(jī)器人技術(shù)是從50年代后半期開始的。到了50年代后期開始了機(jī)器人樣機(jī)的研究工作。1968年成功地試制出一臺深水作業(yè)機(jī)器人。1971年研制出工廠用的萬能機(jī)器人。早在前蘇聯(lián)第九個五年計劃（1970年1975年）開始時，就把發(fā)展機(jī)器人列入國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展綱領(lǐng)之中。到1975年，已研制出30個型號的120臺機(jī)器人，經(jīng)過20年的努力，前蘇聯(lián)的機(jī)器人在數(shù)量、質(zhì)量水乎上均處于世界前列地位。國家有目的地把提高科學(xué)技術(shù)進(jìn)步當(dāng)作推動社會生產(chǎn)發(fā)展的手段，來安排機(jī)器人的研究制造；有關(guān)機(jī)器人的研究生產(chǎn)、應(yīng)用、推廣和提高工作，都由政府安排，有計劃、按步驟地進(jìn)行。中國有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。我國已在“七五”計劃中把機(jī)器人列人國家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機(jī)器人研究示范工程，全面展開了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。1986年3月開始的國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。日本日本在60年代末正處于經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展時期，年增長率達(dá)11。第二次世界大戰(zhàn)后，日本的勞動力本來就緊張，而高速度的經(jīng)濟(jì)發(fā)展更加劇了勞動力嚴(yán)重不足的困難。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國UNIMATION公司引進(jìn)機(jī)器人及其技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺川崎的“尤尼曼特”機(jī)器人。日本政府的一系列扶植政策，使日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來，經(jīng)過短短的十幾年，到80年代中期，已一躍而為“機(jī)器人王國”，其機(jī)器人的產(chǎn)量和安裝的臺數(shù)在國際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工業(yè)會常務(wù)理事米本完二的說法“日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)人普及提高期?！辈⒄桨?980年定為“產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的普及元年”，開始在各個領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。112機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。除了工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了很大的進(jìn)展。國際上，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展呈以下特點(diǎn)1通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運(yùn)用,國外機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。2通過采用并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高精度測量及加工,這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展,為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。3控制系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高,已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸,并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制,人機(jī)界面更加友好,基于圖形操作的界面也已問世,在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用,大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。4許多新產(chǎn)品具有網(wǎng)絡(luò)通信功能,使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步,也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展了一大步。5由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路應(yīng)用,使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。國內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r從80年代開始至今,我國已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù),生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件,開發(fā)出用于噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人。但總的來看,我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離。工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的103萬美元降至97年的65萬美元。機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。12機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域（1）水下機(jī)器人美國的AUSS、俄羅斯的MT88、法國的EPAVLARD等水下機(jī)器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護(hù)、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機(jī)器人（REMOTEOPERATEDVEHICLE）和無纜水下機(jī)器人（AUTONOMOUSUNDERWATERVEHICLE）兩大類。（2）空間機(jī)器人空間機(jī)器人一直是先進(jìn)機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機(jī)器人。如美國NASA的空間機(jī)器人SOJANOR等。SLJANOR是一輛自主移動車，重量為115KG，尺寸63048MM，有6個車輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān)注。（3）核工業(yè)用機(jī)器人國外的研究主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧，動作準(zhǔn)確可靠、反應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機(jī)器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國ORML基于機(jī)器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的C7靈巧手等。（4）地下機(jī)器人地下機(jī)器人主要包括采掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩在類。主要研究內(nèi)容為機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達(dá)國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機(jī)器人，各種采機(jī)器人及自動化系統(tǒng)正在研制中。（5）醫(yī)用機(jī)器人醫(yī)用機(jī)器人的主要研究內(nèi)容包括醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機(jī)器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場感外科手術(shù)等。美國已開展臨場感外科（TELEPRESENCESURGERY）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國家聯(lián)合開展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（TELEMATICS）計劃、袖珍機(jī)器人（BIOMED）計劃以及用于外科手術(shù)的機(jī)電手術(shù)工具等項(xiàng)目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。（6）建筑機(jī)器人日本已研制出20多種建筑機(jī)器人。如高層建筑抹灰機(jī)器人、預(yù)制件安裝機(jī)器人、室內(nèi)裝修機(jī)器人、地面拋光機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人等，并已實(shí)際應(yīng)有和。美國卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進(jìn)行管道挖掘和埋設(shè)機(jī)器人、內(nèi)墻安裝機(jī)器人等型號的研制、并開展了傳感器、移動技術(shù)和系統(tǒng)自動化施工方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。（7）軍用機(jī)器人近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機(jī)器人。其特點(diǎn)是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場上具有看、嗅和角摸能力，能夠自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消滅敵方目標(biāo)的功能。如美國的NAVPLAB自主導(dǎo)航車、SSV半自主地面戰(zhàn)車，法國的自主式快速運(yùn)動偵察車（DARDS），德國MV4爆炸物處理機(jī)器人等。目前美國ORNL正在研制和開發(fā)ABRAMS坦克、愛國者導(dǎo)彈裝電池用機(jī)器人等各種用途的軍用機(jī)器人?？梢灶A(yù)見，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會進(jìn)入人類生活的各個領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。13機(jī)器人的核心技術(shù)一個機(jī)器人包括兩個主要部分機(jī)器人的身體和某種形式的人工智能（ARTIFICIALINTELLIGENCE，AI）系統(tǒng)。很多不同的身體部分都可以叫做機(jī)器人。關(guān)節(jié)手臂被用于焊接和上漆；起重機(jī)和傳送帶系統(tǒng)在工廠中運(yùn)送零件；巨型機(jī)器人機(jī)器搬運(yùn)礦井深處的泥土。一般說來，機(jī)器人最有趣的一個方面是它們的行為，這需要一種形式的智能。機(jī)器人最簡單的行為是移動。典型地，輪子被作為讓機(jī)器人從一點(diǎn)移動到下一點(diǎn)的基本機(jī)械裝置。還需要某種力（如電力）讓輪子在命令時轉(zhuǎn)動。第二章單片機(jī)的介紹21什么是單片機(jī)單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器（MICROCONTROLLERUNIT），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計算機(jī)，和計算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。211單片機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)單片機(jī)與通用微型計算機(jī)相比較，它在硬件結(jié)構(gòu)、指令設(shè)置上均有其獨(dú)到之處，主要特點(diǎn)如下（1）單片機(jī)中的存儲器ROM和RAM是嚴(yán)格分工的。ROM為程序存儲器，只存放程序、常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。而RAM則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存放變量。這樣的結(jié)構(gòu)主要是考慮到單片機(jī)用于控制系統(tǒng)中，有較大的程序存儲空間，把已調(diào)試好的程序固化在ROM中，而把少量的隨機(jī)數(shù)據(jù)存放在RAM中，這樣，小容量數(shù)據(jù)存儲器能以高速RAM形式集成在單片機(jī)內(nèi)，以加快單片機(jī)的執(zhí)行速度。但單片機(jī)上RAM是作為數(shù)據(jù)存儲器用，而不是當(dāng)作高速數(shù)據(jù)緩沖存儲器（CACHE）用。（2）采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機(jī)的邏輯控制能力要優(yōu)于同等級的CPU，持別是單片機(jī)具有很強(qiáng)的位處理能力。單片機(jī)的運(yùn)行速度也較高。（3）單片機(jī)的I/O引腳通常是多功能的。由于單片機(jī)芯片上引腳數(shù)有限，了解決實(shí)際引腳數(shù)和需要的信號線數(shù)的矛盾，采用了引腳功能復(fù)用的方法，引腳處于何種功能，可由指令來設(shè)置或由機(jī)器狀態(tài)來區(qū)分。（4）系列齊全，功能擴(kuò)展性強(qiáng)。單片機(jī)有內(nèi)部掩膜ROM、內(nèi)部EPROM和外接ROM等形式，并可方便地擴(kuò)展外部的ROM、RAM及I/O接口，與許多通用的微機(jī)接口芯片兼容，對應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)帶來極大的方便。（5）單片機(jī)的功能是通用的。單片機(jī)雖然主要作控制器用，但是功能上還是通用的，可以象一般微處理器那樣廣泛應(yīng)用在各個方面。212單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域單片機(jī)在控制應(yīng)用領(lǐng)域中，有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)（1）體積小、成本低、運(yùn)用靈活、易于產(chǎn)品化，它能方便地組成各種智能化的控制設(shè)備和儀器，做到機(jī)電儀一體化（2）面向控制，能針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價格比；（3）抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，這是其它機(jī)種無法比擬的；（4）可以方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。單片機(jī)的應(yīng)用范圍十分廣泛，下面僅列舉一些典型的應(yīng)用領(lǐng)域。（1）工業(yè)控制數(shù)控機(jī)床，溫度控制，可編程程序控制，電機(jī)控制，工業(yè)機(jī)器人，智能傳感器，離散與連續(xù)過程控制；（2）儀器儀表智能儀器，醫(yī)療器械，液體和氣體色譜儀；（3）電訊技術(shù)調(diào)制解調(diào)器，聲象處理，數(shù)字濾波，智能線路運(yùn)行控制；（4）辦公自動化和計算機(jī)外部設(shè)備傳真機(jī)，復(fù)印機(jī)，打印機(jī)，繪圖儀，磁盤/磁帶機(jī)，智能終端機(jī)；（5）汽車與節(jié)能點(diǎn)火控制，變速控制，防滑車控制，排氣控制，計費(fèi)器，交通控制；（6）導(dǎo)航與控制導(dǎo)彈控制，魚雷制導(dǎo)，智能武器裝置，航天導(dǎo)航系統(tǒng)；22單片機(jī)的中斷與I/O口設(shè)置中斷是為使單片機(jī)具有對外部或內(nèi)部隨機(jī)發(fā)生的事件實(shí)時處理而設(shè)置的，中斷功能的存在，很大程度上提高了單片機(jī)的處理外部或內(nèi)部事件的能力。它是單片機(jī)最重要的功能之一。I/O口是單片機(jī)對外輸出，對內(nèi)輸入的橋梁，不同的單片機(jī)有著不同的I/O口設(shè)置，本次設(shè)計采用的是ATMEGA16單片機(jī)，與其他單片機(jī)有著不同的設(shè)置。221AVR單片機(jī)中斷系統(tǒng)ATMEGA16共21個中斷源，包含1個非屏蔽中斷（RESET，不能軟件關(guān)斷）3個外部中斷（INT0，INT1，INT2）和17個內(nèi)部中斷。系統(tǒng)復(fù)位RESET中斷是一個特殊的中斷源，是AVR中唯一的不可屏蔽的中斷。當(dāng)ATMEGA16由于各種原因被復(fù)位后，程序?qū)⑻綇?fù)位向量（缺省為0X0000）處，在該地址處通常放置一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到主程序繼續(xù)執(zhí)行。圖21ATMEGA16中斷向量本次設(shè)計主要涉及的是外部中斷，下面對外部中斷進(jìn)行詳細(xì)介紹。INT0、INT1和INT2是3個外部中斷源，它們是分別由芯片外部引腳PD2、PD3、PB2上的電平的變化或狀態(tài)觸發(fā)的。通過對控制寄存器MCUCR和控制與狀態(tài)寄存器MCUCSR的配置，外部中斷可以定義為由PD2、PD3、PB2引腳上的電平的下降沿、上升沿、邏輯電平變化，或者低電平（INT2僅支持電平變化的邊沿觸發(fā)）觸發(fā)，這為外部硬件電路和設(shè)備向AVR申請中斷服務(wù)提供了很大方便。圖22外部中斷控制BIT3,2ISC11，ISC10中斷觸發(fā)方式控制1BIT1與BIT0外部中斷1由引腳INT1激發(fā)，在檢測邊沿前MCU首先采集INT1引腳的電平，如果選擇了邊沿觸發(fā)方式或電平變化觸發(fā)方式，那么持續(xù)時間大于一個時鐘周期的脈沖將觸發(fā)中斷，過短的脈沖則不能保證觸發(fā)中斷。如果選擇低電平觸發(fā)方式，那么低電平必須保持到當(dāng)前指令執(zhí)行完成。圖23中斷1觸發(fā)方式控制BIT1,0ISC01，ISC00中斷觸發(fā)0方式控制BIT1與BIT0外部中斷0由引腳INT0激發(fā)，在檢測邊沿前MCU首先采集INT0引腳的電平，如果選擇了邊沿觸發(fā)方式或電平變化觸發(fā)方式，那么持續(xù)時間大于一個時鐘周期的脈沖將觸發(fā)中斷，過短的脈沖則不能保證觸發(fā)中斷。如果選擇低電平觸發(fā)方式，那么低電平必須保持到當(dāng)前指令執(zhí)行完成。圖24中斷0觸發(fā)方式控制圖25MCU控制與狀態(tài)寄存器BITISC2中斷2觸發(fā)方式控制異步外中斷2友外部引腳INT2激活。若ISC2寫0，INT2的下降沿激活中斷。若ISC2寫1，INT2的上升沿激活中斷。INT2的邊沿觸發(fā)方式是異步的。只要INT2引腳上產(chǎn)生寬度大于圖26所示數(shù)據(jù)的脈沖就會引發(fā)中斷。若選擇了低電平，低電平必須保持到當(dāng)前指令完成，然后才會產(chǎn)生中斷。而且只要將引腳拉低，就會引發(fā)中斷請求。圖26異步（外部）中斷請求圖27通用中斷控制寄存器BIT7INT1使能外部中斷請求1當(dāng)INT1為1，而且狀態(tài)寄存器SREG的全局狀態(tài)中斷使能位置位，相應(yīng)的外部中斷就能使能了。MCU通用寄存器MCUCR的中斷敏感電平控制1位1/0ISC11與ISC10決定中斷是由上升沿，下降沿，還是INT1電平觸發(fā)的。只要使能，即使INT1引腳被配置為輸出，只要引腳電平發(fā)生了相應(yīng)的變化，中斷可產(chǎn)生。BIT6INT0使能外部中斷請求0當(dāng)INT1為1，而且狀態(tài)寄存器SREG的全局狀態(tài)中斷使能位置位，相應(yīng)的外部中斷就能使能了。MCU通用寄存器MCUCR的中斷敏感電平控制0位1/0ISC01與ISC00決定中斷是由上升沿，下降沿，還是INT0電平觸發(fā)的。只要使能，即使INT0引腳被配置為輸出，只要引腳電平發(fā)生了相應(yīng)的變化，中斷可產(chǎn)生。BIT5INT2使能外部中斷請求2當(dāng)INT1為1，而且狀態(tài)寄存器SREG的全局狀態(tài)中斷使能位置位，相應(yīng)的外部中斷就能使能了。MCU通用寄存器MCUCR的中斷敏感電平控制2位1/0ISC2與ISC2決定中斷是由上升沿，下降沿，還是INT2電平觸發(fā)的。只要使能，即使INT2引腳被配置為輸出，只要引腳電平發(fā)生了相應(yīng)的變化，中斷可產(chǎn)生。圖28通用中斷標(biāo)志寄存器GIFRBIT7INTF1外部中斷標(biāo)志1INT1引腳電平發(fā)生跳變時觸發(fā)中斷請求，并置位相應(yīng)的中斷標(biāo)志INTF1如果SREG的全局狀態(tài)中斷使能置位以及GICR寄存器相應(yīng)的中斷使能位INT1為1，MCU即跳到相應(yīng)的中斷向量。進(jìn)入中斷服務(wù)程序之后該標(biāo)志自動清零。BIT6INTF0外部中斷標(biāo)志0INT0引腳電平發(fā)生跳變時觸發(fā)中斷請求，并置位相應(yīng)的中斷標(biāo)志INTF0如果SREG的全局狀態(tài)中斷使能置位以及GICR寄存器相應(yīng)的中斷使能位INT1為1，MCU即跳到相應(yīng)的中斷向量。進(jìn)入中斷服務(wù)程序之后該標(biāo)志自動清零。BIT5INTF2外部中斷標(biāo)志2INT2引腳電平發(fā)生跳變時觸發(fā)中斷請求，并置位相應(yīng)的中斷標(biāo)志INTF2如果SREG的全局狀態(tài)中斷使能置位以及GICR寄存器相應(yīng)的中斷使能位INT1為1，MCU即跳到相應(yīng)的中斷向量。進(jìn)入中斷服務(wù)程序之后該標(biāo)志自動清零。注意，當(dāng)INT2中斷禁止進(jìn)入某些休眠模式時，該引腳的輸入緩沖將禁用。這會導(dǎo)致INTF2標(biāo)志設(shè)置信號的邏輯變化。222AVR單片機(jī)的I/O口設(shè)置作為通用數(shù)字I/O使用時，所有AVR的I/O端口都具有真正的讀修改寫的功能。這意味著用指令改變某些管教的方向（或者是端口電平，禁止/使能上拉電阻）時不會無意的改變其他管教的方向（或者是端口電平，禁止/使能上拉電阻）。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動能力，可以輸出和吸收大電流，直接驅(qū)動LED。所有的端口引腳都具有與電壓無關(guān)的上拉電阻。并有保護(hù)二極管與VCC和地相連。如圖29所示。圖29I/O引腳等效原理圖ATMEGA16的I/O口具有兩個功能。1作為通用數(shù)字I/O端口為具有可選上拉電阻的雙向I/O端口。圖210通用數(shù)字I/O口每個端口引腳都具有三個寄存器位DDRXN，PORTXN和PINXN。DDXN位于DDRX寄存器，PORTXN位于PORTX寄存器，PINXN位于PINX寄存器。DDXN用來選擇引腳的方向。DDXN為1時，PXN配置為輸出。否則配置為輸入。引腳配置為輸入時，若PORTXN為1，上拉電阻將使能。如果需要關(guān)閉這個上拉電阻，可將PORTXN清零，或者將這個引腳配置為輸出。復(fù)位時各引腳為高阻態(tài)，即使此時并沒有時鐘在運(yùn)行。端口引腳配置說明圖圖211端口引腳配置2I/O端口的第二功能除了通用數(shù)字I/O口功能之外，大多數(shù)端口引腳都具有第二功能。下面分別介紹I/O口第二功能。端口A的第二功能（圖212）圖212端口A的第二功能端口B的第二功能（圖213）圖213端口B的第二功能端口C的第二功能（圖214）圖214端口C的第二功能端口D的第二功能（圖215）圖215端口D的第二功能第三章系統(tǒng)的硬件組成31瓦力機(jī)器人視覺系統(tǒng)在此設(shè)計中,我們僅要求機(jī)器人發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo),不需要識別目標(biāo)。因此采用最常用的紅外線反射傳感器來作為機(jī)器人的視覺功能,檢測機(jī)器人前方是否有目標(biāo)。該功能的實(shí)現(xiàn)采用的是兩個型號為TX05D的紅外線反射傳感器。TX05D常用的紅外反射式接近開關(guān),它內(nèi)部有一紅外線發(fā)射管和一紅外線接收管。發(fā)射管發(fā)出紅外線,如果其正前方?jīng)]有物體,那么接收管接收不到紅外線反饋信號。當(dāng)前方出現(xiàn)物體時,紅外線信號經(jīng)過物體被反射了回來,這時接收管接收到信號,向單片機(jī)發(fā)出高電平信號,以告知單片機(jī)其前方出現(xiàn)障礙物。兩個紅外線傳感器安裝在機(jī)器人前方的兩側(cè),在機(jī)器人工作時,兩個傳感器始終向外發(fā)射紅外線探測信號,當(dāng)其中一個傳感器接收到反饋信號時,便向單片機(jī)發(fā)出高電平信號,告知單片機(jī)該方向發(fā)現(xiàn)目標(biāo),單片機(jī)經(jīng)過判斷后,控制電動機(jī)向該方向轉(zhuǎn)向,以實(shí)現(xiàn)跟蹤功能，控制舵機(jī)使機(jī)器人的身體先該方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩個傳感器都感應(yīng)到目標(biāo)時,機(jī)器人便向著目標(biāo)直著前進(jìn),直到撞上目標(biāo)，并且舵機(jī)不會控制身體旋轉(zhuǎn)。傳感器的電路原理圖如下圖31傳感器的電路原理圖32瓦力機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)321運(yùn)動系統(tǒng)的概述當(dāng)你逐步建造好一個可移動的機(jī)器人時，為了驅(qū)動它，就需要考慮機(jī)器人的一些物理特性。包括其形狀、體積、重量以及驅(qū)動方式。這里主要討論設(shè)計機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)所涉及的各種原則、建議和注意事項(xiàng)。由于運(yùn)動系統(tǒng)直接與機(jī)器人的骨架有關(guān)，所以討論也涉及骨架結(jié)構(gòu)、重量以及重量分布情況。首要問題重量如果機(jī)器人的重量相對于其骨架或其驅(qū)動系統(tǒng)來說過重，或者運(yùn)動系統(tǒng)不能提供足夠的穩(wěn)定性，都會極大地妨害你的機(jī)器人發(fā)揮作用。因此機(jī)器人的重量輕一些是必要的。大多數(shù)個人機(jī)器人的重量在20磅（1磅09斤）以下，有一些在10磅以下。重量是影響機(jī)器人運(yùn)動的最重要的因素之一。較重的機(jī)器人就需要大功率的馬達(dá)和高能量的電池驅(qū)動，而這兩者又要使機(jī)器人增加更大的重量。因此機(jī)器人經(jīng)常僅僅由于需要運(yùn)動而超重。當(dāng)然，某些為完成重型工作而設(shè)計的機(jī)器人，也常常需要一定的尺寸和重量才能完成預(yù)定的工作。這一點(diǎn)在設(shè)計時也應(yīng)該考慮到。成為機(jī)器人重量來源的主要部件如下按典型值，降序排列電池；驅(qū)動馬達(dá)；骨架。12V的電池包重約1磅，大容量鉛酸電池可能重約58磅。較重的馬達(dá)要靠移動電池的位置來平衡。而越大、越強(qiáng)的馬達(dá)就越重，因?yàn)樗鼈儽仨氂媒饘僦圃?，并且使用較重的襯套。正是這些部件使得機(jī)器人變得超重而且昂貴。一、減少重量的秘訣如果你覺得機(jī)器人太重了，想要它減肥，可以先從電池開始。在提供同樣電流時，鎳一鎘和鎳一氫電池的重量比相應(yīng)的鉛一鋅電池輕得多。而且，由于自身重量減輕，鎳一鎘或鎳一氫電池不需要釋放同樣的安培/小時，所以電池數(shù)目也可以減少。如果必須使用鉛酸電池，也要認(rèn)真考慮是否真的需要所選定的電池容量和型號。比如，可否安裝較小的，安一時數(shù)少的電池，以減輕重量。當(dāng)然，這樣以來可能需要更經(jīng)常地充電。一般充電間隔在601加分鐘比較合適。如果機(jī)器人需要較長的連續(xù)工作時間，而又希望減輕重量。可以考慮采用更換式電池子系統(tǒng)。即將電池組放在便于更換的地方。在電池放完電后，立即用充好電的電池組更換它，而將用過的電池拿去充電。好在小型、低容量的電池比大容量的電池便宜得多，可以用買一個大電池的錢買好幾個小電池。制造機(jī)器人時，常常是根據(jù)功率和價格而不是根據(jù)重量和構(gòu)造來選擇馬達(dá)的。事實(shí)上，很多機(jī)器人是圍繞馬達(dá)來進(jìn)行設(shè)計的。馬達(dá)選定后，再跟據(jù)它設(shè)計骨架，配上適當(dāng)?shù)碾姵?。因此，對于馬達(dá)選擇給予更多的注意是很重要的。要避免選擇功率大大超過機(jī)器人需要的馬達(dá)。因?yàn)榇蠊β实鸟R達(dá)會給機(jī)器人增加多余的重量，還需要較大功率因此也較沉的電池去驅(qū)動它。二、注意骨架的重量機(jī)器人的骨架結(jié)構(gòu)能夠明顯地增加其重量。一個18平方英寸，2英尺高的由鋁型材和塑料板組成的機(jī)器人骨架，重量可能會超過20磅。而木制的同樣大小同樣強(qiáng)度的機(jī)器人骨架可能更重。必須設(shè)法在不損害其強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量減輕機(jī)器人的重量。這可以通過選擇不同的材料和使用不同的結(jié)構(gòu)技術(shù)來做到。例如不使用實(shí)心的鋁板做框架的底版，而采用帶橫梁的框架結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)穩(wěn)定性。將電池、馬達(dá)安裝在鋁橫梁上。如果需要一個平面來安裝部件，可以增加一塊薄的塑料板，用來安裝電路板、傳感器及其他較輕的元件。除了鋁和塑料之外也可以使用金屬材料，如鐵或銅板、桿或管。這些材料很容易在業(yè)余商店買到，而且強(qiáng)度較高。但是，它們的比重大大高于鋁和塑料。所以，除非機(jī)器人需要提高強(qiáng)度，否則應(yīng)避免使用，因?yàn)樗鼈儠蟠笤黾訖C(jī)器人的重量。普通丙烯塑料材料比較致密，因此也比較沉。重量較輕的塑料材料有用于水管的ABS、PVC類塑料，但一般不太容易買到?？梢栽诖笮退芰吓l(fā)商店找到專用的桿、管或板材。這些材料重量很輕，強(qiáng)度又較高。還有一類帶有泡沫內(nèi)芯和光滑表面的復(fù)合塑料板，十分適用。但選用各種塑料材料時，必須首先考慮相應(yīng)的黏結(jié)材料，以便組裝。運(yùn)動方式的討論機(jī)器人從A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)的過程稱作運(yùn)動。機(jī)器人可以采用各種方式運(yùn)動。其中最為普通的是輪子和履帶，帶腿的機(jī)器人也常見到。在此討論各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，供設(shè)計時參考一、輪式或履帶式運(yùn)動車輪和小尺寸的履帶是機(jī)器人運(yùn)動的最普通方式。而對于機(jī)器人運(yùn)動來說，輪子比其他方式更好。下面列出一些在設(shè)計中需要遵循的原理輪子越寬，機(jī)器人越容易保持原方向。使用非常窄的輪子，機(jī)器人就會有轉(zhuǎn)向一邊或另一邊的傾向，走出一條曲線而非直線。反之，如果機(jī)器人輪子太寬，由于接觸地面區(qū)域過大而增加摩擦力，所以可能妨害機(jī)器人作平滑的轉(zhuǎn)彎。在機(jī)器人的兩側(cè)放置兩個驅(qū)動輪并且在后部放置一個或兩個小腳輪，就可以提供全部的靈活性。這也是最普通的驅(qū)動輪配置方式。履帶在轉(zhuǎn)向時依賴于滑動所以最好應(yīng)用于松土類的地面上，比較容易轉(zhuǎn)向。每側(cè)裝有4個或更多的車輪的機(jī)器人功能更像履帶，在拐小彎時，車輪要經(jīng)受明顯的滑動，因此在任何表面上都會增加摩擦力。你應(yīng)該根據(jù)機(jī)器人所要使用的地面來選擇車輪的材料。橡膠和塑料是最常用的選擇，它們對于大多數(shù)表面都能產(chǎn)生足夠的抓緊力。塑料輪胎比較輕，但在硬的表面如磚、硬木地板上不能很好地滑動。二、有腿機(jī)器人的運(yùn)動由于有了智能微處理器和低價無線控制RC伺服系統(tǒng)可以利用。所以有腿的機(jī)器人已經(jīng)成為普通的形式。但建造有腿機(jī)器人需要更為精細(xì)的結(jié)構(gòu)，成本也更高。即使是最基本的6腿機(jī)器人，也至少需要23個伺服系統(tǒng)。而某些6或8腿機(jī)器人的設(shè)計，要用12個或更多的馬達(dá)。而每個伺服系統(tǒng)約需12美元，這使得消耗大幅上升。顯然，在最初設(shè)計時就應(yīng)該決定腿的數(shù)量。一條腿或兩條腿的機(jī)器人建造起來最困難。因?yàn)殡y以保持平衡，這里不加討論。最為普通的是有6或8條腿的機(jī)器人。靜止時，6條腿可以提供靜態(tài)平衡。運(yùn)動時，任何時候都至少有3條腿接觸地面，組成穩(wěn)定的3腳支撐，能夠保證機(jī)器人不會倒下。機(jī)器人有4條腿時，既可以每次動一條腿，其他3條腿接觸地面，以保持平衡。也可以每次動兩條腿，另兩條腿站在地面上，保持動態(tài)平衡。動態(tài)平衡一般通過移動機(jī)器人的一部分重量如頭或手臂，以便恢復(fù)機(jī)器人的重心來實(shí)現(xiàn)。每走一步，平衡中心都要重新分配重量，以防止機(jī)器人摔倒。動態(tài)平衡的算法和實(shí)現(xiàn)算法的機(jī)械都比較復(fù)雜，所以4腿機(jī)器人很難操縱。除非為每條腿增加關(guān)節(jié)，或者將機(jī)器人的身體分為多節(jié)，像城市公共汽車一樣。與機(jī)器人的身體相比，腿的結(jié)構(gòu)在設(shè)計中常常被忽視。典型的6腿機(jī)器人具有6條相同的腿。但是它所要模仿的6腿爬行昆蟲實(shí)際上具有6條不同長度，不同功能的腿。例如昆蟲的后腿常常比較長，適合于向后推；前腿的結(jié)構(gòu)則適合于攜帶物品、作戰(zhàn)和走路。如果希望你的機(jī)器人的腿部設(shè)計與昆蟲類似，就需要觀察有關(guān)昆蟲的腿部構(gòu)造和關(guān)節(jié)連接方式。因?yàn)槔ハx已經(jīng)進(jìn)化了幾百萬年，體現(xiàn)了非常先進(jìn)的生物工程原理。三轉(zhuǎn)向控制方法可以有幾種方法來控制機(jī)器人的方向。下面討論幾種最常用的方法1、差動轉(zhuǎn)向?qū)τ谳喪交蚵膸降臋C(jī)器人，差動轉(zhuǎn)向是一種最為普通的轉(zhuǎn)向控制方法。這種方法類似于坦克的駕駛方法。一側(cè)的輪子或履帶停止或反轉(zhuǎn)，同時另一側(cè)繼續(xù)保持前進(jìn)狀態(tài)，結(jié)果機(jī)器人將轉(zhuǎn)向輪子停止的方向。由于摩擦力影響，差動轉(zhuǎn)向?qū)τ趦奢嗱?qū)動的機(jī)器人系統(tǒng)最為適宜。因?yàn)檫^多的輪子相橡膠履帶一樣，在轉(zhuǎn)彎時會增加摩擦。此時，機(jī)器人將繞著同側(cè)兩個輪子中間的一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。如果使用履帶驅(qū)動，要選擇一種摩擦力相對較低的材料制作履帶。如布或硅橡膠。非常軟的橡膠履帶在光滑的地面上不能很好地轉(zhuǎn)向。如果無法改造，只能通過履帶反轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)向，這樣可以減少摩擦力。底座一雙輪被緊緊放在一起。如果它們放得比較遠(yuǎn)，機(jī)器人就不容易轉(zhuǎn)彎。2、汽車式轉(zhuǎn)向像汽車一樣，在前方安裝轉(zhuǎn)向輪是機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制的一種方法。汽車式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不像差動轉(zhuǎn)向那么靈活。但更為適于室外使用的機(jī)器人。特別是在松土地上駕駛。而且如果轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)向軸的內(nèi)側(cè)，就比在外側(cè)可以獲得更大的推力，并且轉(zhuǎn)向更精確。這種技術(shù)稱作AKEMMN轉(zhuǎn)向，常在大多數(shù)汽車而非機(jī)器人上看到。3輪轉(zhuǎn)向控制差動轉(zhuǎn)向的最大缺點(diǎn)是如果有一個輪子稍慢一點(diǎn)，機(jī)器人就會自動轉(zhuǎn)彎。當(dāng)然，你可以通過監(jiān)控兩個馬達(dá)的速度來對此加以補(bǔ)償，確保兩輪子同速旋轉(zhuǎn)。但這一般需要一臺控制用的計算機(jī)，還要增添機(jī)械和電子元件來傳送輪子速度的數(shù)據(jù)，開銷較大。上面討論的汽車式轉(zhuǎn)向是一種避免由于馬達(dá)速度不同而引起偏斜的簡單方法。因?yàn)闄C(jī)器人僅僅依靠一臺馬達(dá)來驅(qū)動。但是，汽車式轉(zhuǎn)彎方式用作室內(nèi)運(yùn)動的機(jī)器人，顯得十分笨重。更好的方案是用一個馬達(dá)來驅(qū)動尾部的兩個輪子，而在前面專設(shè)一個轉(zhuǎn)向輪。這樣的結(jié)構(gòu)就像孩子們的小三輪車，這樣的機(jī)器人可以在僅比本身寬度稍大的圓中轉(zhuǎn)彎。但要注意機(jī)器人的輪距，輪距過短會造成轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性差，機(jī)器人可能朝與轉(zhuǎn)彎相反的方向摔倒。機(jī)器人瓦力是采用履帶式行走方式，用2個減速設(shè)置的電機(jī)來控制，采用PWM電機(jī)驅(qū)動方式。322L298電機(jī)驅(qū)動芯片機(jī)器人瓦力是依靠電機(jī)驅(qū)動芯片L298來控制完成的。L298是專門控制電機(jī)的。在此給予介紹。圖32L298電機(jī)驅(qū)動芯片L298是SGS通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳MULTIWATT封裝的L298，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)。其引腳排列如下圖中所示。L298的引腳9為LOGICSUPPLYVOLTAGEVSS，即邏輯供應(yīng)電壓。引腳4為SUPPLYVOLTAGEVS，即驅(qū)動部分輸入電壓。VSS電壓要求輸入最小電壓為45V，最大可達(dá)36V；VS電壓最大值也是36V，但經(jīng)過我的實(shí)驗(yàn)，VS電壓應(yīng)該比VSS電壓高，否則有時會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。它的引腳2，3，13，14為L298芯片輸入到電動機(jī)的輸出端，其中引腳2和3能控制兩相電機(jī)，對于直流電動機(jī)，即可控制一個電動機(jī)。同理，引腳13和14也可控制一個直流電動機(jī)。引腳6和11腳為電動機(jī)的使能接線腳。引腳5，7，10，12為單片機(jī)輸入到L298芯片的輸入引腳。下表是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系表31L298邏輯關(guān)系表控制使能引腳ENA或者ENB就可以實(shí)現(xiàn)PWM脈寬速度調(diào)整。1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號，也可以直接接地。在可設(shè)計中就將它們直接接地。引腳8為芯片的接地引腳，它與L298N芯片的散熱片連接在一起。由于本芯片的工作電流比較大，發(fā)熱量也比較大，所以在本芯片的散熱片上又連接了一塊鋁合金，以增大