设计师论文范文看当前机器人设计管理的新应用措施及意义

　　摘要：机器人是一种在计算机控制下具有某些拟任功能的自动机器。机器人机械设计是机器人技术的一个重要方面。机器人机械设计与机器人伺服控制密切相关。本书围绕机器人机械设计的特点展开，内容包括：导论、机器人运动学设计和分析、机器人静力和动力分析、机器人位姿误差、机器人典型机械结构、机器人移动技术、步行机分析与设计、特殊表面移动机器人、关节伺服控制与关节传动的机电一体化设计、谐振、摩擦、空程、传动误差及其估算、关节伺服中的位置检测装置等。

　　关键词：机器人设计,机械工程,设计师论文发表

　　国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处!

　　为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基—梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。德国正研究开发“MOVEAND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。擂台机器人以“2009 中国机器人大赛武术擂台赛”为背景设计，目的在于促进智能机器人技术(尤其是自主识别、自主决策技术)的普及。参赛队需要在规则范围内以各自组装或者自制的自主机器人互相搏击，并争取在比赛中获胜。比赛中，两个使用自主行走的擂台赛机器人互相搏击并将对方打倒或者打下擂台。

　　1 机器人硬件设计

　　本设计是基于中国机器人大赛武术擂台赛项目要求，采用STM32 作为控制核心单元，通过传感器来实现感知功能，电机来实现行动功能。本文采用红外传感器电路实现对手检测和识别，灰度传感器实现自身位置识别系统，通过传感器系统的采集数据，处理返回到控制芯片，然后由控制芯片调控电机的正反转和加速、减速，实现机器人的前进后退，转弯功能。擂台赛机器人软件系统可以实现机器人进攻和防守策略，达到机器人比赛“保证自己在擂台上，将对方机器人击倒或挤下擂台”的目的。

　　1.1 系统总体设计

　　控制核心电路采用意法半导体的STM32 处理器，该处理器具有高速，片上资源丰富和外设强大的特点,能够很好的满足该设计要求的多种传感器协同运行并对采集信号快速判断决策的要求。STM32 系列32 位微控制器特性:基于ARM@Cortex TM-M3 内核、哈佛总线结构;DMA 控制器、单周期乘法指令、硬件除法指令;与ARM7 相比运行速度最多可快35%且代码最多可节省45% ; 72MHZ 主频运行的CPU; 2 个16 通道 12 位模数转换器，1 微秒的转换时间;高速通讯口：USB、USATR、CAN、SPI;带唤醒功能的低功耗模式、内部RC 震荡器、内置复位电路。

　　在机器人硬件结构上，由于机器人擂台赛的目的是在规定的场地上寻找对手，攻击对手，然后将对手推下擂台，因此在机器人的外形设计上要考虑到攻击和防守的因素。在重量上应该尽可能让机器人达到比赛规定的最大重量，这样可以有较好的稳定性。根据力矩的计算关系，机器人的外形设计成金字塔形，这样能够在受到攻击时，起到良好的防守功能。

　　根据擂台赛的要求，配以红外测距传感器，灰度传感器，通过两路PWM 控制两只电机以驱动灭火机器人。

　　1.2 系统电源部分

　　系统采用单电源供电电路时比较简单，但是考虑到电动机起动瞬间电流很大，会造成电源电压不稳，影响单片机和输入电路工作的稳定性和可靠性，因此采用双电源供电方案。将电机电源和单片机电源完全隔离。单片机以及传感器电路使用8V 供电，电动机使用12V 供电。提高电动机的供电电压，可以提高机器人的运行速度，从而可以提高比赛的成绩。

　　1.3 电机驱动部分

　　机器人需要控制在一个合适的速度行驶，在寻找对手的过程中既要以较快的速度找到对手，又要防止因为速度过快导致刹车失误，因此机器人的速度是有两只直流电机控制。L298驱动芯片是性能优越的小型直流电机驱动芯片之一。它可被用来驱动两个直流电机或者是双极性步进电机。在6—46V 的电压下，可以提供2A 的额定电流。L298 还有过热自动关断功能，并有反馈电流检测功能。为保证L298 正常工作，建议加装片外续流二极管[2]。

　　在机器人中我们采用脉宽调制方式来调整电机的转速和转向，脉宽调制时通过改变发出的脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压，也就是机器人提供给电机的信号是方波，通过不同方波的平均电压不同来改变电机转速。

　　在机器人的控制中，传感器就是机器人的眼睛和耳朵，机器人的所有行动都要通过传感器来反馈给机器人，从而让机器人能够正确合理的进行一系列的操作。在擂台机器人的设计中，因为首先要保证自己在场地上能够自如的运动，因此要用到灰度传感器来识别地面的颜色，使自己能够安全的在场上寻找对手而不掉下场地。灰度传感器在机器人小车的底部安装4 个，为了有最大范围的搜寻，因此灰度传感器应尽量靠近机器人的外边缘。为了寻找到对手，需要暗转红外测距传感器，建议前后各安装3 个，左右各安装一个，这样通前后的6个传感器，可以达到精确的定位，左右的测距传感器能够让机器人感知对手从而立刻调整方向攻击对手。

　　由于擂台机器人剧烈的运动和碰撞的因素，传感器的信号要进行很好的处理，才能达到精确的运算功能，这里我们采用了二阶有源滤波来实现对传感器信号的硬件处理[3]。

　　2 机器人软件设计

　　系统控制软件采用模块化设计，采用C 语言编写，主要完成传感器与机器人运动的控制，传感器返回数据的软件滤波处理，机器人智能控制的算法设计等工作。

　　2.1 传感器和机器人运动的控制

　　各种传感器由于原理不同需要控制核心STM32 处理器进行合理的控制。机器人运动依赖电机，良好的电机驱动程序可以对使机器人运动的又快又稳。因为比赛目的是保证机器人自身不离开擂台，并推下对手，所以运动控制程序关系到整个机器人的安危，格外重要[4]。

　　2.2 传感器返回数据的软件处理

　　传感器的种类原理不同使得控制方式和返回的信号类型不同，所以需要不同的采集方式，比如有的传感器返回的是模拟信号所以需要AD 转换再把数字信号再送给处理器处理。由于各种传感器因为摆放位置和运动震动等因素不可避免的使传感器的返回信号有抖动。由于抖动带来的误检测会对机器人的决策产生致命的危险，所以要对返回信号进行有效的处理尽最大可能消除抖动带来的误检测[5]。可以利用STM32 处理器的高速性能对传感器多次采集的数据做均值滤波来使得采集到信号误检测的概率降到最低。

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