1、摘要摘要智能机器人被人们称为第三代机器人，是能利用感觉和识别功能做决策行动的机器人。本文以慧鱼创意组合模型为平台，设计出一种智能机器人循迹边界识别小车。小车利用微动开关检测边界，利用光电管进行循迹。小车采用慧鱼智能接口板进行控制，用直流电动机驱动。该智能小车的机械结构可以实现反复拆装，无限组合。控制软件为 ROBO Pro，控制机器人完成一系列复杂动作：如寻找轨迹沿轨迹行走遇到边界停止回避边界继续寻找轨迹继续沿轨迹行走等。本文首先对小车的总体结构进行分析，确定驱动方案和传动方案，然后按照模块化设计方法组装搭建小车结构，最后对智能小车的循迹和边界识别的控制系统进行了研究，完成了智能小车硬件设计及
2、软件设计，成功实现了主动循迹和边界识别功能。关键词 ：智能机器人 慧鱼 循迹 边界识别ITitle Tracking and boundary identification of the smart carAbstractIntelligent robots are known as the third-generation robot, it is able to utilize to feel and identify decision-making action. In this paper, the creative combination of Fischertechnik mode
3、l as a platform to design an intelligent robot - car tracking to avoid the cliff. Car use micro-switches test the cliff and use photocell cell for tracking. The cars adopt Fischertechnik Intelligent board with two DC motor drive. The intelligent cars mechanical structure can be repeated disassembly,
4、 infinite combinations. Control system can identify ROBO PRO as the core. Such as the searching for the track、walking along the tracks、stopping to face cliff、avoiding the cliff 、continuing to look for the track and continuing to walk along the track. In this paper, the first analysis the overall str
5、ucture of the car to determine the driver program and drive program, establish the car in accordance with the method of modular design structure and finally research the car control system. In this paper, study the smart car tracking and avoiding the cliff, completed the Smart car hardware productio
6、n and software design, and successfully implemented the function of tracking and avoiding the cliff.Keywords : Robot; Fischertechnik ; Tour Line; Boundary identification- II -目录目录-IV-摘要IABSTRACTII第 1 章 绪论11.1 选题背景及意义11.2 国内外机器人的发展现状21.3 慧鱼机器人的前景3第 2 章 智能小车的总体设计52.1 智能小车实现功能52.1.1 边界识别功能62.1.2 循迹功能62
7、.1.3 循迹加边界识别功能62.2 小车驱动方案的对比分析及选择62.3 智能小车传动方案的对比分析及选择72.4 小车控制系统的总体设计72.5 循迹边界识别小车总体设计简图82.6 本章小结9第 3 章 智能循线避障机器人结构设计103.1 硬件设计103.2 硬件的选择103.3 智能车本体结构133.3.1 机器人各部分设计133.3.2 机器人硬件安装143.4 小结15第 4 章 智能小车的软件设计164.1 软件设计实现要求164.2 控制程序模块化164.3 主程序174.4 边界识别子程序17边界返回方法的最优化184.5 寻找轨迹子程序194.6 进、后退、停止、左右转子
8、程序204.7 沿轨迹行走子程序204.8 LLWIN3.0 控制系统的调试214.8.1 调试前的准备工作214.8.2 程序调试224.8.3 运行结果224.9 小结22结论23致谢24参考文献251.1 选题背景及意义第 1 章 绪 论第 1 章 绪论- 9 - “慧鱼创意组合模型”又称“工程积木”，“智慧魔方”，简称“慧鱼”。它是由德国发明家 Artur Fisher 博士于 1964 年发明的。它具有一般机械所具有的零部件，如齿轮、电机、电气开关等，通过声、光、电和辅助技术的配合， 能够模拟各种机械运动和机械设备的自动控制，而且有比较真实的功能1。慧鱼创意组合模型是对各种工业机器人
9、的模型，通过对模型的仿真来实现机器人的设计工作。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。国际标准化组织（ISO）对机器人的定义:机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务2。工业机器人是机器人的主要研究类型，它并不是简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上来说，机器人是机器进化过
10、程的产物，是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业机器人由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动设备，适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定和提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着重要的作用。从 20 世纪 80 年代以来，机器人技术的不断进步，其在各个领域的应用日益广泛，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开 发和研究列入国家高新技术发展计划。世界各国普遍在高等院校为大学本科生 及研究生开设机器人技术的有关
11、课程。为了培养机器人开发、设计、生产、维 护方面的人才，我国很多高校也为本科生和研究生开设了机器人学课程。因此， 教学型机器人越来越受到科研单位以及高校的重视。教育机器人是一类应用于 教育领域的机器人，它一般具备以下特点：首先是教学适用性，符合教学使用 的相关需求；其次是具有良好的性能价格比，特定的教学用户群决定了其价位 不能过高；再次就是它的开放性和可扩展性，可以根据需要方便地增、减功能 模块，进行自主创新；此外它还应当有友好的人机交互界面3。目前国内的教 育机器人产品近 20 种，包括上海广茂达公司生产的能力风暴智能机器人、西觅亚科技生产的乐高机器人、慧鱼公司生产的慧鱼机器人等。1.2 国
12、内外机器人的发展现状机器人从 20 世纪 50 年代诞生以来，在短短的 50 多年里得到了迅速的发展，经历了第一代工业机器人的研究、实用化和普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。第三代机器人， 也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成任务。知思维和人机通讯的这种功能和机能，目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们科学技术的不断发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽泛4。1954 年， 美国的 Geo
13、rge.Devol 首先把远程控制器的杆结构与数控铣床的伺服轴结合起来， 研制出了第一台通用机械手。这种机械手可以通过让其沿一系列点运动，将运 动位置以数字形式存储起来，动作执行时，使伺服系统驱动机械手各关节轴来 再现这些位置，从而让机械手完成一些简单的工作。正是由于这个机械手具有 了编程示教再现功能，因此许多人把它作为现代工业机器人产生的标志5。在 随后的生产应用中，为了适应各种不同用途需要，相继出现了直角坐标、关节 坐标、极坐标等许多种不同结构的机器人。与第一代示教再现型机器人不同， 第二代机器人是具有感觉功能的适应控制机器人。这种机器人带有传感器，能 感知环境和对象的情况以控制自身动作的
14、变化。智能机器人的研究是一个艰巨 而又广泛的问题，随着研究的不断深入，相关科学的飞速发展，智能机器人在 不久的将来一定会出现。据 UNECE(联合国欧洲经济委员会)和 IFR(国际机器人联合会)统计，从 20 世纪 70 年代起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入 90 年代，机器人产品发展速度加快，年销售量增长率平均在 10左右；2004 年增长率达到了创记录的 20，其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，增长436-8。我国的机器人研究开发工作始于上世纪 70 年代初，到现在已经历了30 多年的历程。前 10 年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985 年后开始列
15、入国家有关计划，发展比较快。特别是在“七五”、“八五”、“九五”机器人技术国家攻关和“863”高技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大发展。在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。在机器人操作机研制方面：已开发出一些先进的操作机和特种机器人，如自动导引车 AGV，壁面爬行机器人，重复定位精度为0.024mm 的装配机器第 1 章 绪 论人；可潜入海底 6000m 的水下机器人
16、，移动遥控机器人，主从操作机器人等， 有些已达实用化水平并用于实际工程。在机器人的应用工程方面：目前国内已 建立了多条弧焊机器人生产线，装配机器人生产线，喷涂生产线和焊装生产线。国内的机器人技术研发力量已经具备了大型机器人工程设计和实施的能力，整 体性能已达到国际同类产品的先进水平，而整体价格仅为国外同类产品的三分 之二甚至一半，具有很好的性能价格比和市场竞争力9-11。综上所述，我国机 器人发展已跨过了起步阶段，走上了进步和发展的道路。今后的任务是把机器 人技术推广到更多的工业自动化生产领域和其他更广泛的应用领域，大力开展 跨国区域交流合作，与国际接轨，早日跻身于世界先进行列。目前我们国家比
17、较有代表性的研究有：工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在着很大的差距，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们还是取得了很多有特色的研究成就12。随着电子技术和计算机技术的发生，PLC 的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%13。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域， 在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS
18、系统14。近年，工业计算机技术（IPC）和现场总线技术（FCS）发展迅速，挤占了一部分 PLC 市场，PLC 增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的15。1.3 慧鱼机器人的前景慧鱼创意组合模型主要提供组合包、培训模型、工业模型三大系列。集能源（包括太阳能）、机械、液压、气动、遥控、自控、程控等多种学科知识于一身，利用工业标准的基本构件（机械元件、电气元件、气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实践分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水
19、线可行性论证提供了可能16。“慧鱼理想教具”作为广大用户和各方面的创新教育专家所给予 慧鱼模型的评价和期许，慧鱼模型就是利用 “六面可拼接体”这种开放的零件， 来构建或者模拟现实发挥你的创意，来完成机电一体化的工业设计为主的模型组建。慧鱼创意组合模型已在欧洲和美洲的各大、中专学校广泛应用。它进入中国市场以来，也在清华大学、同济大学、浙江大学等众多高校中日益广泛应用，它以浓厚的趣味性、创新性和教学过程中的启发性，使学生能够很直观地把抽象复杂的理论通过模 型运动及其控制得以实现。采用该 模型进行试验教学能够培养和提高学生 的学习热情，大大激发了学生的创新意识， 提高了动手能力，较好的解决学生在学习
20、过程中书本知识与实践脱节的问题， 对于学生理解机械运动及机械设备工业控制具有很大的益处，是很好的机电一体化教学模型。 相信慧鱼会成为中国创新教育的理想教具 17。第 2 章 智能小车的总体设计第 2 章 智能小车的总体设计本课题所研究的循迹边界识别智能小车系统是一个典型的机电一体化系统。所谓的机电一化系统是指在系统的主功能、信息处理功能和控制功能等方面引了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以及软件等有机结合构成的系统，即机械、执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下以系统的观点进行组合而形成的一种新型机械系统。机电一体化系统由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成。
21、这三大 部分可分为驱动系统、机械结构系统、感受系统、智能小车环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统。该智能小车的设计就是依据机电体一化 系统的组成原则进行的。驱动系统机械结构系统感受系统控制系统图 2-1 循迹边界识别小车的系统组成2.1 智能小车实现功能本课题所研究的智能小车按功能可分为循迹功能和边界识别功能。循迹功 能可细分为寻找轨迹和循迹前进，边界识别功能可细分为边界识别和边界返回。智能小车主要任务要求为：先寻找轨迹沿轨迹行走遇到边界停止回避边 界继续寻找轨迹继续沿轨迹行走。本课题难点在于循迹功能和边界识别功 能的有机结合。智能小车实现功能分类如图 2-2。智能小车实现功能分类循
22、迹功能边界识别功能 寻找轨迹循迹前进边界分类边界返回图 2-2 智能小车实现功能分类2.1.1 边界识别功能小车能自动识别边界及越过边界继续前进，完成一系列复杂动作如：边界识别小车后退指定方向旋转小车前进。2.1.2 循迹功能小车能主动跟踪循迹，完成一系列复杂动作如：寻找轨迹沿轨迹前进 判断是否偏离轨迹有偏离轨迹相应方向旋转继续前进。2.1.3 循迹加边界识别功能小车能同时完成循迹跟踪和边界识别，完成一系列复杂动作如：寻找轨迹沿轨迹行走遇到边界停止小车后退指定方向旋转小车前进继续寻找轨迹继续沿轨迹行走。2.2 小车驱动方案的对比分析及选择通常，小车的驱动方式有以下几类：（1） 气压驱动使用压力
23、通常在 0.40.6Mpa，最高可达 1Mpa。气压驱动主要优点是气源方便（一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气），驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低；缺点是功率质量比小，装置体积大，气源装置存在噪声问题，定位精度也不高。（2） 液压驱动系统的功率质量比大，驱动平稳，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速；缺点是易漏油，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用于要求输出力较大，运动速度较低的场合21。（3） 电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱 动负载，以获得要求的小车运动。由于具有易于控制、运动精度高、使用方便、成本低廉、驱动效率高、
24、不污染环境等诸多优点，电气驱动是最普遍，应用最 多的驱动方式。综合考虑各种驱动方式的优缺点，最后采用电气驱动。电动机根据输出形式分，可以分为旋转型和直线型。电动机在智能小车中应用时，应主要关注电动机的如下基本性能：能实现启动、停止、连续的正反转运行，且具有良好的响应特性；正转与反转时的特性相同，且运行特性稳定；维护容易，而且不用保养；具有良好的抗干扰能力，且相对于输出来说，体积小，重量轻。在小车中，采用比较多的是直流电动机。因为它可以达到很大的力矩，精第 2 章 智能小车的总体设计度高，加速迅速，可靠性高，在正反两个方向连续旋转运动平滑。因此，小车的前进、和后退及转弯都采用直流电动机。2.3
25、智能小车传动方案的对比分析及选择传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给智能小车的执行部件，以实现 各种预定的运动。目前常用的传动方式有：皮带轮传动、蜗轮蜗杆传动、齿轮 传动、谐波减速传动以及螺旋传动等。谐波齿轮传动具有体积小、结构紧凑、 效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小的 缺点。蜗轮蜗杆机构常用于要求有大的传动比且传动过程中要求机构自锁的场 合，这种方式安全性能高，但同样存在齿侧间隙，而且效率较低。皮带轮传动 可以实现过载保护，可是存在弹性滑动，和链传动一样使用一段时间后易松弛， 传动运转过程中还产生动载荷，因此常用于传动精度要求不高的场合。螺旋传 动是将回转
26、运动变换为直线运动的重要传动方式，有滑动螺旋传动和滚动螺旋 传动。滑动螺旋传动是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平稳、无噪 声、能够自锁，且螺旋升角较小但螺纹工艺性较差强度较低 。滚动螺旋传动的效率一般在 90以上，它不自锁，具有传动的可逆性 。但其结构复杂， 制造精度要求高， 成本高， 抗冲击性能差等原因不予考虑 。齿轮传动具有 结构紧凑、效率高的优点，适用于中等减速比传动。经过考虑直接使用齿轮传 动比较合适。小车精度要求不是很高，在满足性能要求的基础上应考虑到经济性要求。因此，小车传动选用齿轮传动，由两个 9V2.4 瓦大功率马达带动如图 23 所示。电机车轮图 2-3 小车驱动与传
27、动方案简图2.4 小车控制系统的总体设计采用 LLWin3.0 软件进行控制系统设计时，可以一边做硬件电路，一边编制控制程序，做好后再与设备联机调试，可以缩短工期，可靠性高。控制系统的应用设计一般应按照图 24 的几个步骤进行系统规划设计阶段是应用系统设计的关键阶段，应详细了解被控对象的全部功能，例如：机械部件的动作顺序、动作条件、动作完成时间，响应时间及如何在线模拟测试同时实现循迹和边界识别功能等。课题的难点在于如何使循迹与边界识别之间不发生冲突。软件设计硬件设计系统规划调整硬件NN是否符合要求Y现场运行并调试调整软件图 2-4 小车控制系统整体设计2.5 循迹边界识别小车总体设计简图按照任
28、务要求，小车需要具有循迹和边界识别两个功能。边界识别功能要循迹装置 I7、I8、M3I3探测腿 I4电机 M1、M2接触开关 I1车轮万向轮I6I5图 2-5 循迹边界识别小车总体设计简图第 2 章 智能小车的总体设计求小车的四个方向都能识别并避开边界，所以小车的四个角都应装有边界识别装置，即探测腿。循迹功能则要求小车能够先找到轨迹，再沿着该轨迹行走。因此轨迹探测装置装在小车的头部正下方。循迹边界识别小车总体设计如图 2-5 所示。2.6 本章小结本章根据智能小车的任务要求，从智能小车本体结构和控制方法对比分析入手，初步确定智能小车的运动形式、驱动方案、传动方案和控制方案，并设计出小车的总设计
29、简图。第 3 章 智能循线避障机器人结构设计机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，而感知导引线相当于给机器人一个视觉功能。智能循线和避障是基于智能导引小车系统，采用超声波距离传感器传感器判断并检测障碍物，采用轨迹传感器进行寻线。因此本章对智能小车的循线和避障进行了研究。3.1 硬件设计智能车采用履带驱动，前后各用一个直流双向电机驱动，调制两个轮子的转速从而达到控制转向的目的。将轨迹传感器装在车体前部的下方，当传感器I3检测到黑线的边界时，控制系统控制左轮电机减速，车向右修正，当车的右边传感器I4检测到黑线时，控制系统控制右轮电机减速，车向左修正，黑线在车体的中间时，传感
30、器一直检测到黑线，当偏离黑线时就开始修正，从而使小车沿着黑色的轨道行走。避障的原理和循线一样，在车头的前方装了超声波距离传感器，当传感器检测到障碍物时，智能车停止1S之后后退，经脉冲计数器设定的额定数值之后车体向左转，再通过脉冲计数器设定数值，到达数值之后继续前进，依次循环从而避开障碍物。3.2 硬件的选择和数字量输入返回1和0值不同，模拟量输入可以分辨连续的输入，所有的模拟量输入返回一个0-1023之间的值。而ROBO接口板有各种不同的模拟量输入接口来测量不同的物理量。具体来说，模拟量输入可以适应用来测量电阻， 测量电压和测量距离的不同的传感器如表3-1所示。通常的慧鱼传感器中，温度传感器和光电传感器将被测量装换成电阻值。所以必须将这些传感器接到AX和AY输入端。电压输入端A1和A2设计用来连接所有产生0到10V电压的传感器。在ROBO接口板上没有针对AV输入端的端口。它通常和接口板的电源电压相关联。距离传感器输入端D1和D2可以接到慧鱼特殊传感器，可以测量障碍物的距离。- 24 -第 3 章 智能循线避障机器人总体设计表 3-1 模拟量输入输入端输入类型测量范围A1,A2电压输入0-1023VAX,AY电阻输入0-5.5KD1,D2距离传感器输入Ca.0-50cmAV电源电压0-10V3.2.1 超声波距离传感器机器人避障的关键问题之一是在运动过程中如何利用传感
