淺談機器人設計方法

摘要：機器人是人類完成智能化中非常重要的工具，隨著時代的發展，機器人已經在世界有了一定的發展，甚至很多國家機器人已經運用到實際的生活中去。而機器人的設計方法無疑是很多人非常感興趣的問題，因此本文針對機器人的設計方法進行了詳細的探索。

關鍵詞機器人;設計;方法

1.前言

縱觀人類的發展史，工具的進步才能帶動人類的文明，如今設計朝著智能化的方向在發展，機器人就是人類在發展智能化過程洪重要的產物，因此機器人常用的設計方法是設計師們必備的工具。

2.控制系統的硬件設計

在現代科學技術不斷發展的背景之下，工業現場所涉及到的重體力勞動量不斷提升。當中部分勞動任務的實現單單依靠人力是很難實現的。而為了良好的完成工業現場的相關生產作業任務。就需要通過對機器人裝置的研究與應用來實現機器人控制系統的硬件部分主要由5個模塊組成：控制模塊、循跡模塊、避障模塊、電機驅動模塊、電源模塊。

（1）控制系統模塊。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，運算速度快，具有多路PWM輸出，可將測速、避障等電路產生的輸入信號進行處理，并輸出控制信號給驅動放大電路，從而控制電機轉速，此方式產生的PWM信號比用定時器中斷產生的PWM信號實時性更好，而且不會占用系統的定時器資源。

（2）循跡模塊。循跡是指小車在比賽場地上循白色引導線線行走，循跡模塊的原理圖如圖2所示。循跡模塊采用灰度傳感器，發射管為普通LED燈，接收管為光敏三極管3DU33。工作原理為：不同顏色的物體對LED發射光反射不同的亮度，光敏三極管3DU33接收這些不同亮度的光線，就會呈現不同的電壓Vx。Vx輸入到比較器LM339的同相端，并與電位器設定的電壓V0相比較，當Vx>V0時，比較器輸出高電平，當Vx循跡機器人前后兩端均是由7個灰度傳感器組成的循跡模塊。其中，中間三個灰度傳感器起巡線的作用，兩端的灰度傳感器起探測彎道作用，剩下兩個灰度傳感器交替進行巡線和探測彎道。實驗證明，這樣的灰度傳感器的布置圖，機器人循跡的效果好，且“性價比”非常高。

（3）避障模塊。避障模塊主要使用的是紅外發射接收傳感器，當紅外感應避障模塊靠近物體時，輸出低電平信號;當沒有感應到物體時，輸出高電平信號。將該信號線接入到單片機的控制端口，控制程序就能起到探測障礙物的作用，當在機器人行進的路徑上就可以發現有障礙物并及時避開繞行。

（4）驅動模塊。循跡避障機器人要求行走靈活、反應快速，因此要求驅動電機具有“轉速快、制動及時”等特點。我們設計制作的循跡避障機器人采用中鳴公司的JMP-BE-3508I驅動板模塊，其輸入電壓為11V到24V，最大輸出電流為20A，滿足快速前進、制動、轉彎的要求。并且電機速度達到500rpm，堵轉力矩為8KG.CM，具有很強的剎車功能。利用單片機的四路PWM輸出信號，分別控制四個輪子的轉速。并采用“四輪驅動”、“差速轉彎”的方式實現機器人的前進、后退與轉彎。

（5）電源模塊。循跡機器人的電源模塊主要實現以下三大功能：①穩定輸出5V工作電壓。故我們設計制作的電源模塊以7805芯片為核心，把輸入電壓截止到5V。②提供足夠的電流。7805芯片最大輸出電流為1.5A，而循跡機器人需要較大電流，所以我們使用了兩片7805芯片分別對控制系統和外部設備進行供電。③濾波。在7805芯片的輸入、輸出端分別并聯104貼片電容和10μF的電解電容，過濾高頻、低頻信號。

3.軟硬件模塊開發流程和界面程序

（1）圖像處理模塊：照相機實時捕捉圖像，處理轉化后和初始圖像進行處理比較，找出圖像中差異的位置通過TCP傳輸。

（2）TCP通信模塊：視覺系統通過以太網連接貝加萊控制器，控制器可以作客戶機或服務器實時傳輸數據，：定義結構體用于視覺系統傳輸位姿給機器人和機器人實時反饋位姿和信號狀態數據給視覺系統。

（3）位置轉換模塊：把視覺系統的位姿轉換為機器人的位姿傳輸給機器人，控制機器人運行。

（4）軌跡規劃模塊：進行運動軌跡規劃和速度規劃，根據機器人當前的位置和目標位置，選擇最優的運動軌跡（直線、圓弧、不規則曲線等運動軌跡），然后對軌跡、速度進行插補，插補值調用機器人運動學算法計算軌跡的可靠性，再把實時插補的位置、速度傳送給運動控制模塊。

（5）運動控制模塊：根據實時插補的值結合加速度、加加速度等控制參數給驅動器。

（6）伺服模塊：根據控制器所發送數據，結合各伺服控制參數，驅動電機以最快響應和速度運行到各個位置。

4.機器人精度標定和視覺軟件處理

4.1精度標定

精度的標定包括機器人精度標定?和機器人相對于視覺照相機位置標定?。機器人運動前，需要用激光跟蹤儀標定準確各軸桿長、零點、減速比、耦合比等機械參數，給運動學、控制器系統，機器人才能按理論軌跡運行準確。行到指定點。?通過三點法、六點法標定機器人相對于視覺照相機的X、Y、Z方向距離給位置轉化模塊，確定機器人坐標系相對于照相機坐標系的轉化關系。

4.2視覺處理軟件

包括固定視覺系統標定模塊和移動視覺系統標定模塊?。視覺系統安裝在固定位置相當于給機器人建立照相機一個用戶坐標系，此模塊用于運算機器人和固定視覺系統之間位姿轉換關系。視覺系統安裝在機器人末端法蘭位姿相當于給機器人建立照相機一個工具坐標系，隨著機器人運動而實時改變位置，此模塊用于運算機器人和動態視覺系統之間位姿轉換關系。?實時處理傳輸機器人、視覺系統和以太網的運行通信狀態以及出錯狀態處理。

4.3人機界面設計及實現

當機器人出現故障，不能自動移動位置時，比如碰到硬件限位或出現碰撞現象時，此時可以進入手動頁面，選擇機器人操作，移動機器人到指定位置。對于新建碼垛工藝線，需要配置系統參數、位置信息、以及產品參數，等必要的信息。碼垛數據編輯與創建的功能，產品覆蓋了袋子、箱子，以及可變數量抓取的功能?？梢蕴砑赢a品數量，改變產品方向，單步數量修改，產品位置移動以及旋轉等設置。本頁面中，示例生成了每層五包的袋裝產品，編號從1到5，可以通過調整編號的順序，達到改變產品的實際碼垛順序。

5.結束語

總之，在進行機器人的設計過程中，要根據設計的用途進行針對性的設計，對于設計過程中出現的問題要及時的采用上述的思維方法進行解決，隨著機器智能化的推廣，無疑機器人的設計在未來會有更廣闊的天空。

參考文獻：

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作者簡介：

高世鑫（1992.02.16-），本科，邵陽學院機械系。