淺談機(jī)器人設(shè)計(jì)方法

摘要：機(jī)器人是人類完成智能化中非常重要的工具，隨著時(shí)代的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)在世界有了一定的發(fā)展，甚至很多國家機(jī)器人已經(jīng)運(yùn)用到實(shí)際的生活中去。而機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法無疑是很多人非常感興趣的問題，因此本文針對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的探索。

關(guān)鍵詞機(jī)器人;設(shè)計(jì);方法

1.前言

縱觀人類的發(fā)展史，工具的進(jìn)步才能帶動(dòng)人類的文明，如今設(shè)計(jì)朝著智能化的方向在發(fā)展，機(jī)器人就是人類在發(fā)展智能化過程洪重要的產(chǎn)物，因此機(jī)器人常用的設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)師們必備的工具。

2.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景之下，工業(yè)現(xiàn)場所涉及到的重體力勞動(dòng)量不斷提升。當(dāng)中部分勞動(dòng)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)單單依靠人力是很難實(shí)現(xiàn)的。而為了良好的完成工業(yè)現(xiàn)場的相關(guān)生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)。就需要通過對(duì)機(jī)器人裝置的研究與應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件部分主要由5個(gè)模塊組成：控制模塊、循跡模塊、避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊。

（1）控制系統(tǒng)模塊。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，運(yùn)算速度快，具有多路PWM輸出，可將測速、避障等電路產(chǎn)生的輸入信號(hào)進(jìn)行處理，并輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)放大電路，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，此方式產(chǎn)生的PWM信號(hào)比用定時(shí)器中斷產(chǎn)生的PWM信號(hào)實(shí)時(shí)性更好，而且不會(huì)占用系統(tǒng)的定時(shí)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(dǎo)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(fā)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(duì)LED發(fā)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(huì)呈現(xiàn)不同的電壓Vx。Vx輸入到比較器LM339的同相端，并與電位器設(shè)定的電壓V0相比較，當(dāng)Vx>V0時(shí)，比較器輸出高電平，當(dāng)Vx循跡機(jī)器人前后兩端均是由7個(gè)灰度傳感器組成的循跡模塊。其中，中間三個(gè)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(gè)灰度傳感器交替進(jìn)行巡線和探測彎道。實(shí)驗(yàn)證明，這樣的灰度傳感器的布置圖，機(jī)器人循跡的效果好，且“性價(jià)比”非常高。

（3）避障模塊。避障模塊主要使用的是紅外發(fā)射接收傳感器，當(dāng)紅外感應(yīng)避障模塊靠近物體時(shí)，輸出低電平信號(hào);當(dāng)沒有感應(yīng)到物體時(shí)，輸出高電平信號(hào)。將該信號(hào)線接入到單片機(jī)的控制端口，控制程序就能起到探測障礙物的作用，當(dāng)在機(jī)器人行進(jìn)的路徑上就可以發(fā)現(xiàn)有障礙物并及時(shí)避開繞行。

（4）驅(qū)動(dòng)模塊。循跡避障機(jī)器人要求行走靈活、反應(yīng)快速，因此要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有“轉(zhuǎn)速快、制動(dòng)及時(shí)”等特點(diǎn)。我們?cè)O(shè)計(jì)制作的循跡避障機(jī)器人采用中鳴公司的JMP-BE-3508I驅(qū)動(dòng)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(jìn)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎的要求。并且電機(jī)速度達(dá)到500rpm，堵轉(zhuǎn)力矩為8KG.CM，具有很強(qiáng)的剎車功能。利用單片機(jī)的四路PWM輸出信號(hào)，分別控制四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速。并采用“四輪驅(qū)動(dòng)”、“差速轉(zhuǎn)彎”的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退與轉(zhuǎn)彎。

（5）電源模塊。循跡機(jī)器人的電源模塊主要實(shí)現(xiàn)以下三大功能：①穩(wěn)定輸出5V工作電壓。故我們?cè)O(shè)計(jì)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(jī)器人需要較大電流，所以我們使用了兩片7805芯片分別對(duì)控制系統(tǒng)和外部設(shè)備進(jìn)行供電。③濾波。在7805芯片的輸入、輸出端分別并聯(lián)104貼片電容和10μF的電解電容，過濾高頻、低頻信號(hào)。

3.軟硬件模塊開發(fā)流程和界面程序

（1）圖像處理模塊：照相機(jī)實(shí)時(shí)捕捉圖像，處理轉(zhuǎn)化后和初始圖像進(jìn)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(tǒng)通過以太網(wǎng)連接貝加萊控制器，控制器可以作客戶機(jī)或服務(wù)器實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，：定義結(jié)構(gòu)體用于視覺系統(tǒng)傳輸位姿給機(jī)器人和機(jī)器人實(shí)時(shí)反饋位姿和信號(hào)狀態(tài)數(shù)據(jù)給視覺系統(tǒng)。

（3）位置轉(zhuǎn)換模塊：把視覺系統(tǒng)的位姿轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的位姿傳輸給機(jī)器人，控制機(jī)器人運(yùn)行。

（4）軌跡規(guī)劃模塊：進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和速度規(guī)劃，根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前的位置和目標(biāo)位置，選擇最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)軌跡（直線、圓弧、不規(guī)則曲線等運(yùn)動(dòng)軌跡），然后對(duì)軌跡、速度進(jìn)行插補(bǔ)，插補(bǔ)值調(diào)用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)算法計(jì)算軌跡的可靠性，再把實(shí)時(shí)插補(bǔ)的位置、速度傳送給運(yùn)動(dòng)控制模塊。

（5）運(yùn)動(dòng)控制模塊：根據(jù)實(shí)時(shí)插補(bǔ)的值結(jié)合加速度、加加速度等控制參數(shù)給驅(qū)動(dòng)器。

（6）伺服模塊：根據(jù)控制器所發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)合各伺服控制參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)以最快響應(yīng)和速度運(yùn)行到各個(gè)位置。

4.機(jī)器人精度標(biāo)定和視覺軟件處理

4.1精度標(biāo)定

精度的標(biāo)定包括機(jī)器人精度標(biāo)定?和機(jī)器人相對(duì)于視覺照相機(jī)位置標(biāo)定?。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)前，需要用激光跟蹤儀標(biāo)定準(zhǔn)確各軸桿長、零點(diǎn)、減速比、耦合比等機(jī)械參數(shù)，給運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制器系統(tǒng)，機(jī)器人才能按理論軌跡運(yùn)行準(zhǔn)確。行到指定點(diǎn)。?通過三點(diǎn)法、六點(diǎn)法標(biāo)定機(jī)器人相對(duì)于視覺照相機(jī)的X、Y、Z方向距離給位置轉(zhuǎn)化模塊，確定機(jī)器人坐標(biāo)系相對(duì)于照相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

4.2視覺處理軟件

包括固定視覺系統(tǒng)標(biāo)定模塊和移動(dòng)視覺系統(tǒng)標(biāo)定模塊?。視覺系統(tǒng)安裝在固定位置相當(dāng)于給機(jī)器人建立照相機(jī)一個(gè)用戶坐標(biāo)系，此模塊用于運(yùn)算機(jī)器人和固定視覺系統(tǒng)之間位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系。視覺系統(tǒng)安裝在機(jī)器人末端法蘭位姿相當(dāng)于給機(jī)器人建立照相機(jī)一個(gè)工具坐標(biāo)系，隨著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而實(shí)時(shí)改變位置，此模塊用于運(yùn)算機(jī)器人和動(dòng)態(tài)視覺系統(tǒng)之間位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系。?實(shí)時(shí)處理傳輸機(jī)器人、視覺系統(tǒng)和以太網(wǎng)的運(yùn)行通信狀態(tài)以及出錯(cuò)狀態(tài)處理。

4.3人機(jī)界面設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)故障，不能自動(dòng)移動(dòng)位置時(shí)，比如碰到硬件限位或出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象時(shí)，此時(shí)可以進(jìn)入手動(dòng)頁面，選擇機(jī)器人操作，移動(dòng)機(jī)器人到指定位置。對(duì)于新建碼垛工藝線，需要配置系統(tǒng)參數(shù)、位置信息、以及產(chǎn)品參數(shù)，等必要的信息。碼垛數(shù)據(jù)編輯與創(chuàng)建的功能，產(chǎn)品覆蓋了袋子、箱子，以及可變數(shù)量抓取的功能?？梢蕴砑赢a(chǎn)品數(shù)量，改變產(chǎn)品方向，單步數(shù)量修改，產(chǎn)品位置移動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)等設(shè)置。本頁面中，示例生成了每層五包的袋裝產(chǎn)品，編號(hào)從1到5，可以通過調(diào)整編號(hào)的順序，達(dá)到改變產(chǎn)品的實(shí)際碼垛順序。

5.結(jié)束語

總之，在進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)設(shè)計(jì)的用途進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，對(duì)于設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題要及時(shí)的采用上述的思維方法進(jìn)行解決，隨著機(jī)器智能化的推廣，無疑機(jī)器人的設(shè)計(jì)在未來會(huì)有更廣闊的天空。

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作者簡介：

高世鑫（1992.02.16-），本科，邵陽學(xué)院機(jī)械系。