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简易机器人制作简易机器人制作华南师范大学 郑永驹2008年8月Email: 手机：137980037521一、概述n1、机器人的发展与应用n2、机器人的定义n3、课标有关本课程的大纲要求n4、广东版教材的体系结构21、机器人的发展与应用1954年，美国人（G.C.Devod）申请了工业机器人专利1958年，美国制造出第一台工业机器人半个世纪来，机器人技术得到高速发展，目前全世界机器人的保有量超过100万台，并以每年10万台的速度在增长。机器人以从单一的工业应用发展到许多领域：如军用、探险、医疗、服务等3简易机器人的结构与应用n简易机器人结构相对简单，价格便宜。一般分为控制与机械两大部分。机械包括机体结构、动力装置、传动机构和执行机构等；控制包括单片机（或嵌入式）系统及其软件、传感器及其电路、控制驱动电路等。4简易机器人的基本结构框图5对“简易”的理解与在现实生活各个领域服役的机器人比较，“简易机器人”有如下不同：“麻雀虽小，五脏俱全”。简易机器人满足机器人的几大基本特征，是专门为中学生科技制作度身定制的。比较项目简易机器人在役机器人应用场合教具、玩具各类产业领域体系结构单片机最小系统分层递阶系统、分布式系统控制系统单片机（8位）嵌入式、驱动芯片、软件开发资源丰富、单任务简单编程专用控制板或计算机（32位）、专用电机驱动单元、软件开发环境复杂和昂贵、多任务实时操作系统机械结构拼装、模型额定负载下满足刚度和强度传感器简单、廉价高质量、高水平、高价格环境室内、结构环境室外、非结构环境材料单一（ABS塑料）多种高强度、轻质材料重量/尺度小大62、机器人的定义、机器人的定义 目前世界上有关机器人的定义没有统一的答案。日本机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等七个特征的柔性机器。法国机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法为研究对象。国际标准化组织工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。中国机器人是一种自动化的机器，它具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种高度灵活的自动化机器。73、课标关于简易机器人制作的大纲要点n基于计算机技术的学习平台，将机械、电子和单片机的应用有机组合起来。通过本课程的学习，学生应该知道单片机和机械传动的基本知识，能设计与制作由单片机和传动机械等组成的简易自动控制机器或简单的自动控制系统。n课程由“单片机及其控制程序单片机及其控制程序”、“单片单片机与控制电路机与控制电路”、“单片机与传动机械单片机与传动机械”三个主题构成。n给学生提供了运用当代先进技术和先进思想方法进行设计、制作，以解决实际问题的机会。84、广东版教材体系结构n全书分为四章，第1、2、3章分别对应于课标的三个主题。第4章介绍应用有关机器人教具平台制作简易机器人的案例作为教学的参考。9二、教材涉及的知识与教法n1、简易机器人的控制核心：单片机的基本知识。n2、简易机器人的控制电路。n3、简易机器人的机械传动。n4、教具介绍。101、单片机基本知识内容提要n（1）、课标的要求n（2）、什么是单片机n（3）、单片机的特点及应用n（4）、单片机的内部基本结构n（5）、单片机的外引脚与最小应用系统n（6）、单片机的软件n（7）、设计与实践11（1）课标的要求1.1.知道单片机的特点和应用。（知道单片机的特点和应用。（知道单片机的特点和应用。（知道单片机的特点和应用。（第第1 1节节）2.2.知道单片机的基本组成及工作过程。（知道单片机的基本组成及工作过程。（知道单片机的基本组成及工作过程。（知道单片机的基本组成及工作过程。（第第第第2 2节节节节）3.3.知道单片机集成电路引脚的功能（知道单片机集成电路引脚的功能（知道单片机集成电路引脚的功能（知道单片机集成电路引脚的功能（第第第第3 3节节节节）。）。）。）。4.4.了解一种单片机的编程语言，掌握一种单片了解一种单片机的编程语言，掌握一种单片了解一种单片机的编程语言，掌握一种单片了解一种单片机的编程语言，掌握一种单片机常用的编程指令。（机常用的编程指令。（机常用的编程指令。（机常用的编程指令。（第第第第4 4节节节节）5.5.学会用指令编制简单的控制程序，并能根据学会用指令编制简单的控制程序，并能根据学会用指令编制简单的控制程序，并能根据学会用指令编制简单的控制程序，并能根据试验进行修正。（试验进行修正。（试验进行修正。（试验进行修正。（设计与实践设计与实践设计与实践设计与实践）6 6能操作单片机编程器将编写的程序烧结固能操作单片机编程器将编写的程序烧结固能操作单片机编程器将编写的程序烧结固能操作单片机编程器将编写的程序烧结固化。（化。（化。（化。（设计与实践设计与实践设计与实践设计与实践）1212（2）、什么是单片机：单片机全称单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer)，也称微控制器（Micro-Controller）。它是一片大规模的集成电路芯片。在这个芯片里集成了计算机的基本部件。包括中央处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、定时振荡器（时钟）和输入输出接口（I/O接口）等部件。一片芯片就相当于一个微型计算机，使用者只要将程序编写固化到芯片内，单片机一上电复位就能按程序执行，完成我们事先预定的任务。13（3）单片机的特点及应用n用软件取代硬件电路，实现微控技术。功能强、使用灵活、成本低。n体积小、功耗低，抗干扰能力强。n单片机的应用已渗透到各个领域，如各种设备的自动控制、智能仪器仪表、医疗器械、交通信号控制、汽车电子控制、导弹、导航、智能武器、军用机器人等。据报道：20世纪90年代初期，美国家庭平均拥有64个单片机，到2000年该拥有量已增至226个。由此可见单片机的广阔应用前景。14（4）单片机内部基本结构15（5）外引脚及最小应用系统n以AT89C2051为例16引脚功能说明引脚号功能引脚号功能1(RST)复位输入复位输入 20(VCC)工作电源引脚2(P3.0)I/O口线口线P3.0 19(P1.7)I/O口线口线P1.73(P3.1)I/O口线口线P3.118(P1.6)I/O口线口线P1.64(XTAL2)外接晶振引脚外接晶振引脚217(P1.5)I/O口线口线P1.55(XTAL1)外接晶振引脚外接晶振引脚116(P1.4)I/O口线口线P1.46(P3.2)I/O口线口线P3.215(P1.3)I/O口线口线P1.37(P3.3)I/O口线口线P3.314(P1.2)I/O口线口线P1.28(P3.4)I/O口线口线P3.413(P1.1)I/O口线口线P1.19(P3.5)I/O口线口线P3.512(P1.0)I/O口线口线P1.010(GND)接地引脚11(P3.7)I/O口线口线P3.717最小系统应用实例18（6）单片机的软件n机器语言、汇编语言、高级语言n机器语言是CPU能够直接识别并执行的最底层的语言，它由一些二进制代码组成。不同系列单片机其代码意义不相同。n汇编语言是用一些助记符来代替机器语言中的指令代码，它与机器指令一一对应同时又便于人们学习和记忆。n高级语言（如C语言、图形化语言等）是按一定的语法规则组成的，它更加符合人们的语言习惯，程序的可读性高，编程简单快捷并具有可移植性。n51系列单片机指令系统具有33种功能，7种寻址方式，共有111条基本指令。19亮点流动程序分析亮点流动程序分析 ORG 0000H START：MOV A，#11111110B;LOOP：MOV P1，A ACALL DELAY ；调延时子程序 RL A；A左移一位 SJMP LOOP；转回LOOP处再将A送P1口DELAY:：MOV R7,#80H L1:：MOV R6,#0FFH L2:：NOP NOP NOP NOP DJNZ R6,L2 DJNZ R7,L1 RET END20图形化语言n基于流程图的图形化语言n基于LabView的图形化语言21（7）设计与实践n教材在第一章第3节安排了一个实践活动，让学生制作一个单片机最小应用系统并编写程序烧写到单片机，最后运行观察结果并反复修改程序观察结果。22232425262、简易机器人的控制电路内容提要n（1）课标的要求n（2）简易机器人常用传感器。n（3）传感器与单片机的接口电路n（4）继电器与单片机的接口n（5）直流电动机的控制27（1）课标的要求n1.了解电子控制系统的基本组成了解电子控制系统的基本组成,知道单知道单片机是一种使用广泛的控制电路。片机是一种使用广泛的控制电路。n2.知道常见的传感器及其作用。知道常见的传感器及其作用。n3.了解继电器的结构和工作原理，并能了解继电器的结构和工作原理，并能掌握简单的使用方法。掌握简单的使用方法。n4.能用传感器、单片机和继电器等安装能用传感器、单片机和继电器等安装一个简单控制装置，并进行试验。一个简单控制装置，并进行试验。2829（2）简易机器人常用传感器n人通过五官感知外部环境的各种信息并传递到大脑，大脑综合分析判断各种信息后输出控制信号去控制肢体作出相应的动作和反应。简易机器人的电子控制系统也与人类似，它通过各种传感器感知外部信息后传递到单片机，单片机处理后输出相应控制信号去控制相应的执行机构作出反应。30五官与传感器感觉感觉器官器官相关物理量相关物理量对应传感器对应传感器视觉视觉眼眼可视光可视光光敏电阻，光电池、光敏晶体管、光敏电阻，光电池、光敏晶体管、CCDCCD等。等。听觉听觉耳耳声波、振动声波、振动压电转换元件、麦克风等压电转换元件、麦克风等触觉触觉手指、手指、皮肤皮肤压力压力压敏元件压敏元件温度温度皮肤皮肤辐射、温度辐射、温度热敏元件热敏元件嗅觉嗅觉鼻鼻气味气味气体传感器气体传感器味觉味觉舌舌离子检测器离子检测器3131简易机器人常用传感器n接触开关n红外光电传感器n超声波传感器n位置位移传感器n力觉传感器n听觉传感器n视觉传感器32开关n常用有按键开关、拨动开关和接触开关（微动开关）等。n微动开关往往用于碰触传感，如防碰撞，限位等。n拨动开关往往用于选择输入，地址编码设定等。n按键开关用于复位，键盘等。33二、光电传感器n光电传感器有光敏电阻、光敏二（三）极管、光电池、光电倍增管等，还有CCD、CMOS等图像传感器。n 光敏电阻（也称光导管）是一种价格低廉，光谱范围广，灵敏度高(暗电阻1100M、亮电阻1K以下）且使用方便的光敏器件。在简易机器人中常用于亮度变化检测器件，由于阻值与光强是非线性的，一般不作为光强检测器件。n光电池也称太阳能电池，它直接将光能转变成电能，也是一个光敏器件。它的短路电流与光照度在一定范围内成线性，常用于测量照度（光强）。342.1 红外光电传感器n由一只红外发射管和一只红外光电二极管组成。由于其价格低、寿命长、使用方便等特点，此类传感器目前应用广泛，如非接触性开关、遥控、安防等。在简易机器人中往往用于巡线检测。n红外发光管的材料一般为砷化钾半导体，发光波长范围是0.761.5um(一般是930nm），管压降为1.01.3V，工作电流2050mA。35光敏二极管特性n红外光敏二极管在无光照时其反向电阻为无穷大，正向电阻大约为10K；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达几K或1K以下。n无反压时，正向电压与光照强度成比例，一般可达0.20.4V。n应用电路：36三、超声波传感器n由发射和接受两大部分组成，除了电路，主要器件是超声换能器，其基本原理是基于压电效应。发射与接受往往使用同一个探头。n超声波测距是通过发射声波，接受反射回波并计算回波时间从而得出与反射物体的距离。R=VT/2n简易机器人往往应用超声波探测前方障碍物的距离，从而实现避障功能。37脉冲回波式检测示意图38超声波测距的基本特性n测距精度：17cm/msn测距范围：小于10米n超声波不受被测物体的透明度、颜色、电导率的影响，但不适合测量海棉或棉织物等吸音材料。39四、位置传感器n位置传感器既可以用来检测位移（角位移和线位移）也可用于检测运动。在机器人中应用较广，如手、脚的移动定位等检测。404.1 电位器式位置传感器n这是一种最简单的位置传感器，有旋转式的也有直线式。它们拥有以下特点：n1、性能稳定、结构简单、精度较高。n2、输出信号范围可以选择。n3、输入输出特性可以是线性的也可以是其它函数关系。n4、具有断电保持功能。n5、模拟电压输出，需接A/D转换器。n6、属于接触式，触点易磨损，寿命有限。n7、有一定的测量范围，需加限位开关。414.2 光电式编码器n光电式编码器是一种非接触的数字位置位移传感器。它的基本原理是采用红外发射接受管，检测编码盘的位置或移动的方向、速度等。其优缺点刚好与电位器式相反，它是数字信号输出，接口方便；非接触式寿命长；不需限位可以无限次旋转等。n有绝对式和增量式两种形式。42绝对式编码器的码盘示意图434.2.2 增量式编码器44增量式编码器的原理增量式光电编码盘上只有A、B、C三条码道，只需要三对红外发射接受管。在A、B码道上分别刻有等距离的黑白相间标识（或透光缝隙）并相互错开半个缝宽（90度），C道只有一个黑点，每转一圈出一个脉冲。应用增量式编码器可以得到运动的方向（正转、反转）；运动的速度；位移等信息。4545五、力觉传感器n有关力和压力传感器种类较多：例如n压电晶体：受到挤压会产生相应电压（如电唱机）；n力敏电阻：一种聚合物厚膜器件，其阻值随垂直施加在表面的力的增加而降低。n电阻应变片：阻值与形变成正比。46六、声音传感器n一般采用话筒（麦克风）作为声音传感器。有动圈式和电容式两种。在简易机器人中往往作为检测声音的有无，声音的大小等简单声控功能。47（3）传感器与单片机的接口电路n1、数字（开关）量传感器（如接触开关、光控开关、声控开关等）可直接或稍加变换后接入单片机。n2、模拟量传感器：一般须通过信号调理、A/D变换后输入单片机。4849开关量控制整形电路50模拟接口电路51（4）继电器与单片机接口52 固态继电器n工作原理工作原理：使用可控硅（晶闸管）作为功率开关元件，光电耦合元件作为控制和隔离器件。n工作特点：工作特点：1、无触点、寿命长。2、采用光耦隔离，抗干扰能力强。3、控制简单，可控功率大。4、适合交流控制应用。53固态继电器使用方法54（5）直流电动机的控制n简易机器人一般采用小功率直流电动机，其驱动可用晶体三极管或继电器。其控制有转向和转速的控制。n转向采用H桥电路。n转速采用PWM技术。55转向控制电路56转速控制（PWM)原理57专用集成控制芯片58593、简易机器人的机械传动n（1）课标的内容标准n（2）齿轮传动n（3）带传动与链传动n（4）平面连杆与凸轮60课标的要求（1）知道一般机械的组成，了解常见的机械传动的方式。）知道一般机械的组成，了解常见的机械传动的方式。例机械一般由动力部分、传动部分、执行部分和机体组成。例常见的机械传动有带传动、链传动、齿轮传动和平面连杆传动等。（2）了解常见齿轮传动的特点、形式和应用，会计算简单的齿轮传动比。）了解常见齿轮传动的特点、形式和应用，会计算简单的齿轮传动比。例 常见的齿轮传动有圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗杆传动和齿条传动等。例 蜗杆传动具有传动比大、传动平稳、能自锁等特点。（3）能按照装配图样安装简单的齿轮装置，并进行调试。）能按照装配图样安装简单的齿轮装置，并进行调试。例装配电动玩具中的齿轮箱。（4）了解常见的连杆传动机构的结构及其应用，能设计和制作简单的连杆装）了解常见的连杆传动机构的结构及其应用，能设计和制作简单的连杆装置。置。例收缩门、支架式工具箱中的平行连杆机构，缝纫机脚踏板的曲柄连杆机构。例以竹片和细竹管等为材料制作的可缩放毛巾架。（5）能设计一个简单的电动机械，并进行安装和调试。）能设计一个简单的电动机械，并进行安装和调试。（6）能设计和制作一个由传感器、单片机、继电器、电动机和传动机械等组）能设计和制作一个由传感器、单片机、继电器、电动机和传动机械等组成的简易机器人或简单的自动控制系统，并能通过试验完成成的简易机器人或简单的自动控制系统，并能通过试验完成23个规定的动个规定的动作。作。61机械传动n传动是机械中的重要组成部分，运动的机械都离不开传动。同样，机械传动也是简易机器人中的一项重要技术。n常用的机械传动有齿轮传动、带传动、链传动、平面连杆传动、凸轮连杆传动、液压传动、气压传动等。62一、齿轮传动n齿轮传动特点n优点：n1、适用的圆周速度和功率范围较广。n2、传动效率高；n3、传动平稳；n4、结构紧凑寿命长工作可靠；n5、可实现任意两轴之间的传动。n缺点：n1、制造和安装精度要求较高，成本较高。n2、不适合较大距离的传动。n3、没有过载保护作用。63二、齿轮传动的分类n根据齿轮两轴的相对位置分类n1、两轴平行的有：圆柱齿轮（直齿、斜齿、人字齿）n2、两轴相交的有：圆锥齿轮（直齿、曲齿）n3、两轴相错的有：螺旋齿轮n根据两齿轮的啮合方式分类n1、外啮合齿轮传动n2、内啮合齿轮传动n3、齿轮与齿条传动64齿轮传动比的计算n传动比即两运动齿轮角速度之比。n设一对齿轮其主动轮的角速度为w1、齿数为z1；从动轮的角速度为w2、齿数为z2，则传动比为：i12=w1/w2=z2/z1n传动比反映速度之比，也反映转矩之比。传动比大于1，是减速传动，传动力矩增加。反之是加速运动，传动力矩减少。65蜗杆蜗轮传动n用来传递空间互相垂直而不相交的两轴间的运动和动力的传动机构。n特点n1、传动比大，传动力矩大。n2、结构紧凑。传动平稳。n3、有自锁性能。66齿轮系n为了实现复杂的机械传动，往往会使用多个或多种齿轮组成一个系统。n齿轮系分为定轴轮系、周转轮系和复合轮系三大类。n定轴轮系的传动比是指首轮（一般是主动轮）与末轮的角速度之比。其计算方法是将逐级的传动比相乘。即：n定轴轮系的传动比所有从动轮齿数的连乘积/所有主动轮齿数的连乘积67定轴轮系图例68例：定轴轮系传动比的计算如图已知：z1=10,z2=20,z3=80.z310,z4=40,z410,z5=30。求传动比i15。i15=(z2/z1)(z3/z2)(z4/z3)(z5/z4)=-9669带传动与链传动n带传动和链传动都是利用中间挠性件（带或链）把主动轴的运动和动力传给从动轴的。这两种传动形式适用于两轴中心距较大的传动。n带传动的组成及其分类：n由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的带组成。靠传动带与带轮之间的摩擦力来传递动力。n按传动带截面形状分为：平形带、V形带和圆形带。70带传动的特点n优点：n1、适用于两轴中心距较大的传动。n2、带具有良好的弹性，可以缓和载荷的冲击和振动，传动平稳。n3、过载时，带在轮面上打滑，可防止损坏其它部件。n4、结构简单，加工维护方便，成本低。n缺点：n不能保持准确的传动比，传动效率较低。n带传动多用于两轴传动比无严格要求、中心距较大的机械中。71链传动n与带传动相比有如下优点：n1、能传递较大的圆周力，无弹性滑动和打滑现象，能保持准确的平均传动比。n2、链条张紧力小，作用在轴上的压力也较小。n3、传动效率较高。n缺点：n1、只能用于两根平行轴间传递运动与动力。n2、无过载保护作用。n3、工作噪音大，需要润滑。72平面连杆与凸轮机构n连杆机构是一种应用十分广泛的机构。下图是常见的几种连杆机构。它们的共同特点是：其原动件1的运动都要经过一个不直接与机架相连的中间构件2才能传动从动件3。中间构件2称为连杆，这些机构统称为连杆机构。73连杆机构传动特点n1、连杆机构中的运动副一般都是低副，可承受较大的载荷。n2、当原动件的运动规律不变，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。n3、可以很方便地达到增力、扩大行程、实现远距离传动等功能。n4、不易于实现精确的复杂运动，不适合高速传动的场合。74凸轮机构的特点n结构简单、紧凑、设计方便。n易于磨损，适用于传动力不大、低速的场合。75内容简介n1、使用平台式简易机器人制作自动寻光机器人案例。n2、用拼装式简易机器人制作灭火机器人案例。76
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