仿生机器人设计报告

目录

1．绪论 1

1.1课题背景 1

1.2 慧鱼机器人 2

1.3 走进实验室 3

1.4 按键式传感器 3

1.5 设计工作原理 4

1.6慧鱼模型操作规程 5

2. 仿生机器人6

2.1仿生机器人迈克仿真示意图 6

2.2仿生机器人迈克仿真程序图示 6

2.3仿生机器人结构简图7

3. 移动机器人8

3.1 移动机器人基础模型8

3.2 移动机器人仿真图8

3.3移动机器人结构简图9

3.4移动机器人仿真程序框图10

4.工业机器人10

4.1工业机器人仿真图11

4.2业机器人结构简图11

4.3工业机器人仿真程序12

5.寻光机器人14

5.1寻光机器人仿真模型14

5.2连线图和结构简图15

5.3光机器人仿真程序16

一、绪论

1.1课题背景

由机器人的发展和快速广泛的被使用，可知科学家对于机器人的功能也相提高，除了超强的逻辑运算、记忆能力及具备类似的自我思考能力，另外在机器人的外表及内部结构，科学家更希望能模仿人类。对于外在资讯的选集，也透过各种感应器，企图达到类似人类各种触觉的功能，选集了外在环境的资讯，一旦外在环境起了改变，机器人一定要能随着变化，做出该有的反应动作，更新自己的资料库，达到类似人类学习的功能。

移动式机器人形态分为车轮式、特殊车轮式、不限轨道式、不行式等，若是在平坦的地面上移动时，车轮式是最具效率的，不懂机构简单，且具实用性，但其缺点是在凹凸不平的岩地上便不能行走。此外，因普通车轮无法在阶梯及有段差的地外行走，因此积极研究一种有车轮、三辆以上连结构的特殊形态，及特殊组合的不限轨道式机器人，最近亦努力开发步行机器人，使其能登上阶梯。

本次研究即为移动机器人设计及其在控制器的实现，是说明当移动机器人在轨行动作中若遇到障碍物时会透过微动开关将讯息传回电路板中进行判断，再配合计数器的动作使机器人能避开障碍物并往下个路径前进，知道要到远的目标。

无疑，自动化控制理论本来是要使机器人变聪明。但是如何实现呢？

我们先用一个启发式实验进行说明。我们可能都观察过飞蛾趋光的特点，飞蛾找到光源，向那里飞去，即使非常近的距离，也绝不会拍打到光源。显然飞蛾之所以能够这样做，是因为它发觉光源，划出路线然后再向其扑去。这本领是基于这种昆虫自身具备的机敏的行为模式。

现在我们将上述能力应用到一个技术系统中。先用光学传感器探测到光源，马达执行动作，这样，我们必须在发现信号和执行信号之间建立一个合理的连接，即程序。

20世纪50年代，一位名叫沃特格雷(Walter Grey)的英国人将上述引人思考的实验付诸于实践。借助于几个简单的传感器，马达和电路，他创作出多种自动化动物，

可以准确模仿出飞蛾的动作。左图所示的是“自动”海龟的复制品，展示在华盛顿的史密森博物馆里。

鉴于上述的奇思妙想，我们也要为我们的机器人建立起类似的行为模式，并用程序来和机器人进行交流。

但是我们为什么需要可移动机器人？让我们试着将“虚拟的飞蛾”的动作应用到技术装置上。首先，一个很简单的例子就是寻光。我们将一个光条粘在地上作为光源，把传感器面朝下并排放在一起，而非面向前。这样，如果是在仓库，移动机器人就会从中找到自己的行进路线。沿着这条线，还有一些特殊的信息采集点，如条形码，将引导机器人进行下一步的动作，比方说到达这些点时，抓取和放下货盘。事实上，这样的机器人系统到今天已经存在了。在很多大医院里，通常需要走很远的路来运送日常所需的消耗品，比如被单枕套等，让护理人员运输这些物资无疑是既耗时、耗财又费力的事情。当然，也大大减少了对病人照顾的时间。

最近今年里，科学家们开始研究另一种本质上非常相近的动作形式，走或跑。开发出的机器人具备了用腿移动的能力。由布鲁塞尔皇家军事研究院研制的电气气动步行机器人“阿基里斯”（Achille）就是一个六足步行机器人的典型。头上和六条腿上分别都配备了照相机，阿基里斯能够机械的对提起或放下的障碍（物体或者坑）能够机械的做出反应。

这种步行机器人能运用到各个地方，比如轮轨式车辆不可能通过的坎坷或松软的地带，它翻越障碍，攀爬楼梯，跨越壕沟进入诸如核电站、煤矿隧道等危险地带作业或者进行营救。

1.2慧鱼机器人

怎样用慧鱼创意模型的构件大家我们自己的机器人呢？传感器（如：接触传感器）和动力装置（如马达）是必不可少的，然后加上许许多多的机械部件，组成所需的模型。慧鱼ROBO 移动机器人组为此提供了理想的模式。

本设计是以德国慧鱼创意积木所组成的仿生模拟机器人为其基本架构，透过圈形式人机介面LLWin，经由智慧型微电脑介面板去驱动机器人，使机器人细部动作很容易

达到我们需求，进而取代以往由硬体描述语言所驱动架构，不但操作简易，更可使我们了解机械运作的原理。

1.3走进实验室

先从一个简单测试安装来检查接口板和各个传感器的基本功能。然后，搭建出简易模型，让其具备特定的功用，再渐渐尝试越来越复杂的系统。

你是不是觉得有时候编制自己的程序要么太难，要么太浪费时间？你可以先下载软件中提供的一些现成程序到接口板，控制机器人。该接口板的最重要的作用在于输入量的逻辑连接。这就需要程序来完成，程序决定输入数据和传感器信号如何处理并转换为适当的输出数据，电机控制信号等等。有了ROBO接口板，我们就有足够的计算能力来设计和处理最复杂的程序。

搭建和最初控制机器人，是非常重要的环节，一定要格外认真才行。连接各个电气元件时一定要严格按照说明书操作，然后检查两三遍以确保准确无误。在进行机械构件搭接时，我们要特别注意连接的平滑度，尤其是齿轮与紧固件的连接，不要太用力。好了，现在让我们发挥自己无穷的创造力为机器人“谱写”新的动作程序啦！

1.4按键式传感器（接触传感器）

举例说明，将一个接触传感器接在数字输入口I1，观察一下当键按下去时，输入端状态框的变化。

虽然极性在连接电机或接触传感器不起作用（充其量电机旋转方向错误），准确接通光电传感器是至关重要的。晶体管有红标的接点应连接红色接头，没有标注的接点连接绿色接头。第二个绿色接头要插在输入端AX的插孔中（靠近接口板边缘的那个孔），第二个红色的插头要插在靠近里面的AX的插孔中。（注意：连接光电传感器到数字输入端I1——I8，红色接头需插在紧靠接口板边的插孔中。

现在，我们用一个手电来改变光电传感器光的亮度。这将改变AX蓝色状态条的读数。如果指示器从其最大值没有变动，那就得检查一下光电传感器的连接情况。如

果即使手电筒灭掉，指示仍为零，那有可能是房间里的光太亮了。我们遮住光电传感器，状态条的位置就会变化。

再回到红绿接线头上来：装配时，要红色接头接红线，绿色接头接绿线。当电路配线时必需极性正确的话，通常我们将红线作为正，绿线为负。这样，非常细心的配线，将使得线路走势更系统，更一目了然，自然更方便了我们排除故障。

1.5设计工作原理

机器人指的是可程式控制的机械，整体来说可分为两大部分，分别为机械架构及软体的控制的两大部分。

（一）机械架构

本设计移动机器人之机械构架采用德国慧鱼创意积木所组成，它的优点在于方便组装，能在设计阶段能起到一定的辅助作用，减少设计成本以及更好的观察到设计的可行性及其优缺点，以便更好改进设计中的缺点。一般机械所用到的零组件如齿轮、马达、光电开关等，都可以在慧鱼创意积木中找到，且功能毫不逊色。

首先针对我们所需的机械架构做规划，收集所需用到之慧鱼创意积木零件，将其组装机械架构。

该架构主要是由两个丝杆与一个马达连接，两丝杆再平均接上传动齿轮实现此仿生机器人的运动及其开关所组成，而这个开关主要用于判断机器人的开关及其运动方向。

（二）软体控制

在控制软体方面，我们使用圆形式人机介面软体LLWin（Lucky Logic for Windows），LLWin是一种新控制语言，它的特色在于使用了创新的程式模块，你只需事先将机器人行动流程规划好，再配合所需用到的程式模块，将内部参数设定好即可，不但避问了以往繁杂的程式语言，更让使用者不再被要求学习程式语言的复杂语法，使之达到更为快速和方便的效果。

图1为智慧型微电脑界面板，它的主要功用在于储存LLWin之程式，使程式经由此介面板驱动机器人，达到预设之动作。

图1-1

智慧型微电脑介面板细部说明如下：

1、此装置是所有电脑控制套件的控制逻辑核心，他负责与PC间的通讯和运算，

将电脑所编辑的程式转换成控制命令来控制马达等。

2、此装置有八个数位输入，两个类比输入可接收0~5欧姆的电阻值，四个可逆马

达输出控制，控制马达dc relay等。

3、电源供应电池或充电器的方式，大小为9伏特5瓦。

4、可在On-line（以传输线与PC连线），也可在Off-line（不需与电脑连线）

两种模式下作业。

5、与电脑连接时不需额外插卡，利用CMOM2通讯即可。

1.6慧鱼模型操作规程：

1、实验前先按照清单清点零件个数；

2、熟悉零件分装方式，了解零件分装的大致规律；

3、检查袋子的封口；

4、每次仅取出要用到的零件；

5、每次取用零件后勿忘将袋子封口封好；

6、拆除模型后将零件放回相应的袋子；

7、按照清单清点零件。

二、仿生机器人（迈克）

机械迈克，即仿生态六足爬行机器人，是一种基于仿生学原理研制开发的新型足式机器人，仿生态六足爬行机器人比传统的轮式机器人有更好的移动性，自动化程

度高，具有丰富的动力学特性。此外，足式机器人采用类似生物的爬行机构进行运动，比其他机器人具有更多的有点：它可以较易的跨过比较大的障碍，并且机器人足所具有的大量自由度可以是机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强；足式机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积较小，因而可以在可达到的地面上选择最优支撑点。

图2-1 仿生机器人（迈克）仿真示意图

图2-2 仿生机器人（迈克）仿真程序图示

图2-3 仿生机器人结构简图

三、移动机器人

为了机器人能够感知周围的环境，各种传感器式必不可少的。下面所介绍的几个不同的移动机器人就让我们看到了传感器的区别。机器人必需要有外部信号，比如寻光、寻色或者寻轨迹；也需要有内部信号，如用脉冲齿轮来测量所行距离。因此每个机器人我们都分配了不同的任务，会给你很多启发，让你更加了解任务的主题。所有任务的相应程序都可以在ROBO Pro目录中\Sample Programs\ROBO Mobile Set\ 下找到。

3.1基础模型

比起第一个“仿生机器人”，这个基础模型更稳定更坚固。而且，它有两个传感器来测量所行距离，都含有一个接触式开关和一个脉冲齿轮。脉冲齿轮连接到电机的减速轴上，使得电机旋转一圈，接触开关启动四次。这个模型可成为其他移动机器人的基础。

参照装配手册，组装这个基础模型。搭建时要特别留意，机械构件搭接完成后，不用接口板，直接用电池连接电机，检查其运行是否顺畅。

图

4

：

移

图3-1 移动机器人仿真图

图3-2 移动机器人结构简图

接口板编程，让模型向前行走40步（40个脉冲）

输入口I1作为计数传感器的端口，测量脉冲数量。

重复3遍，记录表格中所显示的不同数值。

接通两个电机（转向：向左）

用Pulse Counter (脉冲计数器) 模块计算I1的脉冲数。

计算所有脉冲边沿（按下接触传感器的键，0变1，再松开，1变0，这一过程为一次脉冲）。你可以在属性窗口中Pulse type(脉冲型) 里

设置。这就能在测算所型距离时比较准确。

然后切断电机，结束程序。

可以参考Basic Model1.rpp的程序。

现在我们明白了我们所设置的电机转向实际上是为了让模型按该方向行进。在下列表做下记录，这样我们就不用每次都得想着要改变电机方向了。如果严格按照装配手册正确接线，向左旋转就使得任一电机带动车轮向前行。所有的示例程序中的电机都是如此编程的。

图

5

图3-3 工业机器人仿真程序框图

4.工业机器人

4.1 机械部分设计

动力源的选择：气动

机械传动装置的确定：齿轮传动；蜗轮蜗杆传动;螺旋传动；杆组机构传动；

机械执行部件的设计：机械手控制部分硬件选型：接口电路板及PLC 接口板；行程开关及脉冲计数装置；

控制部分软件的编制(LLWin.3.0 软件)设计的主要参数:

(1)自由度：F=1；

(2)驱动方式：电机驱动；

(3)抓重：0.25kg；

(4)运动参数：回转范围:0°~180°；回转速度：15/s；

4.2工作原理

电动机将动力通过齿轮，蜗轮蜗杆机构传递给机械手臂，再通过杆机构实现手臂的开合实现机器人的夹紧和松开。同时另一电动机通过螺旋机构的传递，实现手臂的转动，从而实现手臂的搬运动作。位于手臂下方的极位开关在手臂达到极限位置后闭合，从而达到位置确

定的目的。

4.3 系统线路图

图 1

5.灯光机器人

5.1 机械部分设计

动力源的选择：电动；

机械传动装置的确定：齿轮传动；

机械执行部件的设计：行走机构；

控制部分硬件选型：接口电路板及PLC 接口板；行程开关及脉冲计数装置；

控制部分软件的编制(LLWin.3.0 软件)；

设计的主要参数:

(1)双边单独驱动；

(2)驱动方式:电机驱动；

(3)运动参数:

移动范围:线长；

移动速度:v(mPs)，根据工作要求定；

回转范围:0°~360°。

5.2 工作原理

电动机通过齿轮传动带动带轮转动，从而达到机器人的行走。同时有一个四齿齿轮与带轮相连，同时齿轮与一个极限开关相连，因此，当带轮转动一圈便会有4个脉冲产生并传向主板，从而控制电动机的运行。

6. 总结

慧鱼机器人课程设计是机械类各专业学生学习工程材料及机械制造基础等课程必不可少的选修课，它对于培养我们的动手能力有很大的意义。而且可以使我们了解机械的基础知识了，和现代机器人技术。作为机械专业的一名学生，学好理论知识固然重要，但动手能力也是至关重要，现在的很多大学生，特别是来自城市的同学，平时自己动手的机会少，动手的能力差，很难适应以后社会对全面人才的需求。而这么课程设计为我们这些理工科的学生带来了实际锻炼的机会，让我们走出课堂，在各种各样的小零件中，自己动手，自己发挥，亲身体验，这些对我们的帮助是巨大的。感谢学校为我们提供这样的机会，同时也感谢辛苦带领和指导我们学习的老师们。

随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。

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