智能机器人设计与制作

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1、智能机器人的设计与制作引言引言近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技术的出现 和 发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性变化，而且将对人类社会产生深 远的影响。随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩展。从自 动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人可谓是无处不在。 目前机器已经走进人们的生活与工作，机器人已经在很多的领域代替着人类的 劳动，发挥着越来越重要的作用，人们已经越来越离不开机器人帮助。机器人 工程是一门复杂的学科，它集工程力学、机械制造、电子技术、技术科学、自 动控制等为一体。目前对机器人的研究已经呈现出专业化和系统化，一些信息 学、

2、电子学方面的先进技术正越来越多地应用于机器人领域。目前机器人行业 的发展与30 年前的电脑行业极为相似。今天在汽车装配线上忙碌的一线机器人， 正是当年大型计算机的翻版。而机器人行业的利基产品也同样种类繁多，比如 协助医生进行外科手术的机械臂、在伊拉克和阿富汗战场上负责排除路边炸弹 的侦察机器人、以及负责清扫地板的家用机器人，还有不少参照人、狗、恐龙 的样子制造机器人玩具。舞蹈机器人具有人类外观特征、可爱的外貌、又兼有 技术含量，极受青少年的喜爱。我从前年开始机器人方面的研究，在这过程中 尝试过很多次的失败，也感受到了无比的乐趣。图1.1、机器人 1 1 绪论绪论机器人技术作为20 世纪人类最伟

3、大的发明之一，自20 世纪60 年代初问世以来，经历40 余年的发展已取得长足的进步。未来的机器人是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器，是集机械学、力学、电子学、 生物学、控制论、计算机、人工智能和系统工程等多学科知识于一身的高新技 术综合体。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的多用化，昭示着 机器人技术灿烂的明天。1.11.1 国内外机器人技术发展的现状国内外机器人技术发展的现状为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工 业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大 学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于

4、制造过程机器人系统的研究，卡 耐基梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重 于系统应用软件的开发。德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统，使机 器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。从六十年代开始日本政府实施一 系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年。到80 年 代中期，已一跃而为“机器人王国”。其机器人的产量和安装的台数在国际上 跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：“日本机器 人的发展经过了60 年代的摇篮期。70 年代的实用期。到80 年代进人普及提高 期。” 并正式把1980 年定为产业机器人的普及元年”

5、。开始在各个领域内广泛推广使 用机器人。中国机器人的发展起步较晚，1972 年我国开始研制自己的工业机器 人。“七五“期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了 示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机 器人。1986 年国家高技术研究发展计划(863 计划)开始实施，智能机器人主题 跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功 地研制出了一批特种机器人。20 世纪90 年代，我国的工业机器人又在实践中 迈进一大步，先后研制出了点焊、装配、喷漆、切割、搬运等各种用途的工业 机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产

6、业化基地，为我 国机器人产业的腾飞奠定了基础。1.21.2 机器人技术的市场应用机器人技术的市场应用机器人融入我们日常生活的步伐有多快？据国际机器人联盟调查，2004 年，全 球个人机器人约有200 万台，到2008 年，还将有700 万台机器人投入运行。按 照韩国信息通信部的计划，到2013 年，韩国每个家庭都能拥有一台机器人；而 日本机器人协会预测，到2025 年，全球机器人产业的“蛋糕”将达到每年500 亿美元的规模(现在仅有50亿美元)。与20 世纪70 年代PC 行业的情况相仿，我 们不可能准确预测出究竟哪些用途将推动这个新兴行业进入临界状态。不过看 起来，机器人很可能在护理和陪伴老

7、年人的工作上大展宏图，或许还可以帮助 残疾人四处走走，并增强士兵、建筑工人和医护人员的体力与耐力。目前，我 国从事机器人研发和应用工程的单位200 多家，拥有量为3500 台左右，其中国 产占20，其余都是从日本、美国、瑞典等40 多个国家引进的。2000 年已生 产 各种类型工业机器人和系统300 台套，机器人销售额6.74 亿元，机器人产业对 国民经济的年收益额为47 亿元，我国对工业机器人的需求量和品种将逐年大幅 度增加。1.3 机器人技术的前景展望机器人是人类的得力助手，能友好相处的 可靠朋友，将来我们会看到人和机器人会存在一个空间里边，成为一个互相的助手和朋友。机器人会不会产生饭碗的

8、问题。我们相信不会出现“机器人上岗， 工人下岗”的局面，因为人们随着社会的发展，实际上把人们从繁重的体力和 危险的环境中解放出来，使人们有更好的岗位去工作，去创造更好的精神财富 和文化财富，机器人来做这些危险环境的工作，展望21 世纪机器人将是一个与 20 世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，所以很多专家预测，在 21 世纪的前20 年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是 智能机器人发展的一个关键时期，目前国际上很多国家，也对机器人对人类社 会的影响的估计提出了新的认识，同时，我们也可以看到机器人技术，涉及到 多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感

9、技术等等， 它是一个国家高技术实力的一个重要标准。语音识别处理是语音功能的一个重 要方面，目前计算机语音识别处理过程基本上一致，是一种基于统计模式识别 的理论。我国的语音识别研究起步于五十年代，近年来发展很快，其研究水平 基本与国外同步，在汉语语音识别技术上还有自己的特点和优势。可以预计， 语音技术的发展前景无限。2 2 机器人设计的内容和要求机器人设计的内容和要求2.1 机器人设计的内容 随着现代科技的发展，机器人技术已广泛应用于人类社会生活的各个领域，特 别是机器人具有人类外观特征、可爱的外貌、又兼有技术含量，极受青少年的 喜爱。本课题要求设计一具有简单人体功能的、模拟舞蹈动作的类人型机器

10、人， 完成简单人的基本动作：可以前进后退，左右侧行，左右转弯和前后摆动手臂， 行走频率为每秒两步，举手投足、转圈、头部动作灵活、并具备的语音功能。 通过语音识别技术，可以对小机器人进行语音控制，通过发出语音命令，控制 机器人的。机器人包括底座、头部、上身、下肢、以及电路控制板，分别控制 手臂、头部和底盘运动的电机及传动机构等。通过电路控制和机械传动，可使 机器人动作。知识范围涉及机构学、力学、电子学、自动控制、计算机、人工 智能等。具体赋予任务具体赋予任务：1、深入了解类人型机器人的功能及工作要求，查找与课题有关的文献资料及参 考书目； 2、学习掌握机构创新设计的基本知识和设计方法，了解控制对

11、象舞蹈机器人的 工作原理、动作过程，进行简单舞蹈动作及相应机构设计； 3、根据机器人构成、工作原理、主要特点和技术指标，分析比较，加以论证， 确定机器人运动控制最终方案，完成硬件电路设计，单片机控制程序设计； 4、制作舞蹈机器人模型，完成各种运动、动作模拟，调试成功。 5、规定的翻译、论文工作。2.22.2 舞蹈机器人设计的数据和要求舞蹈机器人设计的数据和要求1、机器人身高80120 ，表演时机器人随音乐翩翩起舞，动作协调、灵活； 2、表演各种的基本动作，具体动作可自行设计。涵盖行进、转圈、举手投足、 头部等动作； 3、整套动作持续4 分钟左右； 4、机器人结构紧凑、体积小，重量轻；5、灵活的

12、多功能机器手臂：活动空间大，可360 度旋转。 6、采用电机驱动，运动准确可靠3 3 方案设计及方案论证方案设计及方案论证3.1 设计制作与调试流程 设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路 和软件程序来达到目的。硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的 了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。并 且把这些元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接法的了 解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件 用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。机器人的设计首先需作总体方案 设计，包括机械和电气两部分。根

13、据机械基础知识，从整体上来讲，机械结构 设计必须与机器人所要完成的功能相适应。机械部分设计主要包括底盘设计、 尺寸选择、驱动方式设计、电机选择等；电气是机器人最重要的部分，直接影 响着机器人功能的实现于否。舞蹈机器人要求完全自动控制，必须采用单片机 为 控制核心，它类似于机器人的大脑，接收和处理所有外界信息，指挥并控制机 器人的所有动作。语音识别等功能是制作机器人硬件的难点，它要求机器人具 有一定的感觉系统。目前，机器人技术已日趋成熟，机器人感觉系统可通过各 种各样相应的传感器技术即可实现。传感器把接收到的外部信息输入到单片机， 再通过软件进行控制，从而单片机发出命令指挥机器人动作。软件编程可

14、以丰 富机器人的功能，使机器人动作更加完善。总体方案设计框图如图3.1 所示。 图3.1 机器人总体制作过程图3.1 机器人总体制作过程 3.2 方案的比较论证及方案确定 根据以上的制作流程图，我们把设计分为两大部分机械部分和电气部分进行 论 证，对多种方案进行比较论证后，选出一个最佳的方案，最后再进行软件部分 的设计。 3.2.1 机械部分 机械部分包括：底盘机构的设计、弯腰机构的设计、转身机构的设计、手臂机 构的 设计、转头机构的设计、及材料与型材选择。3.2.1.13.2.1.1 底盘机构的设计底盘机构的设计( (行走设计行走设计) )（1 1）行走式简图如下图3.2行走机器人简图 行走

15、式，能够在平地上、凹凸不平的地上步行，能上下台阶，其粗糙路面性能 较 好，好的关节，稳定好的牵引力。它的缺点是不能原地转动，速度慢，控制复 杂，移动 困难，操纵性差，机械复杂，电机性能要求严格，价格昂贵。（2 2）移动方式为履带式简图如下图3.3移动方式图 履带式移动方式的特点是运动平稳，适合爬坡度比较大的地方，这是轮式所做 不的。但缺点是加工制作比较麻烦，履带一般是需要到市场上购买的，且摩擦 力很大、能量损耗大 （3）轮式差速驱动 图3.4 底盘移动方式图3.4 底盘移动方式 采用两个驱动轮，两个万向轮，万向轮用于平衡。机构简单，容易制造及装配； 能 在原地旋转以获得不同的方向。因此它是比较

16、适合的一种底盘机构。3.2.1.23.2.1.2 弯腰机构的设计弯腰机构的设计腰部的设计思路是，作为人形机器人的腰部，主要做要是承接了上部的重量， 设计 的时候腰部能做到水平的转动最好，如果不能将会极大地影响整个机器人的平 衡；所以 尽量减少可变的环节，故在腰部转动的设计中不采用电机再经传动其他机构最 后带动腰 部的转动方式，而是直接使用电机实现弯腰。(1)(1)齿轮机构简图如下齿轮机构简图如下图3.5齿轮传动方式图3.5 齿轮传动方式 齿轮机构的优点是平稳，自锁性好，精度高。但加工比较困难，且不利于固定， 造 价也很高。（2 2）连杆机构简图如下）连杆机构简图如下图3.6连杆传动方式 结构简单，容易实现，更重要的是它的运动规律正好符合人体运动的原理。我 们的机器人就是采用这样的机构来实现弯腰的。(3)(3)连杆机构简图二连杆机构简图二具体实现方式如下：先通过一根轴穿过鞠躬机构与机器人上半身的两只手臂固 定， 然后电机通过一个摇杆连接到弯腰机构的一个长方形槽中，在电机转动的过程 中，带动 鞠躬机构做以与手臂固定轴为中心的前后弯腰鞠躬动作，所需的零件