超声波导航履带式移动机器人小车设计

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1、本科毕业设计说明书（论文） 1 摘 要 本设计的研究内容是超声波导航履带式移动机器人小车的研究设计，其核心内容是应用单片机控制电机实现机器人小车的左转弯、右转弯、前进和停止等动作。 论文内容包括四个部分： 简要介绍了移动机器人研究背景、 意义、 现状及发展前景，超声波导航履带式移动机器人小车的设计原理及方案，机械部分的结构设计，控制系统设计和视觉系统设计。论文详细地介绍了移动机器人机械部分的结构设计。 设计小车利用履带式底盘作为机械装置，采用双驱控制，加装超声波传感器、控制电机，编码器等装置实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的

2、各种数据实现对电动车的智能控制。 主要设计内容包括： 1.机械结构设计： 机器人采用两轮独立驱动的履带结构， 动力源采用直流无刷电机，减速和传动装置采用齿轮传动，利用差速移动平台实现机器人的转向，选用增量式光电编码器进行对机器人速度的检测，实现机器人的定位。 2.控制结构设计：控制部分采用 AT80F51 型号单片机进行接受命令和产生驱动信号，电机的驱动部分采用 L298 控制芯片，芯片利用接受到的单片机发出的信号来控制电机的转速。 3. 传感器部分：利用超声波传感器，送至上位机进行声波处理 关键词：移动机器人，运动控制，单片机控制，超声波系统 本科毕业设计说明书（论文） 2 Abstract

3、 The design of the study content is Ultrasonic navigation of mobile robot car USES the core content of study design, application of single-chip microcomputer control motor is the robot car turn left, right, forward and stop such action. Includes four parts: the paper briefly introduced the mobile ro

4、bot research background, significance, the present situation and development prospect, visual navigation crawler mobile robot car design principles and schemes of the structure design, mechanical parts, control system design and visual system design. Paper introduced in detail the mobile robot mecha

5、nical parts of the structure design. Car chassis design using a mechanical device USES, adopt double drive control, add the Ultrasonic navigation, control motor, electric coder to the device such as position, velocity, the operation condition of real-time measurement, and the measured data transfer

6、process, then by single-chip microcontroller according to test data of intelligent control of electric cars. Main contents include: 1 mechanical structure design: use two rounds independent robots driven by caterpillar structure, brushless dc motor for electric power transmission device, the deceler

7、ation and by using differential gears, mobile robots platform to choose the solid-axes photoelectric encoder and the detection rate of robot, robot localization. 2 control structure design: the control part AT80F51 single-chip model for accept orders and produce, motor driver drive signal control ch

8、ip, L298 part adopts chip using SCM to receive signals to control motor speed. 3 parts: using visual sensor sensor, send images supreme image processing machine Key words：Mobile robot, motion control, the single-chip microcomputer control, the Ultrasonic system 本科毕业设计说明书（论文） 3 目录 摘 要 . 1 ABSTRACT .

9、2 目录 . 3 1 绪 论 . 5 1.1 机器人的研究背景及意义 . 10 1.11 机器人的研究背景 . 10 1.1.2 研究机器人的意义 . 10 1.2 移动机器人的发展现状 . 11 2 总体方案的确定 . 12 2.1 机械部分 . 12 2.1.1 电动机的选择 . 12 2.1.2 传动装置的确定 . 14 2.2 控制部分的确定 . 15 2.3 传感器类型的确定 . 17 3 机械部分设计 . 19 3.1 参数的确定 . 19 3.2 减速系统的设计 . 19 3.2.1 齿轮的设计 . 20 3.2.2 轴的设计 . 22 4 控制与传感装置的设计 . 34 4.1

10、 控制与运动思路 . 34 4.1.1 机器人控制的总体思路 . 34 4.1.2 机器人运动的总体思路 . 34 4.2 单片机控制系统 . 35 4.2.1 AT80F51 单片机 . 35 4.2.2 复位电路设计 . 35 4.2.3 稳压芯片 . 36 4.3 电机驱动电路系统 . 36 4.3.1 电机驱动芯片 . 36 4.3. 2 电机驱动电路 . 37 4.4 超声波测距算法 . 37 4.4.1 超声波应用的可行性 . 37 4.4.2 超声波的产生和接收 . 38 4.4.3 超声波的产生 . 38 4.4.4 超声波的接收 . 39 4.4.5 超声波的传输特性 . 4

11、0 4.4.6 超声波测距原理 . 40 4.4.7 计算超声波传播时间 . 41 本科毕业设计说明书（论文） 4 4.4.8 测渡越时间测量法 . 41 结论 . 42 致 谢 . 43 参考文献 . 44 附 录 . 45 英文资料 . 45 中文翻译 . 51 本科毕业设计说明书（论文） 5 本科毕业设计说明书（论文） 6 本科毕业设计说明书（论文） 7 本科毕业设计说明书（论文） 8 本科毕业设计说明书（论文） 9 本科毕业设计说明书（论文） 10 1 绪 论 1.1 机器人的研究背景及意义 1.11 机器人的研究背景 机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体

12、现。 机器人在当前生产生活中的应用也越来越广泛，因此几乎每一个领域都应用到了机器人。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，早在 60 年代，就已经开始了关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及以下几个方面： 1 移动机器人的移动方式，可以是轮式的或履带式的。根据负载大小、移动灵活性要求等方面确定移动方式。 2 移动机器人导航和路径规划，对于后者有更多的方面要考虑如特征提取。 3 移动机器人驱动器的控制， 以使机器人达到期望的行为。 各种控制器 （如单片机、PLC、PC 机等）作为控制装置应用于移动机器人，对移动机器人的驱动器进行控制。 因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行

13、为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣。 目前许多高校和科研单位对移动机器人的导航与定位进行了深入的研究，并且随着传感器技术的迅速发展，移动机器人的导航、避障能力也不断得到提高，常用的传感装置主要应用红外传感器或超声波传感器做为传感检测装置，本毕业设计中移动机器人就采用了超声波传感器做传感检测装置。 1.1.2 研究机器人的意义 研究移动机器人的意义是重大的，除了提高生产或工作效率外还有其它方面的意义，例如： 1 机器人可以把人从有毒的、有害的、高温的或危险的环境中解放出来。 2 不知疲

14、倦的重复做乏味的工作，同时保证工作效率。 3 在人类不能进入的环境（太空、深海）做一些人类不能做的工作。 由此看来， 大力发展机器人技术是将人从各种恶劣工作条件下解放出来的一条必由之路。 本科毕业设计说明书（论文） 11 1.2 移动机器人的发展现状 移动机器人的发展经历了三个阶段：第一阶段为可编程示教再现型机器人，其特征是机器人能够按照事先教编制的程序进行重复工作，第二阶段是具有一定的感觉功能和自适应能力的离线编程机器人，第三阶段是智能机器人，这种机器人带有多种传感器，能够将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。 就目前移动机器人的

15、发展来看，国内外的主要研究对象为智能型的移动机器人，这些智能机器人在移动能力、自主性、专业性和对环境的适应性等方面非常先进，但这些方面的提高依赖于其控制系统和传感检测系统性能的提高。 国外对智能机器人的研究主要有着几个方面，管道机器人、水下机器人、空中机器人、仿人机器人等。 管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器即操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下进行一系列管道作业的机电一体化系统。 水下机器人是以进行水下搜救或海底探测为目的的机器人，通过工作人员的远程遥控对其进行控制， 它想一艘微型的探测潜艇进入水下， 利用各种传感装置收集所需信息。 空中机器人大

16、致分为两类，仿昆虫型的飞行器和微型飞行器。它们在通信、气象、灾害监测、军事等方面的应用的非常广泛。目前，日本和美国在空中机器人的研究技术上走在前列。 仿人机器人是一种模拟人智能型移动机器人，它不仅模仿人的生理特征，而且模拟人的思维推理方式， 此外， 国外许多研究机构也对机器人如何拥有人的情感进行了研究。 我国对于现代机器人研究和开发始于 20 世纪 70 年代，从 80 年代中期进入快速发展阶段，但总体上仍然处于一个非常落后的水平。现在国家科技攻关计划、国家高技术研究与发展计划等都将机器人的研究和开发列为重点。相信在不远的将来，我国的机器人技术将会有一个非常大的飞跃。 本科毕业设计说明书（论文

17、） 12 2 总体方案的确定 2.1 机械部分 2.1.1 电动机的选择 控制电动机是移动机器人的动力部件， 它是将电能转化为机械能的一种能量转换装置。控制电动机有着在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确控制的能力，因而能用于移动机器人的驱动装置。常用的控制电动机有步进电动机、交流伺服电动机、直流伺服电动机，现将各电动机进行介绍和比较。 1、各电动机的介绍 （1） 步进电动机 步进电动机是将电脉冲控制信号转换成机械角位移的执行元件。每接受一个电脉冲，在驱动电源的作用下，步进电动机转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别于输入的控制电脉冲数及其频率成正比，并在实践上与输入脉冲同步，

18、只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组的通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，所以用微机很容易实现步进电动机的开环数字控制。步进电动机的特点： 1）转速可由脉冲信号的的频率控制，输出角位移和脉冲数成正比。 2）转向可由通电相序改变 3）步进电动机工作状态不易受各种干扰因素影响。 4）易于直接与微机的 I/O 接口。 5）步进电动机具有自锁功能，只要维持绕组通电电动 机就可以保持在 固定位置。 采用步进电动机作动力部件，通过控制装置对其转速和转向进行控制，通过功率放大器或其它装置将其弱电信号放大来驱动步进电动机。 （2）交流电动机 交流伺服电动机采用了全封闭无刷结构以适应实际生产环境，它不

19、需要定期检查和维修，其定子省去了铸件客体、结构紧凑、外形小、重量轻（只有同类直流电动机重量的 75%90%） 。定子铁心较一般电动机开槽都且深，围绕在定子铁心上，绝缘可靠，磁场均匀。可对定子铁芯直接冷却，散热效果好，因而传给机械部分的热量小，提高了整个系统的可靠性。 转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁， 因而可实现高转矩/惯量比，动态响应好，运行平稳。转轴安装有高精度的脉冲编码器作检测元件。因此交流伺服电本科毕业设计说明书（论文） 13 动机以其高性能、大容量日益受到广泛的重视和应用。 （3）直流电动机 直流伺服电动机是用直流供电的电动机，当它作为机器人的动力部件时，其功能是将输入的受控电压/

20、电流能量，转换为电枢轴上的角位移或角速度输出。 直流伺服电动机的特点： 1）稳定性好 直流伺服电动机具有下垂的机械性，能在较宽的速度范围内稳定运行。 2）可控性好 直流伺服电动机具有线性的调节特性，能使转速正比与控制电压的大小；转向取决于控制电压的极性（或相位） ；控制电压为零时，转子惯性很小，能立即停止。 3）响应迅速 直流伺服电动机具有较大的启动转矩和较小的转动惯量，在控制信号增加、减小或消失的瞬间，直流伺服电动机能快速启动、快速增速、快速减速和快速停止。 4) 转矩大 直流伺服电动机广泛应用在宽调速系统和精确位置控制系统中，其输出功率一般为1600W，也有达数千瓦。电压有 6V、9V、1

21、2V、24V、27V、48V、110V、220V 等。转速可达 15001600r/min. 5）控制功率低、损耗小。 直流伺服电动机用直流供电的电动机， 为调节电动机转速和方向需要对其直流电压的大小和方向进行控制。 2、比较交流电机和步进电机 (1)步进电动机和交流伺服电动机在控制方式上相似（脉冲串和方向信号） ，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能进行比较： 1） 、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当

22、步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT） ，可检测出机械的共振点，便于系统调整。 2） 、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 3） 、过载能力不同 步进电机

23、一般不具有过载能力。交流伺服电动机具有较强的过载能力。 本科毕业设计说明书（论文） 14 (2)步进电动机相对于直流电动机有着几个明显的缺点： 1） 步进电机在低速时易出现低频振动现象, 这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。 2）步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降。 3）步进电机一般不具有过载能力。 4）步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象。 5）步进电机从静止加速到工作转速用时较长，不易用于要求快速启停的控制场合。 通过以上比较，相对于步进电动机，交流伺服电动机更适

24、于做超声波机器人的动力部件，但是，直流伺服电动机具有和交流伺服电动机相似的优点，并且对于本机器人应用较方便，如用交流电动机则需在机器人只上安置一根电源线，这对移动性机器人是一个极大的累赘，不仅限制其移动范围而且对机器人的速度和转向有一定影响，所以经过比较， 选用直流电动机作为移动机器人的驱动装置较为合适。所选用的直流电动机输出功率为 50W，额定电压 24V，转速时 600r/min，额定电流为 2.8A。 该电动机可以使用电池作电源，适用于普通传动力及机械设备的驱动，该电动机具有一下特点： 1、改变供电电压的方法来调节转速，可以使用较低于技术指标内的电压以获得较低的转速。2、电机可以正、反转

25、，一般红色线接正极，黑色线接负极。如果需反方向旋转，只需将红色线接负极，黑色线接正极即可。 2.1.2 传动装置的确定 在机械传动装置中，常见的有齿轮传动、带传动和链传动，各种传动的特点如下： 1、齿轮传动 齿轮传动包括直齿传动、斜齿传动和锥齿传动。齿轮传动具有以下以下特点： (1)效率高。在常用的机械传动中，一齿轮的传动效率为最高。如一级圆柱齿轮传动的效率可达 99%。这对大功率传动十分重要，因为即使效率只提高 1%，也有很大的经济意义； (2)工作可靠、寿命长。设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一、二十年，这也是其他机械传动所不能比拟大； (3)传动比稳定。

26、传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛的应用，也就是由于具有了这一特点； (4)机构紧凑。在同样的使用下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小； 齿轮传动主要用于中心距较小的两平行轴或交叉轴间的传动，传动效率高，结构紧凑，其瞬时传动比和平均传动比在传动中都保持不变，特别适于尺寸有限制的减速装置中。 本科毕业设计说明书（论文） 15 2、链传动 链传动是一种挠性传动，它由链条和链轮组成。通过链轮轮齿与链条的啮合来传递运动和动力。链传动按用途的不同可以分为传动链、输送链和起重链。传动链可以分为滚子链、齿形链等。 链传动缺点是不适于急速方向，频繁启动，急速加速或减速的传动中，主要应用于中心

27、距较大的两平行轴间的传动，由于小车本身尺寸应较小，所以不应用链做为传动装置，此外较小的链条亦不易于传动。 3、带传动 带传动也是一种挠性传动，带基本组成零件为带轮和传动带。传动带按工作原理不同又可分为摩擦型带传动和啮合型带传动。摩擦型带传动按截面又可分为平带传动，圆带传动，V 带传动和多楔带传动。其中以 V 带传动应用最广泛。摩擦型带传动具有下列优点： 啮合型带传动一般也称为同步带传动。它通过传动带内表面上等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合开传递运动。与摩擦型带传动比较，同步带的带轮和传动带之间没有相对滑动，能够保证严格传动比。但相对于摩擦型带其对中心距及其尺寸的稳定性要求较高。 带传动

28、亦是主要用于中心距较大的两平行轴间的传动，若中心距较小，带单位时间内的回转次数就会增大，加速其疲劳破坏，同时转角增大不宜于传动，此外中心距较小不能传递大的传动比，这对减速装置没有大的实际意义。 综上所诉， 齿轮传动更适于小型移动机器人的传动装置， 由于小车底盘的尺寸限制，齿轮更适于做移动机器人的减速传动装置。 2.2 控制部分的确定 目前，各种机器人的控制系统主要是用单片机或 PLC 做主要的控制器，也有一些智能化程度很高的机器人是用性能较高的 PC 机进行实时控制。根据机器人任务的不同合理的选择控制系统，不仅可以节省设计制造成本而且节省设计时间，同时避免浪费控制装置的性能。 基于超声波的移动

29、机器人鉴于其功能的单一性和简单性，其控制部分不需要用性能相对较高的微处理器，单片机或 PLC 就可以完全满足其控制需要，因此就其控制系统的选择有两个方案： 方案一： 使用单片机做控制器 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。 尽管它的大部分功能集成在本科毕业设计说明书（论文） 16 一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件，单片机也被称为微控制器（Microcontroler） 。单片机具有体积小、质量轻、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，结合不同类型的传感器，可实现各种控制功能，并且使控制更数字化、智能化、微型化。 它是一种在线式实时控制计算机，

30、在线式就是现场控制，有较强的抗干扰能力。单片机的程序是可以修改，通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，特别是自动控制领域的机器人。 使用单片机作为基于超声波机器人的控制系统是一种可行的方案，通过单片机对直流电动机的转速和转向进行控制来实现该移动机器人的速度和行进方向的控制，同时处理超声波传感器反馈的信息。 方案二：使用PLC 做控制器 PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller） ，是指以计算

31、机技术为基础的新型控制装置。 PLC 有以下特点： 1 可靠性高，抗干扰能力强 2 功能完善，适用性强 3 体积小，重量轻，能耗低 4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC 作为控制装置可实现的功能有: 1 开关量的逻辑控制。这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，从而实现逻辑控制和顺序控制。 2 模拟量控制。在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。 为了使可编程控制器处理模拟量， PLC 都配有的 A/D 和 D/A转换模块用于模拟量控制，使可编程控制器实现模拟量（Analog）和数字量（Ditigal）之间

32、的 A/D 和 D/A 转换。 3 运动控制。PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。 4 过程控制。过程控制室指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。 5 数据处理。现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 使用 PLC 做超声波机器人的控制系统也是一个可行的方案，和单片机一样通过对直流电动机的转速和转向进行控制来实现该移动机器人的速度和行进方向的控制，同时处理超声波传感器反馈的信息。

33、本科毕业设计说明书（论文） 17 以上两个方案都是可行的，但相比较之下单片机和 PLC 之间还有一些区别： 1、应用场合，PLC 主要应用在工业干扰性强、可靠性要求高的环境，单片机商业和一般工业的环境。 2、PLC 工作电压一般较高，可以控制较高的电压而不易受干扰，单片机工作电压一般较低，控制较高电压时得加可靠的驱动器件。 总的说来，PLC 可靠性较高，但价格昂贵；单片机相对较低。在一定场合，单片机可以代替 PLC。 基于超声波移动机器人的控制较简单，使用单片机足以满足其控制要求，并且 PLC价格较高，控制较单片机复杂，所以其不宜用于基于超声波移动机器人的控制装置。单品机除具有体积小、质量轻、

34、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点外， 它还易于与超声波传感器结合实现控制，工作电压低， 抗干扰能力强等诸多优点，综上所诉，单片机更适于做该移动机器人的控制装置。 目前较常用的单片机是 51 结构的 AT80F51， 而且使用 AT80F51 能够满足移动机器人的控制要求。 2.3 传感器类型的确定 移动机器人是一种在复杂的环境下工作的具有自规划、自组织、自适应能力的机器人。在移动机器人的相关技术研究中，导航技术可以说是其核心技术，也是其实现真正的智能化和完全的自主移动的关键技术。导航研究的目标就是在没有人干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。机器人通过装配

35、的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步动作。 移动机器人的导航方式很多，有惯性导航、视觉导航、基于传感器数据导航，卫星导航等。这些导航方式分别适用于各种不同的环境，包括室内和室外环境，结构化环境与非结构化环境. 本毕业设计中采用基于传感器数据导航的方式对移动机器人的工作环境进行探测，常用的传感器导航有超声波传感器和红外传感器两种，利用这些传感器亦可以实现移动机器人的导航，因此本毕业设计有两种较为合适的方案： 方案一：使用红外传感器导航 任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度） ，都能辐射红外线。红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感

36、器，红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。但是红外传感器在测距和探障过程中易受可见光的影响，特别在一些光线较强以及环境温度基本一样的条本科毕业设计说明书（论文） 18 件下，其性能下降迅速，此外，使用红外传感器还需预先设定好轨迹，不宜于移动机器人的自主移动。 方案二：使用超声波传感器导航 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固

37、体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学、机器人导航等方面。 超声波传感器应用于移动机器人中主要起探测和测距的作用,相对于红外传感器其工作性能稳定，对环境要求低，适应性强，抗干扰能力好，非常适于做移动机器人的导航装置，所以我选超声波传感器作为机器人的传感装置。 超声波测距有两种方式即反射法和强度法。强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离，被测物越远其反射信号越弱，根据反射信号的强弱就可以知道被测物的远近，但在使用这种方法时由于换能器之间的直接耦合信号很难消除，在放大

38、器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效。反射时间法是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间 T利用公式 2TSV 其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间（12TTT） ，可以计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，因此这种方法非常适合较远距离的测距，如果对声速进行温度修订，其精度还可进一步提高。所以使用发射时间法更适于作为移动机器人的测距方法。 本科毕业设计说明书（论文） 19 3 机械部分设计 3.1 参数的确定 齿轮传动时本设计中要采用的传动方式， 但需要进行多少

39、级的减速传动则需根据电动机的转速、车轮的直径和机器人的移动速度确定。 电动机转度已知为 n=600r/min，机器人行进最大速度为 v=0.3m/s,车轮直径为d=100mm，则可求得总的传动比。 电动机的角速度为 w=2n/60/rads =62.8/rads 车轮的角速度为 w d =2v/d/rads=6/rads 总的传动比为 i=w/ w d=10.5 由此可知需二级传动，有因为高速级传动比应是低速级的 1.2 倍，所以高速级的传动比为 3.55，低速级的传动比应为 2.96。 减速箱各轴用深沟球做支撑支撑，输入轴与电动机转轴用形面进行连接，齿轮与轴之间用 A 型普通平键进行连接，键

40、的材料为铸铁，电动机功率为 P=0.05KW，深沟球的传动效率为2=0.99，齿轮间的传动效率为1=0.96。由此可得各轴的一些参数。 1.各轴转速： 输入轴：1600 /minnr 中间轴：121169 / minnnri 低速轴：23257.1/minnni 2各轴输入功率： 输入轴：10.05kppW 中间轴：211220.047ppkW 输出轴：321220.044ppkW 3各轴输入转矩： 输入轴： 11195500.39 .TPnN m 中间轴：2111221.84 .TTiN m 输出轴：3221227.24.TTiN m 3.2 减速系统的设计 本科毕业设计说明书（论文） 20

41、 3.2.1 齿轮的设计 一、高速级齿轮设计 1、选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数 （1）由设计要求可知，选用直齿圆柱齿轮传动。 （2）减速箱的精度等级为 6 至 8 级，故可选用齿轮的精度等级为 7 级 （3）小齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度 280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调质） ，硬度为 240HBS，二者硬度差为 40 HBS。 （4）选校齿轮齿数1z=15，大齿轮齿数2z=1z i1=75.15，取2z=75. 2、按齿面接触强度设计 由设计计算公式进行试算，即 11213112 . 3 2? 3 1tHdEzuKTdu （1） 确定公式内的各计算数值 1） 试选载荷

42、系数 Kt=1.3. 2）计算小齿轮传递的转矩，即小齿轮输出的功率 1112295500.38 .TPnN m 3）查表选取齿宽系数d=1。 4）查表得材料的弹性影响系数 Ez=189.812Mpa。 5）查表的小齿轮的疲劳强度极限lim1600HMpa，大齿轮的接触疲劳强度极限lim2H=550Mpa。 6）查表取接触疲劳寿命系数11.1HNK;21.1HNK. 7) 计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，则由计算公式得 1lim11660HNHKMpaS 2l i m 22605HNHKMpaS （2）计算 1） 试算小齿轮分度圆直径1td，带入H较小的值。 112

43、312.328.78tHdEzuKTdmmu 取小齿轮分度圆直径为1d=15mm 2）计算圆周速度 V1。 本科毕业设计说明书（论文） 21 V1=1d1n/60*1000=0.19m/s 计算齿宽1b 1b=d1d=15mm 计算模数 1111dmz 3）大齿轮的齿宽2b 2b=10mm 4） 大齿轮的分度圆直径 2d=75mm 5) 中心距 a a=（1d+2d）/2=45mm 二、低速级齿轮设计 1、选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数 (1）由设计要求可知，选用直齿圆柱齿轮传动。 (2）减速箱的精度等级为 6 至 8 级，故可选用齿轮的精度等级为 7 级 (3）小齿轮材料为 40Cr（

44、调质） ，硬度 280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调质） ，硬度为 240HBS，二者硬度差为 40 HBS。 (4）选校齿轮齿数3Z=16，大齿轮齿数4Z=3Z2i =66.88，取4Z=67。 2、按齿面接触强度设计 由设计计算公式 3-2 进行试算 23223212.32tHdEzuKTdu (1)确定公式内的各计算数值 1)试选载荷系数 Kt=1.3. 2)计算小齿轮传递的转矩，即小齿轮输出的功率 2111221.5 .TTiN m 。 3）查表选取齿宽系数d=1。 4）查表得材料的弹性影响系数Ez=189.812Mpa。 5）查表的小齿轮的疲劳强度极限lim3600HMpa； 大

45、齿轮的接触疲劳强度极限lim4H=550Mpa。 6）查表取接触疲劳寿命系数31.1HNK;41.1HNK. 7) 计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，则由计算公式得 3lim33660HNHKMpaS 4l i m 44605HNHKMpaS 本科毕业设计说明书（论文） 22 (2)计算 1）试算小齿轮分度圆直径，带入 H 23223212.3212tHdEzuKTdmmu较小的值 取小齿轮分度圆直径为3d=18mm 2）计算圆周速度 V3。 V3=2n/60*1000=0.05m/s 计算齿宽3b。 3b=d3d=18mm 计算模数 3231dmz 3） 大齿轮的

46、齿宽4b 4b=13mm 4） 大齿轮的分度圆直径 4d=65mm 5) 中心距 a a=（3d+4d）/2=41.5mm 3.2.2 轴的设计 一、输入轴的设计 (1） 材料：选用 45 号钢调质处理。查课本第 230 页表 14-2 取 35Mpa C=100。 (2） 各轴段直径的确定： 计算最小轴段直径。因为轴主要承受转矩作用，所以按扭转强度计算， ：根据计算公式得： 2m i n2333.21100568PdCmmn (3-2) 直径的确定。 1d与电动机主轴相连，其大小为 8mm。 2d与密封垫圈接触， ，其大小为 9mm。 3d段装配轴承且32dd，其大小为 10mm。 4d段是

47、定位轴肩，取412d 。 5d为齿轮轴， 分度圆直径为15mm。 6d为定位轴段，其大小为12mm。 7d段装配轴承所以7310ddmm。 (3） 轴段长度的确定 L1 段长度为 10mm。 L2 段长度为 10.5mm。 L3 段长度为 8mm。 本科毕业设计说明书（论文） 23 L4 段长度为 42.5mm。 L5 段长度为 15mm。 L6 段长度为 10mm。 L7 段长度为 9mm。 (4）校核该轴： 作用在齿轮上的圆周力为： 1122948tTFNd 径向力为 2 9 8 42 01 0 7 3rtFFtgtgN 求垂直面的支反力： 2112800rVl FFNll 2110738

48、00273VrVFFFN 求垂直弯矩，并绘制垂直弯矩图： 2257.6 .avvMF lN m 1157.4.avvMF lN m 求水平面的支承力：由1122()HtFllFl得 21122197HtlFFllN 21751HtHFFFN 求并绘制水平面弯矩图： 11158.2.aHHMF lN m 22158.4.aHHMF lN m 求 F 在支点产生的反力： 3112384.3Fl FFNll 211517.1FFFFFN 求并绘制 F 力产生的弯矩图： 23108.7FMFlN 本科毕业设计说明书（论文） 24 1127.7aFFMF lN F 在 a 处产生的弯矩： 1127.7a

49、FFMF lNm 求合成弯矩图： 考虑最不利的情况，把aFM与22avaHMM直接相加。 222227.757.6158.2196.1 .aaFaVaHMMMMN m 222227.757.4158.4196.2.aaFaVaHMMMMN m 求危险截面当量弯矩： 从图可见，m-m 处截面最危险，其当量弯矩为： （取折合系数0.6 ） 2222()1 9 6 . 2( 0 . 61 0 6 . 9 )2 0 6 . 4.aeMMTN m (3-3) 计算危险截面处轴的直径： 因为材料选择#45调质， 查表得650BMPa， 查表得许用弯曲应力160bMPa，则： 33312 0 6 . 41

50、03 2 . 5? 340.10.1 60ebMdmm 因为5450adddmmd，所以该轴是安全的。弯矩及轴的受力分析图如下： 本科毕业设计说明书（论文） 25 轴1 图 3-1 输入轴弯矩及轴的受力图 二、中间轴的设计： (1） 材料：选用 45 号钢调质处理。查课本第 230 页表 14-2 取 35Mpa。 (2） 各轴端的直径的确定： 1) 计算最小轴段直径。因为轴主要承受转矩作用，所以按扭转强度计算， ：根据计算公式得： 2min2333.21100568PdCmmn 本科毕业设计说明书（论文） 26 直径的确定。 1d段要装配轴承，所以查资料取110dmm，选用 6000 轴承。

51、 2d为定位轴段，其大小为12mm。 3d段为齿轮轴，其分度圆直径为18mm。 4d段主要是定位齿轮，所以取416dmm。 5d装配大齿轮，取514d 。 6d段要装配轴承，所以查手册第9 页表 1-16 取510d ，查手册选用6000 轴承。 (3) 轴段长度的确定： L1 段长度为 8.5mm。 L2 段长度为 25mm。 L3 段长度为 15mm。 L4 段长度为 13.5mm。 L5 段长度为 9mm（比齿轮宽度小 1mm） 。 L6 段长度为 21mm。 （4） 校核该轴： 作用在 2、3 齿轮上的圆周力： 22222707tTFNd 23328709tTFdN 径向力： 2227

52、0720985rtFF tgtgN 338709203169rtFF tgtgN 求垂直面的支反力 3 32231123()316rrVF lFllFNlll 23122500VrVrFFFFN 计算垂直弯矩： 1123.9.aVmVMF lN m 1122 2()53.5 .aVnVrMFllF lN m 求水平面的支承力： 本科毕业设计说明书（论文） 27 3 32231123()4586ttHF lFllFNlll 22316830HttHFFFFN 计算、绘制水平面弯矩图： 311458674 10323.aHmHMF lN m 2123 2()295 .aHnHtMFllF lN m

53、 求合成弯矩图，按最不利情况考虑： 222223.9323323.8.amavmaHmMMMN m 222253.5295300.anavnaHnMMMN m 求危险截面当量弯矩： 从图可见，m-m,n-n 处截面最危险，其当量弯矩为： （取折合系数0.6 ） 22222()300(0.6 470.3)411 .eanMMTN m eM 22222()323.8(0.6470.3)413 .amMTN m 计算危险截面处轴的直径： n-n 截面: 3331411 1040.90.10.1 60ebMdmm m-m 截面: 3331413 1040.90.10.1 60ebMdmm 由于4245

54、ddmmd，所以该轴是安全的。弯矩及轴的受力分析图如下：本科毕业设计说明书（论文） 28 图 3-2 中间轴弯矩及轴的受力图 三、 输出轴的设计： (1）材料：选用 45 号钢调质处理。查课本第 230 页表 14-2 取 35Mpa。 (2）确定各轴段直径 1) 计算最小轴段直径。因为轴主要承受转矩作用，所以按扭转强度计算,根据计算公式得： 2m i n2333.211007.268PdCmmn 2) 直径的确定。 1d段轴承配合，其大小为 10mm。 2d段装配齿轮，其大小为 15mm。 3d段为定位轴肩，其大小为 17mm。 4d段为定位轴段，其大小为 12mm。 5d段与轴承配合，其大

55、小为 10mm。 6d段与法兰相接，其大小为 9mm。 3） 各轴的长度。 L1 段与轴承配合，因轴承宽为 8mm 且需装配轴套，所以长度应为 35mm。 L2 段应相对于齿轮小，长度为 12.5mm。 L3 段其定位作用，长度可定为 5mm。 本科毕业设计说明书（论文） 29 L4 段长度为 31mm。 L5 段长度为 7.5mm。 L6 段长度为 17mm。 （3） 校核该轴： 求作用力、力矩和和力矩、危险截面的当量弯矩。 作用在齿轮上的圆周力： 3428119tTFNd 径向力: 8119202955rtFFtgtgN 302 1591.50.25102947270FFN 求垂直面的支反

56、力： 21122088rVl FFNll 21867VrVFFFN 计算垂直弯矩： 22180.8.avvMF lN m 11203.5avvMF lN.m 求水平面的支承力： 21121038tHl FFNll 211959HtHFFFN 计算、绘制水平面弯矩图： 11317 .aHHMF lN m 22317.aHHMF lN m 求 F 在支点产生的反力： 31121158FFlFNll 21115829474105FFFFFN 本科毕业设计说明书（论文） 30 求 F 力产生的弯矩图： 23341FMFlN 11100.1mFFMF lN F 在 a 处产生的弯矩： 11100.1mF

57、FMF lN 求合成弯矩图： 考虑最不利的情况，把mFM与22avaHMM直接相加。 2222100.1180.8476.3628.ammFavaHMMMMN m 求危险截面当量弯矩： 从图可见，m-m 处截面最危险，其当量弯矩为： （取折合系数0.6 ） 22223()628(0.6 1591)1142.ameMMTN m 计算危险截面处轴的直径： 因为材料选择#45调质， 查课本225页表14-1 得650BMPa， 查课本 231 页表 14-3得许用弯曲应力160bMPa，则： 3331142 1057.50.10.1 60ebMdmm 考虑到键槽的影响，取1.05 57.560.3d

58、mm 因为580dmmd，所以该轴是安全的。 （4）弯矩及轴的受力分析图如下： 本科毕业设计说明书（论文） 31 图 3-3 输出轴弯矩及轴的受力图 四、 轴承的校核： （1） 输入轴上支撑轴承寿命的校核： 轴承寿命可由式 610()? 60thPCfLhn Pf（3-5） 进行校核， 由于轴承主要承受径向载荷的作用，所以rPF， 查资料取1,1.2,tpff取3按最不利考虑，则有： 222211118002197384.32722.4? (3-6)rvHFFFFFN 222222222737511517.12316.2? (3-7)rvHFFFFFN 则663310101 29.5 10()

59、()6.36060 314.81.2 2316.2thPCfLhnf P年因此所该轴承符合要求。 (2）中间轴上支撑轴承寿命的校核： 本科毕业设计说明书（论文） 32 轴承寿命可由式610()60thPCfLhn Pf进行校核，由于轴承主要承受径向载荷的作用，所以rPF，查课本 259 页表 16-9，10 资料取1,1.1,tpff取3 222211131645864596rvHFFFN 2222222250068307273rvHFFFN 则6633210101 29.5 10()()2.126060 681.1 7273thPCfLhynPf，轴承使用寿命在23年范围内，因此所该轴承符合

60、要求。 (3） 输出轴上支撑轴承寿命的校核： 轴承寿命可由式610()60thPCfLhn Pf进行校核，由于轴承主要承受径向载荷的作用，所以rPF，查课本259 页表 16-9，10 取1,1.2,tpff取3按最不利考虑，则有： 22221112088573811587264rvHFPFFFFN 则 663331 01 016 6 . 01 0()()6 4 . 86 06 01 9 . 11 . 27 2 6 4thPCfLhynPf, （3-8） 该轴承寿命为 64.8 年,所以轴上的轴承是适合要求的。 五、键的校核： (1) 中间轴上输入齿轮与轴间的键校核 根据轴径尺寸（12mm）

61、，该键的尺寸为 44，键长 L 为 5mm，普通平键的失效形式为工作面被压溃，所以通常按工作面的挤压应力进行强度校核计算。 假定载荷在键的工作面上的压力均匀分布， 普通平键的强度条件为，p为键的许用挤压应力， （键的许用挤压应力在三者中最小） 32p2 T1 02 . 0 8k l dM P ap=240MPa （3-9） 所以，该键满足强度条件。 (2) 输出轴上齿轮与轴间的键校核 根据轴径的尺寸（15mm） ，该键的尺寸为 55，键长为 6mm，普通平键的失效形式为工作面被压溃，所以通常按工作面的挤压应力进行强度校核计算。 假定载荷在键的工作面上的压力均匀分布， 普通平键的强度条件为，p为

62、键的许本科毕业设计说明书（论文） 33 用挤压应力， （键的许用挤压应力在三者中最小） 33p2T104.66kldMPap=240MPa 所以，该键满足强度条件。 本科毕业设计说明书（论文） 34 4 控制与传感装置的设计 4.1 控制与运动思路 4.1.1 机器人控制的总体思路 控制装置使用了 AT80F51 单片机做控制器， 通过控制永磁无刷直流电动机的转速和转向来确定移动机器人的行进速度和方向，永磁无刷直流电动机作为移动机器人的动力部件有着许多优点，例如在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，在全面分析了永磁无刷直流电动机的结构特点

63、、工作原理、运行方式以及外部特性的基础上，提出了利用转子位置传感器信号间接测量电机转速进行电机转速闭环稳速控制的策略。 在本文中对无刷直流电动机控制器的硬件电路和软件程序问题进行了设计。采用性能相对较高的 AT80F51 单片机作为微处理器， 用模拟控制技术对电机进行调速和转速闭环控制，使电机在一定范围内能够进行精确调速和速度稳定控制。通过优化设计、软硬件结合，实现了控制器小型化，提高了控制器可靠性，减小了体积与重量。 直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机） ，只要改变电机的电压就可以改变转速了。 改变电压的方法很多，最常见的一定是 PWM 脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制

64、电机的平均电压，控制转速。 电机调速一般分为三个级，控制级，驱动级和反馈级。 单片机属于前端的控制级，只需要能够产生可调的 PWM 波形就可以（很多单片机都有专用 PWM 输出功能，有定时器就能做到） 。 驱动级， 在控制级后。 因为单片机弱电不能直接驱动电机这样的强电，所以需要用功率开关器件（如 MOSFET 等）来驱动电机。基本思路就是通过弱点控制强电。 通常，驱动级和控制级还需要电气隔离（光耦器件）保证安全。 反馈级是为了实现精确调速的。一般是电流反馈，也有用转速反馈的，也有电流转速双闭环反馈控制的。 PWM 输出的占空比具体是多少由单片机通过反馈的信息综合运算得到 （是负反馈控制）。

65、4.1.2 机器人运动的总体思路 本文研究的于视觉的移动机器人实用履带式结构， 用采用 7.2V 可充电动力电池组，使用直流电机作为机器人的动力源。结构简单，其越障能力取决于前导轮的高度。如果本科毕业设计说明书（论文） 35 要求机器人攀爬较高障碍物，则要提高前导轮距地面高度。从而整个结构高度增大，不利于穿越涵洞等类似障碍物。利用超声波传感器获取障碍物信息，通过单片机控制直流电机可以实现小车的前进，后退以及转向等功能。 4.2 单片机控制系统 4.2.1 AT80F51 单片机 AT80F51 单片机最小系统是超声波测距仪的核心部分。它是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPERO

66、MFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 （1）AT80F51 的主要性能包括： 1)与 MCS-51 兼容 ;2)4K 字节可编程闪烁存储器; 3)寿命： 1000 写/擦循环;4)数据保留时间：10 年;5)全

67、静态工作：0Hz-24Hz;6)三级程序存储器锁定 7)128*8位内部RAM;(8)32 可编程I/O 线;9)两个 16 位定时器/计数器;10)5 个中断源 ;11)可编程串行通道;12)低功耗的闲置和掉电模式 ;13)片内振荡器和时钟电路 。 （2）AT80F51 内部分工： AT80F51 内部有 256 个字节的 RAM，地址范围是 00H-FFH，但实际提供给用户使用的只有 128 个字节（00H-7FH） ，另 128 个字节(80H-FFH)是特殊寄存器区。除 ROM和 RAM 外， 芯片内部还有三个 16 位的定时器/计数器。 在本系统中定时器 T0 用来计时，定时器用来做

68、波特率发生器。 4.2.2 复位电路设计 复位电路目的：在需要的时候，单片机复位，保证正常的工作循环。 复位电路有各种各样，但是工作环境恶劣，复位电路要求严格，本系统中采用MAX5045芯片专做复位芯片。 MAX5045最主要特点有： 1) 512 字节串行 EEPROM； 2) 集成了可编程看门狗定时器（可设定看门狗超时时间，典型时间 200，600本科毕业设计说明书（论文） 36 ，1.4或禁止） ； 3) 上电复位及低电压检测，即在上电和 VCC 低于检测门限时，输出复位信号。X5045 输出复位高电平有效， X5043 输出复位低电平有效， 确保直至 VCC=1V 复位信号仍有效 ；

69、4) 编程的复位门限。需加高电压（15-18V 加在 WP 引脚）及一个专门时序； 5) SP1 接口方式，最高可达 1MHZ 串行时钟频率； 6) 低功耗 CMOS 电路（备用电流 10PA、工作电流 3MA） ； 7) 功耗低，通信速度快（最高 3.3HZ，X5045/3 为 1MHZ）已经得到广泛应用。 图 4-1 X5045 引脚图 4.2.3 稳压芯片 稳压电路选用 7812 芯片， 采用两片 7812 将电压稳压至 24V 后给直流电机供电， 然后采用 2576 将电压稳至 5V。2576 的输出电流最大可至 3A，完全满足系统要求。 4.3 电机驱动电路系统 4.3.1 电机驱动

70、芯片 L298 采用 16 引脚 DIP 封装，其内部集成了双极型 H-桥电路，所有的开量都做成 n型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：低速平稳性好等。 L298 通过内部逻辑生成使能信号。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM） 。另外，L298 将 2 个 H-桥电路集成到 1 片芯片上，这就意味着用 1 片芯片可以同时控制 2 个电机。每 1 个电机需要 3 个控制信号 EN12、本科毕业设计说明书（论文） 37 IN1、IN2，其中 EN12 是

71、使能信号，IN1、IN2 为电机转动方向控制信号，IN1、IN2 分别为 1，0 时，电机正转，反之，电机反转。选用一路 PWM 连接 EN12 引脚，通过调整PWM 的占空比可以调整电机的转速。选择一路 I/O 口，经反向器 74HC14 分别接 IN1和 IN2 引脚，控制电机的正反转。 4.3. 2 电机驱动电路 我们采用电机驱动芯片 L298N 作为电机驱动，驱动电路的设计如图 4-2 所示： 图 4-2 L298 内部逻辑图 L298N 的 5、7、10、12 四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的PWM 调速以及正反转等功能。 4.4 超声波测距算法 4.

72、4.1 超声波应用的可行性 超声波是指频率超过 20kHz 的声波。其相关的特性： （1）声速特性：超声波可以在固体、液体和气体中以不同的速度进行传播，其速度受介质温度、压力等因素的影响，但在相同外部环境下，超声波在同一介质中的传播速度是一常数。 （2）反射特性： 超声波从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质密度不同，本科毕业设计说明书（论文） 38 因而在两种介质分界面，其方向传播会发生改变：其中一部分折射入另一种介质，另一部分被反射回来。当超声波以气体传播到固体或液体时，由于两种介质密度相差悬殊，声波几乎全部被反射，利用这一特性通过接收装置可进行超声波探测和测距。 （3）衰减特性：超声波

73、在传播过程中，由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收，其强度会产生衰减，而超声波接收装置对所接受的声波强度都有一定要求。 4.4.2 超声波的产生和接收 超声波是指频率超过 20kHz 的声波。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。另外，超声波在空气中的传播速度较慢，为 340ms，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。 以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器(或称压电式超声波探头

74、)和磁滞式超声波传感器。本设计中采用的是压电式超声波传感器，主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成， 它们都是利用压电材料(如石英、 压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。 4.4.3 超声波的产生 超声波属于机械波，由于物体机械振荡产生的。目前产生和接收的超声波的器件通常采用压电晶体作为换能器。压电晶体具有两种可逆的能量转变效应即在交变电场的作用下导致厚度的交替改变从而产生声震动，即由电能转变为声能，称为逆压

75、电效应；相反，有声波的压力变化使压电晶体两端的电极随声波的压缩与弛张发生正负电位交替变化，称为正压电效应。如图4-3所示.在逆压电效应中，压电晶体称为超声发生器，在正压电效应中，压电晶体称为回声发生器。 本科毕业设计说明书（论文） 39 图 4-3 压电效应 （1）压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图4-3所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，

76、将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 (2）磁滞式超声波发生器原理 磁滞式超声波传感器的结构主要由铁磁材料和线圈组成。超声波的发射原理是：把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。其接收原理是：当超声波作用在磁滞材料上时，使磁滞材料振动，引起内部磁场变化，根据电磁感应原理，使线圈产生相应的感应电势输出。 磁滞式效应的大小，即伸长缩短的程度。相同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩效应大，它在一切磁场中都是缩短的.如果先加一定的直流磁场，再加以交流电时，它可工作在特性最好的区域。 磁滞式超声波发生器把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即机械振动，从而产

77、生超声波。 4.4.4 超声波的接收 在超声波技术中，除了需要能产生一定的频率和强度的超声波发生器以外，还需要能接收超声波的接收器.一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的。当超声波作用到压电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷。这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显示出结果。它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。 本科毕业设计说明书（论文） 40 4.4.5 超声波的传输特性 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质相接触的振荡源所引起的。设有某种弹性介质及振荡源，如图所示。振荡源在介质中

78、可产生两种形式的振荡，横向振荡和纵向振荡如下图所示。横向振荡只能在固体中产生，而纵向振荡可在固体，液体和气体中产生。 图 4-4 超声波在弹性介质中的传播形式 4.4.6 超声波测距原理 图 4-5 超声波测距原理图 超声波测距原理如图 4-5 所示。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即： s=ct/2 这就是所谓的时间差测距法。式中，S距离；c声波在介质中传输速率； t声波传

79、输的所用的时间。 声波在空气中传输速率为： (4-1) 式中，T绝对温度；c0=331.4m/s。(在测距精度不是很高的情况下，一般认为 c 为常数 340m/s) 本科毕业设计说明书（论文） 41 渡越时间法主要是测量超声发射到超声返回的时间间隔 t，即“渡越时间”，然后根据公式计算距离值。我们以微处理器 AT89C51 为核心来控制超声波的发射，进而对“渡越时间”进行计量。AT89C51 有体积小、价格低、功耗低等优点，它内部含 2k 字节可重编程闪速存储器，可方便地进行编程。 4.4.7 计算超声波传播时间 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0，利用定时器的计数功能记录超声波

80、发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 50kHZ 的超声波信号由 SN28784 和 TL851 及外围元件产生，然后通过三极管和变压器输送至超声波传感器该超声波传感器集收发于一体， 返回信号也是通过 SN28784和 TL851 等处理后传送给 89C2051。 超声波测距电路的“渡越时间”测量时序图如下图所示。在超声波发射器的两端输入10 个 40KHZ 脉冲串，脉冲电信号经过超声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播

81、到被测面，由被测面反射，由超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号，传播的渡越时间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时刻差。 图 4-6 超声波测距电路“约渡时间”测定时序图 4.4.8 测渡越时间测量法 (1) 直接计时法 每个一定时间发射一串超声波脉冲，在发射脉冲串时刻开始单片机定时器计时，在超声波接收器接收到反射信号时刻，停止单片机计时，单片机定时器所记时间，即为传播渡越时间。超声波是一种声波，其声速与温度有关，声速高低影响距离值。 (2) 相位法 本科毕业设计说明书（论文） 42 测距仪由振荡电路发出一定频率变化的正弦波，有超声波换能器转换成

82、声波。发出的声波到达被测面，经被测面反射，超声波换能器接收端获得调制声波的回波，经放大电路转换后，得到与放大的相位完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测得相位差就可算的所测距离。 结论 本文针对基于超声波移动机器人原理及控制，提出设计方案，考虑多种误差因素，保证测量精度。在此基础上完成硬件控制器的硬件设计和软件设计。 其主要工作包括： 1、对于机器人进行了结构的总体设计，包括驱动机构、控制机构、感知机构的设计，并参照现有各种机器人的设计方案，选择最佳的设计方法，保证了超声波机器人的精度； 2、完成了基于AT89C51单片机的控制系统的硬件电路

83、设计和功能软件设计； 3、完成了利用L298驱动芯片对电机驱动的设计； 4、完成了硬件电路原理图的设计； 5、完成了对机器人运动学方程的计算； 6、完成了超声波测距的误差分析。 但由于时间和精力等诸多方面的原因，此设计还存在许多不足之处，有待于进一步的改进和提高。主要包括： 1、没有解决软件误差的分析，造成超声波测距不精确； 2、机器人抗干扰能力有限，超声波发射接收器之间依然存在直达波间或影响； 3、放大电路中，由于集成芯片、电阻、电容的热噪声影响，对远距离的微弱信号放大有干扰作用； 4、在远距离测量时，驱动功率相对不够； 5、与市场超声波测距机器人相比，缺少语音提示、液晶显示等人机交互友好界

84、面。 总之，本次课题基本完成了对超声波机器人的设计，所设计的机器人可以按照要求进行测距和避障。 本科毕业设计说明书（论文） 43 致 谢 历时一个多月的毕业设计即将结束， 我在这一段时间内努力的成果也马上就要呈现给各位老师。在这段时间里，我学到的不仅仅是知识，更多的是懂得了如何面对一个比较陌生的事物，该从何处着手，如何运用得更好。 在本文结束之际，四年的大学生生活也即将宣布结束，在我四年的大学生活里，琴岛学院机电系的老师们给予了我无私的教导， 有了你们的帮助， 使我少走了很多的弯路，也使我受益匪浅。 在设计期间，指导老师给予我热情的指导和帮助，使我的实践、动手能力有了很大的提高，在此一并向大学

85、期间所有关心、支持、帮助我的老师们表示衷心的感谢！ 本科毕业设计说明书（论文） 44 参考文献 1 樊昌元，丁义元. 高精度测距雷达研究.江苏：电子测量与仪器学报，2000.10 2 张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：中国科技大学出版社，1993.10 3 苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：人民邮电出版社，1993 4 李华.MCU-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，19 93. 6. 5 陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版).武汉：华中理工大学出版社，1999.4 6 徐淑华， 程退安， 姚万生.单片机微型机原理及应用.哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社，1

86、999. 6. 7 胡萍.超声波测距仪的研制.四川：计算机与现代化，2003年10月 8 时德刚，刘哗.超声波测距的研究计算机测量与控制.南京 ：2002.10 9 锻九州.放大电路实用设计手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.5 10 杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础.南京：南京大学出版社，1998 11 DS18820 DATASHEET. 2001 12 马田华， 陈东， 蒋国平.可编程单总线数字式温度传感器DS18B2的原理与应用.北京：电子质量，2004.7 13 于永学， 葛建.1-Wire总线数字温度传感器DS18B20及应用.北京：电子产品世界，2003.12 14 张胜全

87、，D18B20数字温度计在微机温度采集系统中的序编制.1998， 3. 15 葛恒清， 张靖.加强单片机系统抗干扰能力的方法.通化： 通化师范学院学报， 2004 .10 16 周晗晓，袁慧梅.单片机系统的印制板设计与抗干扰技术.沈阳：电子工艺技术，2004 .6 17 王丰，付建华，薛红宣.采用软件抗干扰设计提高微机系统的可靠性：高原地震，2004.1 18 王占操，梁厚琴，曹燕.单片机系统中的软件抗干扰技术：电子技术，2003.3 19 杜华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：第1版武汉华中科技大学出版社， 20 程继兴，刘霞.单片机系统软件抗干扰措施分析.武汉：电子测量技术，2003，

88、 21 苏伟，巩壁建.超声波测距误差分析.北京：.传感器技术，2004.6 22 Thom R. Watt .Cooling our tomorrows economically ，ASHRAE Journal. 本科毕业设计说明书（论文） 45 附 录 英文资料 Robots First, I explain the background robots, robot technology development. It should be said it is a common scientific and technological development of a comprehensi

89、ve results, for the socio-economic development of a significant impact on a science and technology. It attributed the development of all countries in the Second World War to strengthen the economic input on strengthening the countrys economic development. But they also demand the development of the

90、productive forces the inevitable result of human development itself is the inevitable result then with the development of humanity, people constantly discuss the natural process, in understanding and reconstructing the natural process, people need to be able to liberate a slave. So this is the slave

91、 people to be able to replace the complex and engaged in heavy manual labor, People do not realize right up to the worlds understanding and transformation of this technology as well as people in the development process of an objective need. Robots are three stages of development, in other words, we

92、are accustomed to regarding robots are divided into three categories. is a first-generation robots, also known as teach-type robot, it is through a computer, to control over one of a mechanical degrees of freedom Through teaching and information stored procedures, working hours to read out informati

93、on, and then issued a directive so the robot can repeat according to the people at that time said the results show this kind of movement again, For example, the car spot welding robots, only to put this spot welding process, after teaching, and it is always a repeat of a work It has the external env

94、ironment is no perception that the force manipulation of the size of the work piece there does not exist, welding 0S It does not know, then this fact from the first generation robot, it will exist this shortcoming, it in the 20th century, the late 1970s, people started to study the second-generation

95、 robot, called Robot with the feeling that This feeling with the robot is similar in function of a certain feeling, for instance, force and touch, slipping, visual, hearing and who is analogous to that with all kinds of feelings, say in a robot grasping objects, In fact, it can be the size of feelin

96、g out, it can through visual, to be able to feel and identify its shape, size, color Grasping an egg, it adopted a acumen, aware of its power and the size of the slide. Third-generation robots, we were a robotics ideal pursued by the most advanced stage, called 本科毕业设计说明书（论文） 46 intelligent robots, S

97、o long as tell it what to do, not how to tell it to do, it will be able to complete the campaign, thinking and perception of this man-machine communication function and function Well, this current development or relative is in a smart part of the concept and meaning But the real significance of the

98、integrity of this intelligent robot did not actually exist, but as we continued the development of science and technology, the concept of intelligent increasingly rich, it grows ever wider connotations. Now I have a brief account of Chinas robot development of the basic profiles. As our country ther

99、e are many other factors that problem. Our country in robotics research of the 20th century the late 1970s. At that time, we organized at the national, a Japanese industrial automation products exhibition. In this meeting, there are two products, is a CNC machine tools, an industrial robot, this tim

100、e, our countrys many scholars see such a direction, has begun to make a robot research But this time, are basically confined to the theory of phase .Then the real robot research, in 7500 August 5, 1995, 15 nearly 20 years of development, The most rapid development, in 1986 we established a national

101、plan of 863 high-technology development plan, As robot technology will be an important theme of the development of The state has invested nearly Jiganyi funds begun to make a robot, We made the robot in the field quickly and rapid development. At present, units like the CAS ShenYng Institute of Auto

102、mation, the original machinery, automation of the Ministry, as of Harbin Industrial University, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Qinghua University, Chinese Academy of Sciences, also includes automation of some units, and so on have done a very important study, also made a lot of

103、achievements Meanwhile, in recent years, we end up in college, a lot of flats in robot research, Many graduate students and doctoral candidates are engaged in robotics research, we are more representative national study Industrial robots, underwater robots, space robots, robots in the nuclear indust

104、ry are on the international level should be taking the lead .On the whole of our country Compared with developed countries, there is still a big gap, primarily manifested in the We in the robot industry, at present there is no fixed maturity product, but in these underwater, space, the nuclear indus

105、try, a number of special robots, we have made a lot of achievements characteristics. Now, I would like to briefly outline some of the industrial robot situation. So far, the industrial robot is the most mature and widely used category of a robot, now the worlds total 本科毕业设计说明书（论文） 47 sales of 1.1 mi

106、llion Taiwan, which is the 1999 statistics, however, 1.1 million in Taiwan have been using the equipment is 75 million, this volume is not small. Overall, the Japanese industrial robots in this one, is the first of the robots to become the Kingdom, the United States have developed rapidly. Newly ins

107、talled in several areas of Taiwan, which already exceeds Japan, China has only just begun to enter the stage of industrialization, has developed a variety of industrial robot prototype and small batch has been used in production. Spot welding robot is the auto production line, improve production eff

108、iciency and raise the quality of welding car, reduce the labor intensity of a robot. It is characterized by two pairs of robots for spot welding of steel plate, bearing a great need for the welding tongs, general in dozens of kilograms or more, then its speed in meters per second a 5-2 meter of such

109、 high-speed movement. So it is generally five to six degrees of freedom, load 30 to 120 kilograms, the great space, probably expected that the work of a spherical space, a high velocity, the concept of freedom, that is to say, Movement is relatively independent of the number of components, the equiv

110、alent of our body, waist is a rotary degree of freedom We have to be able to hold his arm, Arm can be bent, then this three degrees of freedom, Meanwhile there is a wrist posture adjustment to the use of the three autonomy, the general robot has six degrees of freedom. We will be able to space the t

111、hree locations, three postures, the robot fully achieved, and of course we have less than six degrees of freedom. Have more than six degrees of freedom robot, in different occasions the need to configure. The second category of service robots, with the development of industrialization, especially in

112、 the past decade, Robot development in the areas of application are continuously expanding, and now a very important characteristic, as we all know, Robot has gradually shifted from manufacturing to non-manufacturing and service industries, we are talking about the car manufacturer belonging to the

113、manufacturing industry, However, the services sector including cleaning, refueling, rescue, rescue, relief, etc. These belong to the non-manufacturing industries and service industries, so here is compared with the industrial robot, it is a very important difference. It is primarily a mobile platfor

114、m, it can move to sports, there are some arms operate, also installed some as a force sensor and visual sensors, ultrasonic ranging sensors, etc. Its surrounding environment for the conduct of identification, to determine its campaign to complete some work, this is service robots one of the basic ch

115、aracteristics. For example, domestic robot is mainly embodied in the example of some of the carpets and 本科毕业设计说明书（论文） 48 flooring it to the regular cleaning and vacuuming. The robot it is very meaningful, it has sensors, it can furniture and people can identify, It automatically according to a law p

116、ut to the ground under the road all cleaned up. This is also the home of some robot performance. The medical robots, nearly five years of relatively rapid development of new application areas. If people in the course of an operation, doctors surgery, is a fatigue, and the other manually operated acc

117、uracy is limited. Some universities in Germany, which, facing the spine, lumbar disc disease, the identification, can automatically use the robot-aided positioning, operation and surgery Like the United States have been more than 1,000 cases of human eyeball robot surgery, the robot, also including

118、remote-controlled approach, the right of such gastrointestinal surgery, we see on the television inside. a manipulator, about the thickness fingers such a manipulator, inserted through the abdominal viscera, people on the screen operating the machines hand, it also used the method of laser lesion la

119、ser treatment, this is the case, people would not have a very big damage to the human body. In reality, this right as a human liberation is a very good robots, medical robots it is very complex, while it is fully automated to complete all the work, there are difficulties, and generally are people to

120、 participate. This is America, the development of such a surgery Lin Bai an example, through the screen, through a remote control operator to control another manipulator, through the realization of the right abdominal surgery A few years ago our country the exhibition, the United States has been suc

121、cessful in achieving the right to the heart valve surgery and bypass surgery. This robot has in the area, caused a great sensation, but also, AESOPs surgical robot, In fact, it through some equipment to some of the lesions inspections, through a manipulator can be achieved on some parts of the opera

122、tion Also including remotely operated manipulator, and many doctors are able to participate in the robot under surgery Robot doctor to include doctors with pliers, tweezers or a knife to replace the nurses, while lighting automatically to the doctors movements linked, the doctor hands off, lighting

123、went off, This is very good, a doctors assistant. We regard this country excel, it should be said that the United States, Russia and France, in our nation, also to the international forefront, which is the CAS ShenYang Institute of Automation of developing successful, 6,000 meters underwater without

124、 cable autonomous underwater robot, the robot to 6,000 meters underwater, can be conducted without cable operations. His is 2000, has been obtained in our country one of the top ten scientific and 本科毕业设计说明书（论文） 49 technological achievements. This indicates that our country in this underwater robot,

125、have reached the advanced international level, 863 in the current plan, the development of 7,000 meters underwater in a manned submersible to the ocean further development and operation, This is a great vote of financial and material resources. In this space robotics research has also been a lot of

126、development. In Europe, including 16 in the United States space program, and the future of this space capsule such a scheme, One thing is for space robots, its main significance lies in the development of the universe and the benefit of mankind and the creation of new human homes, Its main function

127、is to scientific investigation, as production and space scientific experiments, satellites and space vehicles maintenance and repair, and the construction of the space assembly. These applications, indeed necessary, for example, scientific investigation, as if to mock the ground some physical and ch

128、emical experiments do not necessarily have people sitting in the edge of space, because the space crew survival in the day the cost is nearly one million dollars. But also very dangerous, in fact, some action is very simple, through the ground, via satellite control robot, and some regularly schedul

129、ed completion of the action is actually very simple. Include the capsule as control experiments, some switches, buttons, simple flange repair maintenance, Robot can be used to be performed by robots because of a solar battery, then the robot will be able to survive, we will be able to work, We have

130、just passed the last robot development on the application of the different areas of application, and have seen the robots in industry, medical, underwater, space, mining, construction, service, entertainment and military aspects of the application .Also really see that the application is driven by t

131、he development of key technologies, a lack of demand, the robot can not, It is because people in understanding the natural transformation of the natural process, the needs of a wide range of robots, So this will promote the development of key technologies, the robot itself for the development of Fro

132、m another aspect, as key technology solutions, as well as the needs of the application, on the promotion of the robot itself a theme for the development of intelligent, and from teaching reappearance development of the current local perception of the second-generation robot, the ultimate goal, conti

133、nuously with other disciplines and the development of advanced technology, the robot has become rich, eventually achieve such an intelligent robot mainstream. Robot is mankinds right-hand man; friendly coexistence can be a reliable friend. In future, 本科毕业设计说明书（论文） 50 we will see and there will be a

134、robot space inside, as a mutual aide and friend. Robots will create the jobs issue. We believe that there would not be a robot appointment of workers being laid off situation, because people with the development of society, In fact the people from the heavy physical and dangerous environment liberat

135、ed, so that people have a better position to work, to create a better spiritual wealth and cultural wealth. 本科毕业设计说明书（论文） 51 中文翻译 机器人 首先我介绍一下机器人产生的背景，机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么随着人类的发展，人们在不

136、断探讨自然过程中，在认识和改造自然过程中，需要能够解放人的一种奴隶。那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。 机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操

137、作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人， 也就存在它这种缺陷， 因此， 在 20 世纪 70 年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做

138、，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。 下面我简单介绍一下我国机器人发展的基本概况。由于我们国家存在很多其他的各种因素、问题。我们国家在机器人方面的研究是在 20 世纪 70 年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始本科毕业设计说明书（论文） 52 进行了机器人的研

139、究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展，发展最迅速的时候，是在 1986 年我们国家成立了 863 计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。 目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究

140、，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距， 主要表现在， 我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就。 下边我简单介绍一下工业机器人的一些情况。到目前为止，工业机器人是最成熟，应用最广泛的一类机器人，世界总量目前已经销售 110 万台，这是 1999 年的统计，但这 110 万台在已经进行装备使用的是 75 万台，这个量也是不小的。

141、总体情况看，日本在工业机器人这一块，是首位的，成为机器人的王国，美国发展也很迅速，目前在新安装的台数方面，已经超过了日本，中国刚开始进入产业化的阶段，已经研制出多种工业机器人样机，已有小批量在生产中使用。 点焊机器人主要是针对汽车生产线，提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度的一种机器人。它的特点是通过机器人对两个钢板进行点焊的时候，需要承载一个很大的焊钳，一般在几十公斤以上，那么它的速度要求在每秒钟一米五到两米这样的高速运动，所以它一般来说有五到六个自由度，负载三十到一百二十公斤，工作的空间很大，大概有两米，这样一个球形的工作空间，运动速度也很高，那么自由度的概念，就是说，是相

142、对独立运动的部件的个数，就相当于我们人体，腰是一个回转的自由度，我们大臂可以抬起来，小臂可以弯曲，那么这就三个自由度，同时腕部还有一个调整姿态来使用的三个自由度，所以一般的机器人有六个自由度，就能把空间的三个位置，三个姿态，机器人完全实现，当然也有小于六个自由度的，也有多于六个自由度的机器人，只是在不同的需要场合来配置。 第二类是服务机器人，随着工业化的发展，尤其近十年以来，机器人的发展的应用本科毕业设计说明书（论文） 53 领域在不断拓宽，目前一个很重要的特征，大家都知道，机器人已经从制造业逐渐转向了非制造业和服务行业，刚才谈的汽车制造属于是制造业，但服务行业包括清洁、加油、救护、抢险、救灾

143、这些等等，都属于非制造行业和服务行业，那么这里边跟工业机器人相比，它有一个很重要的不同，它主要是一个移动平台，它能够移动、去运动，上面有一些手臂进行操作， 同时还装有一些像力觉传感器和视觉传感器、 超声测距传感器等等。它对周边的环境进行识别，来判断它的运动，完成某种工作，这是服务机器人的基本的一个特点。 例如，家务机器人主要体现在像一些对地毯和地板定期的它能够进行清扫和吸尘，它这个机器人很有意思，它有传感器，它能够把家具和人能识别出来，它自动的按照一种规律，能根据路径把地面全部的清扫干净，这也是家务中一些机器人的表现。 那么医疗机器人，是近五年来发展比较迅速的一个新的应用领域。如果人手术的时候

144、，医生来手术，一个是疲劳，另一个人手操作的精度还是有限的。在德国一些大学里面，面向人的脊椎，如腰间盘突出这种病，进行识别以后，能够自动地用机器人来辅助进行定位，进行操作和手术。像美国已经有一千多例机器人对人眼球进行手术，这样的机器人， 还包括通过遥控操作的办法，实现对人的胃肠这种手术，大家在电视里边看到，一个机械手，大概有手指这样粗细的一个机械手，通过插入腹脏以后，人在屏幕上操作这个机器手，同时对它用激光的方法对病灶进行激光的治疗，这样的话，人就不用很大幅度地破坏人的身体，这实际对人的一种解放，是非常好一种机器人，医疗机器人它也很复杂，一方面它完全自动去完成各种工作，是有困难的，一般来说都是人

145、来参与，这是美国开发的一个林白手术这样一个例子，人通过在屏幕上，通过一个遥控操作手来控制另一个机械手，实现通过对人的腹腔进行手术，前几年我们国家展览会上，美国已经成功的实现了对人的心脏瓣膜的手术和搭桥手术，这已经在机器人领域中，引起了很大的轰动，还包括，AESOP 的这种外科手术机器人，它实际上通过一些仪器能够对人的一些病变进行检查，通过一个机械手就能够实现对人的某些部位进行手术，还包括遥操作机械手，以及多个医生可以在机器人共同参与下进行手术，包括机器人给大夫医生拿钳子、镊子或刀子来代替护士的工作，同时把照明能够自动的给医生的动作联系起来，医生的手到哪儿，照明就去哪儿，这样非常好的，一个医生的

146、助手。 我们国家的这个方面也不甘落后，应该说继美国、俄国和法国之后，我们国家这个方面，也是走向了国际的前列，这是中科院沈阳自动化所开发和研制成功，水下六千米无缆自治水下机器人，那么这个机器人到水下六千米，能够无缆进行作业，这是刚被获得 2000 年我们国家十大科技成果之一，这个标志着我们国家在水下机器人这块，已经本科毕业设计说明书（论文） 54 达到了国际先进水平，目前我们在 863 计划，在开发水下七千米的有载人潜器来对海洋进一步的开发和作业，这也是投了很大的财力和物力。 我们在空间机器人研究这块也有很大的发展。包括像欧洲十六国在联合空间计划，面向未来太空的这种太空舱这样一个整个计划，其中有

147、一点就是空间机器人，它的主要意义在于开发宇宙，造福人类，创造人类新的家园，它主要的功能是在于科学考察，像空间生产和科学实验，卫星和航天器的维修和修理，以及空间建筑的装配，这几个应用，确实是必要的，比方说科学考察，如果对像地面的模拟一些物理和化学实验，不一定非得人在太空舱里边，因为人在太空舱里生存一天的费用，将近是一百万美金，而且也很危险，那么其实有些动作是很简单的，人通过在地面上，通过卫星进行控制机器人，再定期的完成某种预定的动作，实际是很简单的，还有包括像太空舱进行控制一些实验，一些开关、按钮、法兰简单的维修维护，都可以用机器人来完成，因为机器人有太阳能电池的话，那么机器人就能够生存，就能工

148、作，通过上次我们刚才介绍机器人发展的应用，在不同领域的应用，也确实看到了机器人在工业、医疗、水下、空间、采掘、建筑、服务、娱乐、军事方面的应用，也的的确确看到，是由于应用带动了关键技术的发展，没有需求，机器人就不能发展，正是因为人们在认识自然改造自然过程中，需要各种各样的机器人，所以才促进了这项关键技术的发展，促进了机器人本身问题的发展，从另一个方面，由于关键技术的解决，以及应用的需求，就促进了机器人学本身的一个主题的发展，智能化，由原来的示教再现，发展成目前局部感知功能的第二代机器人，最终的目标，是不断地随着其它学科和先进技术的发展，使机器人内涵不断丰富，最终实现智能机器人这样一个主流。 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。