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第1篇：機器人設計范文

關鍵詞：上肢康復訓練機器人 青島大學碩士開題報告范文 青島論文 開題報告

一、 選題的目的和意義

據統計,我國60 歲以上的老年人已有1.12 億。伴隨老齡化過程中明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降，進而對日常的生活產生了種種不利的影響。此外，由于各種疾病而引起的肢體運動性障礙的病人也在顯著增加，與之相對的是通過人工或簡單的醫療設備進行的康復理療已經遠不能滿足患者的要求。隨著國民經濟的發展，這個特殊群體已得到更多人的關注，治療康復和服務于他們的產品技術和質量也在相應地提高，因此服務于四肢的康復機器人的研究和應用有著廣闊的發展前景。

目前世界上手功能康復機器人的研究出于剛起步狀態，各種機器人產品更是少之又少，在國內該領域中尚處于空白狀態，臨床應用任重而道遠，因此對手功能康復機器人的研究有廣闊的應用前景和重要的科學意義。

目前大多數手功能康復設備存在以下一些問題：康復訓練過程中，缺乏對關節位置、關節速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數手功能康復設備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。本課題針對以上問題，采用氣動人工肌肉驅動的手指康復訓練機器人實現手指康復訓練的多自由度運動，不僅降低了設備成本，更重要的是提高了系統對人類自身的安全性和柔順性，且具有體積小，運動的強度和速度易調整等特點。

課題的研究思想符合實際國情和康復機器人對系統柔順性、安全性、輕巧性的高要求 。它將機器人技術應用于患者的手部運動功能康復，研究一種柔順舒適、可穿戴的手功能康復機器人，輔助患者完成手部運動功能的重復訓練，其輕便經濟、穿卸方便，尤其適于家庭使用，既可為患者提供有效的康復訓練，又不增加臨床醫療人員的負擔和衛生保健。

綜上所述，氣動人工肌肉驅動手指康復訓練機器人的設計是氣壓驅動與機器人技術相結合在康復醫學領域內的新應用，具有重要的科學意義。

二、 國內外研究動態

2.1 國外研究動態

美國是研究氣動肌肉機構最多的國家，主要集中在大學。

華盛頓大學的生物機器人實驗室從生物學角度對氣動肌肉的特性作了深入研究，從等效做功角度建模，并進行失效機理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運動控制研究。

vanderbilt 大學認知機器人實驗室(cognitive robotics lab, crl)研制了首個采用氣動肌肉驅動的爬墻機器人，并應用于驅動智能機器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。

伊利諾伊大學香檳分校的貝克曼研究所對圖像定位的5自由度soft arm 機械手采用神經網絡進行高精度位置控制和軌跡規劃。亞利桑那州立大學設計了并聯彈簧的新結構氣動肌肉驅動器，可以同時得到收縮力和推力，并與工業界合作開發了多種用于不同部位肌肉康復訓練的小型醫療設備。

英國salford 大學高級機器人研究中心對氣動肌肉的應用作了長期的系統研究，開發了用于核工業的操作手、靈巧手、仿人手臂以及便攜式氣源和集成化氣動肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的遠程控制。

法國國立應用科學學院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了氣動肌肉的動靜態性能和多種控制策略，目前正在研制新型驅動源的人工肌肉以及在遠程醫療上的應用。

比利時布魯塞爾自由大學制作了新型的折疊式氣動肌肉用于驅動兩足步行機器人，實現了運動控制。

日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又發明了多種不同結構的氣動肌肉。德國festoon 公司發明了適合工業應用的氣動肌腱fluidic muscle，壽命可達1000萬次以上，同時還對氣動肌肉的應用作了許多令人耳目一新的工作。英國shadow 公司研制了目前世界上最先進的仿人手。美國的kinetic muscles 公司與亞利桑那州立大學合作開發了多種用于肌肉康復訓練的小型醫療設備。

lilly采用基于滑動模的參數自適應控制策略，實現了單氣動肌肉驅動的關節位置控制。

2.2 國內研究動態

自20 世紀90 年代以來，我國陸續開始了氣動肌肉的研究。

北京航空航天大學的宗光華較早開始氣動肌肉的研究，分析了其非線性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對驅動模型的影響，并應用于五連桿并聯機構，通過剛度調節實現柔順控制。

上海交通大學的田社平等運用零極點配置自適應預測控制、非線性逆系統控制以及基于神經網絡方法，實現單自由度關節的快速、高精度位置控制。

哈爾濱工業大學的王祖溫等分析了氣動肌肉結構參數對性能的影響、氣動肌肉的靜動態剛度特性以及與生物肌肉的比較，提出將氣動肌肉等效為變剛度彈簧，設計了氣動肌肉驅動的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數據手套和6 足機器人，采用輸入整形法解決關節階躍響應殘余震蕩問題。

北京理工大學的彭光正等先后進行了單根人工肌肉、單個運動關節以及3 自由度球面并聯機器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經網絡等多種智能控制算法，并設計了6 足爬行機器人和17 自由度仿人五指靈巧手。

哈爾濱工業大學氣動中心的隋立明博士也通過實驗得到了氣動人工肌肉的一個更簡潔的修正模型和經驗公式并對兩根氣動人工肌肉組成的一個簡單關節系統進行實驗建模和采用位置閉環的控制方法進一步驗證氣動人工肌肉的模型。

上海交通大學的林良明也對氣動人工肌肉的軌跡學習控制進行了仿真研究給出了學習的收斂性的初步結論為下一步的學習控制奠定了基礎。其中田社平通過對氣動人工肌肉收縮在頻率域上的數學模型并對它的結構及其靜動態特性進行了理論分析建立了相應的靜態力學方程。

2003年付大鵬等，以機械手抓取物體為分析對象，采用矩陣法來描述機械手的運動學和動力學問題，以四階方陣變換三維空間點的齊次坐標為基礎，將運動、變換和映射與矩陣計算聯系起來建立了機械手的運動數學模型，并提出了機械手運動系統優化設計的新方法，這種方法對機械手的精密設計和計算具有普遍適用意義。

2005年車仁煒，呂廣明，陸念力對5自由度的康復機械手進行了動力學分析，將等效有限元的方法應用到開式的5自由度的康復機械手的動力分析中，這種方法比傳統的分析方法建模效率高、簡單快捷，極其適合現代計算機的發展，的除了機械臂的動力響應曲線，為機械手的優化設計及控制提供理論依據。

2008年北京聯合大學張麗霞，楊成志根據拿取非規則物品的任務要求，采用轉動機構和連桿機構相結合，設計了五指型機器手，手指彎曲電機與指間平衡電機耦合驅動，實現了機器手的多角度張開、抓握運動方式,對實用型仿人機器手的機構設計有參考意義。

2009年楊玉維等人對輪式懸架移動2連桿柔性機械手進行了動力學研究與仿真，。采用經典瑞利.里茲法和浮動坐標法描述機械手彈性變形與參考運動間的動力學耦合問題， 綜合利用拉格朗日原理和牛頓.歐拉方程并在笛卡爾坐標系下，以矩陣、矢量簡潔的形式構建了該移動柔性機械手系統的完整動力學模型并進行仿真。

2009年羅志增，顧培民研究設計了一種單電機驅動多指多關節機械手，能夠很好的實現靈巧、穩妥的抓取物體，這個機械手共有4指12個關節。每個手指有3個指節，由兩個平行四邊形的指節結構確保手指末端做平移運動，這種設計方案很好的實現了控制簡單、抓握可靠的目的。

從目前來看，國內對氣動人工肌肉的研究仍處于剛起步的階段。有關氣動人工肌肉的研究與國外還有相當的差距對氣動人工肌肉中的許多問題，還沒有進行深入的研究。此外，采用氣動人工肌肉作為機器人驅動器的研究還不成熟。

三、 主要研究內容和解決的主要問題

目前大多數手功能康復設備存在以下一些問題:康復訓練過程中，缺乏對關節位置、關節速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數手功能康復設備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。為此，課題主要研究內容：設計一種結構簡單，易于穿戴，并且安全、柔順、低成本，使用方便的氣動手功能康復設備。對氣動手指康復系統進行機構運動學分析、用mat lab軟件對康復訓練機器人的康復治療過程的力位信息進行仿真分析。

要實現上述的目標，系統中需要著重解決的關鍵技術有：

(1)基于已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分的設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。 主要包括：人手部的手指彎曲抓握動作分析，氣壓驅動關節機構自由度的優化配置。使機械手能夠實現手指的彎曲、物體的抓握等手部癱瘓患者不能實現的動作。

(2)對機器人機械機構的運動學分析。主要包括：氣壓驅動的手指關節外骨骼機械機構的運動學分析。

(3)機器人機構的力位信息仿真。主要包括：用mat lab軟件進行機器人氣壓驅動終端的力位信息 仿真。

根據總體方案設計以及工作量的要求，外附骨骼機械手系統是上肢康復訓練機器人的一部分，本文主要是研究手指康復機械系統運動學、動力學分析工作。

四、論文工作計劃與方案

論文工作計劃安排：

2010年9月——2011年6月準備課題階段：

主要工作：學習當今最先進的機器人設計技術;學習用matlab軟件進行計算仿真及優化，查閱國內外的資料，對康復機械手作初步了解。

2011年7月——2011年9月課題前期階段

主要工作：課題方案設計，擬寫開題報告，開題。

2011年10月——2012年7月課題中期階段

主要工作：開始具體課題研究工作，根據已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。研究手指康復機械系統運動學、動力學分析工作。

2012年8月——2012年12月課題后期階段

主要工作：對手指康復機器人進行模擬仿真，對設計進行優化，并在此基礎上進一步完善課題。

2013年1月——2013年4月結束課題階段

主要工作：整理相關資料，撰寫論文，準備進行畢業論文答辯。

2013年5月——2013年6月論文答辯階段

主要工作方案：

1. 完成學位課與非學位課學習的同時，進行市場調研，對手指康復機械手作初步了解。

2. 查閱資料，了解氣動手指康復機器人的國內外發展現狀。

3. 分析已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構的部分設計。

4. 對現有手指康復訓練方法設計進行分析和提煉，分析其優缺點。

5. 開始具體設計工作。

第2篇：機器人設計范文

關鍵詞：服務機器人；語音；QQ物聯；物聯網

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-0-04

0 引 言

2012年4月，中國科技部正式印發了《服務機器人科技發展“十三五”專項規劃》[1]，中國產業調研網的2015-2020年中國服務機器人市場深度調查分析及發展趨勢研究報告認為，縱觀國內外服務機器人的發展，預測服務機器人在我國具有廣闊的市場空間。隨著城市化進程加速、人口老齡化和人口素質的提高，服務機器人的商業應用將會加速發展。

語言是人們傳遞信息的重要方法，隨著人工智能的發展，社會對智能化的要求越來越高，智能機器人的應用范圍越來越廣，通過語音來控制機器人可以大幅提高工作效率。2014年10月，“QQ物聯智能硬件開放平臺”，開發者可以充分利用和發揮騰訊QQ的億萬手機客戶端及云服務的優勢。結合目前機器人發展的方向，本文提出了基于QQ物聯的智能語音服務機器人系統設計方法。

1 系統功能分析與總體設計

1.1 系統功能分析

基于QQ物聯的語音服務機器人針對家庭生活場景主要實現以下功能：

（1）QQ物聯：將QQ賬號體系及關系鏈、QQ消息通道能力等核心能力與機器人合作，實現用戶與機器人之間的互聯互通互動，充分利用和發揮騰訊QQ億萬手機客戶端及云服務的優勢；

（2）無線充電：機器人自動檢測自身電量，當電量低于預設值時，采用無線充電方式充電；

（3）消息處理：自動連接手機藍牙，語音處理電話等消息。

（4）環境監控：機器人自動檢測房間溫度、濕度、光照強度等，當環境參數不在預設值范圍內時，進行語音提醒[1]；

（5）智能安防：當檢測到用戶離開房間后，自動切換到安防模式，用戶可通過攝像頭查看室內狀況，出現突況時自動聯系用戶；

（6）語音交互：可與用戶實現簡單的人機交互[2]；

（7）娛樂放松：用戶可通過語音交互播放音樂或簡單笑話等。

1.2 系統總體設計框架

根據系統功能要求，設計本系統的總體框圖如圖1所示。系統包括主控制器模塊和功能模塊，部分包括環境監測模塊，攝像頭模塊，語音識別模塊，無線充電模塊，通訊模塊，移動設防系統，視頻與音頻處理模塊和小車模塊。環境監測部分主要通過一些傳感器檢查環境參數，并不斷返回控制器，控制器可針對這些數據做出綜合調節。攝像頭模塊負責視頻通話與安防。語音識別模塊可識別出人們的一些語言信息，通過識別這些信息來判斷人們的指令，從而更好、更人性化的為人們服務。無線充電模塊主要維持機器人和小車的正常用電與供電，保證小車和機器人正常工作。通訊模塊的主要功能包括語音外放，語音對講，語音提醒等。無人在家時，如有特殊情況發生移動設防系統可自動向主人發送信息。

2 硬件模塊選型與設計

2.1 主控制器

本系統的主控制器選用ST公司生產的STM32F103系列芯片。該芯片基于ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率最高可達72 MHz，且內置高速存儲器（64 KB的閃存和20 KB的SRAM），豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。STM32系列提供了全新的32位產品選項，結合高性能、實時、低功耗、低電壓等特性，保持高集成度和易開發的優勢，將32位MCU的性能和功效引向一個新的級別[3]。

2.2 QQ物聯模塊

QQ物聯通過QQ賬號體系及相關的關系鏈來實現用戶與設備之間的相互連通，充分發揮QQ手機客戶端和云服務的優勢[4]。本設計采用了QQ物聯攝像頭模塊，可通過QQ與攝像頭進行交互。具有如下功能：

（1）遠程監控：直接打開手機QQ便可隨時隨地遠程查看攝像頭內的視頻。

（2）支持分享設備：將自己錄制好的精彩視頻或照片分享至QQ好友，實現與好友的互動。

（3）移動偵測報警：家中無人時啟動設防功能。如果視頻監控畫面中出現了移動物體或人體時，將會截圖發送至手機，同時也會將截圖自動保存在TF卡上。

（4）語音對講：利用QQ實現實時語音對講，使得好友之間的關系更加親密。

2.3 藍牙音響模塊

藍牙技術是一種短距離通信技術，頻率為全球共有頻段2.4 GHz[5]，可使不同的設備無縫共享資源。它采用短距離無線連接，無需專用電纜，使移動用戶不僅擺脫了線纜的束縛，還易于在室內或室外流動操作。

2.4 語音識別模塊

本系統采用ICRoute公司生產的LD3320語音控制芯片來實現簡單的語音識別[6]。LD3320的電路原理圖如圖2所示。

2.5 無線充電模塊

本系統采用原理為電磁感應的無線充電模塊[7]，使機器人在自身電量不足時能夠進行無線充電，簡化充電過程。

2.6 語音輸出模塊

本系統使用LMD102語音模塊。該模塊價格低廉，穩定可靠，支持多路語音，還可通過單片機串口控制。電路原理圖如圖3所示。

2.7 環境傳感器模塊

環境參數主要為測量溫度，濕度和光照等信息。本設計為了能夠更加準確地采集光照及溫濕度信息，使用BH1750傳感器來獲取光照強度[8]，利用DHT11采集溫濕度。

3 系統軟件設計及實現

3.1 系y初始化

系統初始化主要完成堆棧、定時器、串口等的設置。然后根據需求調用相應的功能，如獲取環境參數等。語音芯片識別這些語句后，經各模塊獲取相應內容，再通過語音反饋給用戶。本系統還聯合QQ物聯，通過QQ控制攝像頭，實現視頻通話與語音對講。軟件流程如圖4所示。

3.2 LD3320語音程序設計

語音識別軟件流程圖如圖5所示。首先對該模塊進行初始化，對語音編碼進行預處理，然后提取相應的特征，進行矢量的量化，最后針對語音的輸入匹配特征，輸出對應的語音結果。在程序設計中，通過改善算法[9]提高了識別準確率。

3.3 環境監測程序設計

首先光照傳感器需要對解析度和透光率進行設置。解析度一般設置為2，傳感器返回的值為實際值乘以透光率。所以在代碼中需要經過初始化，經光亮度讀取和實際亮度計算得出準確的光照值。光照傳感器程序流程圖如圖6所示。

溫濕度傳感器DHT11包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，只有4個引腳，控制其時鐘序列滿足要求后，即可取出數據，DHT11對時鐘的要求非常嚴格。數據格式為：8 b濕度整數數據+8 b濕度小數數據+8 b溫度整數數據+8 b溫度小數數據+8 b校驗和[10]。圖7所示為DHT11的程序流程圖。

3.4 語音播放程序設計

語音錄制播放模塊LMD102可以錄制多路聲音。由于此模塊具有USB接口功能，可以直接在特定軟件下合成聲音，無需人工錄制聲音，可以大大減輕工作量。本系統采用串口發送的方法將信息發送給芯片，由于每段語音都有特定的ID號，因此只需發送對應的ID號即可播放對應的語音。發送格式為：引導碼+段號+結束碼。LMD102程序流程圖如圖8所示。

3.5 系統測試

服務機器人機械框架采用3D打印模式，設計實物如圖9所示。

系統采取分模塊測試方法：

（1）攝像頭及語音功能、移動設防功能測試。當有物體在攝像頭面前移動時，會有QQ提醒消息，移動設防功能正常。

（2）藍牙音箱功能測試。打開手機藍牙連接至藍牙音箱，此時會有語音提示，藍牙連接。打開手機音樂，發現藍牙音箱能夠播放手機音樂，該藍牙音箱測試正常。

（3）環境參數測量。為了能夠直觀顯示測試結果，將測試結果輸出至屏幕。

（4）語音播放模塊測試。通過外部調節使環境的溫濕度、光照發生變化，此時服務機器人會發出語音環境異常信息的提示。

對各模塊進行綜合測試，發現本系統工作正常。

4 結 語

本文完成了針對家庭生活的基于QQ物聯的服務機器人系統設計。該系統具有以下優點：

（1）自動無線充電：解決機器人手動充電的問題，方便機器人長時間工作；

（2）應用范圍廣：本項目可適用于老人、孩子和上班族，適用人群廣泛，通過QQ物聯接入，擴大用戶人群；

（3）功能完善、穩定：本作品加入了語音、攝像頭圖像處理、分布式信息管理、WiFi等功能模塊，使機器人擁有較為完備的功能。同時通過改進相關算法，極大地提高了機器人針對不同場景做出的反應速度。

本設計可廣泛應用于家庭和辦公室等一些私人場所。如果將本設計繼續優化，功能將更加完善，其適用范圍也將更加廣闊。

參考文獻

[1]服務機器人科技發展“十二五”專項規劃[J].機器人技術與應用，2012（3）：1-5.

[2]蘇鵬，周風余，陳磊.基于STM32的嵌入式語音識別模塊設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2011，11（2）：42-45.

[3]孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用[J].網絡新媒體技術，2010，31（12）：59-63.

[4]騰訊公司.QQ物聯全解析[J].物聯網技術，2015，5（5）：5-7.

[5]胡新華，楊繼隆，姜偉，等.藍牙技術綜述[J].現代電子技術，2002，25（5）：93-96.

[6]陳景帥.智能空間下語音交互系統的研究與實現[D].濟南：山東大學，2010.

[7]劉剛，鄭青玉，王德釗.一種基于電磁感應的無線充電方法[J].北京信息科技大學學報（自然科學版），2013（2）：51-54.

[8]王建，毛騰飛，陳英革.基于BH1750芯片的測光系統設計與實現[J].常熟理工學院學報，2011，25（2）：117-120.

第3篇：機器人設計范文

關鍵詞： 人工智能 自動控制 偵查

Abstract: this paper is mainly fusion research, multidisciplinary, have muti_function investigation of fire fighting robot, through the circuit board master control system of overall control, using the sensor for the flame and obstacles test, to control the stepping motor and the machine arm to realize the fire investigation of the robot every action, it can automatic obstacle avoidance, automatic looking for fire, automatic fire extinguishing.

Keywords: artificial intelligence automatic control investigation

中圖分類號：TP18文獻標識碼：A文章編號：

1 前言

隨著社會的不斷發展，在社會財富日益增多的同時，導致發生火災的危險性也在增多， 火災的危害性也越來越大。各種不可避免的火災頻繁出現，給社會造成了許多隱患。在長春就出現了天元大廈大火災的慘痛教訓，所以隨著社會與國家的發展，在經濟迅速增長的同時，各種火災的及時撲救已成為了迫在眉睫需要解決的問題。救火早一刻就少一分的損失。救援人員固然很快，但也需要一定的時間，而且進入火災現場還有一定的危險，甚至危及生命。 近幾十年中，大量的高層，地下建筑與大型的石化企業不斷涌現。由于這些建筑的特殊性，發生火災時，不能快速高效的滅火。為了解決這些難題，盡快救助火災中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，研制一種偵查滅火機器人是十分必要和有實際現實意義的。

2機器人整體運作方案分析

本機器人利用了單片機通信技術，工作人員在火場外的安全區域內可對其進行遠程操控，由于機器人體積小，活動靈活，使其能安全、快速的找到火源，將火撲滅。為消防營救工作爭取了寶貴的時間。滅火機器人采用360度可旋轉機械臂，可夾帶消防噴頭至火場，這樣便可控制噴頭噴水方向，機械臂上置有CCD高清攝像頭，在滅火過程當中，通過攝像頭反饋來的信息判斷水壓是否供給到位，火場是否有殘余火源等等。另外，機器人底盤采用履帶式的設計，使其能穿行于各種地形。而履帶是用特殊材料制成，耐高溫，增強了本機器人在火場的耐用性。底盤上也裝有CCD攝像頭，可以方便操作人員清楚地知道機器人所在的方位。控制臺電腦和機器人上的機載控制器采用無線通訊方式, 通過電腦控制界面對機器人發出指令并接受回饋信號, 指揮機器人在定位后完成各項功能作業。由于是采用直流步進電機驅動，所以不能攜帶笨重的水箱作業，將水箱留在火場外，機器人只夾帶噴頭作業，這樣既減少了機器人動力來源的功耗，又方便其在狹小的環境中作業。

3機器人的系統組成

（1）步進電機

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。

步進電機是純粹的數字控制電機。它將電脈沖的信號轉化為角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，非常適合于用單片機來控制。步進電機具有如下一些特點：

a) 在負載合適、控制合適的前提下，步進電機的角位移與輸入脈沖數嚴格的成正比，因此，當它轉一轉后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。

b) 由步進電機與驅動電路組成的開環數控系統，既非常簡單、廉價、又非常可靠。同時，它也可以與角度反饋環節組成高性能的閉環數控系統。

c) 步進電機的動態響應快，易于起停，正反轉和變速。

d) 速度可以在相當大的范圍內平滑調節，低速下仍能保證比較大的轉矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅動負載。

e) 步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。

f) 當負載較大、沖擊負載、或者控制不合適的情況下，步進電機存在震蕩和失步的現象，必須對控制系統和機械負載采取相應的措施。

g) 步進電動機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差。

（2）CCD攝像頭

CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件。可以稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。 CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數字信號。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉變成數字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。

（3）旋轉機械臂

本機器人的制作核心便是這個自由度非常高的旋轉機械臂上，由320mm、360mm的兩段鋼架支撐，下面的鋼柱固定在可360度旋轉的圓盤上，上下兩個鋼柱間用電機控制其垂直角度，上面鋼架尾部有一個夾子，能夾住消防水槍的噴頭，完成滅火任務。

4 機器人功能

（1）火情偵查。

機器人的平衡作業臂采用3節1m的結構，可繞軸做90°俯仰運動，電機驅動鋼索完成拉伸和收縮，可由1m伸展至3m。為取得來自于火災現場的圖像信號，在作業臂前端云臺上安裝彩色CCD攝像機，視頻信號采用無線傳輸的方式，在地面控制臺的顯示屏上可對火災現場直接監控，并及時調整機器人的作業動作。可根據現場要求加裝溫度傳感器探測火災現場的溫度，可燃氣體傳感器探測建筑物內部可燃氣體的含量以防止自燃的發生。

（2）救援和滅火。

機器人自身配有攜帶水槍頭的機械手臂、照明燈和載物箱。載物箱可根據需要裝載氧氣罩、急救工具等。機械手臂上的水槍頭可以進行滅火，照明燈可為現場探測提供照明，還可以幫助受災人員。

5 綜述

目前, 已有很多種不同功能的消防機器人用于救災現場。從各國的研究情況來看, 消防機器人應具有三個方面的作用: 在短時間內實現對火情的偵察; 能夠對被困火中的人員進行有效地救助; 能夠攜帶一定量的滅火劑進行滅火。

滅火機器人屬于特種機器人范疇，它作為特種消防設備可替代消防隊員接近火災現場實施有效的滅火救援作業，開展各項火場偵查任務，尤其是在危險性大或者消防隊員不易接近的場合，滅火機器人的應用將大大提高消防部門撲滅惡性火災的能力，對減少國家財產損失和滅火救援人員的傷亡具有重要的作用。

參考文獻

[1]陳伯時電力拖動自動控制系統[M] 北京 機械工業出版社， 2002

第4篇：機器人設計范文

關鍵詞：電氣工程自動化；產業機器人；設計要點

國家近些年推出智能戰略計劃，產業機器人由此應運而生。我國部分地區積極出臺相應文件以支持機器人產業發展。上海曾出臺《上海市高端裝備制造業“十二五”發展規劃》，指出要重點發展產業機器人，將其投用到包裝、焊接、裝配、噴涂、搬運等生產環節中，同時關注研發機器人的核心部件，包括電機、驅動器、控制器、傳感器、網絡控制系統等。此外，包括廣東、杭州、北京等地都陸續出臺相關政策，明確了產業機器人的發展方向。電氣工程自動化與產業機器人的結合已經成為必然趨勢，而如何將電氣工程自動化技術與產業機器人的設計活動以及應用環節有機融合在一起，則成為當前發展產業機器人需研究的關鍵課題。

1產業機器人中的電氣工程自動化技術

1.1新生代電氣自動化技術

電氣自動化技術是近些年興起且發展迅速的新型技術之一，且在電氣自動化技術不斷升級應用的過程中，信息技術也在不斷發展，由此不斷催生出各種新型的電氣自動化技術，包括高精度運動控制、模塊化與嵌入式控制系統設計、高可靠性實時通信網絡、復雜設施設備系統仿真技術等。將其應用到產業機器人領域，則能夠滿足不同產業的實際需求。面對更高的控制精度要求以及更加簡化與智能化的控制流程要求，在應用電氣自動化技術時，要注重對產業機器人的核心部件與電氣自動化技術連接在一起，包括伺服電機、控制器等，同時要注重對服務型機器人的研發，確保產業機器人整體發展水平較高。

1.2PLC控制系統

在電氣自動化控制技術中，PLC控制系統是標志性的自動化控制技術的集合控制形式，PLC又稱為可編程邏輯控制器，與工業生產環境有較高的適應性，在數字運算操作電子系統的支持下，能夠更加可靠與高效的開展工作，且能夠更加快速的進行編程。和計算機類似，PLC控制系統中主要包括中央處理器、存儲器、外部設備接口等組件，工作流程則為采樣、用戶程序執行和輸出刷新。在PLC系統的支持下，可以幫助產業機器人在實際的運作過程中實現對機器人的點位控制、智能控制、力矩控制和軌跡連續控制。PLC控制系統要加強與產業機器人控制器之間的連接，要形成智能化的控制路徑，以提高機器人的環境適應能力和學習能力，并確保產業機器人能夠穩定、高效的完成工作。

1.3機械零件拼接、驅動與程序編排技術

在對產業機器人進行設計時，電氣工程自動化技術的一個主要功能在于對機器人的零部件進行組裝設計。設計人員要借助電氣自動化技術對組裝的零件設備進行質量檢測，并對相應的信息數據進行處理，并實時反饋零部件信息，確保不出現偏差。在完成初步的拼接工作后，設計人員要借助電氣自動化技術對零部件進行驅動檢測，要依托于計算機系統中的驅動裝置設定運行信號，判斷機器人根據信號工作的能力。最后則要進行機器人操作程序的編排，要搭建中心監控與操控系統，實時調整機器人的運行狀態。此外，還要注重加強機器人和云服務器之間的連接，提高產業機器人處理多種環境的能力，確保產業機器人的自動化以及智能化操作水平高。

2提高電氣工程自動化背景下產業機器人設計水平的具體措施

2.1搭建行業開放式資源平臺

機器人行業的發展規模在不斷擴大，針對產業機器人的發展，設計人員要關注搭建行業開放式資源共享平臺，要以行業協會、學會以及產業聯盟為基石，對上述第三方機構加強協調，搭建交流平臺，拓寬產業機器人的開發渠道和技術研究渠道，真正的推動機器人行業在產品、人才、資源、技術等方面的流動。各個省市可以舉辦機器人競賽和挑戰賽等，激發愛好者的興趣，并提供可交流經驗的競技平臺，以儲備產業發展人才，形成科學的產業發展格局。

2.2科學進行硬件和軟件系統設計

2.2.1硬件系統設計對產業機器人進行設計，設計人員基于生產要求應對伺服電機進行科學選擇，考慮到便于維護和易于實現智能化這兩個要求，應選用直流伺服電機。直流伺服電機的精度由電機后端編碼器控制，能夠更加低速和平穩的運行，具有較強的過載能力。DSP傳輸控制信號，電機執行，并由閉環控制進行精準定位，在電機編碼器反饋信號采樣的基礎上，驅動器可以快速響應。其次，要合理的選用和設計控制器，控制器中應包括單片微控制器、DSP數字信號處理器、PLC可編程邏輯控制器、工業控制計算機等，同時要在電氣自動化技術的支持下使用控制算法，形成控制信號后可對控制對象進行精準控制。設計人員要根據產業機器人的自身特點以及產業生產的實際要求，科學的選擇DSP控制器。對繼電器進行設計，要從操作安全性以及抗干擾性、靈敏度等方面進行把控，可選擇固態繼電器，其組成部分包括分離電子器和微電子電路等。可以將控制信號輸送到輸入端，從而有效控制大電流負載驅動。

2.2.2軟件系統設計在設計產業機器人的過程中，要將產業機器人的軟件設計作為要點之一。設計人員要從上層開發環節、驅動程序以及底層控制程序三個方面進行科學設計。上層開發設計的目的在于提供測試控制器，基于此，用戶可以在滿足控制要求的軟件平臺上進行操作。在開發驅動時，則要考慮到控制器的抗干擾性，要從提高在不同網絡下的適應性角度出發進行設計。在進行底層設計時，設計人員則要以伺服驅動的運動功能為基礎，并借助C語言進行編程開發，為整個控制系統提供可靠支撐。設計人員要依托于傳感器的狀態值自動切換無刷電機和電路電壓，并且可以借助相關算法提高對電機位置以及電機速度的控制精度。在電氣自動化技術和PLC控制系統的幫助下，可以實現對產業機器人運行過程中可能出現的軟件故障的監測和診斷，主要包括CAN的通信故障和功率器件的過載故障等。設計人員應選用更加高效的C編譯器，提高兼容性，同時要借助CCS推出的軟件集成開發技術，更加科學的開展設計工作。

2.3精準執行焊接機器人功能調試操作

在完成產業機器人的基礎設計工作之后，設計人員要對設計完成的產業機器人進行功能調試。首先要檢查伺服電機的運動極性，要依次施加小電流和大電流。在完成極性檢查之后，設計人員要對機器人的關節活動情況進行檢查，要確保產業機器人的各個關節能夠根據預定的程序靈活的進行運動。在調試產業機器人的關節時，要對基本軸進行預先調試，接著要對機器人的腕部軸進行調試，確保機器人能夠正常的完成上臂帶手腕回轉、機器人手腕上下運動以及機器人手臂回轉操作。

2.4全面優化設計細節

從提高產業機器人工作效率和工作質量的角度出發，設計人員要結合設計要求對設計細節進行優化。要借助電氣自動化技術和操作平臺對已經完成設計的產業機器人進行試運行，并找出基礎結構中可優化設計的細節。以采茶機器人的優化設計為例，設計人員可以將機械結構改為懸臂梁式，即對傳統的Z軸改為與Y軸平行的結構改變成左Y軸與右Y軸相互獨立的結構，并將左Z軸與右Z軸設置在兩Y軸上。在進行滑臺設計時，則要從有效控制三軸運行的角度出發進行設計，實現對有效運行行程、長度、最大速度以及重復定位精度等參數的控制。設計采摘爪手時，設計人員要提高其自動化和智能化程度，要使用推拉式電磁鐵，電磁吸力可以幫助制動，同時彈簧彈力可以幫助歸位，此外，在微型軸承的作用下，固定銷、轉動鉸鏈間可以實現高效配合，從而提高作業效率。基于此，設計人員在進行產業機器人設計時，必須依托于產業生產的實踐要求，對產業機器人的結構細節進行優化，確保結構簡單、穩定且易于操作。

第5篇：機器人設計范文

關鍵詞：采摘機器人；移動通信終端；數據丟失率；延遲性

0引言

采摘機器人可有效進行農產品的采摘，并可完成采摘后的運輸和包裝等任務，采摘機器人的發展水平，是農業經濟作物種植水平的體現［1－2］。采摘機器人要求具有較強的移動能力，能夠對采摘作業周圍環境信息進行感知，形成自適應調整的自動化采摘。采摘機器人系統主要涉及領域包含通訊、圖像采集識別、人工智能及系統集成等［3－5］。筆者根據采摘作業需求，設計了一種可進行遠程終端控制的采摘機器人，采用不同的功能模塊實現采摘過程自動行走和采摘環境感知，同時利用移動通信遠程控制終端對采摘機器人進行指令控制，實現智能化采摘作業。

1采摘機器人控制系統需求

采摘機器人是一種能夠進行自動移動的無人操作設備，自身集成多種傳感器，能夠在不同的環境內進行自由運動，同時可根據搭載作業裝置的不同而完成不同的采摘任務；采摘完成后，要求能夠按照規劃路徑進行運輸［6］。采摘過程中，需要采摘機器人根據設定路線進行準確運動，進行農產品采摘，因此要求采摘機器人控制系統能夠精準進行移動控制，并將位置狀態信息和采摘過程參數信息數據進行有效傳輸，方便使用者對采摘機器人的作業狀態信息進行掌控［7］。根據以上分析，采摘機器人首先要求能夠自動開啟控制系統，建立有效的數據傳輸網絡，并對控制系統中裝載的控制軟件程序進行運行，接收控制過程相關指令。控制系統接收到移動終端發送來的動作指令后，對相關傳感器進行初始化設置，按照設定程序開始程序運行狀態，實時進行采摘機器人作業控制和狀態監測，將反饋信息數據發送至控制系統主機，并通過移動通信傳輸的方式發送至移動終端［8－10］。當采摘機器人控制系統初始化完成后，控制系統主機接收移動終端指令，對指令數據進行解析，生成系統可執行數據，通過總線傳輸的方式發送至執行機構驅動系統，完成相關作業動作。

2采摘機器人控制系統設計

根據采摘機器人系統功能需求，設計的采摘機器人系統各模塊之間能夠實現相互通信和數據傳輸。采摘機器人控制系統總體結構如圖1所示。工作時，采用GPS進行采摘機器人坐標定位，利用超聲波進行作業過程距離測量，同時可進行采摘機器人作業時的相關數據管理。采摘機器人控制系統主機可通過遠程控制器接收控制指令，也可以按照設定好的通信路徑接收控制指令。其控制指令發送流程如圖2所示。當采摘機器人控制系統接收到運行狀態進行指令和故障指令時，主機對運行狀態指令進行中止，并按照設定緊急程序進行相關動作［11］。手動遠程控制指令通過移動終端發送，利用無線數據傳輸至控制系統主機，實現采摘機器人的遠程控制。路徑指定執行指令是按照設定好的通信路徑，將采摘目標狀態信息發送至控制系統主機，經過接收和解析后，對執行機構電機進行驅動，過程中需要傳感器的輔助［12］。采摘機器人系統在通信過程中，要求保證控制系統主機和移動終端能夠通信暢通，控制系統主機對采摘機器人的整體運行狀態進行實時監測，并可將分析處理后的參數信息發送至移動終端。采摘機器人系統通訊數據主要包含控制系統主機發出的控制指令和初始化命令、傳感器數據信息和故障參數及控制系統主機與移動終端之間的交互數據［13－14］。

3采摘機器人控制系統軟件設計

按照采摘機器人的功能需求和作業控制過程，所設計的采摘機器人控制系統程序執行流程架構如圖3所示。采摘機器人進行遠程移動終端控制時，要求具有較高的定位準確度，能夠實現動態數據接收與發送，按照設定的數據交互協議對定位數據進行采集和處理［15］。GPS定位模塊在執行數據采集程序時，首先根據數據格式特征進行解析，將定位數據按照解析格式進行發送，保證數據傳輸過程的準確性。采摘機器人GPS定位模塊數據采集和分析處理流程圖，如圖4所示。采摘機器人作業過程中，要求能夠對采摘環境內的相關障礙進行檢測和判斷，保證執行采摘任務過程中不出現碰撞。因此，采用超聲模塊，對相關障礙物與采摘機器人本體之間的距離進行測量。當超聲波測距儀檢測到障礙物與采摘機器人本體之間的距離時，與設定好的避障比例進行對比，并做出按照原路徑運動或避障的控制指令。采摘機器人測距模塊數據采集分析處理流程圖如圖5所示。控制系統主機與移動控制終端之間通過移動無線通信進行連接，執行TCP通信協議，確保數據傳輸過程的安全性，使控制系統主機能夠準確接收到移動終端指令。控制主機在進行作業指令發送時，構建采摘機器人控制器與控制主機之間的移動通信網絡，相互進行指令數據交互，直至采摘機器人控制器能夠按照設定控制指令執行相關采摘作業。采摘機器人系統主機應用程序流程圖如圖6所示。采摘機器人控制系統中，移動終端能夠保證使用人員進行遠程指令發送，同時進行采摘機器人作業狀態實時監測。移動終端應用程序的主要任務是進行移動通信網絡的組件和采摘機器人作業狀態與控制指令數據的傳輸。采摘機器人控制主機與移動終端進行數據傳輸交互時，可保證使用人員實時監測到采摘機器人在作業現場的實時動態數據。

4系統性能試驗

利用移動通信終端進行采摘機器人作業控制時，指令發送過程存在不同程度的通信延遲，造成控制指令傳輸過程實時性和穩定性波動。采摘機器人控制系統建立完成后，進行通信模塊測試，利用移動通信終端向控制系統主機發送指令，并在移動通信終端查看指令返回結果。指令發送過程中，采用5種不同強度等級的通信信號，每種強度的通信信號進行100次試驗，試驗過程中記錄傳輸過程中的最大延遲時間和平均延遲時間。試驗完成后，統計指令發送接收過程中的數據丟失率，結果如表1所示。由表1試驗數據可以看出：當通信信號強度低于2級時，信息指令數據出現較大的丟失，并造成指令信息傳遞過程有較大的延遲性，無法保證采摘機器人的實時控制；信號強度高于3級時，指令數據傳輸過程中無數據丟失現象，且數據傳輸過程中的延遲現象不會對采摘機器人的控制過程產生影響。

5結論

第6篇：機器人設計范文

【關鍵詞】STM32 電腦鼠 機器人

電腦鼠機器人是一種能夠在迷宮中行進、位置記憶、搜尋終點和優化路徑等功能，按照電腦鼠競賽規則，機器人必須在陌生與未知的迷宮環境中以最快速度及最短時間到達終點完成比賽任務以獲得勝利。本文研究的電腦鼠機器人選擇了高性能的32位ARM Cortex-M3架構內核的處理器作為控制核心設計了電腦鼠機器人的軟硬件系統，實現了電腦鼠機器人系統的穩定快速行走能力、記憶迷宮搜尋軌跡能力和優化最短執行路徑能力，相比傳統基于8位單片機的電腦鼠系統，極大提升了系統整體性能，同時能夠借助本文研究的電腦鼠系統設計案例，進而研究與發明更加復雜的機械控制系統。

1 電腦鼠機器人整體設計方案

電腦鼠機器人軟硬件系統由基于STM32的核心處理器、電源穩壓電路系統、傳感器系統、行走電機執行系統、液晶顯示系統和無線網絡系統六個子模塊組成，其中基于STM32的核心處理器子模塊是整個電腦鼠機器人的控制中心，負責與其它五個子模塊的信息傳輸，并運行整體系統的軟件程序，實現電腦鼠的流程控制、運算優化和數據存儲；電源穩壓電路系統負責給系統硬件提供穩定可靠的電源，傳感器系統讓電腦鼠機器人能夠感知迷宮周圍環境，行走電機執行系統能讓電腦鼠機器人快速直行或轉彎，液晶顯示系統可以通過屏幕讓人們獲得機器人的各種狀態信息，無線網絡系統能實現電腦鼠機器人與遠程計算機的聯網。電腦鼠機器人整體結構示意圖如圖1所示。

2 電腦鼠機器人硬件設計

電腦鼠機器人的硬件系統核心處理器采用ST公司的STM32F103R8T6，它的時鐘頻率最高可達72MHz，內置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個16位定時器、3路USART通訊口等多種資源，具有極高的性價比。

電路方面，由TPS76033電路、TPS5430電路、TPS77333電路組成電源穩壓電路系統，其中TPS76033電路負責給陀螺儀供電，TPS5430電路負責給紅外發射驅動電路、紅外發射電路、紅外接收電路供電、其余由TPS77333電路供電；行走電機執行系統由電機驅動電路、編碼器（IE2-512）與空心杯電機（1524SR）組成，由系統核心處理器輸出控制信號給電機驅動電路，從而使電機實現正轉、反轉、速度、停止，空心杯電機與編碼器是一體的，編碼器、空心杯電機與車輪組合用于測量轉向、轉角、轉速、距離，對空心杯電機實現精確的控制；液晶顯示系統選用12864規格的顯示屏，無線網絡系統由ZigBee CC2530模塊和WIFI模塊構成，負責連接遠程計算機組建無線傳感網絡或云計算網絡。

3 電腦鼠機器人軟件設計

電腦鼠機器人控制軟件采用針對STM32系列芯片的C語言編寫，軟件流程圖如圖2所示。首先，電腦鼠機器人進行初始化確定系統初始控制參數；開啟電機驅動模式、紅外檢測模式以及中斷模式，對電腦鼠機器人身體姿態進行檢測修正，并等待迷宮探測搜尋的“啟動指令”。“啟動”后電腦鼠機器人開始探測搜尋迷宮，按照一定的控制策略進行迷宮搜尋（如右手、左手、向心等法則），執行電腦鼠機器人的行走控制、路口檢測和路程控制程序，以最快的速度完成整個迷宮的探測和搜尋任務。

根據迷宮比賽規則要求，電腦鼠機器人到達迷宮終點后，必須返回到起點位置，并根據之前電腦鼠機器人搜尋迷宮的情況，計算和找出一條最優最短的從起點直達終點的路徑并調用沖刺子程序，完成迷宮起點到終點的最快沖刺，完成迷宮比賽任務。

4 系統測試

本測試是通過2個不同布局的8*8迷宮和1個不同布局的16*16迷宮，把本文設計的基于STM32系列控制核心的電腦鼠機器人和傳統基于8位單片機的電腦鼠機器人進行比較，得到兩種電腦鼠機器人完成任務的數據（任務完成時間），如表1所示，可以看出，本文設計的電腦鼠機器人在性能上提高了20%以上。

5 結語

本文主要偏重于硬件系統的設計同時輔助了精簡的控制軟件，采用高性能STM32處理器，通過配置高精度傳感器和優質行走電機，優化電腦鼠循跡算法，實踐表明，本設計電腦鼠機器人性能得到極大提升，滿足電腦鼠迷宮競賽的要求，可供同行進行參考。

參考文獻

[1]夏炎.基于ARM7的電腦鼠的設計與實現[J].煤炭技術，2010，29（12）：188-189.

[2]楊晶菁，張浩.基于AVR單片機的電腦鼠硬件設計與實現[J].福州大學學報（自然科學版），2014，42（6）：876-882.

[3]王斌，張衛鋼.基于IEEE標準的電腦鼠走迷宮的智能算法研究[J].電子設計工程，2011，19（12）：42-45.

[4]周立功.ARM Cortex-M3開發指南[Z].廣州：廣州致遠電子有限公司，2008.

[5]詹杰，劉學兵，張浩.基于直流電機驅動的電腦鼠設計[J].吉首大學學報（自然科學版），2015，36（3）：39-44.

作者簡介

蒙飚（1981-），男，廣西壯族自治區柳州市人。現為柳州職業技術學院副教授。工學碩士學位。研究方向為無線傳感網、自動控制技術。

第7篇：機器人設計范文

【關鍵詞】滅火，機器人，傳感器

1.機器人技術的發展

機器人技術的發展，它應該說是一個科學技術發展共同的一個綜合性的結果，同時，為社會經濟發展產生了一個重大影響的一門科學技術，它的發展歸功于在第二次世界大戰中各國加強了經濟的投入，就加強了本國的經濟的發展電子技術，計算機技術以及制造技術等相關技術的發展為機器人了提供了強大的技術保證。

2.滅火機器人的誕生

近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大型的石化企業不斷涌現。由于這些建筑的特殊性，發生火災時，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題，盡快救助火災中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，消防機器人研究被提到了議事日程。而機器人技術的發展也為這一要求的實現提供了技術上的保證，使得消防機器人應運而生。從二十世紀八十年代開始，世界許多國家都進行了消防機器人的研究。美國和蘇聯最早進行消防機器人的研究，而后日本、英國、法國等國家都紛紛開展了消防機器人的研究，目前已有多種不同類型的消防機器人用于各種火災場合。

3.滅火機器人的主要設計內容

滅火機器人設計了以ATMEGA128單片機作為主控制器，光敏電阻作為本系統的火焰傳感器，用ST178型光電對管進行尋線和避障，L298作為直流電機的驅動芯片。所做工作和確定的成果如下：（1）以單片機ATMEGA128為核心擬定了系統組成方案，完成了系統的電路硬件總體設計，包括供電模塊、單片機系統、尋線系統、電機驅動系統、壁障系統、火焰檢測系統以及滅火系統和各個模塊間接口。

（2）完成主要功能模塊的程序設計，分別完成對各個功能模塊的程序進行調試工作。

4.整體方案設計

課題要求設計一個簡易滅火機器人模型，能到指定區域進行滅火工作（以蠟燭模擬火源，分布在機器人行走的場地中）。機器人必須通過內部設備采集現場環境情況進行分析并做出相應的動作，以達到機器人智能滅火的目的。根據題目要求，本系統主要由控制器模塊、電源模塊、直流電機及其驅動模塊、避障傳感器模塊、避障模塊、火焰傳感器、滅火系統及其驅動模塊等模塊構成，本系統的方框圖如圖所示。

5.滅火機器人設計的細節問題

（1）機器人對火源的認定：發生火災時，起火點溫度高，紅外線強度大，并激發較為強烈的光譜。根據這種情況，機器人設計中應安裝有‘空氣二氧化碳含量監測儀’、‘紅外線探測器’、‘光譜強度監測儀’以及‘靈敏溫度傳感器’等監測儀器。監測儀收集到的信息傳送到機器人核心單片機中，單片機對收集到的信息進行處理分析，判斷是否有火災發生，并輸出相對應信號。

（2）機器人對火源位置的判定：機器人核心單片機中可以儲存所在位置的三維立體地圖，單片機在對監測儀收集到的信息進行處理時如發現有火災發生便可根據三維立體地圖大體確定火災發生地點。如果是人控機器人，則在機器人設計時應安裝攝像頭（該攝像頭應具有在黑暗、煙霧等環境下工作的能力）根據機器人錄像得到的圖像信息，人為判定是否存在火災問題以及火源位置。

（3）機器人如何到達火原位置：先前問題中已經提到，在機器人中央處理芯片中預存有該位置的全景三維立體地圖，機器人在認定有火災發生并確定大概火災地點后可根據地圖導航前往火災地點。

（4）機器人如何躲避障礙物：對于機器人如何躲避障礙物問題，可在機器人設計中加入避障前進系統，如‘超聲波探測儀’等儀器，可利用超聲波反饋進行判定前方是否有障礙物并作出相應對策如‘繼續前進’、‘拐彎’等。如果是人控機器人，則可根據機器人提供的視頻，人為控制機器人的前進。

（5）關于機器人如何適當停位：機器人可根據紅外線檢測以及光譜強度判定大概溫度并分析繼續前進是否會對機器人本身造成傷害，以此確定機器人前進距離，以及是否繼續前進。

（6）關于機器人供能以及驅動：機器人構造中設有電源電路和電機驅動等電路。電源電路會為系統提供工作所需的電源，系統采用單電源供電電路時比較簡單，但是考慮到電動機起動瞬間電流很大，會造成電源電壓不穩，影響單片機和輸入電路工作的穩定性和可靠性，因此采用雙電源供電方案。將電機電源和單片機電源完全隔離。提高電動機的供電電壓，可以提高機器人的運行速度，從而可以提高滅火的效率。電機驅動在機器人設計中的地位相當重要，機器人前進和滅火都需要電機驅動。機器人本就要求小巧輕便，所以電機要求體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。

6.結語。火災發生原因多種多樣，對于不同原因造成的火災處理方法也不相同。所以在機器人中央處理芯片程序設計中應編入對不同情況的火災進行處理的方法以便機器人能夠使用正確的方法熄滅火源，將損失降到最低程度。（1）在機器人管轄范圍內，如果某處有火災發生，火源檢測器就會檢測到，發出信號給機器人。（2）機器人接收到信號后立即駛向該報警處。（3）當機器人距離火焰一定距離后，利用紅外檢測儀以及光譜檢測儀尋找到火源具體的位置 并駛近該位置進行滅火。

參考文獻：

第8篇：機器人設計范文

關鍵詞:步行機器人 機械機構 設計 仿真

中圖分類號:TP24 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(a)-0041-01

步行機器人的研究對理論和實踐具有重要的理論價值和現實意義。它不僅可以豐富機器人研究的相關理論。還可以推動人工智能技術、仿生學、計算機圖形學、通信技術等相關學科的發展。隨著機器人逐漸被運用到越來越多的領域中,機器人的工作環境發生了變化,工作任務進一步復雜化,這就對機器人性能提出了更高的要求。由于步行機器人具有體積小、對環境的適應性強、能耗小、避障礙能力強,移動盲區小等特征和優點,因而它具有廣泛的實際運用領域,也吸引人們的普遍關注。

由于該機器人的設計要求實現步行和身體擺動等較為復雜的運動,設計的結構也相對較為復雜,對設計尺寸也有相關對嚴格的規定,同時還要求采用單電機進行驅動。為了滿足這些要求,文章設計了一種結構緊湊、易于控制的機械機構。

1 傳動機構設計

由于是步行機械機構的設計,因而雙足行走的驅動機構需要作重復的非完整圓周旋轉運動。而傳達機構的作用就是將電機的連續旋轉運動轉變為重復的非完整圓周旋轉運動。一般情況下,為了實現這一轉化,我們在設計中可以采用曲柄搖桿機構。一般來說,中間構件會比較長,這使得傳遞的線路也會比較長,容易產生誤差。而線路長又會積累誤差,這樣一來,在傳遞過程中比較容易產生較大的誤差積累。與此同時,機構運動經過中間構件進行傳遞還會增加能耗,降低機械的使用效率。除了會出現這些問題之外,死點的存在也會在很大程度上限制連桿機構的運用。

鑒于曲柄搖桿機構存在的缺陷,在這種步行機器人的機械機構的設計中,我們考慮采用齒輪傳動。齒輪傳動是機械傳動中比較常用的一種方式,它具有其它傳動不可比擬的特點和優勢,比如傳動結構緊湊、傳遞比較穩定、傳動工作可靠、傳動效率高、傳動裝置使用壽命長等。在一般的錐齒輪傳動中,從動齒輪只能隨著主動錐齒輪做旋轉運動。如果我們延長主動錐齒輪的軸,在從動錐齒輪的另一邊再安裝第二個錐齒輪和從動錐齒輪齒合。由于在旋轉方向上,第二個和第一個的旋轉方向相反,所以該機構就自動被鎖住了,無法運行。

在設計工作的實際中,如果我們只運用第一個主動錐齒輪的一半齒,去掉另一半齒,同時還去掉兩個主動錐齒輪被削齒對面的一半,通過這樣對齒輪的設計和調整,去掉一部分齒輪,就能夠將電機的連續旋轉運動轉變為重復的非完整圓周旋轉運動。

2 步行機構設計

如圖1所示,稈d所指的是大腿,桿e所指的是小腿,桿f所示的是腳板。在稈a和桿f之間采取相應的措施,使得他們之間相對固定。輪b所指的是驅動輪,并且,它的驅動桿是桿a。通過一點相應的連接措施,使桿a鉸接在輪c上。這樣的結構方式使得桿a的運動形式為平動,這是由輪b和輪C所確定的。在實際運動中,首先由桿a和桿f一起作平動,與此同時,他們的平動會同時帶動桿e進行運動,而桿e進行運動又會帶動桿d進行運動。這樣一來,看似桿d、e、f一起在作步行運動,而事實上是輪b、輪C和桿a在發揮著作用,桿d和桿e并不發揮主動的作用,他們只是作為從動件在整個機構設計中發揮作用。在這個步行機構設計中,只要作為腳板f的面積足夠大,能夠承受住桿件的重量和運動時帶來的壓力,使得地面上的投影始終不超越支撐多邊形的范圍,這樣一來,該機械機構就可以實現雙足步行,而不需要步行穩定控制器的的支持就可以(如圖1)。

3 步行機器人仿真研究

為了驗證該步行機器人機械機構設計的效果,我們進行了仿真研究。通過詳細的設計機構參數,我們的得出了具體的單腿運動參數。這些運動參數是以下一個情況。由1位置開始運動,桿a從這里順時針旋轉10°便到達2位置,與此同時,桿b由1位置逆時針旋轉至2位置;桿a反向逆時針旋轉40°至3位置,與此同時,桿b繼續逆時針旋轉40°至3位置;桿a繼續逆時針旋轉10°至4位置,與此同時,桿b反向順時針旋轉10°至4位置;桿a反向順時針旋轉40°返回1位置,與此同時,桿b繼續順時針返回1位置,通過這樣的旋轉運動從而使一個步行周期得以完成。

4 結語

科學技術的進步必將推動機器人設計的進一步發展和進步。隨著整個社會對機器人要求的進一步提高,機器人的功能將進一步增強。而機械機構設計在機器人的設計中占有重要的地位和作用,直接影響機器人整體功能的發揮。文章主要探討分析了一種步行機器人的機械機構的設計問題,這種機器人便于控制,采用單相電機進行驅動,運用齒輪傳達機構和步行機構使其實現穩定的靜態步行。通過對該機器人的仿真研究,結果表明該步行機器人能夠實現設計時所期望的運動軌跡。總的來說,該機器人的機械機構的設計是正確的,結構緊湊,傳動效率高,因此,在實踐中,值得推廣和應用該種機器人的機械機構設計方案。

參考文獻

[1] 祁樂,閆繼宏,朱延河.小型雙足步行機器人的研制[J].機械工程師,2006(11).

[2] 余聯慶,趙毅,杜利珍,等.小型雙足步行機器人機械機構設計[J].中國水運(理論版),2007(7).

第9篇：機器人設計范文

關鍵詞：除冰；自主行走；運動仿真

【中圖分類號】TP242

當前全球氣候變化異常，凍雨天氣也是時常有可能發生。由于建造的有些高壓輸電設施在設計時并沒有考慮嚴重惡劣天氣的影響，不能保證有足夠的強度，因此，利用電線除冰機器人除去附著的冰塊，來彌補輸電設施的強度不足問題，是一種可行的方法。

1 功能分析

機器人的總功能由以下幾個功能單元組成：

（1）能在架空高壓線上以期望的速度平穩爬行；根據實際線路的要求，在線行走速度為1m/s。

（2）能除去附著在電線上的冰塊，行走一次至少除去一半以上的附冰。

（3）能夠跨越高壓線路上的防震錘、線夾、絕緣子、線塔和跳線等障礙。

（4）具有一定的爬坡能力；根據輸電線路的實際情況，其最大坡度出現在山谷到山頂兩塔桿之間，坡度為55°。但是由于桿塔附近跳線與耐張線夾之間角度要大于此值，因此確定機器人的最大爬坡角度為75°。

（5）在故障情況下有可靠的自保安措施，防止機器人摔落。提供足夠的空間安裝攜帶電源等。

機器人功能目標的約束條件為：

（1）外形：機器人得外形尺寸不得大于500mm*1000mm*2000mm。

（2）運動：要求機器人在輸電線路行走時要快速、穩定、安全、可靠。

（3）重量：根據線路承載的要求，機器人重量越小越好，規定重量≤50kg。

（4）機器人承載重量≥7kg，主要是能夠攜帶電源等。

2 功能原理設計

在上述機器人的功能目標中，在線行走、除冰和越障是電線除冰機器人機構設計的關鍵功能。由于機器人在行走、除冰和越障時既要保證機器人姿態平穩，又要保持與其它導線和桿塔金屬部件及拉線的安全間距，并且還要容易控制。

2.1 行走功能

機器人的在線行走可以考慮用輪子壓著鋼索前行，這跟地面行走類似，只不過地面行走時只需要一個輪子靠重力壓住地面即可，而在線行走則需要一對輪子在同一個地方沿相反的方向同時壓住鋼索才能前進。為保持平衡，機器人重心應該在鋼索下面，起到圓周定向的功能。

也可以從仿生的觀點出發，模仿人在鋼絲行走的方式，可采用機器人主體懸掛在鋼索上，用機械手交替握住鋼索前行。

2.2 除冰功能

除去電線上附冰的方式，可以類似人在其它場合除冰的方式。模仿冰雕藝術家，用刀片對冰進行切削；模仿路面的除雪除冰，用車將冰壓碎，撒融冰劑；電流加熱；振動；除冰槍擊碎；模擬工人在高壓線上除冰，敲碎。

2.3 越障功能

機器人在線越障操作類似人的空中攀援行為。因此，仿生設計是解決機器人在線越障這一難題的有效方法。人體遇到線路障礙如懸垂線夾或防震錘，采用從線路下方穿越的方式越障，首先，人體進行姿態調整，將人體重心放到起支撐作用的手上如左手。然后，另一只手右手松開，并立即向前伸出@過障礙，抓住線路的另一端，立即調整姿態，使重心前移，調整到另一只手右手上。然后，松開剛才起支撐作用的手左手，繞過障礙也抓住線路的另一端，從而完成了障礙的穿越。

通過對人體跨越障礙的方法分析，機器人的越障功能完全可以通過模仿人體跨越障礙的方法實現。按照仿生機械設計的原理，機器人設計成具有類似人體手臂功能的機械臂結構，幫助機器人完成越障的任務。從上述分析看出，機器人至少要有兩臂組成，方能實現越障功能。從人體兩臂跨越障礙的過程中，我們可以了解到，人體要不斷地調整重心，使之保持在一定的范圍內，否則就無法實現跨越障礙的功能。而機器人要采用兩臂結構，勢必要解決重心調整的難題。最有效的解決方法是采用具有多自由度的多只手臂結構。在這里，初步選用3只手臂機器人。

3 確定方案

初步擬訂幾種能夠完成功能的方案，進行分析。

方案一：用兩對齒輪咬碎電線上的冰塊前行，一對齒輪除去冰塊，另一對咬著電線前行。

方案二：像人體懸掛在繩索上行走一樣，行走并拍擊電線除冰。

方案三：利用六對具有凹圓槽的齒輪，呈一定規律分布行走越障，使用電機帶動除冰棒工作完成除冰。

比較各種方案的優缺點：

第一種方案分析：

（1）前進用的齒輪和除冰的齒輪分開，采用不同結構：前進用的齒輪界面形狀和蝸輪形狀類似，適應電線的圓柱形狀；除冰的齒輪采用較大的齒寬，先用齒輪壓碎冰，然后用一個錐形的圓筒將壓碎的冰塊排出。

（2）四齒輪安裝四電動機，電瓶掛在下面。

（3）前進用的齒輪間距在工作時不能調節，除冰的齒輪間距工作時可調節。

（4）如果還有少量碎冰粘在電線上，則錐形圓筒也能起到除冰功能；如果殘留的冰太多，則齒輪后退以后繼續壓冰，知道錐形圓筒能通過。

此方案不能完全實現跨越障礙的功能，適用范圍不夠廣，不能完全實現除冰的自動化，需要較多的人工參與。

第二種方案分析：

將人體懸掛行走與雙臂攀緣進行綜合，完成機器人的功能。機器人采用多只具有人體手臂關節的機械臂結構，機械臂上部安裝驅動行走機構。當機器人行走時，機械臂只起連接作用。遇到障礙時，機械臂之間相互配合，采用仿人攀緣策略調整姿態，跨越障礙。由于采用多只多自由度機械臂，機器人可以完成更為復雜的空中姿態調整，因而可跨越各種類型的線路障礙。

此方案能實現跨越障礙的功能，適用范圍廣，當上升角度過大時不能完全實現除冰的自動化，仍需要人工參與。

第三種方案分析：

機器人行走越障機構是由六對具有凹圓槽的齒輪對和一個電機組成，齒輪對兩對一組，分三組每組夾角120°平均分布于電機軸上，相鄰的四對齒輪組的凹圓槽壓緊電線，通過齒輪帶連接獲取電機動力，實現機器人線上行走功能。

當機器人運動到瓷瓶左側位置時，停止行走。此時機器人進入越障狀態，以靠近瓷瓶的兩組齒輪對為中心，松開另一組的齒輪對，電動機產生旋轉動力，使另一組齒輪對越過瓷瓶障礙，到達瓷瓶右側，并且壓緊輸電線路。再以瓷瓶右側的齒輪組為中心，重復上一步動作，完成越障。

評分法對三種方案進行分析，最終確定第三種方案。

參考文獻：