【正文】 湖南科技大學 本科生 畢業(yè)設計（論文） 1 第一章 機器人概述 及設計方案 機器人的命名和分類 1920 年捷克斯洛伐克作家雷爾 .卡佩克發(fā)表了科幻劇 《 羅薩姆的萬能機器人 》 。 在劇本中 ， 卡佩克把捷克語 “ Robota” 寫成了 “ Robot” ,“ Robota” 是農(nóng)奴的意思 。 該劇預告了機器人的發(fā)展對人類社會的悲劇性影響 ， 引起了大家的廣泛關(guān)注 ， 被當成了機器人的起源 。 羅薩姆公司把機器人作為人類生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品推向市場 ， 讓它去充當勞動力 。 機器人按照其主人的命令默默地工作 ， 沒有感覺和感情 ， 以呆板的方式從事繁重的不公平的勞動 。 后來，羅薩姆公司取得了成功，使機器人具有了 感情，導致機器人的應用部門迅速增加 。 在工廠和家務勞動中 ， 機器人成了必不可少的成員 。 機器人發(fā)覺人類十分的自私和不公正，終于造反了，開始屠殺人類 。 因為機器人的體能和智能都非常優(yōu)異 ， 因此消滅 了 幸存者，但沒有結(jié)果 。 最后 ， 一對感知能力優(yōu)于其他機器人的男女機器人相愛了 。 這時機器人進化為人類 ， 世界又起死回生了 [1]。 幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘詩人 Homeros 的長篇敘事詩《伊利亞特》中的冶煉之神瘸腿海倍斯特司，就用黃金鑄造出一個美麗聰穎的侍女；猶太傳說中的泥土巨 人等等，從這些美麗的神話可以知道早在兩千年前人類就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機械偶人。 到了近代，機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓家。機器人的種類之多，應用之廣，影響之深，是我們始料未及的。從機器人的用途來分，可以分為兩大類：軍用機器人和民用機器人 [2]。 我國對機器人的定義 一 、該定義強調(diào)了機器人應當仿人的含義，即它靠手進行作業(yè)，靠腳實現(xiàn)移動，由腦來完成統(tǒng)一指揮的作用 。非接觸傳感器和接觸傳感器相當于人的五官，使機器人能夠識別外界環(huán)境，而平衡覺和固有覺則是機器人感知本身狀態(tài)所不可缺少的傳感器。這里描述的不是工業(yè)機器人而是自主機器人。 二、機器人的定義是多種多樣的，其原因是它具有一定的模糊性。動物一般具有上述這些要素，所以在把機器人理解為仿人機器的同時，也可以廣義地把機器人理解為仿動物的機器。 湖南科技大學 本科生 畢業(yè)設計（論文） 2 三、 1988 年法國的埃斯皮奧將機器人定義為：“機器人學是指設計能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象”。1987 年國際標準化組織對工業(yè)機器人進行了 定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。” 四、我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中，人們逐步認識到機器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對機器人技術(shù)智能化本質(zhì)認識的加深，機器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應用特點， 人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務和特殊環(huán)境的適應性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 中國工程院院長宋健指出：“機器人學的進步和應用是 20 世紀自動控制最有說服力的成就，是最高 意義上的自動化”。機器人技術(shù)綜合了多學科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，它在人類生活應用領(lǐng)域的不斷擴大引起國際上重新認識機器人技術(shù)的作用和影響 [3]。 機器人的定位 近年來，在機器人學的研究領(lǐng)域里有這樣一種趨勢，就是人們試圖從自然界里探尋機器人設計的一些復雜問題的解決途徑。所以，環(huán)境的定位對機器人很有必要，一個有使用價值的機器人要在怎樣的環(huán)境下工作，這是有規(guī)定的，說可以適用于多環(huán)境的多功能的機器人是不切實際的，根本無法制作 [4]。 對機器人的工作環(huán)境的定位主要有兩大類，室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境，而考慮 到畢業(yè)設計的情況，我們把這個 避障廣告 機器人的制作定為室內(nèi)環(huán)境，而室內(nèi)環(huán)境主要也可分為兩大類： 一類是可控環(huán)境；另一類是不可控環(huán)境，下面分別介紹。 可控環(huán)境：如迷宮一樣的路徑，室內(nèi)的鈴聲，場地上的障礙等。這樣的環(huán)境因素對機器人的驅(qū)動裝置的設計的影響是固定的，無突發(fā)性。此類機器人可能是執(zhí)行特定任務的機器人，其驅(qū)動裝置相對要簡單的多，通常只要兩個電機驅(qū)動若干個車輪就夠了。 不可控環(huán)境：設計一個不可控環(huán)境或在一個一定程度上不受限制的室內(nèi)漫游湖南科技大學 本科生 畢業(yè)設計（論文） 3 的機器人時，所考慮的因素就大大多于可控環(huán)境下的情況。機器人需要應付很多復雜的， 甚至是突發(fā)的情況，要求機器人能夠識別各種情況，并設法解決各種問題。 從機器人的工作環(huán)境就可以定義很多機器人的構(gòu)造，如我們在室內(nèi)的可控環(huán)境下工作，我們對機器人可以采用輪式驅(qū)動，而不需要采用履帶式和步行式，在機器人的工作功率上，由于機器人本身的重量及其工作的力度我們選擇一般的單極性步進電機就可以了 [5]。 避障 廣告 機器人 設計任務 本次的設計 任務是完成對可移動機器人的設計，該機器人所具有的功能有自動避障，能夠 循環(huán)的 進行語音播放廣告和液晶顯示廣告詞。 避障 廣告 機器人活動場景 為了讓廣告范圍 更加寬廣，機器人不需要按照設定的路線行走，只需達到躲避障礙的效果。 機器人左右側(cè)及前端紅外發(fā)生接收器不斷產(chǎn)生紅外信號來檢測是否有障礙，通過步進電機的驅(qū)動使機器人做出相應的反應 [6]。當機器人檢測到左側(cè)有障礙時，機器人將向右轉(zhuǎn)動，然后繼續(xù)檢測。當然當機器人檢測到右側(cè)有障礙時，機器人將向左轉(zhuǎn)動，然后繼續(xù)檢測。如此反復檢測，機器人即可順利向前行進。 機器人有可能遇到如下問題：檢測到前側(cè)有障礙的時候，恰好檢測到左側(cè)也有障礙物，按照程序的設計，機器人又將向右轉(zhuǎn)，但是萬一前方障礙比較近，轉(zhuǎn)向時候可能撞上障礙，后來考慮到這 個問題的出現(xiàn)，的確使機器人成功實現(xiàn)避障很困難，于是我有了如下考慮：當檢測到前方及左側(cè)都有障礙的時候，我會使機器人后退并向右轉(zhuǎn)一定角度，從而使機器人躲避障礙。同理可處理前方和右方同時有障礙的情況。機器人具體活動場景及機器人俯視圖如圖 所示 。 避障廣告機器人的設計方案 本次設計的目標是設計一個具有自動避開障礙進行廣告宣傳的機器人。以AT89S51 為核心的單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)機器人任務過程中的智能控制，液晶顯示模塊 FYD128640402B 顯示廣告內(nèi)容， ARP9600 語音 芯片 播放廣告語音，機器人前端以 及左右兩側(cè)均裝有紅外線傳感器，可以對機器人周圍環(huán)境進行探測來躲避障礙物和改變機器人行進方向，采用優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動控制完成定位。 湖南科技大學 本科生 畢業(yè)設計（論文） 4 電動機驅(qū)動模塊 步進電動機的驅(qū)動方式有很多種，由于集成電路集驅(qū)動和保護于一體，作為小功率步進電動機的專用驅(qū)動芯片，已經(jīng)廣泛應用于小型儀表，計算機外設等領(lǐng)域，使用起來非常方便。 本設計采用 ULN2021驅(qū)動芯片。 前方及左右側(cè)障礙檢測模塊 本次設計利用的是反射式的紅外線傳感器，雖然檢測距離的精度達不到超聲波測距的精確度，但是它具有體積小，重量輕，線 性好的特點。從而幫助機器人躲避障礙。 顯示模塊 本設計采用 FYD128640402B 模塊來完成對廣告內(nèi)容的液晶顯示，并 通過單片機控制，達到 循環(huán)播放廣告內(nèi)容 的目的。 語音模塊 采用 ARP9600 語音芯片 。 有多種手動控制方式 、 分段管理方便、多段控制時電路簡單、采樣速度及錄放音時間可調(diào) ， 并能直接由單片機控制，且采用此法能 提高本裝置的性能，并且采用語音提示能使操作更加簡便，減少誤操作。 機器人液 晶 顯 示語 音 播 放電 池 盒紅 外 線 傳 感 器轉(zhuǎn) 向 輪 圖 機器人活動場景及機器人俯視 圖 湖南科技大學 本科生 畢業(yè)設計（論文） 5 第 二 章 避障廣告機器人的硬件組成及 電路 設計 硬件的 整體設計 根據(jù)設計的具體要求及設計方案的確定系統(tǒng)硬件的組成也可以基本確定，其原理圖如圖 ： 單 片 機 A T 8 9 S 5 13 個 檢 測 機 器 人 前 進 方 向擋 板 的 紅 外 傳 感 器2 個 檢 測 左 右 擋 板 的 紅 外傳 感 器2 個 檢 測 后 方 擋 板 的 紅 外傳 感 器語 音 播 放 芯 片F(xiàn) Y D 1 2 8 6 4 0 4 0 2 B液 晶 顯 示 模 塊電 機 驅(qū) 動 芯 片 圖 硬件原理圖 單片機的應用領(lǐng)域和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 單片機的概述和應用特點 現(xiàn)代的計算機都是向巨型化、微型化、網(wǎng)絡化及智能化發(fā)展。其中微型化是計算機發(fā)展的重要方向，把計算機的運算器、控制器、儲存器、輸入 /輸出接口四個組成部分集成在一個硅片內(nèi)，于是就出現(xiàn)了一個大規(guī)模集成 電路為主組成的微型計算機（ MICROCOMPUTER） —— 單片機微型計算機，簡稱單片機，由于單片機的重要應用領(lǐng)域為智能化電子產(chǎn)品，一般需要嵌入儀器設備內(nèi)，故又稱嵌入式微控制器。 微處理器（芯片）本身不是計算機，但它是小型計算機或微型計算機的控制和處理部分。微機則是具有完整的運算及控制功能的計算機，它除了包括微處理器（ CPU—— CENTRAL PROCESSING UNIT）外，還包括存儲器、接口適配器（即輸入 /輸出接口電路）以及輸入 /輸出設備（ I/O）等。其中，微處理器由控制器、運算器和若干個寄存器組成 ； I/O 設備與微處理器的連接需要通過接口適配器（即 I/O 接口）；存儲器是指微機內(nèi)部的存儲器（ RAM、 ROM 和 EPROM 等芯片）。 面向控制方面：單片機主要應用于控制領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)及功能均按自動控制要湖南科技大學 本科生 畢業(yè)設計（論文） 6 求設計，又稱微機（ MICROCONTROLLER UNIT， MCU）。利用微控制器進行控制的技術(shù)稱微 型 控制技術(shù)。微控制技術(shù)通過對單片機編程的方法代替模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分控制功能，是對傳統(tǒng)控制的一次革命 [7。 在線應用方面：在線應用就是 單片機代替常規(guī)的模擬或數(shù)字控制電路，使其成為測控系統(tǒng)的一部分，在被控對象 工作過程中實行實時檢測，并實時控制。在線應用為實時測控提供了可能和方便。 嵌入式應用方面：單片機在應用時通常裝入到各種智能化產(chǎn)品中，所以又稱嵌入式控制器（ EMBEDDED MICROCONTROLLER UNIT， EMCU）。嵌入式使用使得單片機的應用十分靈活。另外，單片機還具有體積小、成本底、速度快、使用靈活等特點 。 單片機應用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 單片機的 時鐘和復位電路是單片機必不可少的部分。 時鐘電路是單片機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種，內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式，設 計中我們采用內(nèi)部時鐘方式。 以AT89S51 為例單片機 時鐘和復位電路 組成如圖 。單片機的擴展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 本系統(tǒng)采用電池組供電，每個電池的供電電壓為 。通過 7812整流管獲得穩(wěn)定的 12V 工作電壓給步進電機供電。再通過 7805 將 12V轉(zhuǎn)變成 5V電壓給系統(tǒng)板供電。電源電路圖如圖 所示。 B T 112V+C9470uF+C 1 1470uFC 1 0C 1 2V i n1GND2V o u t 3J4 7 8 L 0 5+ 1 2 V + 5 V 圖 電源電路圖 單片機的內(nèi)部資源 在本文中， 用的是 MCS51系列的 AT89S51，其內(nèi)部資源主要有： (1) 4KB字節(jié)掩膜 ROM程序存儲器 ； (2) 128字節(jié)內(nèi)部 RAM數(shù)據(jù)存儲器 ； (3) 2個 16位 的定時器 /計數(shù)器 ； (4) 1個全雙工的異步串行口 ； (5) 5個中斷源兩級中斷優(yōu)先級的中斷控制器 。 時鐘電路外界晶振和電容可產(chǎn)生 —— 24MHZ， MCS51系列單片機的所有產(chǎn)品都含有 AT89S51 除程序存儲器以外的基本硬件。都是在 8051 的基礎(chǔ)上改變部分資源（程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器， I/O 口，定時器 /計數(shù)器及其他一些特殊部件）。 湖南科技大學 本科生 畢業(yè)設計（論文） 7 E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039