【正文】 湖南科技大學(xué) 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 機(jī)器人概述 及設(shè)計(jì)方案 機(jī)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(jī)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(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對人類社會(huì)的悲劇性影響 ， 引起了大家的廣泛關(guān)注 ， 被當(dāng)成了機(jī)器人的起源 。 羅薩姆公司把機(jī)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(dāng)勞動(dòng)力 。 機(jī)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(dòng) 。 后來，羅薩姆公司取得了成功，使機(jī)器人具有了 感情，導(dǎo)致機(jī)器人的應(yīng)用部門迅速增加 。 在工廠和家務(wù)勞動(dòng)中 ， 機(jī)器人成了必不可少的成員 。 機(jī)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?yàn)闄C(jī)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(jī)器人的男女機(jī)器人相愛了 。 這時(shí)機(jī)器人進(jìn)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(jī)器，以便將人類從繁重的勞動(dòng)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(gè)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(dòng)木人和一些簡單的機(jī)械偶人。 到了近代，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)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(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。從機(jī)器人的用途來分，可以分為兩大類：軍用機(jī)器人和民用機(jī)器人 [2]。 我國對機(jī)器人的定義 一 、該定義強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人應(yīng)當(dāng)仿人的含義，即它靠手進(jìn)行作業(yè)，靠腳實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，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(dāng)于人的五官，使機(jī)器人能夠識(shí)別外界環(huán)境，而平衡覺和固有覺則是機(jī)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(jī)器人而是自主機(jī)器人。 二、機(jī)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(dòng)物一般具有上述這些要素，所以在把機(jī)器人理解為仿人機(jī)器的同時(shí)，也可以廣義地把機(jī)器人理解為仿動(dòng)物的機(jī)器。 湖南科技大學(xué) 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 三、 1988 年法國的埃斯皮奧將機(jī)器人定義為：“機(jī)器人學(xué)是指設(shè)計(jì)能根據(jù)傳感器信息實(shí)現(xiàn)預(yù)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(biāo)準(zhǔn)化組織對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了 定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)?！? 四、我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)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(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過程中，人們逐步認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識(shí)的加深，機(jī)器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)， 人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器，如移動(dòng)機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人型機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強(qiáng)，從而為機(jī)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(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是 20 世紀(jì)自動(dòng)控制最有說服力的成就，是最高 意義上的自動(dòng)化”。機(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)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(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大引起國際上重新認(rèn)識(shí)機(jī)器人技術(shù)的作用和影響 [3]。 機(jī)器人的定位 近年來，在機(jī)器人學(xué)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(jī)器人設(shè)計(jì)的一些復(fù)雜問題的解決途徑。所以，環(huán)境的定位對機(jī)器人很有必要，一個(gè)有使用價(jià)值的機(jī)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(jī)器人是不切實(shí)際的，根本無法制作 [4]。 對機(jī)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(shè)計(jì)的情況，我們把這個(gè) 避障廣告 機(jī)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(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)的影響是固定的，無突發(fā)性。此類機(jī)器人可能是執(zhí)行特定任務(wù)的機(jī)器人，其驅(qū)動(dòng)裝置相對要簡單的多，通常只要兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)若干個(gè)車輪就夠了。 不可控環(huán)境：設(shè)計(jì)一個(gè)不可控環(huán)境或在一個(gè)一定程度上不受限制的室內(nèi)漫游湖南科技大學(xué) 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 的機(jī)器人時(shí)，所考慮的因素就大大多于可控環(huán)境下的情況。機(jī)器人需要應(yīng)付很多復(fù)雜的， 甚至是突發(fā)的情況，要求機(jī)器人能夠識(shí)別各種情況，并設(shè)法解決各種問題。 從機(jī)器人的工作環(huán)境就可以定義很多機(jī)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(jī)器人可以采用輪式驅(qū)動(dòng)，而不需要采用履帶式和步行式，在機(jī)器人的工作功率上，由于機(jī)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(jìn)電機(jī)就可以了 [5]。 避障 廣告 機(jī)器人 設(shè)計(jì)任務(wù) 本次的設(shè)計(jì) 任務(wù)是完成對可移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，該機(jī)器人所具有的功能有自動(dòng)避障，能夠 循環(huán)的 進(jìn)行語音播放廣告和液晶顯示廣告詞。 避障 廣告 機(jī)器人活動(dòng)場景 為了讓廣告范圍 更加寬廣，機(jī)器人不需要按照設(shè)定的路線行走，只需達(dá)到躲避障礙的效果。 機(jī)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)使機(jī)器人做出相應(yīng)的反應(yīng) [6]。當(dāng)機(jī)器人檢測到左側(cè)有障礙時(shí)，機(jī)器人將向右轉(zhuǎn)動(dòng)，然后繼續(xù)檢測。當(dāng)然當(dāng)機(jī)器人檢測到右側(cè)有障礙時(shí)，機(jī)器人將向左轉(zhuǎn)動(dòng)，然后繼續(xù)檢測。如此反復(fù)檢測，機(jī)器人即可順利向前行進(jìn)。 機(jī)器人有可能遇到如下問題：檢測到前側(cè)有障礙的時(shí)候，恰好檢測到左側(cè)也有障礙物，按照程序的設(shè)計(jì)，機(jī)器人又將向右轉(zhuǎn)，但是萬一前方障礙比較近，轉(zhuǎn)向時(shí)候可能撞上障礙，后來考慮到這 個(gè)問題的出現(xiàn)，的確使機(jī)器人成功實(shí)現(xiàn)避障很困難，于是我有了如下考慮：當(dāng)檢測到前方及左側(cè)都有障礙的時(shí)候，我會(huì)使機(jī)器人后退并向右轉(zhuǎn)一定角度，從而使機(jī)器人躲避障礙。同理可處理前方和右方同時(shí)有障礙的情況。機(jī)器人具體活動(dòng)場景及機(jī)器人俯視圖如圖 所示 。 避障廣告機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)具有自動(dòng)避開障礙進(jìn)行廣告宣傳的機(jī)器人。以AT89S51 為核心的單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人任務(wù)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(jī)器人前端以 及左右兩側(cè)均裝有紅外線傳感器，可以對機(jī)器人周圍環(huán)境進(jìn)行探測來躲避障礙物和改變機(jī)器人行進(jìn)方向，采用優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動(dòng)控制完成定位。 湖南科技大學(xué) 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有很多種，由于集成電路集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體，作為小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)芯片，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小型儀表，計(jì)算機(jī)外設(shè)等領(lǐng)域，使用起來非常方便。 本設(shè)計(jì)采用 ULN2021驅(qū)動(dòng)芯片。 前方及左右側(cè)障礙檢測模塊 本次設(shè)計(jì)利用的是反射式的紅外線傳感器，雖然檢測距離的精度達(dá)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(diǎn)。從而幫助機(jī)器人躲避障礙。 顯示模塊 本設(shè)計(jì)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(jī)控制，達(dá)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(dòng)控制方式 、 分段管理方便、多段控制時(shí)電路簡單、采樣速度及錄放音時(shí)間可調(diào) ， 并能直接由單片機(jī)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(jī)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(jī)器人活動(dòng)場景及機(jī)器人俯視 圖 湖南科技大學(xué) 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 二 章 避障廣告機(jī)器人的硬件組成及 電路 設(shè)計(jì) 硬件的 整體設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)的具體要求及設(shè)計(jì)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(jī) A T 8 9 S 5 13 個(gè) 檢 測 機(jī) 器 人 前 進(jìn) 方 向擋 板 的 紅 外 傳 感 器2 個(gè) 檢 測 左 右 擋 板 的 紅 外傳 感 器2 個(gè) 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(jī) 驅(qū) 動(dòng) 芯 片 圖 硬件原理圖 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 單片機(jī)的概述和應(yīng)用特點(diǎn) 現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)都是向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化發(fā)展。其中微型化是計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要方向，把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器、控制器、儲(chǔ)存器、輸入 /輸出接口四個(gè)組成部分集成在一個(gè)硅片內(nèi)，于是就出現(xiàn)了一個(gè)大規(guī)模集成 電路為主組成的微型計(jì)算機(jī)（ MICROCOMPUTER） —— 單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)，由于單片機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹悄芑娮赢a(chǎn)品，一般需要嵌入儀器設(shè)備內(nèi)，故又稱嵌入式微控制器。 微處理器（芯片）本身不是計(jì)算機(jī)，但它是小型計(jì)算機(jī)或微型計(jì)算機(jī)的控制和處理部分。微機(jī)則是具有完整的運(yùn)算及控制功能的計(jì)算機(jī)，它除了包括微處理器（ CPU—— CENTRAL PROCESSING UNIT）外，還包括存儲(chǔ)器、接口適配器（即輸入 /輸出接口電路）以及輸入 /輸出設(shè)備（ I/O）等。其中，微處理器由控制器、運(yùn)算器和若干個(gè)寄存器組成 ； I/O 設(shè)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(chǔ)器是指微機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器（ RAM、 ROM 和 EPROM 等芯片）。 面向控制方面：單片機(jī)主要應(yīng)用于控制領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)及功能均按自動(dòng)控制要湖南科技大學(xué) 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 求設(shè)計(jì)，又稱微機(jī)（ MICROCONTROLLER UNIT， MCU）。利用微控制器進(jìn)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(jī)編程的方法代替模擬電路或數(shù)字電路實(shí)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(yīng)用方面：在線應(yīng)用就是 單片機(jī)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(shí)行實(shí)時(shí)檢測，并實(shí)時(shí)控制。在線應(yīng)用為實(shí)時(shí)測控提供了可能和方便。 嵌入式應(yīng)用方面：單片機(jī)在應(yīng)用時(shí)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(jī)的應(yīng)用十分靈活。另外，單片機(jī)還具有體積小、成本底、速度快、使用靈活等特點(diǎn) 。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 單片機(jī)的 時(shí)鐘和復(fù)位電路是單片機(jī)必不可少的部分。 時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種，內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，設(shè) 計(jì)中我們采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。 以AT89S51 為例單片機(jī) 時(shí)鐘和復(fù)位電路 組成如圖 。單片機(jī)的擴(kuò)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(gè)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(jìn)電機(jī)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(jī)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(chǔ)器 ； (2) 128字節(jié)內(nèi)部 RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ； (3) 2個(gè) 16位 的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； (4) 1個(gè)全雙工的異步串行口 ； (5) 5個(gè)中斷源兩級中斷優(yōu)先級的中斷控制器 。 時(shí)鐘電路外界晶振和電容可產(chǎn)生 —— 24MHZ， MCS51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)品都含有 AT89S51 除程序存儲(chǔ)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(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， I/O 口，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器及其他一些特殊部件）。 湖南科技大學(xué) 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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