【文章內(nèi)容簡介】 在機(jī)器人學(xué)科應(yīng)用 ............................................................................... 28 機(jī)器人紅外傳感器 ......................................................................................... 30 機(jī)器鼠傳感器設(shè)計(jì)方案 ................................................................................... 34 第 4 章 機(jī)器鼠四相步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動電路設(shè)計(jì) ........................ 38 步進(jìn)電機(jī)控制概況 ............................................................................................. 38 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 ................................................................. 39 步進(jìn)電機(jī)功率的確定 ......................................................................................... 43 驅(qū)動電源 ........................................................................................................... 45 步進(jìn)電動機(jī)的控制 ......................................................................................... 47 機(jī)器鼠所使用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 ................................................................. 49 單片機(jī)控制 ....................................................................................................... 53 單片機(jī)控制程序流程圖 ...................................................................................... 64 第 5 章 基于機(jī)器鼠控制系統(tǒng)的一種實(shí)用自主吸塵機(jī)器人機(jī)械部分設(shè)計(jì) .. 69 差動式車體運(yùn)動學(xué)分析 ...................................................................................... 70 驅(qū)動輪機(jī) 構(gòu)組成 ................................................................................................ 74 隨動輪機(jī)構(gòu)組成 ................................................................................................ 79 結(jié) 論 .......................................................... 81 致 謝 .......................................................... 83 參考文獻(xiàn) ....................................................... 85 附錄一： C 語言單片機(jī)控制程序 .................................. 88 附錄二： PCB 印刷圖 ............................................ 88 附錄三： 外文翻譯 .............................................. 88 附錄四： 實(shí)習(xí)報(bào)告 .............................................. 88 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 1 頁 第 1 章 緒論 “機(jī)器人”一詞起源于捷克語，意為強(qiáng)迫勞動力或奴隸。這個詞是由劇作家 Karel Capek 引入的，他虛構(gòu)創(chuàng)作的機(jī)器人很像 Frankenstein 博士的怪物 － 由化學(xué)和生物學(xué)方法而不是機(jī)械方法創(chuàng)造的生物。但現(xiàn)在流行文 化中的機(jī)械機(jī)器人和這些虛構(gòu)的生物創(chuàng)作物沒有多大區(qū)別。 歐美國家認(rèn)為：機(jī)器人應(yīng)該是由 計(jì)算機(jī)控制 的通過編排程序具有可以變更的多功能的自動機(jī)械，但是日本不同意這種說法。日本人認(rèn)為“機(jī)器人就是任何高級的自動機(jī)械”，這就把那種尚需一個人操縱的機(jī)械手包括進(jìn)去了。因此，很多日本人概念中的機(jī)器人，并不是歐美人所定義的。 現(xiàn)在，國際 上對機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。 聯(lián)合國 標(biāo)準(zhǔn)化組織 采納了美國機(jī)器人 協(xié)會 給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn) 材料 、零件、 工具 的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可 編程動作的專門系統(tǒng)。” [43] 機(jī)器人能力的 評價 標(biāo)準(zhǔn)包括：智能，感覺和感知，包括 記憶 、 運(yùn)算 、 比較 、鑒別、判斷、決策、學(xué)習(xí)和 邏輯推理 等；機(jī)能，指變通性、通用性或空間占有性等；物理能，指力、速度、連續(xù)運(yùn)行能力、 可靠性 、聯(lián)用性、 壽命 等。因此，可以說機(jī)器人是具有生物功能的空間三維坐標(biāo)機(jī)器。 基本上，一個機(jī)器人包括： ? 機(jī)械設(shè)備，如可以與周圍環(huán)境進(jìn)行交互的車輪平臺、手臂或其它構(gòu)造。 ? 設(shè)備上或周圍的傳感器，可以感知周圍環(huán)境并向設(shè)備提供有用的反饋。 ? 根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的情況處理傳感輸入，并按照情況指示系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)動作的系統(tǒng)。 機(jī)器人技術(shù)作為 20 世紀(jì)人類最 偉大 的 發(fā)明 之一，自 60年代初問世以來，經(jīng)歷40 年的發(fā)展已取得長足的進(jìn)步。工業(yè)機(jī)器人在 經(jīng)歷 了誕生 —— 成長 —— 成熟 期后，已成為制造業(yè)中不可少的 核心 裝備，世界上有約 75萬臺工業(yè)機(jī)器人正與工人 朋友 并肩 戰(zhàn)斗 在各條 戰(zhàn)線 上。特種機(jī)器人作為機(jī)器人家族的 后起之秀 ，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿人形機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 2 頁 人、軍用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等各種用途的特種機(jī)器人 紛紛 面世，而且正以飛快的 速度 向?qū)嵱没~進(jìn)。 在制造業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器人的開發(fā)集中在執(zhí)行制造過程的工程機(jī)器人手臂上。在航天工業(yè)中，機(jī)器人技術(shù)集中在高度專業(yè)的一種行星漫步者上。不同于一臺高度自動化的制造業(yè)設(shè)備，行星漫步者在月亮黑暗的那一面工作：沒有無線電通訊或可能碰到意外的情況。至少，一個行星漫步者必須具備某種傳感輸入源、某種解釋該輸入的方法和修改它的行動以響應(yīng)改變著的世界的方法。此外，對感知和適應(yīng)一個部分未知的環(huán)境的需求需要智能（換句話說就是人工智能）。從軍事科技和空間探索到健康產(chǎn)業(yè)和商業(yè)，使用機(jī)器人的優(yōu)勢已經(jīng)被認(rèn)識 到了這種程度：它們正在成為我們集體經(jīng)驗(yàn)和日常生活的一部分，能把我們從危險(xiǎn)和枯燥中解脫出來 [7]： ? 安全 ：機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)用于處理核能和放射性化學(xué)制品的很多不同用途，包括核武器、電廠、環(huán)境清潔和某些藥品的處理。 ? 不愉快的事 ：機(jī)器人執(zhí)行很多乏味、不愉快但必需的任務(wù)，如焊接和看門工作。 ? 重復(fù)和精度 ：裝配線工作已經(jīng)成為機(jī)器人技術(shù)工業(yè)的一個中流砥柱。機(jī)器人被廣泛地用于制造業(yè)，而且，在強(qiáng)調(diào)最小維護(hù)需求的空間探索中，使用機(jī)器人更具有吸引力。 其中 移動機(jī)器人 （ mobile robot） 是一種由傳感器、遙控操作器 和自動控制的移動載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。移動機(jī)器人具有移動功能，在代替人從事危險(xiǎn)、惡劣（如輻射、有毒等）環(huán)境下作業(yè)和人所不及的（如宇宙空間、水下等）環(huán)境作業(yè)方面，比一般機(jī)器人有更大的機(jī)動性、靈活性。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 3 頁 圖 11 四足移動機(jī)器人 60 年代后期，美國和蘇聯(lián)為完成月 球探測計(jì)劃，研制并應(yīng)用了移動機(jī)器人。美國“探測者” 3 號 ,其操作器在地面的遙控下，完成了在月球上挖溝和執(zhí)行其他任務(wù)。蘇聯(lián)的“登月者” 20號在無人駕駛的情況下降落在月球表面，操作器在月球表面鉆削巖石，并把土壤和巖石樣品裝進(jìn)回收容器并送回地球。 70 年代初期，日本早稻田大學(xué)研制出具有仿人功能的兩足步行機(jī)器人。為適應(yīng)原子能利用和海洋開發(fā)的需要，極限作業(yè)機(jī)器人 和 水下機(jī)器人 也發(fā)展較快。 移動機(jī)器人隨其應(yīng)用環(huán)境和移動方式的不同，研究內(nèi)容也有很大差別。其共同的基本技術(shù)有傳感器技術(shù)、移動技術(shù)、操作器、控制技術(shù)、人工智能等方面。它有相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚的視覺傳感器、聽覺傳感器和觸覺傳感器。移動機(jī)構(gòu)有輪式（如四輪式、兩輪式、全方向式、履帶式）、足式（如 6 足、 4足、 2足）、混合式 (用輪子和足 )、特殊式 (如吸附式、軌道式、蛇式 )等類型。輪子適于平坦的路面，足式移動機(jī)構(gòu)適于山岳地帶和凹凸不平的環(huán)境。移動機(jī)器人的控制方式從遙控、監(jiān)控向自治控制發(fā)展，綜合應(yīng)用機(jī)器視覺、問題求解、專家系統(tǒng)等人工智能等技術(shù)研制自治型移動機(jī)器人。 圖 12 火星探索車 移動機(jī)器人除用于宇宙探測、海洋開發(fā)和原子能等領(lǐng)域外，在工廠自動化、建筑、采礦、排險(xiǎn)、軍事、服務(wù)、農(nóng)業(yè)等方面也有廣泛的應(yīng)用前景。 在移動機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究中，導(dǎo)航技術(shù)是 其核心，而路徑規(guī)劃是導(dǎo)航研究的一個重要環(huán)節(jié)和課題。所謂路徑規(guī)劃是指移動機(jī)器人按照某一性能指標(biāo) (如距離、時間、能量等 )搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或次優(yōu)路徑。路徑規(guī)劃主要涉及的問題包括：利用獲得的移動機(jī)器人環(huán)境信息建立較為合理的模型，再用某種算法尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無碰撞路徑；能夠處理環(huán)境模型中 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 4 頁 的不確定因素和路徑跟蹤中出現(xiàn)的誤差，使外界物體對機(jī)器人的影響降到最?。蝗绾卫靡阎乃行畔硪龑?dǎo)機(jī)器人的動作，從而得到相對更優(yōu)的行為決策。目前，對于移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)的研究已經(jīng)取得 了大量的成果，許多問題獲得了比較滿意的答案。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 5 頁 第 2 章 移動機(jī)器人路徑規(guī)劃方法的分類及現(xiàn)狀 從到目前為止的研究來看，移動機(jī)器人路徑規(guī)劃方法主要可以分為以下三種類型： 基于事例的學(xué)習(xí)規(guī)劃方法 基于事例的學(xué)習(xí)規(guī)劃方法依靠過去的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)及問題求解，一個新的事例可以通過修改事例庫中與當(dāng)前情況相似的舊的事例來獲得。將其應(yīng)用于移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃中可以描述為：首先，利用路徑規(guī)劃所用到的或已產(chǎn)生的信息建立一個事例庫，庫中的任一事例包含每一次規(guī)劃時的環(huán)境信息 和路徑信息，這些事例可以通過特定的索引取得；隨后，將由當(dāng)前規(guī)劃任務(wù)和環(huán)境信息產(chǎn)生的事例與事例庫中的事例進(jìn)行匹配，以尋找出一個最優(yōu)匹配事例，然后對該事例進(jìn)行修正，并以此作為最后的結(jié)果。 移動機(jī)器人導(dǎo)航需要良好的自適應(yīng)性和穩(wěn)定性，而基于事例的方法能滿足這個需求。 Ram A 將基于事例的在線匹配和增強(qiáng)式學(xué)習(xí)相結(jié)合，提高了機(jī)器人的自適應(yīng)性能，較好地適應(yīng)了環(huán)境的變化。利用基于事例的方法時要注意保持事例庫中的事例數(shù)量，以防止增加機(jī)器人在線規(guī)劃時間或產(chǎn)生信息爆炸問題。 Marefat M 把基于事例的方法作為一個特征輔助規(guī)劃與 全局規(guī)劃結(jié)合從而提高了全局規(guī)劃的效率。 Krusmaa M 通過創(chuàng)建種群事例庫在理論上覆蓋了關(guān)于路徑搜尋問題所有可能的路徑解空間，克服了啟發(fā)式搜索方法在此方面的缺陷 [16]。 圖 21 深海機(jī)器人 近年來，自主式水下機(jī)器人由于其在海底資源探測上的優(yōu)勢而受到各國的關(guān)注，但因?yàn)樗颅h(huán)境十分復(fù)雜 (能見度差、定位困難等 )，導(dǎo)致一般的規(guī)劃方法都難以奏效，而水下環(huán)境的擁擠程度相對較低、機(jī)器人工作在同一區(qū)域的可能性較大這一特征恰好