如前所述单面机及感应器的机器人设计与同时实现

2023-07-20 08:31:45

　　先进制造 ◇ 系列技术讲座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中国机器人行业典型研讨会

　　1 前　言

　　机器人技术是结合了机械、电子、感应器、计算机、人工智能等许多学科的科学知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。一些发达国家已把机器人制做赛事做为创新教育的战略性手段。如日本每年都要举行诸如“NHK杯大小学生机器人大赛”、“全日本机器人相扑大会”、“机器人足球赛”等各种类型的机器人制做赛事，参加者多为小学生，旨在透过大赛全面培育小学生的动手潜能、创造潜能、合作潜能和进取精神，同时也普及智能机器人的科学知识.[1]

积极开展机器人的制做活动，是培育大小学生的创新精神和课堂教学潜能的最差课堂教学活动之一，特别是机电专业小学生积极开展综合科学知识训练的最差平台。本文针对具有鼓励线环境下的方向追踪这一热点问题，如前所述单面机掌控及感应器基本原理，透过硬体阻抗制做和软件编程，制做了两个机器人，同时实现了机器人的方向追踪和手动勒维冈县的功能，并能观测金属，实时显示距。

　　2 机器人要完成的功能

　　挑选出一块光滑地板或木板，上面铺设纸片，纸片上画任意白色轮廓(轮廓不要交叉)，做为机器人骑行的抛物线，鼓励机器人自主骑行。纸下沿隐棘抛物线随机深藏几片薄金属片，金属片厚度为0.5～1.0mm。机器人沿抛物线骑行一周，观测出深藏在纸下金属片，发出声光报警，并显示金属片距起点的位置。

　　3 硬体设计方案

　　机器人总体构成

图1机器人总体构成

　　如图1所示，以微处理器为核心，接受感应器响起外部重要信息，进行处理，掌控机器人的运行。

　　系统电源供电系统部份

　　由于机器人电机，感应器及系统CPU等部份均选用+5V供电系统，考虑电动汽车功率和车载质量及摩擦阻力问题，电源我们选用电动汽车自带干电池组，功耗小、体积小和质量轻，加装较为方便。

　　电机驱动力及PWM调速部份

　　机器人需掌控在两个合适的速度高速行驶，速度太快，因单面机对各感应器响起的讯号有两个响应、处理时间，小车极易偏离轨道。小车的速度是由后轮交流电机转速掌控，发生改变交流电机转速通常选用并联、调磁等方式来同时实现。其中，并联方式基本原理简单，易与同时实现。

选用由晶体管共同组成的H型PWM正弦阻抗。透过图2所示PWM正弦阻抗，用单面机掌控晶体管使之组织工作在充电电流可调状态，同时实现调速。

　　图2 电机驱动力阻抗

　　令单面机P1.7口为低阻抗，P1.6口为高阻抗，此时Q1、Q4偏压，Q2、Q3截止，电动机正常组织工作。发生改变P1.6口高阻抗周期，即发生改变PWM正弦波形充电电流，可以同时实现精确调速。波形振幅对电机转速有影响，波形振幅高连续性好，但带负载潜能差;波形振幅低则反之[2]。经试验发现，波形振幅在30Hz以上，电机旋转平稳，但小车高速行驶时，由于摩擦力使电机转速降低很快，甚至ZR19;波形振幅在10Hz以下，电机旋转有跳跃现象，试验证明波形振幅在25～35Hz效果最差。我们挑选出波形振幅为30Hz。

　　鼓励线检验模块

根据纸片和隐棘反射系数不同，透过以微电子感应器为核心的微电子检验阻抗将桥面两种颜色进行区分，转化为不同阻抗讯号，将此阻抗讯号送单面机，由单面机掌控转为电机作相应的转为，保证小ED500鼓励线高速行驶。考虑到小车与桥面的相对位置，选用红腺微电子检验阻抗。

　　红外微电子感应器TCRT1000，它是一种微电子子扫描，微电子二极体发射，真空管接收并输入的装置 .它的特点是尺寸小、使用方便、讯号高输入、组织工作状态受温度影响小。它的外围阻抗简单，(如图3所示)。二极体的C端和真空管的E端接地，二极体的A端透过一阻抗和电源相连接，共同组成谐振电流阻抗;真空管的C端也透过一阻抗和电源相连接，共同组成输入阻抗。当检验器检验到白色时，其输入低阻抗;当检验到白色时，则输入高阻抗。

为提高检验精度，采用了多感应器重要信息结合技术。设计中，在车头均匀精心设计三个微电子感应器，其中，中间两个(Q1)加装在小车正中央。Q1的输入经一级比较器和非门，接单面

　　图3 微电子检验转换阻抗

　　机的P1.3脚.Q1埃皮纳勒区分别精心设计两个感应器，经与图3相同的阻抗后也连接到单面机P1口。若两侧某一感应器检验到隐棘，表明小车正脱离轨道，将3个检验点的结果结合后做为单面机的输入，机器人按照单面机P1口重要信息进行判断调整，同时实现方向追踪和手动勒维冈县[3]。

　　金属观测部份

　　图4 金属观测阻抗

如图4所示，金属观测器使用一接近开关，观测有效距约为4mm，将它固定在机器人上，当观测到金属片时，观测器输入端输入低阻抗，经反向器后接一发光二极体和一蜂鸣器，发出声光指示讯号。同时输入反向后接单面机，对观测到的金属片个数进行计数。

　　霍尔元件测距设计

　　霍尔集成片内部由三片霍尔金属板共同组成，当磁铁正对金属板时，根据霍尔效应，金属板发生横向偏压[4]，因此可以在车轮上加装磁片，而将霍尔集成片加装在固定轴上，透过对波形计数进行距测量。小车后轮每转一圈，霍尔元件产生的波形送入单面机的T0口进行计数，单面机完成波形数到距的转换。在后轮加装两个磁极，测量误差是两个车轮的周长，可在软件中给予补偿。

　　LCD显示

液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。这里选用2行16个字的DM-162液晶模块，透过与单面机连接，编程，完成显示功能。

　　4 系统软件流程

　　系统软件流程如图5所示。

　　图5 系统软件流程图

　　5 结论

　　本文如前所述单面机及感应器基本原理，以单面机为掌控器的核心，小型交流电机做为驱动力元件，配置不同类型的感应器，透过软件编程，制做出了两个价格低廉、模块化结构的小型机器人。大量的骑行试验证明，该机器人能够顺利方向追踪和手动勒维冈县自主骑行，并完成观测、显示等功能。

　　本文创新点：本文针对具有鼓励线环境下的方向追踪这一热点问题，选用多感应器重要信息结合技术，透过单面机掌控，同时实现了机器人的方向追踪和手动勒维冈县的功能，方法简单，易于同时实现，造价低廉，效果较好。

　　参考文献

[1]韩建海，赵书尚，张国跃等。如前所述 PIC 单面机的六足机器人制做。机器人技术与应用，2003,06

　　[2] 姜长涨，于万元，王冬蕾。如前所述AVR单面机的交流电动机的PWM调速系统设计。仪器仪表用户，2006,02

　　[3] 薛艳茹，郑冰，郝兴贞，等。如前所述模糊掌控重要信息结合方法的机器人导航系统。微计算机重要信息，2005年第11-2期

　　[4] 张寿安。霍尔效应在位置掌控中的应用。长沙铁道学院学报(社会科学版)，2005,02

　　( 文章来源：互联网 )

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