机器人设计
前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇机器人设计范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。
机器人设计范文第1篇
【关键词】火灾监测 无线局域网络 长波红外热像仪 机器人
一、引言
以检测火灾为目的，发展出了基于对烟雾颗粒、温度、相对湿度、空气透明度以及紫外光辐射等多种物理参数进行检测的火灾早期检测技术。然而，这类传感器检测范围很小且不能提供火灾火源位置、火势大小和火灾蔓延速度等更详细的信息。本文设计的移动式火灾监测机器人，搭载LWIR热像仪、高性能控制器、灭火系统和远程无线通讯系统，有效的弥补了传统火灾检测系统的不足，可以及时有效的消灭火灾、保证消防人员的安全。
二、火焰检测
传统相机捕捉场景中物体反射的可见光线，而长波红外热像仪（8-12um）采集场景中物体发射出的电磁辐射，因此，LWIR成像仪拍摄的红外图像反应场景中物体的表面温度：温度越高，红外图像中对应的像素点亮度越大。DM642核心处理器基于YcrCb色彩空间对红外图像中的Y分量进行分析处理，Y分量的值代表每个像素对应场景位置的温度值。
首先，通过设定温度阈值将红外图像中的高温像素点分割出来。公式1中表示像素点的亮度值；为高温阈值；这样，红外图像中的高温可疑区域被分割了出来。
为了进一步降低其他高温干扰目标引起的误报警率，火灾检测算法依据火焰的动态特征对分割出的可以区域作进一步识别。由于燃烧过程中能量释放的不稳定，火焰存在明显的闪烁特性。公式2中是第i帧红外图像中高温区域像素点个数；是第i+1帧红外图像中高温区域像素点个数；为相邻N帧红外图像中高温区域像素点波动的累加值。火焰的闪烁特性使得红外图像中的高温区域像素点个数不断的变化，利用火焰这一动态特性可以有效的将火焰和其他形态稳定的高温目标区分出来。
三、通信和导航系统
Wi-Fi（基于IEEE 802.11的无线局域网络），Wi-Fi技术在性价比和通信速率方面的优势使其成为应用最为广泛的无线通信技术。本文所述机器人通信系统利用DM642核心处理器自带的MAC接口连接WLAN模块实现，机器人巡航区域布设AP节点实现机器人与远程控制终端的互联。
利用红外热像仪采集到连续帧的火灾和高温干扰物图像。图1为按照本文所述火灾识别算法分析得出的结果。（a）图展示了火灾与干扰物相邻帧红外图像中高温区域像素点数目的柱状图，可以看出火焰红外图像中的高温区域像素点数存在很大的波动，而干扰物红外图像中高温区域像素点数非常稳定。（b）图展示了相邻帧红外图像中高温区域像素点数目波动的累计值。火灾红外图像中高温区域像素点数目波动累积值远大于非火灾高温干扰目标的累积值。实验结果表明本文设计的移动式火灾监测机器人可以准确的识别到火灾的发生。
参考文献：
机器人设计范文第2篇
关键词：清扫机器人;智能控制;定位;避障
引言
随着传感器的飞速发展和机械自动化的趋势，以及人们生活观念的不断更新，智能清扫装置已经变得越来越贴合人们的需求，就像当年洗衣机带来的革命一样，智能清扫装置也正在给全世界带来一场“干净”的体验。虽然国内外都对智能清扫装置进行了研究，尤其是在对智能清扫装置的路径规划和控制方面取得了一定的成就;但是其工作效率以及自主能力并没有达到理想的状态，需要解决更加多的传感技术，定位和环境建模技术的问题。本文针对上述问题对智能清扫装置进行了创新，从传感器部分、运动部分、清扫部分、处理器部分、电源部分以及人机接口部分来剖析本智能清扫机器人的设计功能。
1.智能清扫机器人的结构设计
本设计说介绍的智能清扫机器人是一种新型的清扫装置，其中包括它的结构设计。智能清扫机器人的外观设计，这样的外观设计不仅时尚美观操作简易而且拿取方便容易清洗集尘盒。
车体由万向轮组、集尘盒、控制装置以及分别与该控制装置相连并受到其控制的清扫吸尘装置和两驱动轮组。所述的万向轮组设置在车体的底面前部位置，而两驱动轮组则对称设置在该车体的底面中间两侧位置;清扫吸尘装置设置在车体底面尾部的位置，集尘盒则在对应清扫吸尘装置的一侧位置设置在车体的底面上，并与该清扫吸尘器装置的侧开口相连接。
万向轮组包括万向轮架和防滑轮，万向轮架的上端固定在底盘的前部位置，而前滑轮设置在万向轮架的下端;驱动轮组包括驱动电机、驱动后轮以及编码器，该编码器设置在驱动电机上，而驱动后轮通过联轴器设施在驱动电机的转轴上。前滑轮和驱动后轮优先采用橡胶轮胎，可以更大地增加了装置在湿滑地面的可行动性以及行动位置的准确性。万向轮组的两侧位置于底盘各设有一防跌台阶支架，防跌台阶的支架的底部设有与上述控制装置相连接传感器，能够有效避免本产品从台阶上跌落。所述的控制装置包括了控制电路以及分别与该控制电路相连接的电池组和多个红外测距传感器，多个红外测距传感器均匀分布在底盘前部边缘的位置。
2.智能清扫机器人控制系统的硬件设计
智能清扫机器人主要由六个部分组成，分别是运动部分、清扫部分、传感器部分、处理器部分、电源部分以及人机接合部分，每一个部分负责不同的功能。如图1，图2所示，每一种功能都清晰明了。
图1 智能清扫机器人功能分析 图2 智能清扫机器人功能分析
本文所设计的智能清扫装置可以实现在无人干预的情况下，自动地对室内地板进行清扫，实时监测前方障碍物，智能避障，而且能实时计算自己的坐标，记录自己清扫过的位置，以降低清扫路径的重复率，提高清扫效率。当装置的电量不足的时候，还能够自动返回固定的充电座进行充电。本装置分为电源模块、处理器模块、电机驱动模块、传感器模块以及人机接口模块。
2.1电源模块
电源模块对于整个装置来说至关重要，要给整个系统供电。本装置的电源消耗主要分为两部分，吸尘和扫边电机需要提供的能量和控制电路和驱动电路的能耗。选用了可充电的锂电池作为装置的电源。除此之外，还设立了一个固定的充电座，在处理器的路径规划算法中将该固定的充电座作为坐标原点，装置在检测到电池电量不足10%时，就会自动执行回原点操作，以最近的路径返回充电座充电。
2.2处理器模块
处理器是该装置的核心，主要负责及时地处理传感器传回来的信息，将控制信息发给执行机构，控制智能清扫装置避开障碍物并能实时计算自己的坐标，推算出较优的清扫路径。当中包括了128K字节的闪存程序存储器，20K字节SRAM，80个I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断，3个16位定时器，2个看门狗定时器2个IIC接口，3个USART接口，2个SPI接口，1个CAN接口，1个USB2.0全速接口以及2个12位模数转换器。
核心处理器选用的是三星公司的32位RISC微处理器S3C2440。S3C2440A 采用了ARM920t 的内核，0.13um 的CMOS 标准宏单元和存储器单元。其低功耗，简单，优雅，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。它采用了新的总线架构Advanced Micro controller Bus Architecture （AMBA），有60个中断源、24个外部中断端口和130个多功能输入/输出端口，能更有效率的实现本装置避障、路径规划等核心功能。
2.3电机驱动模块
本装置使用的是直流电机，直流电机的优点是调速性能好，启动、制动转矩大，易于控制，家庭使用噪音小。
本电动驱动模块包括运动驱动以及清扫驱动两部分，如图10所示。运动驱动主要负责智能清扫装置在房间内的运动，有左轮、右轮和前轮三个轮子组成，在左右轮上分别装上两个独立的直流电机，通过左右轮的差速来控制装置的转向，前轮为万向轮。左右轮的直流电机上装有光电编码器，用于记录两轮的速度，前轮上同样装有记录转过圈数的计数装置，处理器根据左右轮的光电编码器和前轮的技术装置传回的数据来计算出装置转过的角度和走过的距离，实现定位和路径规划。而清扫驱是本装置的执行机构，主要用来清扫地板上的垃圾和灰尘，由毛刷和小型涡轮风机组成。清扫部分工作时，电动机带动两毛刷向不同的方向旋转产生吸力，将地板上的垃圾吸入垃圾盒中。电动机带动小型涡轮风机告诉旋转产生负压，吸取地面上的微尘，保证地面的清洁。
2.4传感器模块
传感器部分是智能清扫装置的“眼睛”和“耳朵”，用来获取外部环境以及自身运动状态的各种信息，本装置主要由红外传感器、压力传感器、光电编码器、温度传感器和湿度传感器组成。它不仅对环境光线适应能力强，而且电路简单、安装调试方便。
红外传感器工作原理与超声波传感器类似，同样采用发射固定波长红外线并接受同一回波的主动方式，它探测视角小，方向性强，测量精度高、反应速度快，探测距离比较近，可以作为智能清扫装置的碰撞传感器。红外传感器当有障碍物阻拦时光线能够反射回来，输出为低电平信号，当没有障碍物阻拦时，光线不能反射回来，输出为高电平信号。处理器根据传感器传回的电平信号判断前方有无障碍物。而左右轮的直流电机上装有光电编码器，用于记录两轮的速度，处理器以此来计算出装置转过的角度和走过的距离，来实现定位和路径规划。还有温度传感器和湿度传感器用来实时监测周围环境的温度和湿度。
值得一提的是本装置对于同类清扫装置路径规划和坐标运算的改进，加入了基于零点的坐标运算，以固定的充电座为零点，以所在的地面为XY平面，建立平面坐标系。通过计算自己转过的角度和前轮前进的距离，就可以及时地计算出自己在该坐标的位置。并且根据坐标可以记忆自己走过的路径，记忆自己清扫过的区域，降低路径重复度，提高清扫效率。本设计还有一大亮点，就是设立一个固定的充电座，在处理器的路径规划算法之中将该固定的充电座作为坐标原点，装置在检测到电池电量不足10%的时候就会自动执行回原点操作，以最近的路径返回充电座充电。
2.5 人机接合模块
人机接口部分包括LED显示屏、装置表面按键。LED显示屏主要用来显示装置当前的信息（比如电量、速度等），还可以显示装置所处环境的信息（比如温度、湿度等）。表面按键可以由人来控制装置的启停和运动速度的快慢以及清扫模式。
本智能清扫机器人在保留自动吸尘器基本的避障、清扫功能之外，大大提升了清洁效果，保证了环境卫生。与此同时还额外增加了路径覆盖与路径规划算法，并且加入了手机遥控功能，使得手机可以对本机器装置进行遥控，非常切合时代的发展。使得在遥控模式下也能能够进行更加多的覆盖清扫区域，并且在重点污垢区域，通过手机的蓝牙进行遥控，定点加强清扫，增加其智能性。
3.智能清扫机器人控制系统软件设计
智能清扫机器人低层功能的实现可以把程序分为电动驱动部分和实现功能部分，电机的控制部分是指智能清扫机器人正常工作的基本保障，电机控制能为智能清扫机器人提供动力输出，控制车轮电机实现寻线移动、避障等等功能。而其他的程序则要保证机器人能够实现预定的功能如超声波测速、测距以及定时等等功能。本文主要对避障等功能的软件设计作出详细的描述。
而障碍物探测以及避障的程序，是机器人在运动的过程中利用激光的测距传感器探测障碍物信息并且实现避障，通过判断语句实时的对距离值进行判断，当该值小于或者等于避碰的知的时候就会执行程序，避开障碍物。
具体的代码实现是在STM固件函数库实现的。该函数库是一个固件函数包，它由程序、数据结构和宏组成，包括了微控制器所有外设的性能特征。该函数库还包括每一个外设的驱动描述和应用实例。通过使用本固件函数库，无需深入掌握细节，用户也可以轻松应用每一个外设。
4.结语
本文章设计创新开发的智能清扫机器人经过了一系列的调试，硬件电路设计，软件设计;还经过了电机模块，传感器模块的测试调节之后达到了提高清扫效率、位置状态判断准确等设计功能的实现;而且还对设计进行创新，例如加入了手机遥控功能，使用者通过手机的蓝牙进行遥控，定点加强清扫。本智能清扫机器人的创新性更加能够切合人们的要求。
参考文献：
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[8]万鸾飞.清洁机器人的路径规划及自充电系统[D].合肥工业大学 2009
[9]刘，肖南峰.智能安防与家庭服务机器人的设计与实现[J].微计算机信息.2006（05）
机器人设计范文第3篇
关键词：自避震；全地形；自主创新
1 自避震小车设计方法及创新点
自避震小车的设计灵感来源于月球车，月球车设计的独特轮子能克服重重障碍，既不打滑，也不翻车。基于月球车轮子机构的独特性，设计一款自避震小车，它的特点是有独特的驱动结构、有独特的轮子构造、有独立的驱动能力和有强大的行动力，完全能够应付复杂的地形。小车设计以六轮驱动为基础，其中前四轮作为一个整体进行驱动，提供较强的驱动力。前四轮基于月球车方案，采用悬挂系统方案，而后两轮始终与地面接触，提供稳定的驱动力。能适合斜坡、阶梯、栅栏等地形，提升整个小车的行动力、驱动力、稳定性。设计构思如图1所示。
2 自避震小车在独木桥优点体现
前四轮作为一个整体，在上下坡过程中具有较大的驱动力。而后两轮起到驱动辅助作用，使小车在爬坡或下坡过程中起到稳定作用，使小车能在独木桥具备走直线的功能。如图2所示。
3 自避震小车在阶梯优点体现
前四轮作为一个整体，使其具备了足够大的跨越阶梯的动力，同时在上下阶梯过程中还可以根据地面类型自行调整高度。而后两轮始终与地面接触，提供稳定的驱动力。如图3所示。
4 自避震小车在栅格优点体现
如图4所示，自避震小车可以说是完全针对栅栏的地形而设计，任何时候都有一对轮子（前、中、后）在栅栏棱线处接触，提供行动能力。
5 结束语
该方案参考月球车底盘结构，采用舵机六轮驱动，将前轮和中轮用金属板固定，后轮可以根据地面类型自行调整高度，并且可以在小车经过复杂路面时始终与地面保持接触，大大增强了小车在崎岖路面的通过能力。传感器方面，选用4个灰度传感器，最大限度的提高了整车在寻迹和管道中的精事屎腿荽砺剩并且在算法上不断优化，最后拿出了最满意的作品。
参考文献
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作者简介：潘一帆（1995-），江苏常州，本科，机电工程。
机器人设计范文第4篇
【关键词】AT89S51 避障机器人 传感器 舵机
1 引言
机器人作为一种智能机器，越来越多的替代了人类在极端环境下作业，比如：核辐射地区，深海探测，深空探索，以及高空作业等。为了防止机器人在作业中因碰撞等因素损坏，因此智能机器人的避障功能显得尤为重要。
传统的超声避障机器人大多是采用多路超声波传感器来采集障碍物的距离参数，这种设计的最大缺点即是多路超声波传感器之间会有干扰；而后，较好的避障机器人采用了一路超声传感器安装在具有360度转角的舵机之上，这样随着舵机的旋转一路超声波传感器就能采集到周围360度障碍物的距离，然而这种设计也有其缺点既是采集一次周围障碍物的距离信息所需的时间过长。因此，本文提出了一种新的智能避障机器人的设计，它采用了一路超声波传感器和一路红外传感器背对着安装在即使使用仅仅具有180度转角的舵机上，仍然可以在舵机转过半周时采集到周围的障碍物距离，反应速度提高了一倍。
2 避障机器人硬件设计
本文提供的智能避障机器人的硬件设计（如图1所示）包括了上位机接口模块、电源管理模块、红外探测模块、超声波检测模块、传感器舵机驱动模块、电机驱动模块、以及电机舵机驱动模块等电路组成。其中，红外探测模块由红外发射电路和红外接收电路组成；传感器舵机驱动模块主要驱动舵机带动红外传感器和超声波传感器一起转动；电机驱动模块主要通过单片机发来的PWM波改变直流电动机的转速，以此来控制机器人行进的速度；电机舵机驱动模块可以通过调整舵机的角度来达到改变机器人行进方向的目的。
3 避障机器人软件设计
本设计主要采用了模块化的编程方法，将硬件的每一个功能驱动都作为一个子函数的形式出现，主函数通过调用子函数来实现机器人的具体动作，这样就能极大的提高编程的效率，如图2所示。主要思路与步骤如下：
（1）上电及系统各模块初始化程序：初始化时钟以及引脚的驱动信号。
（2）开启定时器使能，并等待中断发生。
（3）若产生中断则进入中断子程序：
a. 调用传感器舵机驱动子程序，使得传感器舵机转动；
b. 通过AD采集超声波和红外传感器所得到的距离信息；
c. 通过自适应算法分析是否转向并通过串口向上位机传回距离信息，并能保存和显示该信息。
d. 若转向，则通过PID算法减慢机器人行进的速度，并调节直流电机的舵机转角，使得机器人改变进行的方向，结束中断程序等待下一次中断。
e. 若不转向，则通过PID算法加速机器人行进的速度，并结束中断程序等待下一次中断。
4 结论
本文介绍了一种以AT89S51单片机为主控芯片的智能避障机器人的设计，采用了两种互不干扰的传感器采集距离信息――一种是超声波传感器，一种是红外发射与接收器，通过增量式PID算法进行调速并通过遗传算法进行机器人角度调节来达到避障的目的。
这种设计采用的电子元器件价格相对便宜较容易推广，采用不相干信号采集距离信息提高了智能避障机器人的反应速度，使用自适应算法使得机器人对环境的适应性大大增强并实现安全避障。
参考文献
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机器人设计范文第5篇
关键词：机器人；伺服电机；控制系统
中图分类号： TP23 文献标识码：B
随着机电一体化技术的不断发展和工业自动化程度的日益提高，机器人在工业生产和日常生活等诸多方面都得到了越来越广泛的应用。目前，仿人机器人作为机器人研究的热门领域受到了极高的关注，其中，Biped型机器人以其结构复杂，自由度多和运动控制精度要求高等特点已经成为了仿人机器人研究的重中之重。
本文通过研究仿人机器人运动过程规划以及伺服电机控制的基本原理和方法, 给出了Biped型机器人设计的整体方案。所述的机器人采用基于STC89C52单片机的高精度伺服控制系统，减少了传统控制方法不稳定性对系统精度的影响。同时，选用了TR213高精度伺服电机，使机器人的运动机构在运行过程中协调、平稳。并通过单自由度调试、多自由度调试、运动过程规划等实验验证了系统的可行性，所设计的机械结构及控制方法真正地实现了Biped型机器人控制的高精度、高稳定性和智能化。
1 整体结构设计
根据仿人机器人的行走、前进、后退、重心偏移和上下楼梯等运动过程要求，Biped型机器人主要由机械结构、高精度伺服电机、伺服控制系统和驱动系统等部分组成。
由于人体为左右对称结构，为了达到仿人运动的目的，Biped型机器人也采用相同的对称结构，如图1所示。
以机器人行走过程中的右腿向前移动过程为例，在此过程中包括重心左移，右腿抬起前移，右腿放下和重心恢复四个阶段。为了实现动作要求，机器人需要踝关节、膝关节和髋关节6个自由度配合完成，其各关节的转动角度范围如表1所示。从表中可以看出，踝关节1、2可以通过转动完成整体结构重心沿y轴方向的移动控制，保持机器人在动作过程中的重心稳定；膝关节3、4和髋关节5、6通过配合转动改变机器人沿z轴方向的双脚高度以及双脚沿x轴方向的前后位置控制，实现机器人的动作要求；另外，双足机器人各个关节角的运动范围都大于人类各个关节角度的运动范围，可以满足模仿人类动作的关节角度范围要求。
2 高精度伺服电机的转动控制
Biped型机器人的各关节的位置采用TR213高精度伺服电机的转动进行驱动和控制，并由STC89C52单片机产生周期为20ms，脉宽为0.5ms-2.5ms的脉冲宽度调制（PWM）信号，该脉冲宽度与电机转动的偏转角度成正比，通过不同的脉冲输入宽度可精确地控制伺服电机的转动角度，其驱动分辨率达到1μs，角度分辨率可达0.09°，伺服电机的转动角度控制原理如图2所示。
位于伺服电机内部的齿轮组将电机的转动速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大倍数后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度，其内部电路如图3所示。
PWM信号进入信号解调芯片BA6688后将产生直流偏置电压信号，该信号和芯片内部5K电位器所产生的基准电压信号进行比较，将得到的脉冲进行展宽后输入至芯片BAL6686，芯片根据展宽后的脉冲信号驱动伺服电机转动，在此过程中，伺服电机的转动将带动电位器发生变化从而改变电压差的大小，直到压差为0时，伺服电机转动到指定位置后停止转动。另外，解调后的直流偏置电压通过与在电位器上得到反馈电压进行比较可得到正负电压差，BA6688将该电压差输送的PWM信号给电机驱动电路BAL6686以驱动伺服电机正反转。叠加在5K电位器上的另外一个信号Motor Back EMF信号将会使伺服电机产生一个反向电动势，通过和给定的基准电压进行比较可以改变伺服电机的转速，从而控制机器人的动作速度。
3 伺服控制系统
Biped型机器人的伺服电机控制主要是通过STC89C52单片机所产生的PWM信号来实现。由555定时器组成的振荡器作为时间基准信号，通过对其产生的脉冲信号进行计数来产生PWM脉冲信号，并由I/O口进行多路输出，输出后的信号经过整形处理，产生标准的PWM脉宽调制信号，以提高机器人动作的精度和稳定性。同时，STC89C52单片机上的FLASH为程序存储提供了足够的空间，还可以使用其串口和在线烧录功能与上位机进行通信来完成对多路伺服电机转动的控制。
4 驱动系统
为了使Biped型机器人具有足够的驱动能力，在设计中采用具有较大输出扭矩的TR213伺服电机，该电机的供电电压为4.8-7.2V，最大输出扭矩为13kg·cm，当其空载时电流很小，可以忽略不计，但当其动态负荷扭矩达到最大时驱动电流可达2A，但由于Biped型机器人的6个自由度一般不会全部同时工作在最大负荷状态下，根据测试表明，在正常情况下每个伺服电机的电流小于0.5A，因此，采用电流为10A的直流稳压电源为其供电，即可满足其驱动要求。伺服电机控制电路与伺服电机驱动电路采用分开供电模式，由7805稳压芯片为其提供稳定电压，以减小伺服电机电压波动对其造成的干扰，来提高控制精度。
结语
理论与实验表明，所设计的Biped型机器人具有控制精度高、稳定性好和结构简单等特点。通过高精度伺服电机和控制系统有效地减少了系统不稳定性对机器人运动过程造成的影响，为仿人机器人的开发和设计提供了一种比较理想的方法与解决方案。
参考文献
[1] 史耀强.双足机器人步行仿真与实验研究 [D].上海：上海交通大学，2008.
