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机器人导论

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  • 日期: 2014-02-23
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标签: 机器人

本论文是关于机器人磊的论文,比较合适

 研究生课程(论文类)试卷 2 013 /2 014 学年第 一 学期 课程名称: 机器人学导论 课程代码: 12000076 论文题目: 关于智能机器人的学习报告 学生姓名: 沈磊 专业﹑学号: 机械工程137651536 学院: 机械工程学院 课程(论文)成绩: 课程(论文)评分依据(必填): 任课教师签字: 日期: 年 月 日 关于智能机器人的学习报告 简易智能机器人的设计思想 本机器人能在任意区域内沿引导线行走,自动绕障,在有光源引导的条件下能沿光源行走。同时,能检测埋在地下的金属片,发出声光指示信息,并能实时存储、显示检测到的断点数目以及各断点至起跑线间的距离最后能停在指定地点,显示出整个运行过程的时间。 本设计以AT89C5l单片机作为检测和控制核心。采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍物,使用金属传感器检测路面下金属铁片,应用光电码盘测距,用光敏电阻检测、判断车库位置,利用PWM(脉宽调制)技术动态控制电动机的转动方向和转速。通过软件编程实现机器人行进、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。通过对电路的优化组合,可以最大限度地利用51单片机的全部资源。 P0口用于数码管显示,P1口用于电动机的PWM驱动控制,P2,P3口用于传感器的数据采集与中断控制。这样做的优点是:充分利用了单片机的内部资源,降低了总体设计的成本。该方案总体方案见图1。2 系统的硬件组成及设计原理 此系统的硬件部分由单片机单元、传感器单元、电源单元、声光报警单元、键盘输入单元、电机控制单元和显示单元组成,如图2所示。2.1 单片机单本系统采用AT89C51单片机作为中央处理器。其主要任务是扫描键盘输入的信号启动机器人,在机器人行走过程中不断读取传感器采集到的数据,将得到的数据进行处理后,根据不同的情况产生占空比不同的PWM脉冲来控制电机,同时将相关数据送显示单元动态显示,产生声光报警信号。其中,P0用于数码管动态显示,P1.0一P1.5控制2个电机,P1.6、P1.7为独立式键盘接口,P2接传感器,P3.2接计里程的光电码盘,P3.7接声光报警单元,P3.4、P3.5、P3.6接用于显示断点数目的发光二极管。本机器人采用了双电机双轮驱动的小车作为其底座。2个电机分别独立控制其左右两边的车轮,靠两边电机的转速的不同来实现转弯功能,还可让其原地转弯,便于控制。而传统的小车是靠动力电机和转向电机驱动,转弯角度难以控制,不便于使用。电机控制电路采用大功率对管BDl39、BDl40组成的H型驱动电路,通过单片机产生占空比不同的PWM脉冲,精确调整电机的转速。这种电路由于工作在晶体管饱和或截止状态,避免了在线性放大区工作时晶体管的管耗,可以最大限度地提高效率;H型电路保证了可以简单地实现电机转速和方向的控制;电子开关的速度和稳定性也完全可满足需要,整套驱动电路是一种被广泛采用的电机驱动技术。 一、机器人分类 机器人按其智能程度可分为一般机器人和智能机器人。 到目前为止,在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素:一是感觉要素,用来认识周围环境状态;二是运 动要素,对外界做出反应性动作;三是思考要素,根据感觉要素所得到的信息,思考采用什么样的动作。感觉要素包括能感知视觉、接近、距离的非接触型传感器和 能感知力、压觉、触觉的接触型传感器。在运动过程中要对移动机构进行实时控制,这种控制不仅要包 括位置控制,而且还要有力度控制、位置与力度混合控制及伸缩率控制等。智能机器人的思考要素是三个要素中的关键,也是应赋予机器人的必备要素。思考要素包 括判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程,而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。 智能机器人根据智能程度的不同又可分为三种: (1) 传感型机器人——具有利用传感信息(包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等)进行传感信息处理及实现控制与操作的能力。 (2) 交互型机器人——机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人-机对话,实现对机器人的控制与操作。 (3) 自主型机器人——在设计制作之后,机器人无需人的干预,能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。智能机器人的研究从20世纪60年代初开始。经过几十年的发展,目前,基于感觉控制的智能机器人(又称第二代机器人)已达到实际应用阶段;基于知识控制的智能机器人(又称自主机器人或下一代机器人)也取得较大进展,已研制出多种样机。 二、智能机器人技术的形成与发展时期 智能机器人是人工智能的综合成果,它是在扩大计算机的功能和研究人工智能的实验床的基础上形成和发展起来的。1958年,美国人工智能学者Shanonn和Minsky为使计算机更有用,提出给计算机装上手的想法。1961年麻省理工学院(MIT)林肯实验室的H.A.ERNST把AMF公司处理放射线物质的伺服操作器和MIT的Tx-0计算机连接起来,研制出具有感觉,由计算机控制的MH-1型智能机器人。它凭触觉判断积木的形状,并把散放的积木进行组装。同时,L.G.Robons开展了给计算机装上眼的研究,即以电视摄象机作为与计算机的接口,进行物体识别研究。1963年,他又发展了齐次坐标变换法,用于决定机械手的位置和方向,提出机器人位置控制方法。1967年,综合上述成果出现了装有电视摄象机,由计算机控制的智能机器人。这种机器人通过电视摄像机确定物体的位置,用齐次坐标变换的数学方法计算出各关节的转角和手臂的位置。随后美国斯坦福大学研制出能进行行动规划的眼-车系统;MIT研制出手-眼系统;英国爱丁堡大学研制出手-眼结合的智能机器人系统;日本研制出能按识别图形进行积木组装的机器人和带视觉反馈的手-眼系统。 进入20世纪70年 代之后,研究重点转向智能机器人的单元技术:如计算机视觉、机器人语言、操作器的高级控制、触觉等研究课题。智能机器人基础技术的发展促进了整机性能的提 高,开始了面向自动化的应用研究。智能机器人的主要研制目的是为了解决工业装配、原子能利用、宇宙和海洋开发等领域的需要。由于研究目的明确,针对性强, 实际需要迫切,研制和使用部门结合,资金、人力集中使用,因此研制出了面向自动化应用的各种机器人。如美国麻省理工学院的电动机机器人装配系统以及西屋电 气公司可实现柔性自动装配的电动机机器人装配系统,二者均可进行8种小型电动机的装配;日本研制的各种智能机器人可用于电动机组装、集成电路压焊和印刷电路检查等。另外,特殊条件下工作的特种机器人也已取得实验成果。 三、智能机器人的实用阶段 20世纪80年 代中期以后,第一代工业机器人的市场趋于饱和,工业机器人的应用开始从汽车领域转向电子、机械装配和非制造领域。由于一般的工业机器人没有视觉和触觉,已 适应不了新用途的需要。只有让机器人学会感知它们所触到的部件,其产品的销路才有保证。智能机器人为人工智能实验床所使用,促进了计算机视觉、触觉传感 器、操作器控制等单元技术的发展,为智能机器人的研制和应用奠定了技术基础。因此,在工业机器人处于更新换代的转折关头,没有思想准备的许多机器人制造厂 家出现了产品滞销现象;而善于抓住时机的厂家就发展壮大。如Adept公司能及时抓产品转向工作,他们的产品目标不是面向汽车工业,而是面向电子工业,重点研究轻型装配机器人,采用了许多新技术,研制出了高精度、高速度、高柔性、带视觉的智能机器人。 1智能机器人的多传感器系统 机器人智能技术中最为重要的相关领域是机器人的多感觉系统和多传感信息的集成与融合[1],统称为智能系统的硬件和软件部分。视觉、听觉、力觉、触觉等外部传感器和机器人各关节的内部传感器信息融合使用,可使机器人完成实时图像传输、语音识别、景物辨别、定位、自动避障、目标物探测等重要功能;给机器人加上相关的医疗模块(ccd、camera、立体麦克风、图像采集卡等)和专用医疗传感器部件,再加上医疗专家系统就可以实现医疗保健和远程医疗监护功能。 2 智能机器人控制系统 机器人控制系统包含2部分:一是上位机,一般采用pc,它完成机器人的运动轨迹规划、传感器信息融合控制算法、视觉处理、人机接口及远程处理等任务;二是下位机,一般采用多单片机系统或dsp等作为控制器的核心部件,完成电机伺服控制、反馈处理、图像处理、语音识别和通信接口等功能。 控制系统以dsp(tms320c54x)为核心部件,由蓝牙无线通信、gsm无线通信(支持gprs)、电机驱动、数字罗盘、感觉功能传感器(视觉和听觉等)、医疗传感器和多选一串口通信(rs-232)模块等组成。 (1)系统通过驱动电机和转向电机控制机器人的运动,转向电机利用数字罗盘的信息作为反馈量进行pid控制。 (2)采用爱立信(ericsson)公司的rokl01007型电路作为蓝牙无线通信模块,实现智能机器人与上位机pc的通信和与其他基于蓝牙模块的医疗保健仪器的通信。 (3)支持gprs的gsm无线通信模块支持数据、语音、短信息和传真服务,采用手机通信方式与远端医疗监控中心通信。 (4)由于tms320c54x只有1个串行口,而蓝牙模块、gsm无线模块、数字罗盘和视觉听觉等感觉功能传感器模块都是采用rs一232异步串行通信,所以必须设计1个多选一串口通信模块进行转换处理。当tms320c54x需要蓝牙无线通信模块的数据时通过电路选通;当t~ms320c54x需要某个传感器模块的数据时,关断上次无线通信模块的选通,同时选通该次传感器模块。这样,各个模块就完成了与1~ms320c54x的串口通信。 3 主要医疗保健功能的实现。 智能机器人对于数字化家庭的医疗保健可以提供如下的服务: (1)医疗监护 (2)远程诊断和会诊 3.1机器人视觉与视频信号的传输 机器人采集的视频信号有2种作用:提供机器人视觉;将采集到的家庭成员的静态图像和动态画面传给远程医疗中心。 机器人视觉的作用是从3维环境图像中获得所需的信息并构造出环境对象的明确而有意义的描述。视觉包括3个过程: (1)图像获取。通过视觉传感器(立体影像的ccd camera)将3维环境图像转换为电信号。 (2)图像处理。图像到图像的变换,如特征提取。 (3)图像理解。在处理的基础上给出环境描述。 通过视频信号的传输,远程医疗中心的医生可以实时了解家庭成员的身体状况和精神状态。智能机器人根据医生的需要捕捉适合医疗保健和诊断需求的图像,有选择地传输高分辨率和低分辨率的图像。 3.2机器人听觉与音频信号的传输 机器人采集的音频信号也有2种作用:一是提供机器人听觉;二是借助于音频信号,家庭成员可以和医生进行沟通,医生可以了解家庭成员的健康状况和心态。音频信号的传输为医生对家庭成员进行医疗保健提供了语言交流的途径。 声音的获取采用多个立体麦克风。由于声音的频率范围大约是300hz一3400hz,过高或过低频率的声音在一般情况下是不需要传输的,所以只用传送频率范围在1000hz-3000hz的声音,医生和家庭成员就可以进行正常的交流,从而可以降低传输音频信号所占用的带宽,再采用合适的通信音频压缩协议即可满足实时音频的要求。智能机器人的听觉系统如图3所示。3.3各项生理信息的采集与传输 传统检测设备通过有线方式连到人体上进行生理信息的采集,各种连线容易使病人心情紧张,从而导致检测到的数据不准确。使用蓝牙技术可以很好地解决这个问题,带有蓝牙模块的医疗微型传感器安置在家庭成员身上,尽量使其不对人体正常活动产生干扰,再通过蓝牙技术将采集的数据传输到接收设备并对其进行处理。 在智能机器人上安装1个带有蓝牙模块的探测器作为接收设备,各种医疗传感器将采集到的生理信息数据通过蓝牙模块传输到探测器,探测器有2种工作方式:一是将数据交给智能机器人处理,提供本地结果;二是与internet连接(也可以通过gsm无线模块直接发回),通过将数据传输到远程医疗中心,达到医疗保健与远程监护的目的。视频和音频数据的传输也采用这种方式。智能机器人的数据传输系统如图4所示。 4 蓝牙模块的应用 4.1蓝牙技术概况 蓝牙技术[4]是用于替代电缆或连线的短距离无线通信技术。它的载波选用全球公用的2.4ghz(实际射频通道为f=2402 k×1mhz,k=0,1,2,…,78)ism频带,并采用跳频方式来扩展频带,跳频速率为1600跳/s。可得到79个1mhz带宽的信道。蓝牙设备采用gfsk调制技术,通信速率为1mbit/s,实际有效速率最高可达721kbit/s,通信距离为10m,发射功率为1mw;当发射功率为100mw时,通信距离可达100m,可以满足数字化家庭的需要。 4.2蓝牙模块 rokl01007型蓝牙模块[5]是爱立信公司推出的适合于短距离通信的无线基带模块。它的集成度高、功耗小(射频功率为1mw),支持所有的蓝牙协议,可嵌入任何需要蓝牙功能的设备中。该模块包括基带控制器、无线收发器、闪存、电源管理模块和时钟5个功能模块,可提供高至hci(主机控制接口)层的功能。单个蓝牙模块的结构如图5所示。 4.3主,从设备硬件组成 蓝牙技术支持点到点ppp(point-t0-point pro-tocol)和点对多点的通信,用无线方式将若干蓝牙设备连接成1个微微网[6]。每个微微网由1个主设备(master)和若干个从设备(slave)组成,从设备最多为7台。主设备负责通信协议的动作,mac地址用3位来表示,即在1个微微网内可寻址8个设备(互联的设备数量实际是没有限制的,只不过在同一时刻只能激活8个,其中1个为主,7个为从)。从设备受控于主设备。所有设备单元均采用同一跳频序列。 将带有蓝牙模块的微型医疗传感器作为从设备,将智能机器人上的带有蓝牙模块的探测器作为主设备。主从设备的硬件主要包括天线单元、功率放大模块、蓝牙模块、嵌入式微处理器系统、接口电路及一些辅助电路。主设备是整个蓝牙的核心部分,要完成各种不同通信协议之间的转换和信息共享,以及同外部通信之间的数据交换功能,同时还负责对各个从设备的管理和控制。 5 结束语 随着社会的进步,经济的发展和人民生活水平的提高,越来越多的人需要家庭医疗保健服务。文中提出的应用于数字化家庭医疗保健服务的智能机器人系统的功能较为全面,且在家用智能机器人、基于蓝牙技术的智能家居和数字化医院等方面的拓展应用非常广阔,具有极大的市场潜力 四、智能机器人的普及应用阶段 20世纪90年代,智能机器人将以装配机器人为先导产品,以电子、电气及精密机械制造为先导应用产业,慢慢进入普及应用阶段。 随着机器人技术的发展,许多机器人研制和生产厂家正在广泛采用视觉、力觉和其他传感技术,以提高机器人的智能水平,从而提高机器人的性能,使精度和重复精度 更高,速度更快,并且降低机器人的成本。这样就使得采用智能机器人生产的单位产品成本低于用传统技术及工业机器人生产的单位产品成本,使智能机器人技术的 性价比提高,最终导致企业对机器人的需求量会逐步增加。 与电子计算机的普及是从微机即个人计算机出现以后才广泛展开一样,20世纪90年代小型、微型智能机器人也将得到普及应用。目前美国、日本已研制出用于工业、医疗、服务等领域的各种型号微小型机器人。美国近年来在食品行业正在普及服务机器人,日本已研制出家用自动清洁且负责警戒的机器人、医护机器人及娱乐机器人等。 五、对智能机器人未来发展的展望 相信进入21世纪,更多先进的技术手段将被应用于智能机器人的研发制造中,而更加智能化,更加全面的机器人也会逐渐地进入我们的视野,渗透我们的生活,为我们的生产生活带来意想不到的便利。我相信,我们的生产生活将会因为他们的加入而变得更加方便快捷,变得更加丰富多彩。 【参考文献】 【1】《机械工程概论》 郭绍义主编 【2】《机器人学导论­­——分析,系统与应用》 Saeed B.Niku著
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