机器人设计精选(九篇)

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第1篇：机器人设计范文

关键词：上肢康复训练机器人 青岛大学硕士开题报告范文 青岛论文 开题报告

一、 选题的目的和意义

据统计,我国60 岁以上的老年人已有1.12 亿。伴随老龄化过程中明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生了种种不利的影响。此外，由于各种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人也在显著增加，与之相对的是通过人工或简单的医疗设备进行的康复理疗已经远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到更多人的关注，治疗康复和服务于他们的产品技术和质量也在相应地提高，因此服务于四肢的康复机器人的研究和应用有着广阔的发展前景。

目前世界上手功能康复机器人的研究出于刚起步状态，各种机器人产品更是少之又少，在国内该领域中尚处于空白状态，临床应用任重而道远，因此对手功能康复机器人的研究有广阔的应用前景和重要的科学意义。

目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题：康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。本课题针对以上问题，采用气动人工肌肉驱动的手指康复训练机器人实现手指康复训练的多自由度运动，不仅降低了设备成本，更重要的是提高了系统对人类自身的安全性和柔顺性，且具有体积小，运动的强度和速度易调整等特点。

课题的研究思想符合实际国情和康复机器人对系统柔顺性、安全性、轻巧性的高要求 。它将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复，研究一种柔顺舒适、可穿戴的手功能康复机器人，辅助患者完成手部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健。

综上所述，气动人工肌肉驱动手指康复训练机器人的设计是气压驱动与机器人技术相结合在康复医学领域内的新应用，具有重要的科学意义。

二、 国内外研究动态

2.1 国外研究动态

美国是研究气动肌肉机构最多的国家，主要集中在大学。

华盛顿大学的生物机器人实验室从生物学角度对气动肌肉的特性作了深入研究，从等效做功角度建模，并进行失效机理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射运动控制研究。

vanderbilt 大学认知机器人实验室(cognitive robotics lab, crl)研制了首个采用气动肌肉驱动的爬墙机器人，并应用于驱动智能机器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。

伊利诺伊大学香槟分校的贝克曼研究所对图像定位的5自由度soft arm 机械手采用神经网络进行高精度位置控制和轨迹规划。亚利桑那州立大学设计了并联弹簧的新结构气动肌肉驱动器，可以同时得到收缩力和推力，并与工业界合作开发了多种用于不同部位肌肉康复训练的小型医疗设备。

英国salford 大学高级机器人研究中心对气动肌肉的应用作了长期的系统研究，开发了用于核工业的操作手、灵巧手、仿人手臂以及便携式气源和集成化气动肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的远程控制。

法国国立应用科学学院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了气动肌肉的动静态性能和多种控制策略，目前正在研制新型驱动源的人工肌肉以及在远程医疗上的应用。

比利时布鲁塞尔自由大学制作了新型的折叠式气动肌肉用于驱动两足步行机器人，实现了运动控制。

日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又发明了多种不同结构的气动肌肉。德国festoon 公司发明了适合工业应用的气动肌腱fluidic muscle，寿命可达1000万次以上，同时还对气动肌肉的应用作了许多令人耳目一新的工作。英国shadow 公司研制了目前世界上最先进的仿人手。美国的kinetic muscles 公司与亚利桑那州立大学合作开发了多种用于肌肉康复训练的小型医疗设备。

lilly采用基于滑动模的参数自适应控制策略，实现了单气动肌肉驱动的关节位置控制。

2.2 国内研究动态

自20 世纪90 年代以来，我国陆续开始了气动肌肉的研究。

北京航空航天大学的宗光华较早开始气动肌肉的研究，分析了其非线性特性、橡胶管弹性及其自身摩擦对驱动模型的影响，并应用于五连杆并联机构，通过刚度调节实现柔顺控制。

上海交通大学的田社平等运用零极点配置自适应预测控制、非线性逆系统控制以及基于神经网络方法，实现单自由度关节的快速、高精度位置控制。

哈尔滨工业大学的王祖温等分析了气动肌肉结构参数对性能的影响、气动肌肉的静动态刚度特性以及与生物肌肉的比较，提出将气动肌肉等效为变刚度弹簧，设计了气动肌肉驱动的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反馈数据手套和6 足机器人，采用输入整形法解决关节阶跃响应残余震荡问题。

北京理工大学的彭光正等先后进行了单根人工肌肉、单个运动关节以及3 自由度球面并联机器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神经网络等多种智能控制算法，并设计了6 足爬行机器人和17 自由度仿人五指灵巧手。

哈尔滨工业大学气动中心的隋立明博士也通过实验得到了气动人工肌肉的一个更简洁的修正模型和经验公式并对两根气动人工肌肉组成的一个简单关节系统进行实验建模和采用位置闭环的控制方法进一步验证气动人工肌肉的模型。

上海交通大学的林良明也对气动人工肌肉的轨迹学习控制进行了仿真研究给出了学习的收敛性的初步结论为下一步的学习控制奠定了基础。其中田社平通过对气动人工肌肉收缩在频率域上的数学模型并对它的结构及其静动态特性进行了理论分析建立了相应的静态力学方程。

2003年付大鹏等，以机械手抓取物体为分析对象，采用矩阵法来描述机械手的运动学和动力学问题，以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础，将运动、变换和映射与矩阵计算联系起来建立了机械手的运动数学模型，并提出了机械手运动系统优化设计的新方法，这种方法对机械手的精密设计和计算具有普遍适用意义。

2005年车仁炜，吕广明，陆念力对5自由度的康复机械手进行了动力学分析，将等效有限元的方法应用到开式的5自由度的康复机械手的动力分析中，这种方法比传统的分析方法建模效率高、简单快捷，极其适合现代计算机的发展，的除了机械臂的动力响应曲线，为机械手的优化设计及控制提供理论依据。

2008年北京联合大学张丽霞，杨成志根据拿取非规则物品的任务要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手，手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式,对实用型仿人机器手的机构设计有参考意义。

2009年杨玉维等人对轮式悬架移动2连杆柔性机械手进行了动力学研究与仿真，。采用经典瑞利.里兹法和浮动坐标法描述机械手弹性变形与参考运动间的动力学耦合问题， 综合利用拉格朗日原理和牛顿.欧拉方程并在笛卡尔坐标系下，以矩阵、矢量简洁的形式构建了该移动柔性机械手系统的完整动力学模型并进行仿真。

2009年罗志增，顾培民研究设计了一种单电机驱动多指多关节机械手，能够很好的实现灵巧、稳妥的抓取物体，这个机械手共有4指12个关节。每个手指有3个指节，由两个平行四边形的指节结构确保手指末端做平移运动，这种设计方案很好的实现了控制简单、抓握可靠的目的。

从目前来看，国内对气动人工肌肉的研究仍处于刚起步的阶段。有关气动人工肌肉的研究与国外还有相当的差距对气动人工肌肉中的许多问题，还没有进行深入的研究。此外，采用气动人工肌肉作为机器人驱动器的研究还不成熟。

三、 主要研究内容和解决的主要问题

目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题:康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。为此，课题主要研究内容：设计一种结构简单，易于穿戴，并且安全、柔顺、低成本，使用方便的气动手功能康复设备。对气动手指康复系统进行机构运动学分析、用mat lab软件对康复训练机器人的康复治疗过程的力位信息进行仿真分析。

要实现上述的目标，系统中需要着重解决的关键技术有：

(1)基于已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分的设计，对手指康复训练方法分析和提炼。 主要包括：人手部的手指弯曲抓握动作分析，气压驱动关节机构自由度的优化配置。使机械手能够实现手指的弯曲、物体的抓握等手部瘫痪患者不能实现的动作。

(2)对机器人机械机构的运动学分析。主要包括：气压驱动的手指关节外骨骼机械机构的运动学分析。

(3)机器人机构的力位信息仿真。主要包括：用mat lab软件进行机器人气压驱动终端的力位信息 仿真。

根据总体方案设计以及工作量的要求，外附骨骼机械手系统是上肢康复训练机器人的一部分，本文主要是研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。

四、论文工作计划与方案

论文工作计划安排：

2010年9月——2011年6月准备课题阶段：

主要工作：学习当今最先进的机器人设计技术;学习用matlab软件进行计算仿真及优化，查阅国内外的资料，对康复机械手作初步了解。

2011年7月——2011年9月课题前期阶段

主要工作：课题方案设计，拟写开题报告，开题。

2011年10月——2012年7月课题中期阶段

主要工作：开始具体课题研究工作，根据已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分设计，对手指康复训练方法分析和提炼。研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。

2012年8月——2012年12月课题后期阶段

主要工作：对手指康复机器人进行模拟仿真，对设计进行优化，并在此基础上进一步完善课题。

2013年1月——2013年4月结束课题阶段

主要工作：整理相关资料，撰写论文，准备进行毕业论文答辩。

2013年5月——2013年6月论文答辩阶段

主要工作方案：

1. 完成学位课与非学位课学习的同时，进行市场调研，对手指康复机械手作初步了解。

2. 查阅资料，了解气动手指康复机器人的国内外发展现状。

3. 分析已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构的部分设计。

4. 对现有手指康复训练方法设计进行分析和提炼，分析其优缺点。

5. 开始具体设计工作。

第2篇：机器人设计范文

关键词：服务机器人；语音；QQ物联；物联网

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）06-0-04

0 引 言

2012年4月，中国科技部正式印发了《服务机器人科技发展“十三五”专项规划》[1]，中国产业调研网的2015-2020年中国服务机器人市场深度调查分析及发展趋势研究报告认为，纵观国内外服务机器人的发展，预测服务机器人在我国具有广阔的市场空间。随着城市化进程加速、人口老龄化和人口素质的提高，服务机器人的商业应用将会加速发展。

语言是人们传递信息的重要方法，随着人工智能的发展，社会对智能化的要求越来越高，智能机器人的应用范围越来越广，通过语音来控制机器人可以大幅提高工作效率。2014年10月，“QQ物联智能硬件开放平台”，开发者可以充分利用和发挥腾讯QQ的亿万手机客户端及云服务的优势。结合目前机器人发展的方向，本文提出了基于QQ物联的智能语音服务机器人系统设计方法。

1 系统功能分析与总体设计

1.1 系统功能分析

基于QQ物联的语音服务机器人针对家庭生活场景主要实现以下功能：

（1）QQ物联：将QQ账号体系及关系链、QQ消息通道能力等核心能力与机器人合作，实现用户与机器人之间的互联互通互动，充分利用和发挥腾讯QQ亿万手机客户端及云服务的优势；

（2）无线充电：机器人自动检测自身电量，当电量低于预设值时，采用无线充电方式充电；

（3）消息处理：自动连接手机蓝牙，语音处理电话等消息。

（4）环境监控：机器人自动检测房间温度、湿度、光照强度等，当环境参数不在预设值范围内时，进行语音提醒[1]；

（5）智能安防：当检测到用户离开房间后，自动切换到安防模式，用户可通过摄像头查看室内状况，出现突况时自动联系用户；

（6）语音交互：可与用户实现简单的人机交互[2]；

（7）娱乐放松：用户可通过语音交互播放音乐或简单笑话等。

1.2 系统总体设计框架

根据系统功能要求，设计本系统的总体框图如图1所示。系统包括主控制器模块和功能模块，部分包括环境监测模块，摄像头模块，语音识别模块，无线充电模块，通讯模块，移动设防系统，视频与音频处理模块和小车模块。环境监测部分主要通过一些传感器检查环境参数，并不断返回控制器，控制器可针对这些数据做出综合调节。摄像头模块负责视频通话与安防。语音识别模块可识别出人们的一些语言信息，通过识别这些信息来判断人们的指令，从而更好、更人性化的为人们服务。无线充电模块主要维持机器人和小车的正常用电与供电，保证小车和机器人正常工作。通讯模块的主要功能包括语音外放，语音对讲，语音提醒等。无人在家时，如有特殊情况发生移动设防系统可自动向主人发送信息。

2 硬件模块选型与设计

2.1 主控制器

本系统的主控制器选用ST公司生产的STM32F103系列芯片。该芯片基于ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率最高可达72 MHz，且内置高速存储器（64 KB的闪存和20 KB的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。STM32系列提供了全新的32位产品选项，结合高性能、实时、低功耗、低电压等特性，保持高集成度和易开发的优势，将32位MCU的性能和功效引向一个新的级别[3]。

2.2 QQ物联模块

QQ物联通过QQ账号体系及相关的关系链来实现用户与设备之间的相互连通，充分发挥QQ手机客户端和云服务的优势[4]。本设计采用了QQ物联摄像头模块，可通过QQ与摄像头进行交互。具有如下功能：

（1）远程监控：直接打开手机QQ便可随时随地远程查看摄像头内的视频。

（2）支持分享设备：将自己录制好的精彩视频或照片分享至QQ好友，实现与好友的互动。

（3）移动侦测报警：家中无人时启动设防功能。如果视频监控画面中出现了移动物体或人体时，将会截图发送至手机，同时也会将截图自动保存在TF卡上。

（4）语音对讲：利用QQ实现实时语音对讲，使得好友之间的关系更加亲密。

2.3 蓝牙音响模块

蓝牙技术是一种短距离通信技术，频率为全球共有频段2.4 GHz[5]，可使不同的设备无缝共享资源。它采用短距离无线连接，无需专用电缆，使移动用户不仅摆脱了线缆的束缚，还易于在室内或室外流动操作。

2.4 语音识别模块

本系统采用ICRoute公司生产的LD3320语音控制芯片来实现简单的语音识别[6]。LD3320的电路原理图如图2所示。

2.5 无线充电模块

本系统采用原理为电磁感应的无线充电模块[7]，使机器人在自身电量不足时能够进行无线充电，简化充电过程。

2.6 语音输出模块

本系统使用LMD102语音模块。该模块价格低廉，稳定可靠，支持多路语音，还可通过单片机串口控制。电路原理图如图3所示。

2.7 环境传感器模块

环境参数主要为测量温度，湿度和光照等信息。本设计为了能够更加准确地采集光照及温湿度信息，使用BH1750传感器来获取光照强度[8]，利用DHT11采集温湿度。

3 系统软件设计及实现

3.1 系y初始化

系统初始化主要完成堆栈、定时器、串口等的设置。然后根据需求调用相应的功能，如获取环境参数等。语音芯片识别这些语句后，经各模块获取相应内容，再通过语音反馈给用户。本系统还联合QQ物联，通过QQ控制摄像头，实现视频通话与语音对讲。软件流程如图4所示。

3.2 LD3320语音程序设计

语音识别软件流程图如图5所示。首先对该模块进行初始化，对语音编码进行预处理，然后提取相应的特征，进行矢量的量化，最后针对语音的输入匹配特征，输出对应的语音结果。在程序设计中，通过改善算法[9]提高了识别准确率。

3.3 环境监测程序设计

首先光照传感器需要对解析度和透光率进行设置。解析度一般设置为2，传感器返回的值为实际值乘以透光率。所以在代码中需要经过初始化，经光亮度读取和实际亮度计算得出准确的光照值。光照传感器程序流程图如图6所示。

温湿度传感器DHT11包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，只有4个引脚，控制其时钟序列满足要求后，即可取出数据，DHT11对时钟的要求非常严格。数据格式为：8 b湿度整数数据+8 b湿度小数数据+8 b温度整数数据+8 b温度小数数据+8 b校验和[10]。图7所示为DHT11的程序流程图。

3.4 语音播放程序设计

语音录制播放模块LMD102可以录制多路声音。由于此模块具有USB接口功能，可以直接在特定软件下合成声音，无需人工录制声音，可以大大减轻工作量。本系统采用串口发送的方法将信息发送给芯片，由于每段语音都有特定的ID号，因此只需发送对应的ID号即可播放对应的语音。发送格式为：引导码+段号+结束码。LMD102程序流程图如图8所示。

3.5 系统测试

服务机器人机械框架采用3D打印模式，设计实物如图9所示。

系统采取分模块测试方法：

（1）摄像头及语音功能、移动设防功能测试。当有物体在摄像头面前移动时，会有QQ提醒消息，移动设防功能正常。

（2）蓝牙音箱功能测试。打开手机蓝牙连接至蓝牙音箱，此时会有语音提示，蓝牙连接。打开手机音乐，发现蓝牙音箱能够播放手机音乐，该蓝牙音箱测试正常。

（3）环境参数测量。为了能够直观显示测试结果，将测试结果输出至屏幕。

（4）语音播放模块测试。通过外部调节使环境的温湿度、光照发生变化，此时服务机器人会发出语音环境异常信息的提示。

对各模块进行综合测试，发现本系统工作正常。

4 结 语

本文完成了针对家庭生活的基于QQ物联的服务机器人系统设计。该系统具有以下优点：

（1）自动无线充电：解决机器人手动充电的问题，方便机器人长时间工作；

（2）应用范围广：本项目可适用于老人、孩子和上班族，适用人群广泛，通过QQ物联接入，扩大用户人群；

（3）功能完善、稳定：本作品加入了语音、摄像头图像处理、分布式信息管理、WiFi等功能模块，使机器人拥有较为完备的功能。同时通过改进相关算法，极大地提高了机器人针对不同场景做出的反应速度。

本设计可广泛应用于家庭和办公室等一些私人场所。如果将本设计继续优化，功能将更加完善，其适用范围也将更加广阔。

参考文献

[1]服务机器人科技发展“十二五”专项规划[J].机器人技术与应用，2012（3）：1-5.

[2]苏鹏，周风余，陈磊.基于STM32的嵌入式语音识别模块设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011，11（2）：42-45.

[3]孙书鹰，陈志佳，寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].网络新媒体技术，2010，31（12）：59-63.

[4]腾讯公司.QQ物联全解析[J].物联网技术，2015，5（5）：5-7.

[5]胡新华，杨继隆，姜伟，等.蓝牙技术综述[J].现代电子技术，2002，25（5）：93-96.

[6]陈景帅.智能空间下语音交互系统的研究与实现[D].济南：山东大学，2010.

[7]刘刚，郑青玉，王德钊.一种基于电磁感应的无线充电方法[J].北京信息科技大学学报（自然科学版），2013（2）：51-54.

[8]王建，毛腾飞，陈英革.基于BH1750芯片的测光系统设计与实现[J].常熟理工学院学报，2011，25（2）：117-120.

第3篇：机器人设计范文

关键词： 人工智能 自动控制 侦查

Abstract: this paper is mainly fusion research, multidisciplinary, have muti_function investigation of fire fighting robot, through the circuit board master control system of overall control, using the sensor for the flame and obstacles test, to control the stepping motor and the machine arm to realize the fire investigation of the robot every action, it can automatic obstacle avoidance, automatic looking for fire, automatic fire extinguishing.

Keywords: artificial intelligence automatic control investigation

中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：

1 前言

随着社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生火灾的危险性也在增多， 火灾的危害性也越来越大。各种不可避免的火灾频繁出现，给社会造成了许多隐患。在长春就出现了天元大厦大火灾的惨痛教训，所以随着社会与国家的发展，在经济迅速增长的同时，各种火灾的及时扑救已成为了迫在眉睫需要解决的问题。救火早一刻就少一分的损失。救援人员固然很快，但也需要一定的时间，而且进入火灾现场还有一定的危险，甚至危及生命。 近几十年中，大量的高层，地下建筑与大型的石化企业不断涌现。由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。为了解决这些难题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，研制一种侦查灭火机器人是十分必要和有实际现实意义的。

2机器人整体运作方案分析

本机器人利用了单片机通信技术，工作人员在火场外的安全区域内可对其进行远程操控，由于机器人体积小，活动灵活，使其能安全、快速的找到火源，将火扑灭。为消防营救工作争取了宝贵的时间。灭火机器人采用360度可旋转机械臂，可夹带消防喷头至火场，这样便可控制喷头喷水方向，机械臂上置有CCD高清摄像头，在灭火过程当中，通过摄像头反馈来的信息判断水压是否供给到位，火场是否有残余火源等等。另外，机器人底盘采用履带式的设计，使其能穿行于各种地形。而履带是用特殊材料制成，耐高温，增强了本机器人在火场的耐用性。底盘上也装有CCD摄像头，可以方便操作人员清楚地知道机器人所在的方位。控制台电脑和机器人上的机载控制器采用无线通讯方式, 通过电脑控制界面对机器人发出指令并接受回馈信号, 指挥机器人在定位后完成各项功能作业。由于是采用直流步进电机驱动，所以不能携带笨重的水箱作业，将水箱留在火场外，机器人只夹带喷头作业，这样既减少了机器人动力来源的功耗，又方便其在狭小的环境中作业。

3机器人的系统组成

（1）步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

步进电机是纯粹的数字控制电机。它将电脉冲的信号转化为角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，非常适合于用单片机来控制。步进电机具有如下一些特点：

a) 在负载合适、控制合适的前提下，步进电机的角位移与输入脉冲数严格的成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。

b) 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价、又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

c) 步进电机的动态响应快，易于起停，正反转和变速。

d) 速度可以在相当大的范围内平滑调节，低速下仍能保证比较大的转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。

e) 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。

f) 当负载较大、冲击负载、或者控制不合适的情况下，步进电机存在震荡和失步的现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。

g) 步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。

（2）CCD摄像头

CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

（3）旋转机械臂

本机器人的制作核心便是这个自由度非常高的旋转机械臂上，由320mm、360mm的两段钢架支撑，下面的钢柱固定在可360度旋转的圆盘上，上下两个钢柱间用电机控制其垂直角度，上面钢架尾部有一个夹子，能夹住消防水枪的喷头，完成灭火任务。

4 机器人功能

（1）火情侦查。

机器人的平衡作业臂采用3节1m的结构，可绕轴做90°俯仰运动，电机驱动钢索完成拉伸和收缩，可由1m伸展至3m。为取得来自于火灾现场的图像信号，在作业臂前端云台上安装彩色CCD摄像机，视频信号采用无线传输的方式，在地面控制台的显示屏上可对火灾现场直接监控，并及时调整机器人的作业动作。可根据现场要求加装温度传感器探测火灾现场的温度，可燃气体传感器探测建筑物内部可燃气体的含量以防止自燃的发生。

（2）救援和灭火。

机器人自身配有携带水枪头的机械手臂、照明灯和载物箱。载物箱可根据需要装载氧气罩、急救工具等。机械手臂上的水枪头可以进行灭火，照明灯可为现场探测提供照明，还可以帮助受灾人员。

5 综述

目前, 已有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。从各国的研究情况来看, 消防机器人应具有三个方面的作用: 在短时间内实现对火情的侦察; 能够对被困火中的人员进行有效地救助; 能够携带一定量的灭火剂进行灭火。

灭火机器人属于特种机器人范畴，它作为特种消防设备可替代消防队员接近火灾现场实施有效的灭火救援作业，开展各项火场侦查任务，尤其是在危险性大或者消防队员不易接近的场合，灭火机器人的应用将大大提高消防部门扑灭恶性火灾的能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡具有重要的作用。

参考文献

[1]陈伯时电力拖动自动控制系统[M] 北京 机械工业出版社， 2002

第4篇：机器人设计范文

关键词：电气工程自动化；产业机器人；设计要点

国家近些年推出智能战略计划，产业机器人由此应运而生。我国部分地区积极出台相应文件以支持机器人产业发展。上海曾出台《上海市高端装备制造业“十二五”发展规划》，指出要重点发展产业机器人，将其投用到包装、焊接、装配、喷涂、搬运等生产环节中，同时关注研发机器人的核心部件，包括电机、驱动器、控制器、传感器、网络控制系统等。此外，包括广东、杭州、北京等地都陆续出台相关政策，明确了产业机器人的发展方向。电气工程自动化与产业机器人的结合已经成为必然趋势，而如何将电气工程自动化技术与产业机器人的设计活动以及应用环节有机融合在一起，则成为当前发展产业机器人需研究的关键课题。

1产业机器人中的电气工程自动化技术

1.1新生代电气自动化技术

电气自动化技术是近些年兴起且发展迅速的新型技术之一，且在电气自动化技术不断升级应用的过程中，信息技术也在不断发展，由此不断催生出各种新型的电气自动化技术，包括高精度运动控制、模块化与嵌入式控制系统设计、高可靠性实时通信网络、复杂设施设备系统仿真技术等。将其应用到产业机器人领域，则能够满足不同产业的实际需求。面对更高的控制精度要求以及更加简化与智能化的控制流程要求，在应用电气自动化技术时，要注重对产业机器人的核心部件与电气自动化技术连接在一起，包括伺服电机、控制器等，同时要注重对服务型机器人的研发，确保产业机器人整体发展水平较高。

1.2PLC控制系统

在电气自动化控制技术中，PLC控制系统是标志性的自动化控制技术的集合控制形式，PLC又称为可编程逻辑控制器，与工业生产环境有较高的适应性，在数字运算操作电子系统的支持下，能够更加可靠与高效的开展工作，且能够更加快速的进行编程。和计算机类似，PLC控制系统中主要包括中央处理器、存储器、外部设备接口等组件，工作流程则为采样、用户程序执行和输出刷新。在PLC系统的支持下，可以帮助产业机器人在实际的运作过程中实现对机器人的点位控制、智能控制、力矩控制和轨迹连续控制。PLC控制系统要加强与产业机器人控制器之间的连接，要形成智能化的控制路径，以提高机器人的环境适应能力和学习能力，并确保产业机器人能够稳定、高效的完成工作。

1.3机械零件拼接、驱动与程序编排技术

在对产业机器人进行设计时，电气工程自动化技术的一个主要功能在于对机器人的零部件进行组装设计。设计人员要借助电气自动化技术对组装的零件设备进行质量检测，并对相应的信息数据进行处理，并实时反馈零部件信息，确保不出现偏差。在完成初步的拼接工作后，设计人员要借助电气自动化技术对零部件进行驱动检测，要依托于计算机系统中的驱动装置设定运行信号，判断机器人根据信号工作的能力。最后则要进行机器人操作程序的编排，要搭建中心监控与操控系统，实时调整机器人的运行状态。此外，还要注重加强机器人和云服务器之间的连接，提高产业机器人处理多种环境的能力，确保产业机器人的自动化以及智能化操作水平高。

2提高电气工程自动化背景下产业机器人设计水平的具体措施

2.1搭建行业开放式资源平台

机器人行业的发展规模在不断扩大，针对产业机器人的发展，设计人员要关注搭建行业开放式资源共享平台，要以行业协会、学会以及产业联盟为基石，对上述第三方机构加强协调，搭建交流平台，拓宽产业机器人的开发渠道和技术研究渠道，真正的推动机器人行业在产品、人才、资源、技术等方面的流动。各个省市可以举办机器人竞赛和挑战赛等，激发爱好者的兴趣，并提供可交流经验的竞技平台，以储备产业发展人才，形成科学的产业发展格局。

2.2科学进行硬件和软件系统设计

2.2.1硬件系统设计对产业机器人进行设计，设计人员基于生产要求应对伺服电机进行科学选择，考虑到便于维护和易于实现智能化这两个要求，应选用直流伺服电机。直流伺服电机的精度由电机后端编码器控制，能够更加低速和平稳的运行，具有较强的过载能力。DSP传输控制信号，电机执行，并由闭环控制进行精准定位，在电机编码器反馈信号采样的基础上，驱动器可以快速响应。其次，要合理的选用和设计控制器，控制器中应包括单片微控制器、DSP数字信号处理器、PLC可编程逻辑控制器、工业控制计算机等，同时要在电气自动化技术的支持下使用控制算法，形成控制信号后可对控制对象进行精准控制。设计人员要根据产业机器人的自身特点以及产业生产的实际要求，科学的选择DSP控制器。对继电器进行设计，要从操作安全性以及抗干扰性、灵敏度等方面进行把控，可选择固态继电器，其组成部分包括分离电子器和微电子电路等。可以将控制信号输送到输入端，从而有效控制大电流负载驱动。

2.2.2软件系统设计在设计产业机器人的过程中，要将产业机器人的软件设计作为要点之一。设计人员要从上层开发环节、驱动程序以及底层控制程序三个方面进行科学设计。上层开发设计的目的在于提供测试控制器，基于此，用户可以在满足控制要求的软件平台上进行操作。在开发驱动时，则要考虑到控制器的抗干扰性，要从提高在不同网络下的适应性角度出发进行设计。在进行底层设计时，设计人员则要以伺服驱动的运动功能为基础，并借助C语言进行编程开发，为整个控制系统提供可靠支撑。设计人员要依托于传感器的状态值自动切换无刷电机和电路电压，并且可以借助相关算法提高对电机位置以及电机速度的控制精度。在电气自动化技术和PLC控制系统的帮助下，可以实现对产业机器人运行过程中可能出现的软件故障的监测和诊断，主要包括CAN的通信故障和功率器件的过载故障等。设计人员应选用更加高效的C编译器，提高兼容性，同时要借助CCS推出的软件集成开发技术，更加科学的开展设计工作。

2.3精准执行焊接机器人功能调试操作

在完成产业机器人的基础设计工作之后，设计人员要对设计完成的产业机器人进行功能调试。首先要检查伺服电机的运动极性，要依次施加小电流和大电流。在完成极性检查之后，设计人员要对机器人的关节活动情况进行检查，要确保产业机器人的各个关节能够根据预定的程序灵活的进行运动。在调试产业机器人的关节时，要对基本轴进行预先调试，接着要对机器人的腕部轴进行调试，确保机器人能够正常的完成上臂带手腕回转、机器人手腕上下运动以及机器人手臂回转操作。

2.4全面优化设计细节

从提高产业机器人工作效率和工作质量的角度出发，设计人员要结合设计要求对设计细节进行优化。要借助电气自动化技术和操作平台对已经完成设计的产业机器人进行试运行，并找出基础结构中可优化设计的细节。以采茶机器人的优化设计为例，设计人员可以将机械结构改为悬臂梁式，即对传统的Z轴改为与Y轴平行的结构改变成左Y轴与右Y轴相互独立的结构，并将左Z轴与右Z轴设置在两Y轴上。在进行滑台设计时，则要从有效控制三轴运行的角度出发进行设计，实现对有效运行行程、长度、最大速度以及重复定位精度等参数的控制。设计采摘爪手时，设计人员要提高其自动化和智能化程度，要使用推拉式电磁铁，电磁吸力可以帮助制动，同时弹簧弹力可以帮助归位，此外，在微型轴承的作用下，固定销、转动铰链间可以实现高效配合，从而提高作业效率。基于此，设计人员在进行产业机器人设计时，必须依托于产业生产的实践要求，对产业机器人的结构细节进行优化，确保结构简单、稳定且易于操作。

第5篇：机器人设计范文

关键词：采摘机器人；移动通信终端；数据丢失率；延迟性

0引言

采摘机器人可有效进行农产品的采摘，并可完成采摘后的运输和包装等任务，采摘机器人的发展水平，是农业经济作物种植水平的体现［1－2］。采摘机器人要求具有较强的移动能力，能够对采摘作业周围环境信息进行感知，形成自适应调整的自动化采摘。采摘机器人系统主要涉及领域包含通讯、图像采集识别、人工智能及系统集成等［3－5］。笔者根据采摘作业需求，设计了一种可进行远程终端控制的采摘机器人，采用不同的功能模块实现采摘过程自动行走和采摘环境感知，同时利用移动通信远程控制终端对采摘机器人进行指令控制，实现智能化采摘作业。

1采摘机器人控制系统需求

采摘机器人是一种能够进行自动移动的无人操作设备，自身集成多种传感器，能够在不同的环境内进行自由运动，同时可根据搭载作业装置的不同而完成不同的采摘任务；采摘完成后，要求能够按照规划路径进行运输［6］。采摘过程中，需要采摘机器人根据设定路线进行准确运动，进行农产品采摘，因此要求采摘机器人控制系统能够精准进行移动控制，并将位置状态信息和采摘过程参数信息数据进行有效传输，方便使用者对采摘机器人的作业状态信息进行掌控［7］。根据以上分析，采摘机器人首先要求能够自动开启控制系统，建立有效的数据传输网络，并对控制系统中装载的控制软件程序进行运行，接收控制过程相关指令。控制系统接收到移动终端发送来的动作指令后，对相关传感器进行初始化设置，按照设定程序开始程序运行状态，实时进行采摘机器人作业控制和状态监测，将反馈信息数据发送至控制系统主机，并通过移动通信传输的方式发送至移动终端［8－10］。当采摘机器人控制系统初始化完成后，控制系统主机接收移动终端指令，对指令数据进行解析，生成系统可执行数据，通过总线传输的方式发送至执行机构驱动系统，完成相关作业动作。

2采摘机器人控制系统设计

根据采摘机器人系统功能需求，设计的采摘机器人系统各模块之间能够实现相互通信和数据传输。采摘机器人控制系统总体结构如图1所示。工作时，采用GPS进行采摘机器人坐标定位，利用超声波进行作业过程距离测量，同时可进行采摘机器人作业时的相关数据管理。采摘机器人控制系统主机可通过远程控制器接收控制指令，也可以按照设定好的通信路径接收控制指令。其控制指令发送流程如图2所示。当采摘机器人控制系统接收到运行状态进行指令和故障指令时，主机对运行状态指令进行中止，并按照设定紧急程序进行相关动作［11］。手动远程控制指令通过移动终端发送，利用无线数据传输至控制系统主机，实现采摘机器人的远程控制。路径指定执行指令是按照设定好的通信路径，将采摘目标状态信息发送至控制系统主机，经过接收和解析后，对执行机构电机进行驱动，过程中需要传感器的辅助［12］。采摘机器人系统在通信过程中，要求保证控制系统主机和移动终端能够通信畅通，控制系统主机对采摘机器人的整体运行状态进行实时监测，并可将分析处理后的参数信息发送至移动终端。采摘机器人系统通讯数据主要包含控制系统主机发出的控制指令和初始化命令、传感器数据信息和故障参数及控制系统主机与移动终端之间的交互数据［13－14］。

3采摘机器人控制系统软件设计

按照采摘机器人的功能需求和作业控制过程，所设计的采摘机器人控制系统程序执行流程架构如图3所示。采摘机器人进行远程移动终端控制时，要求具有较高的定位准确度，能够实现动态数据接收与发送，按照设定的数据交互协议对定位数据进行采集和处理［15］。GPS定位模块在执行数据采集程序时，首先根据数据格式特征进行解析，将定位数据按照解析格式进行发送，保证数据传输过程的准确性。采摘机器人GPS定位模块数据采集和分析处理流程图，如图4所示。采摘机器人作业过程中，要求能够对采摘环境内的相关障碍进行检测和判断，保证执行采摘任务过程中不出现碰撞。因此，采用超声模块，对相关障碍物与采摘机器人本体之间的距离进行测量。当超声波测距仪检测到障碍物与采摘机器人本体之间的距离时，与设定好的避障比例进行对比，并做出按照原路径运动或避障的控制指令。采摘机器人测距模块数据采集分析处理流程图如图5所示。控制系统主机与移动控制终端之间通过移动无线通信进行连接，执行TCP通信协议，确保数据传输过程的安全性，使控制系统主机能够准确接收到移动终端指令。控制主机在进行作业指令发送时，构建采摘机器人控制器与控制主机之间的移动通信网络，相互进行指令数据交互，直至采摘机器人控制器能够按照设定控制指令执行相关采摘作业。采摘机器人系统主机应用程序流程图如图6所示。采摘机器人控制系统中，移动终端能够保证使用人员进行远程指令发送，同时进行采摘机器人作业状态实时监测。移动终端应用程序的主要任务是进行移动通信网络的组件和采摘机器人作业状态与控制指令数据的传输。采摘机器人控制主机与移动终端进行数据传输交互时，可保证使用人员实时监测到采摘机器人在作业现场的实时动态数据。

4系统性能试验

利用移动通信终端进行采摘机器人作业控制时，指令发送过程存在不同程度的通信延迟，造成控制指令传输过程实时性和稳定性波动。采摘机器人控制系统建立完成后，进行通信模块测试，利用移动通信终端向控制系统主机发送指令，并在移动通信终端查看指令返回结果。指令发送过程中，采用5种不同强度等级的通信信号，每种强度的通信信号进行100次试验，试验过程中记录传输过程中的最大延迟时间和平均延迟时间。试验完成后，统计指令发送接收过程中的数据丢失率，结果如表1所示。由表1试验数据可以看出：当通信信号强度低于2级时，信息指令数据出现较大的丢失，并造成指令信息传递过程有较大的延迟性，无法保证采摘机器人的实时控制；信号强度高于3级时，指令数据传输过程中无数据丢失现象，且数据传输过程中的延迟现象不会对采摘机器人的控制过程产生影响。

5结论

第6篇：机器人设计范文

【关键词】STM32 电脑鼠 机器人

电脑鼠机器人是一种能够在迷宫中行进、位置记忆、搜寻终点和优化路径等功能，按照电脑鼠竞赛规则，机器人必须在陌生与未知的迷宫环境中以最快速度及最短时间到达终点完成比赛任务以获得胜利。本文研究的电脑鼠机器人选择了高性能的32位ARM Cortex-M3架构内核的处理器作为控制核心设计了电脑鼠机器人的软硬件系统，实现了电脑鼠机器人系统的稳定快速行走能力、记忆迷宫搜寻轨迹能力和优化最短执行路径能力，相比传统基于8位单片机的电脑鼠系统，极大提升了系统整体性能，同时能够借助本文研究的电脑鼠系统设计案例，进而研究与发明更加复杂的机械控制系统。

1 电脑鼠机器人整体设计方案

电脑鼠机器人软硬件系统由基于STM32的核心处理器、电源稳压电路系统、传感器系统、行走电机执行系统、液晶显示系统和无线网络系统六个子模块组成，其中基于STM32的核心处理器子模块是整个电脑鼠机器人的控制中心，负责与其它五个子模块的信息传输，并运行整体系统的软件程序，实现电脑鼠的流程控制、运算优化和数据存储；电源稳压电路系统负责给系统硬件提供稳定可靠的电源，传感器系统让电脑鼠机器人能够感知迷宫周围环境，行走电机执行系统能让电脑鼠机器人快速直行或转弯，液晶显示系统可以通过屏幕让人们获得机器人的各种状态信息，无线网络系统能实现电脑鼠机器人与远程计算机的联网。电脑鼠机器人整体结构示意图如图1所示。

2 电脑鼠机器人硬件设计

电脑鼠机器人的硬件系统核心处理器采用ST公司的STM32F103R8T6，它的时钟频率最高可达72MHz，内置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器、3路USART通讯口等多种资源，具有极高的性价比。

电路方面，由TPS76033电路、TPS5430电路、TPS77333电路组成电源稳压电路系统，其中TPS76033电路负责给陀螺仪供电，TPS5430电路负责给红外发射驱动电路、红外发射电路、红外接收电路供电、其余由TPS77333电路供电；行走电机执行系统由电机驱动电路、编码器（IE2-512）与空心杯电机（1524SR）组成，由系统核心处理器输出控制信号给电机驱动电路，从而使电机实现正转、反转、速度、停止，空心杯电机与编码器是一体的，编码器、空心杯电机与车轮组合用于测量转向、转角、转速、距离，对空心杯电机实现精确的控制；液晶显示系统选用12864规格的显示屏，无线网络系统由ZigBee CC2530模块和WIFI模块构成，负责连接远程计算机组建无线传感网络或云计算网络。

3 电脑鼠机器人软件设计

电脑鼠机器人控制软件采用针对STM32系列芯片的C语言编写，软件流程图如图2所示。首先，电脑鼠机器人进行初始化确定系统初始控制参数；开启电机驱动模式、红外检测模式以及中断模式，对电脑鼠机器人身体姿态进行检测修正，并等待迷宫探测搜寻的“启动指令”。“启动”后电脑鼠机器人开始探测搜寻迷宫，按照一定的控制策略进行迷宫搜寻（如右手、左手、向心等法则），执行电脑鼠机器人的行走控制、路口检测和路程控制程序，以最快的速度完成整个迷宫的探测和搜寻任务。

根据迷宫比赛规则要求，电脑鼠机器人到达迷宫终点后，必须返回到起点位置，并根据之前电脑鼠机器人搜寻迷宫的情况，计算和找出一条最优最短的从起点直达终点的路径并调用冲刺子程序，完成迷宫起点到终点的最快冲刺，完成迷宫比赛任务。

4 系统测试

本测试是通过2个不同布局的8*8迷宫和1个不同布局的16*16迷宫，把本文设计的基于STM32系列控制核心的电脑鼠机器人和传统基于8位单片机的电脑鼠机器人进行比较，得到两种电脑鼠机器人完成任务的数据（任务完成时间），如表1所示，可以看出，本文设计的电脑鼠机器人在性能上提高了20%以上。

5 结语

本文主要偏重于硬件系统的设计同时辅助了精简的控制软件，采用高性能STM32处理器，通过配置高精度传感器和优质行走电机，优化电脑鼠循迹算法，实践表明，本设计电脑鼠机器人性能得到极大提升，满足电脑鼠迷宫竞赛的要求，可供同行进行参考。

参考文献

[1]夏炎.基于ARM7的电脑鼠的设计与实现[J].煤炭技术，2010，29（12）：188-189.

[2]杨晶菁，张浩.基于AVR单片机的电脑鼠硬件设计与实现[J].福州大学学报（自然科学版），2014，42（6）：876-882.

[3]王斌，张卫钢.基于IEEE标准的电脑鼠走迷宫的智能算法研究[J].电子设计工程，2011，19（12）：42-45.

[4]周立功.ARM Cortex-M3开发指南[Z].广州：广州致远电子有限公司，2008.

[5]詹杰，刘学兵，张浩.基于直流电机驱动的电脑鼠设计[J].吉首大学学报（自然科学版），2015，36（3）：39-44.

作者简介

蒙飚（1981-），男，广西壮族自治区柳州市人。现为柳州职业技术学院副教授。工学硕士学位。研究方向为无线传感网、自动控制技术。

第7篇：机器人设计范文

【关键词】灭火，机器人，传感器

1.机器人技术的发展

机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展为机器人了提供了强大的技术保证。

2.灭火机器人的诞生

近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，消防机器人研究被提到了议事日程。而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证，使得消防机器人应运而生。从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了消防机器人的研究。美国和苏联最早进行消防机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了消防机器人的研究，目前已有多种不同类型的消防机器人用于各种火灾场合。

3.灭火机器人的主要设计内容

灭火机器人设计了以ATMEGA128单片机作为主控制器，光敏电阻作为本系统的火焰传感器，用ST178型光电对管进行寻线和避障，L298作为直流电机的驱动芯片。所做工作和确定的成果如下：（1）以单片机ATMEGA128为核心拟定了系统组成方案，完成了系统的电路硬件总体设计，包括供电模块、单片机系统、寻线系统、电机驱动系统、壁障系统、火焰检测系统以及灭火系统和各个模块间接口。

（2）完成主要功能模块的程序设计，分别完成对各个功能模块的程序进行调试工作。

4.整体方案设计

课题要求设计一个简易灭火机器人模型，能到指定区域进行灭火工作（以蜡烛模拟火源，分布在机器人行走的场地中）。机器人必须通过内部设备采集现场环境情况进行分析并做出相应的动作，以达到机器人智能灭火的目的。根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块、避障传感器模块、避障模块、火焰传感器、灭火系统及其驱动模块等模块构成，本系统的方框图如图所示。

5.灭火机器人设计的细节问题

（1）机器人对火源的认定：发生火灾时，起火点温度高，红外线强度大，并激发较为强烈的光谱。根据这种情况，机器人设计中应安装有‘空气二氧化碳含量监测仪’、‘红外线探测器’、‘光谱强度监测仪’以及‘灵敏温度传感器’等监测仪器。监测仪收集到的信息传送到机器人核心单片机中，单片机对收集到的信息进行处理分析，判断是否有火灾发生，并输出相对应信号。

（2）机器人对火源位置的判定：机器人核心单片机中可以储存所在位置的三维立体地图，单片机在对监测仪收集到的信息进行处理时如发现有火灾发生便可根据三维立体地图大体确定火灾发生地点。如果是人控机器人，则在机器人设计时应安装摄像头（该摄像头应具有在黑暗、烟雾等环境下工作的能力）根据机器人录像得到的图像信息，人为判定是否存在火灾问题以及火源位置。

（3）机器人如何到达火原位置：先前问题中已经提到，在机器人中央处理芯片中预存有该位置的全景三维立体地图，机器人在认定有火灾发生并确定大概火灾地点后可根据地图导航前往火灾地点。

（4）机器人如何躲避障碍物：对于机器人如何躲避障碍物问题，可在机器人设计中加入避障前进系统，如‘超声波探测仪’等仪器，可利用超声波反馈进行判定前方是否有障碍物并作出相应对策如‘继续前进’、‘拐弯’等。如果是人控机器人，则可根据机器人提供的视频，人为控制机器人的前进。

（5）关于机器人如何适当停位：机器人可根据红外线检测以及光谱强度判定大概温度并分析继续前进是否会对机器人本身造成伤害，以此确定机器人前进距离，以及是否继续前进。

（6）关于机器人供能以及驱动：机器人构造中设有电源电路和电机驱动等电路。电源电路会为系统提供工作所需的电源，系统采用单电源供电电路时比较简单，但是考虑到电动机起动瞬间电流很大，会造成电源电压不稳，影响单片机和输入电路工作的稳定性和可靠性，因此采用双电源供电方案。将电机电源和单片机电源完全隔离。提高电动机的供电电压，可以提高机器人的运行速度，从而可以提高灭火的效率。电机驱动在机器人设计中的地位相当重要，机器人前进和灭火都需要电机驱动。机器人本就要求小巧轻便，所以电机要求体积小，重量轻，装配简单，使用方便。

6.结语。火灾发生原因多种多样，对于不同原因造成的火灾处理方法也不相同。所以在机器人中央处理芯片程序设计中应编入对不同情况的火灾进行处理的方法以便机器人能够使用正确的方法熄灭火源，将损失降到最低程度。（1）在机器人管辖范围内，如果某处有火灾发生，火源检测器就会检测到，发出信号给机器人。（2）机器人接收到信号后立即驶向该报警处。（3）当机器人距离火焰一定距离后，利用红外检测仪以及光谱检测仪寻找到火源具体的位置 并驶近该位置进行灭火。

参考文献：

第8篇：机器人设计范文

关键词:步行机器人 机械机构 设计 仿真

中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(a)-0041-01

步行机器人的研究对理论和实践具有重要的理论价值和现实意义。它不仅可以丰富机器人研究的相关理论。还可以推动人工智能技术、仿生学、计算机图形学、通信技术等相关学科的发展。随着机器人逐渐被运用到越来越多的领域中,机器人的工作环境发生了变化,工作任务进一步复杂化,这就对机器人性能提出了更高的要求。由于步行机器人具有体积小、对环境的适应性强、能耗小、避障碍能力强,移动盲区小等特征和优点,因而它具有广泛的实际运用领域,也吸引人们的普遍关注。

由于该机器人的设计要求实现步行和身体摆动等较为复杂的运动,设计的结构也相对较为复杂,对设计尺寸也有相关对严格的规定,同时还要求采用单电机进行驱动。为了满足这些要求,文章设计了一种结构紧凑、易于控制的机械机构。

1 传动机构设计

由于是步行机械机构的设计,因而双足行走的驱动机构需要作重复的非完整圆周旋转运动。而传达机构的作用就是将电机的连续旋转运动转变为重复的非完整圆周旋转运动。一般情况下,为了实现这一转化,我们在设计中可以采用曲柄摇杆机构。一般来说,中间构件会比较长,这使得传递的线路也会比较长,容易产生误差。而线路长又会积累误差,这样一来,在传递过程中比较容易产生较大的误差积累。与此同时,机构运动经过中间构件进行传递还会增加能耗,降低机械的使用效率。除了会出现这些问题之外,死点的存在也会在很大程度上限制连杆机构的运用。

鉴于曲柄摇杆机构存在的缺陷,在这种步行机器人的机械机构的设计中,我们考虑采用齿轮传动。齿轮传动是机械传动中比较常用的一种方式,它具有其它传动不可比拟的特点和优势,比如传动结构紧凑、传递比较稳定、传动工作可靠、传动效率高、传动装置使用寿命长等。在一般的锥齿轮传动中,从动齿轮只能随着主动锥齿轮做旋转运动。如果我们延长主动锥齿轮的轴,在从动锥齿轮的另一边再安装第二个锥齿轮和从动锥齿轮齿合。由于在旋转方向上,第二个和第一个的旋转方向相反,所以该机构就自动被锁住了,无法运行。

在设计工作的实际中,如果我们只运用第一个主动锥齿轮的一半齿,去掉另一半齿,同时还去掉两个主动锥齿轮被削齿对面的一半,通过这样对齿轮的设计和调整,去掉一部分齿轮,就能够将电机的连续旋转运动转变为重复的非完整圆周旋转运动。

2 步行机构设计

如图1所示,秆d所指的是大腿,杆e所指的是小腿,杆f所示的是脚板。在秆a和杆f之间采取相应的措施,使得他们之间相对固定。轮b所指的是驱动轮,并且,它的驱动杆是杆a。通过一点相应的连接措施,使杆a铰接在轮c上。这样的结构方式使得杆a的运动形式为平动,这是由轮b和轮C所确定的。在实际运动中,首先由杆a和杆f一起作平动,与此同时,他们的平动会同时带动杆e进行运动,而杆e进行运动又会带动杆d进行运动。这样一来,看似杆d、e、f一起在作步行运动,而事实上是轮b、轮C和杆a在发挥着作用,杆d和杆e并不发挥主动的作用,他们只是作为从动件在整个机构设计中发挥作用。在这个步行机构设计中,只要作为脚板f的面积足够大,能够承受住杆件的重量和运动时带来的压力,使得地面上的投影始终不超越支撑多边形的范围,这样一来,该机械机构就可以实现双足步行,而不需要步行稳定控制器的的支持就可以(如图1)。

3 步行机器人仿真研究

为了验证该步行机器人机械机构设计的效果,我们进行了仿真研究。通过详细的设计机构参数,我们的得出了具体的单腿运动参数。这些运动参数是以下一个情况。由1位置开始运动,杆a从这里顺时针旋转10°便到达2位置,与此同时,杆b由1位置逆时针旋转至2位置;杆a反向逆时针旋转40°至3位置,与此同时,杆b继续逆时针旋转40°至3位置;杆a继续逆时针旋转10°至4位置,与此同时,杆b反向顺时针旋转10°至4位置;杆a反向顺时针旋转40°返回1位置,与此同时,杆b继续顺时针返回1位置,通过这样的旋转运动从而使一个步行周期得以完成。

4 结语

科学技术的进步必将推动机器人设计的进一步发展和进步。随着整个社会对机器人要求的进一步提高,机器人的功能将进一步增强。而机械机构设计在机器人的设计中占有重要的地位和作用,直接影响机器人整体功能的发挥。文章主要探讨分析了一种步行机器人的机械机构的设计问题,这种机器人便于控制,采用单相电机进行驱动,运用齿轮传达机构和步行机构使其实现稳定的静态步行。通过对该机器人的仿真研究,结果表明该步行机器人能够实现设计时所期望的运动轨迹。总的来说,该机器人的机械机构的设计是正确的,结构紧凑,传动效率高,因此,在实践中,值得推广和应用该种机器人的机械机构设计方案。

参考文献

[1] 祁乐,闫继宏,朱延河.小型双足步行机器人的研制[J].机械工程师,2006(11).

[2] 余联庆,赵毅,杜利珍,等.小型双足步行机器人机械机构设计[J].中国水运(理论版),2007(7).

第9篇：机器人设计范文

关键词：除冰；自主行走；运动仿真

【中图分类号】TP242

当前全球气候变化异常，冻雨天气也是时常有可能发生。由于建造的有些高压输电设施在设计时并没有考虑严重恶劣天气的影响，不能保证有足够的强度，因此，利用电线除冰机器人除去附着的冰块，来弥补输电设施的强度不足问题，是一种可行的方法。

1 功能分析

机器人的总功能由以下几个功能单元组成：

（1）能在架空高压线上以期望的速度平稳爬行；根据实际线路的要求，在线行走速度为1m/s。

（2）能除去附着在电线上的冰块，行走一次至少除去一半以上的附冰。

（3）能够跨越高压线路上的防震锤、线夹、绝缘子、线塔和跳线等障碍。

（4）具有一定的爬坡能力；根据输电线路的实际情况，其最大坡度出现在山谷到山顶两塔杆之间，坡度为55°。但是由于杆塔附近跳线与耐张线夹之间角度要大于此值，因此确定机器人的最大爬坡角度为75°。

（5）在故障情况下有可靠的自保安措施，防止机器人摔落。提供足够的空间安装携带电源等。

机器人功能目标的约束条件为：

（1）外形：机器人得外形尺寸不得大于500mm*1000mm*2000mm。

（2）运动：要求机器人在输电线路行走时要快速、稳定、安全、可靠。

（3）重量：根据线路承载的要求，机器人重量越小越好，规定重量≤50kg。

（4）机器人承载重量≥7kg，主要是能够携带电源等。

2 功能原理设计

在上述机器人的功能目标中，在线行走、除冰和越障是电线除冰机器人机构设计的关键功能。由于机器人在行走、除冰和越障时既要保证机器人姿态平稳，又要保持与其它导线和杆塔金属部件及拉线的安全间距，并且还要容易控制。

2.1 行走功能

机器人的在线行走可以考虑用轮子压着钢索前行，这跟地面行走类似，只不过地面行走时只需要一个轮子靠重力压住地面即可，而在线行走则需要一对轮子在同一个地方沿相反的方向同时压住钢索才能前进。为保持平衡，机器人重心应该在钢索下面，起到圆周定向的功能。

也可以从仿生的观点出发，模仿人在钢丝行走的方式，可采用机器人主体悬挂在钢索上，用机械手交替握住钢索前行。

2.2 除冰功能

除去电线上附冰的方式，可以类似人在其它场合除冰的方式。模仿冰雕艺术家，用刀片对冰进行切削；模仿路面的除雪除冰，用车将冰压碎，撒融冰剂；电流加热；振动；除冰枪击碎；模拟工人在高压线上除冰，敲碎。

2.3 越障功能

机器人在线越障操作类似人的空中攀援行为。因此，仿生设计是解决机器人在线越障这一难题的有效方法。人体遇到线路障碍如悬垂线夹或防震锤，采用从线路下方穿越的方式越障，首先，人体进行姿态调整，将人体重心放到起支撑作用的手上如左手。然后，另一只手右手松开，并立即向前伸出@过障碍，抓住线路的另一端，立即调整姿态，使重心前移，调整到另一只手右手上。然后，松开刚才起支撑作用的手左手，绕过障碍也抓住线路的另一端，从而完成了障碍的穿越。

通过对人体跨越障碍的方法分析，机器人的越障功能完全可以通过模仿人体跨越障碍的方法实现。按照仿生机械设计的原理，机器人设计成具有类似人体手臂功能的机械臂结构，帮助机器人完成越障的任务。从上述分析看出，机器人至少要有两臂组成，方能实现越障功能。从人体两臂跨越障碍的过程中，我们可以了解到，人体要不断地调整重心，使之保持在一定的范围内，否则就无法实现跨越障碍的功能。而机器人要采用两臂结构，势必要解决重心调整的难题。最有效的解决方法是采用具有多自由度的多只手臂结构。在这里，初步选用3只手臂机器人。

3 确定方案

初步拟订几种能够完成功能的方案，进行分析。

方案一：用两对齿轮咬碎电线上的冰块前行，一对齿轮除去冰块，另一对咬着电线前行。

方案二：像人体悬挂在绳索上行走一样，行走并拍击电线除冰。

方案三：利用六对具有凹圆槽的齿轮，呈一定规律分布行走越障，使用电机带动除冰棒工作完成除冰。

比较各种方案的优缺点：

第一种方案分析：

（1）前进用的齿轮和除冰的齿轮分开，采用不同结构：前进用的齿轮界面形状和蜗轮形状类似，适应电线的圆柱形状；除冰的齿轮采用较大的齿宽，先用齿轮压碎冰，然后用一个锥形的圆筒将压碎的冰块排出。

（2）四齿轮安装四电动机，电瓶挂在下面。

（3）前进用的齿轮间距在工作时不能调节，除冰的齿轮间距工作时可调节。

（4）如果还有少量碎冰粘在电线上，则锥形圆筒也能起到除冰功能；如果残留的冰太多，则齿轮后退以后继续压冰，知道锥形圆筒能通过。

此方案不能完全实现跨越障碍的功能，适用范围不够广，不能完全实现除冰的自动化，需要较多的人工参与。

第二种方案分析：

将人体悬挂行走与双臂攀缘进行综合，完成机器人的功能。机器人采用多只具有人体手臂关节的机械臂结构，机械臂上部安装驱动行走机构。当机器人行走时，机械臂只起连接作用。遇到障碍时，机械臂之间相互配合，采用仿人攀缘策略调整姿态，跨越障碍。由于采用多只多自由度机械臂，机器人可以完成更为复杂的空中姿态调整，因而可跨越各种类型的线路障碍。

此方案能实现跨越障碍的功能，适用范围广，当上升角度过大时不能完全实现除冰的自动化，仍需要人工参与。

第三种方案分析：

机器人行走越障机构是由六对具有凹圆槽的齿轮对和一个电机组成，齿轮对两对一组，分三组每组夹角120°平均分布于电机轴上，相邻的四对齿轮组的凹圆槽压紧电线，通过齿轮带连接获取电机动力，实现机器人线上行走功能。

当机器人运动到瓷瓶左侧位置时，停止行走。此时机器人进入越障状态，以靠近瓷瓶的两组齿轮对为中心，松开另一组的齿轮对，电动机产生旋转动力，使另一组齿轮对越过瓷瓶障碍，到达瓷瓶右侧，并且压紧输电线路。再以瓷瓶右侧的齿轮组为中心，重复上一步动作，完成越障。

评分法对三种方案进行分析，最终确定第三种方案。

参考文献：