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1、簡易機器人制作簡易機器人制作華南師范大學 鄭永駒2008年8月Email: 手機：137980037521一、概述n1、機器人的發(fā)展與應用n2、機器人的定義n3、課標有關本課程的大綱要求n4、廣東版教材的體系結構21、機器人的發(fā)展與應用1954年，美國人（G.C.Devod）申請了工業(yè)機器人專利1958年，美國制造出第一臺工業(yè)機器人半個世紀來，機器人技術得到高速發(fā)展，目前全世界機器人的保有量超過100萬臺，并以每年10萬臺的速度在增長。機器人以從單一的工業(yè)應用發(fā)展到許多領域：如軍用、探險、醫(yī)療、服務等3簡易機器人的結構與應用n簡易機器人結構相對簡單，價格便宜。一般分為控制與機械兩大部分。機械包
2、括機體結構、動力裝置、傳動機構和執(zhí)行機構等；控制包括單片機（或嵌入式）系統(tǒng)及其軟件、傳感器及其電路、控制驅動電路等。4簡易機器人的基本結構框圖5對“簡易”的理解與在現實生活各個領域服役的機器人比較，“簡易機器人”有如下不同：“麻雀雖小，五臟俱全”。簡易機器人滿足機器人的幾大基本特征，是專門為中學生科技制作度身定制的。比較項目簡易機器人在役機器人應用場合教具、玩具各類產業(yè)領域體系結構單片機最小系統(tǒng)分層遞階系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)控制系統(tǒng)單片機（8位）嵌入式、驅動芯片、軟件開發(fā)資源豐富、單任務簡單編程專用控制板或計算機（32位）、專用電機驅動單元、軟件開發(fā)環(huán)境復雜和昂貴、多任務實時操作系統(tǒng)機械結構拼裝、模
3、型額定負載下滿足剛度和強度傳感器簡單、廉價高質量、高水平、高價格環(huán)境室內、結構環(huán)境室外、非結構環(huán)境材料單一（ABS塑料）多種高強度、輕質材料重量/尺度小大62、機器人的定義、機器人的定義 目前世界上有關機器人的定義沒有統(tǒng)一的答案。日本機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等七個特征的柔性機器。法國機器人學是指設計能根據傳感器信息實現預先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法為研究對象。國際標準化組織工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。中國機器人是一種自動化的機器，它具備一些與人或生物相似的智能，如感知能力、規(guī)劃能力、
4、動作能力和協(xié)同能力，是一種高度靈活的自動化機器。73、課標關于簡易機器人制作的大綱要點n基于計算機技術的學習平臺，將機械、電子和單片機的應用有機組合起來。通過本課程的學習，學生應該知道單片機和機械傳動的基本知識，能設計與制作由單片機和傳動機械等組成的簡易自動控制機器或簡單的自動控制系統(tǒng)。n課程由“單片機及其控制程序單片機及其控制程序”、“單片單片機與控制電路機與控制電路”、“單片機與傳動機械單片機與傳動機械”三個主題構成。n給學生提供了運用當代先進技術和先進思想方法進行設計、制作，以解決實際問題的機會。84、廣東版教材體系結構n全書分為四章，第1、2、3章分別對應于課標的三個主題。第4章介紹應
5、用有關機器人教具平臺制作簡易機器人的案例作為教學的參考。9二、教材涉及的知識與教法n1、簡易機器人的控制核心：單片機的基本知識。n2、簡易機器人的控制電路。n3、簡易機器人的機械傳動。n4、教具介紹。101、單片機基本知識內容提要n（1）、課標的要求n（2）、什么是單片機n（3）、單片機的特點及應用n（4）、單片機的內部基本結構n（5）、單片機的外引腳與最小應用系統(tǒng)n（6）、單片機的軟件n（7）、設計與實踐11（1）課標的要求1.1.知道單片機的特點和應用。（知道單片機的特點和應用。（知道單片機的特點和應用。（知道單片機的特點和應用。（第第1 1節(jié)節(jié)）2.2.知道單片機的基本組成及工作過程。（
6、知道單片機的基本組成及工作過程。（知道單片機的基本組成及工作過程。（知道單片機的基本組成及工作過程。（第第第第2 2節(jié)節(jié)節(jié)節(jié)）3.3.知道單片機集成電路引腳的功能（知道單片機集成電路引腳的功能（知道單片機集成電路引腳的功能（知道單片機集成電路引腳的功能（第第第第3 3節(jié)節(jié)節(jié)節(jié)）。）。）。）。4.4.了解一種單片機的編程語言，掌握一種單片了解一種單片機的編程語言，掌握一種單片了解一種單片機的編程語言，掌握一種單片了解一種單片機的編程語言，掌握一種單片機常用的編程指令。（機常用的編程指令。（機常用的編程指令。（機常用的編程指令。（第第第第4 4節(jié)節(jié)節(jié)節(jié)）5.5.學會用指令編制簡單的控制程序，并能根
7、據學會用指令編制簡單的控制程序，并能根據學會用指令編制簡單的控制程序，并能根據學會用指令編制簡單的控制程序，并能根據試驗進行修正。（試驗進行修正。（試驗進行修正。（試驗進行修正。（設計與實踐設計與實踐設計與實踐設計與實踐）6 6能操作單片機編程器將編寫的程序燒結固能操作單片機編程器將編寫的程序燒結固能操作單片機編程器將編寫的程序燒結固能操作單片機編程器將編寫的程序燒結固化。（化。（化。（化。（設計與實踐設計與實踐設計與實踐設計與實踐）1212（2）、什么是單片機：單片機全稱單片微型計算機(Single-Chip Microcomputer)，也稱微控制器（Micro-Controller）。它
8、是一片大規(guī)模的集成電路芯片。在這個芯片里集成了計算機的基本部件。包括中央處理器（CPU）、存儲器（RAM和ROM）、定時振蕩器（時鐘）和輸入輸出接口（I/O接口）等部件。一片芯片就相當于一個微型計算機，使用者只要將程序編寫固化到芯片內，單片機一上電復位就能按程序執(zhí)行，完成我們事先預定的任務。13（3）單片機的特點及應用n用軟件取代硬件電路，實現微控技術。功能強、使用靈活、成本低。n體積小、功耗低，抗干擾能力強。n單片機的應用已滲透到各個領域，如各種設備的自動控制、智能儀器儀表、醫(yī)療器械、交通信號控制、汽車電子控制、導彈、導航、智能武器、軍用機器人等。據報道：20世紀90年代初期，美國家庭平均擁
9、有64個單片機，到2000年該擁有量已增至226個。由此可見單片機的廣闊應用前景。14（4）單片機內部基本結構15（5）外引腳及最小應用系統(tǒng)n以AT89C2051為例16引腳功能說明引腳號功能引腳號功能1(RST)復位輸入復位輸入 20(VCC)工作電源引腳2(P3.0)I/O口線口線P3.0 19(P1.7)I/O口線口線P1.73(P3.1)I/O口線口線P3.118(P1.6)I/O口線口線P1.64(XTAL2)外接晶振引腳外接晶振引腳217(P1.5)I/O口線口線P1.55(XTAL1)外接晶振引腳外接晶振引腳116(P1.4)I/O口線口線P1.46(P3.2)I/O口線口線P3
10、.215(P1.3)I/O口線口線P1.37(P3.3)I/O口線口線P3.314(P1.2)I/O口線口線P1.28(P3.4)I/O口線口線P3.413(P1.1)I/O口線口線P1.19(P3.5)I/O口線口線P3.512(P1.0)I/O口線口線P1.010(GND)接地引腳11(P3.7)I/O口線口線P3.717最小系統(tǒng)應用實例18（6）單片機的軟件n機器語言、匯編語言、高級語言n機器語言是CPU能夠直接識別并執(zhí)行的最底層的語言，它由一些二進制代碼組成。不同系列單片機其代碼意義不相同。n匯編語言是用一些助記符來代替機器語言中的指令代碼，它與機器指令一一對應同時又便于人們學習和記憶
11、。n高級語言（如C語言、圖形化語言等）是按一定的語法規(guī)則組成的，它更加符合人們的語言習慣，程序的可讀性高，編程簡單快捷并具有可移植性。n51系列單片機指令系統(tǒng)具有33種功能，7種尋址方式，共有111條基本指令。19亮點流動程序分析亮點流動程序分析 ORG 0000H START：MOV A，#11111110B;LOOP：MOV P1，A ACALL DELAY ；調延時子程序 RL A；A左移一位 SJMP LOOP；轉回LOOP處再將A送P1口DELAY:：MOV R7,#80H L1:：MOV R6,#0FFH L2:：NOP NOP NOP NOP DJNZ R6,L2 DJNZ R7
12、,L1 RET END20圖形化語言n基于流程圖的圖形化語言n基于LabView的圖形化語言21（7）設計與實踐n教材在第一章第3節(jié)安排了一個實踐活動，讓學生制作一個單片機最小應用系統(tǒng)并編寫程序燒寫到單片機，最后運行觀察結果并反復修改程序觀察結果。22232425262、簡易機器人的控制電路內容提要n（1）課標的要求n（2）簡易機器人常用傳感器。n（3）傳感器與單片機的接口電路n（4）繼電器與單片機的接口n（5）直流電動機的控制27（1）課標的要求n1.了解電子控制系統(tǒng)的基本組成了解電子控制系統(tǒng)的基本組成,知道單知道單片機是一種使用廣泛的控制電路。片機是一種使用廣泛的控制電路。n2.知道常見的
13、傳感器及其作用。知道常見的傳感器及其作用。n3.了解繼電器的結構和工作原理，并能了解繼電器的結構和工作原理，并能掌握簡單的使用方法。掌握簡單的使用方法。n4.能用傳感器、單片機和繼電器等安裝能用傳感器、單片機和繼電器等安裝一個簡單控制裝置，并進行試驗。一個簡單控制裝置，并進行試驗。2829（2）簡易機器人常用傳感器n人通過五官感知外部環(huán)境的各種信息并傳遞到大腦，大腦綜合分析判斷各種信息后輸出控制信號去控制肢體作出相應的動作和反應。簡易機器人的電子控制系統(tǒng)也與人類似，它通過各種傳感器感知外部信息后傳遞到單片機，單片機處理后輸出相應控制信號去控制相應的執(zhí)行機構作出反應。30五官與傳感器感覺感覺器官
14、器官相關物理量相關物理量對應傳感器對應傳感器視覺視覺眼眼可視光可視光光敏電阻，光電池、光敏晶體管、光敏電阻，光電池、光敏晶體管、CCDCCD等。等。聽覺聽覺耳耳聲波、振動聲波、振動壓電轉換元件、麥克風等壓電轉換元件、麥克風等觸覺觸覺手指、手指、皮膚皮膚壓力壓力壓敏元件壓敏元件溫度溫度皮膚皮膚輻射、溫度輻射、溫度熱敏元件熱敏元件嗅覺嗅覺鼻鼻氣味氣味氣體傳感器氣體傳感器味覺味覺舌舌離子檢測器離子檢測器3131簡易機器人常用傳感器n接觸開關n紅外光電傳感器n超聲波傳感器n位置位移傳感器n力覺傳感器n聽覺傳感器n視覺傳感器32開關n常用有按鍵開關、撥動開關和接觸開關（微動開關）等。n微動開關往往用于碰
15、觸傳感，如防碰撞，限位等。n撥動開關往往用于選擇輸入，地址編碼設定等。n按鍵開關用于復位，鍵盤等。33二、光電傳感器n光電傳感器有光敏電阻、光敏二（三）極管、光電池、光電倍增管等，還有CCD、CMOS等圖像傳感器。n 光敏電阻（也稱光導管）是一種價格低廉，光譜范圍廣，靈敏度高(暗電阻1100M、亮電阻1K以下）且使用方便的光敏器件。在簡易機器人中常用于亮度變化檢測器件，由于阻值與光強是非線性的，一般不作為光強檢測器件。n光電池也稱太陽能電池，它直接將光能轉變成電能，也是一個光敏器件。它的短路電流與光照度在一定范圍內成線性，常用于測量照度（光強）。342.1 紅外光電傳感器n由一只紅外發(fā)射管和一
16、只紅外光電二極管組成。由于其價格低、壽命長、使用方便等特點，此類傳感器目前應用廣泛，如非接觸性開關、遙控、安防等。在簡易機器人中往往用于巡線檢測。n紅外發(fā)光管的材料一般為砷化鉀半導體，發(fā)光波長范圍是0.761.5um(一般是930nm），管壓降為1.01.3V，工作電流2050mA。35光敏二極管特性n紅外光敏二極管在無光照時其反向電阻為無窮大，正向電阻大約為10K；有光照時，反向電阻隨光照強度增加而減小，阻值可達幾K或1K以下。n無反壓時，正向電壓與光照強度成比例，一般可達0.20.4V。n應用電路：36三、超聲波傳感器n由發(fā)射和接受兩大部分組成，除了電路，主要器件是超聲換能器，其基本原理是
17、基于壓電效應。發(fā)射與接受往往使用同一個探頭。n超聲波測距是通過發(fā)射聲波，接受反射回波并計算回波時間從而得出與反射物體的距離。R=VT/2n簡易機器人往往應用超聲波探測前方障礙物的距離，從而實現避障功能。37脈沖回波式檢測示意圖38超聲波測距的基本特性n測距精度：17cm/msn測距范圍：小于10米n超聲波不受被測物體的透明度、顏色、電導率的影響，但不適合測量海棉或棉織物等吸音材料。39四、位置傳感器n位置傳感器既可以用來檢測位移（角位移和線位移）也可用于檢測運動。在機器人中應用較廣，如手、腳的移動定位等檢測。404.1 電位器式位置傳感器n這是一種最簡單的位置傳感器，有旋轉式的也有直線式。它們
18、擁有以下特點：n1、性能穩(wěn)定、結構簡單、精度較高。n2、輸出信號范圍可以選擇。n3、輸入輸出特性可以是線性的也可以是其它函數關系。n4、具有斷電保持功能。n5、模擬電壓輸出，需接A/D轉換器。n6、屬于接觸式，觸點易磨損，壽命有限。n7、有一定的測量范圍，需加限位開關。414.2 光電式編碼器n光電式編碼器是一種非接觸的數字位置位移傳感器。它的基本原理是采用紅外發(fā)射接受管，檢測編碼盤的位置或移動的方向、速度等。其優(yōu)缺點剛好與電位器式相反，它是數字信號輸出，接口方便；非接觸式壽命長；不需限位可以無限次旋轉等。n有絕對式和增量式兩種形式。42絕對式編碼器的碼盤示意圖434.2.2 增量式編碼器44
19、增量式編碼器的原理增量式光電編碼盤上只有A、B、C三條碼道，只需要三對紅外發(fā)射接受管。在A、B碼道上分別刻有等距離的黑白相間標識（或透光縫隙）并相互錯開半個縫寬（90度），C道只有一個黑點，每轉一圈出一個脈沖。應用增量式編碼器可以得到運動的方向（正轉、反轉）；運動的速度；位移等信息。4545五、力覺傳感器n有關力和壓力傳感器種類較多：例如n壓電晶體：受到擠壓會產生相應電壓（如電唱機）；n力敏電阻：一種聚合物厚膜器件，其阻值隨垂直施加在表面的力的增加而降低。n電阻應變片：阻值與形變成正比。46六、聲音傳感器n一般采用話筒（麥克風）作為聲音傳感器。有動圈式和電容式兩種。在簡易機器人中往往作為檢測聲
20、音的有無，聲音的大小等簡單聲控功能。47（3）傳感器與單片機的接口電路n1、數字（開關）量傳感器（如接觸開關、光控開關、聲控開關等）可直接或稍加變換后接入單片機。n2、模擬量傳感器：一般須通過信號調理、A/D變換后輸入單片機。4849開關量控制整形電路50模擬接口電路51（4）繼電器與單片機接口52 固態(tài)繼電器n工作原理工作原理：使用可控硅（晶閘管）作為功率開關元件，光電耦合元件作為控制和隔離器件。n工作特點：工作特點：1、無觸點、壽命長。2、采用光耦隔離，抗干擾能力強。3、控制簡單，可控功率大。4、適合交流控制應用。53固態(tài)繼電器使用方法54（5）直流電動機的控制n簡易機器人一般采用小功率直
21、流電動機，其驅動可用晶體三極管或繼電器。其控制有轉向和轉速的控制。n轉向采用H橋電路。n轉速采用PWM技術。55轉向控制電路56轉速控制（PWM)原理57專用集成控制芯片58593、簡易機器人的機械傳動n（1）課標的內容標準n（2）齒輪傳動n（3）帶傳動與鏈傳動n（4）平面連桿與凸輪60課標的要求（1）知道一般機械的組成，了解常見的機械傳動的方式。）知道一般機械的組成，了解常見的機械傳動的方式。例機械一般由動力部分、傳動部分、執(zhí)行部分和機體組成。例常見的機械傳動有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和平面連桿傳動等。（2）了解常見齒輪傳動的特點、形式和應用，會計算簡單的齒輪傳動比。）了解常見齒輪傳動的特點
22、、形式和應用，會計算簡單的齒輪傳動比。例 常見的齒輪傳動有圓柱齒輪傳動、圓錐齒輪傳動、蝸桿傳動和齒條傳動等。例 蝸桿傳動具有傳動比大、傳動平穩(wěn)、能自鎖等特點。（3）能按照裝配圖樣安裝簡單的齒輪裝置，并進行調試。）能按照裝配圖樣安裝簡單的齒輪裝置，并進行調試。例裝配電動玩具中的齒輪箱。（4）了解常見的連桿傳動機構的結構及其應用，能設計和制作簡單的連桿裝）了解常見的連桿傳動機構的結構及其應用，能設計和制作簡單的連桿裝置。置。例收縮門、支架式工具箱中的平行連桿機構，縫紉機腳踏板的曲柄連桿機構。例以竹片和細竹管等為材料制作的可縮放毛巾架。（5）能設計一個簡單的電動機械，并進行安裝和調試。）能設計一個簡
23、單的電動機械，并進行安裝和調試。（6）能設計和制作一個由傳感器、單片機、繼電器、電動機和傳動機械等組）能設計和制作一個由傳感器、單片機、繼電器、電動機和傳動機械等組成的簡易機器人或簡單的自動控制系統(tǒng)，并能通過試驗完成成的簡易機器人或簡單的自動控制系統(tǒng)，并能通過試驗完成23個規(guī)定的動個規(guī)定的動作。作。61機械傳動n傳動是機械中的重要組成部分，運動的機械都離不開傳動。同樣，機械傳動也是簡易機器人中的一項重要技術。n常用的機械傳動有齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動、平面連桿傳動、凸輪連桿傳動、液壓傳動、氣壓傳動等。62一、齒輪傳動n齒輪傳動特點n優(yōu)點：n1、適用的圓周速度和功率范圍較廣。n2、傳動效率高；n
24、3、傳動平穩(wěn)；n4、結構緊湊壽命長工作可靠；n5、可實現任意兩軸之間的傳動。n缺點：n1、制造和安裝精度要求較高，成本較高。n2、不適合較大距離的傳動。n3、沒有過載保護作用。63二、齒輪傳動的分類n根據齒輪兩軸的相對位置分類n1、兩軸平行的有：圓柱齒輪（直齒、斜齒、人字齒）n2、兩軸相交的有：圓錐齒輪（直齒、曲齒）n3、兩軸相錯的有：螺旋齒輪n根據兩齒輪的嚙合方式分類n1、外嚙合齒輪傳動n2、內嚙合齒輪傳動n3、齒輪與齒條傳動64齒輪傳動比的計算n傳動比即兩運動齒輪角速度之比。n設一對齒輪其主動輪的角速度為w1、齒數為z1；從動輪的角速度為w2、齒數為z2，則傳動比為：i12=w1/w2=z
25、2/z1n傳動比反映速度之比，也反映轉矩之比。傳動比大于1，是減速傳動，傳動力矩增加。反之是加速運動，傳動力矩減少。65蝸桿蝸輪傳動n用來傳遞空間互相垂直而不相交的兩軸間的運動和動力的傳動機構。n特點n1、傳動比大，傳動力矩大。n2、結構緊湊。傳動平穩(wěn)。n3、有自鎖性能。66齒輪系n為了實現復雜的機械傳動，往往會使用多個或多種齒輪組成一個系統(tǒng)。n齒輪系分為定軸輪系、周轉輪系和復合輪系三大類。n定軸輪系的傳動比是指首輪（一般是主動輪）與末輪的角速度之比。其計算方法是將逐級的傳動比相乘。即：n定軸輪系的傳動比所有從動輪齒數的連乘積/所有主動輪齒數的連乘積67定軸輪系圖例68例：定軸輪系傳動比的計算
26、如圖已知：z1=10,z2=20,z3=80.z310,z4=40,z410,z5=30。求傳動比i15。i15=(z2/z1)(z3/z2)(z4/z3)(z5/z4)=-9669帶傳動與鏈傳動n帶傳動和鏈傳動都是利用中間撓性件（帶或鏈）把主動軸的運動和動力傳給從動軸的。這兩種傳動形式適用于兩軸中心距較大的傳動。n帶傳動的組成及其分類：n由主動輪、從動輪和張緊在兩輪上的帶組成。靠傳動帶與帶輪之間的摩擦力來傳遞動力。n按傳動帶截面形狀分為：平形帶、V形帶和圓形帶。70帶傳動的特點n優(yōu)點：n1、適用于兩軸中心距較大的傳動。n2、帶具有良好的彈性，可以緩和載荷的沖擊和振動，傳動平穩(wěn)。n3、過載時，
27、帶在輪面上打滑，可防止損壞其它部件。n4、結構簡單，加工維護方便，成本低。n缺點：n不能保持準確的傳動比，傳動效率較低。n帶傳動多用于兩軸傳動比無嚴格要求、中心距較大的機械中。71鏈傳動n與帶傳動相比有如下優(yōu)點：n1、能傳遞較大的圓周力，無彈性滑動和打滑現象，能保持準確的平均傳動比。n2、鏈條張緊力小，作用在軸上的壓力也較小。n3、傳動效率較高。n缺點：n1、只能用于兩根平行軸間傳遞運動與動力。n2、無過載保護作用。n3、工作噪音大，需要潤滑。72平面連桿與凸輪機構n連桿機構是一種應用十分廣泛的機構。下圖是常見的幾種連桿機構。它們的共同特點是：其原動件1的運動都要經過一個不直接與機架相連的中間構件2才能傳動從動件3。中間構件2稱為連桿，這些機構統(tǒng)稱為連桿機構。73連桿機構傳動特點n1、連桿機構中的運動副一般都是低副，可承受較大的載荷。n2、當原動件的運動規(guī)律不變，可用改變各構件的相對長度來使從動件得到不同的運動規(guī)律。n3、可以很方便地達到增力、擴大行程、實現遠距離傳動等功能。n4、不易于實現精確的復雜運動，不適合高速傳動的場合。74凸輪機構的特點n結構簡單、緊湊、設計方便。n易于磨損，適用于傳動力不大、低速的場合。75內容簡介n1、使用平臺式簡易機器人制作自動尋光機器人案例。n2、用拼裝式簡易機器人制作滅火機器人案例。76
機器人研究的概況及對我國高中機器人教育的淺見
