机器人设计精选(九篇)

第1篇：机器人设计范文

关键词： 物联网； 智能机器人； 远程控制； 太能； STC11F32E

中图分类号： TN915?34； TN923； TP399 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0073?04

Design of IOT intelligent robot

TANG Lili1， WANG Jinyong1， HUANG Wei2

（1. Zhixing College， Hubei University， Wuhan 430011， China； 2. System Design Institute of Hubei Aerospace Technology Academy， Wuhan 430040， China）

Abstract： The network intelligence robot system was developed on the basis of STC11F32E MCU， TCP / IP network communication protocols and Android. The system is composed of video capture module， WiFi transmission module， PC upper computer software， Android mobile client， robot， intelligent control module， etc. The system can utilize PC or mobile phone APP to make robot switch among following mode， obstacle avoidance mode or intelligent tracking mode according to the needs of different environments， and control the robot′s movement direction and action. It can make the real?time picture taking， data acquisition and display throughout the course of the operation. Of cause， the operator can also control the robot to complete the set task. The experiment result indicates that the network intelligence robot is basically completed， and the predicted functions have realized.

Keywords： Internet of Things； intelligent robot； remote control； solar energy； STC11F32E

物联网智能机器人是机器人家族中的一种，具有智能跟踪、环境监控、数据测试、远程操作、跟踪拍摄、路线循迹等功能，可以通过电脑上位机或手机客户端远程控制电视、空调等。也可以实现传统的智能自动跟踪、自动循迹和自动避障。在整个运作过程中可以实时拍摄周围视频资料，创新云台设计，实现全方位无死角拍摄。

当前我国大力提倡节能减排，创新驱动发展，为了响应国家号召，在设计物联网机器人时创新加入太阳能充电装置，虽然充电效率不高，但太阳能是最环保、有很大前景的能源。

1 总体设计方案

物联网智能机器人的总体设计方案如图1所示。

图1中有两种控制模式，一种是组成机器人控制局域网，将上位机PC端，手机客户端APP和智能机器人连接起来，实现上位机PC端或手机APP客户端控制机器人和显示视频数据的目的；另一种远程控制方案是将机器人通过网络和互联网相连，再将上位机PC端或手机APP客户端通过数据线连入互联网，可以实现远程终端通过互联网和机器人相连，进而实现控制机器人和视频传输。这两种设计方案的核心技术相同，都是通过网络地址和端口号的设定，再通过指令传输和视频数据传输，进而达到控制的目的。由于考虑到演示的效果和方便操作，本设计用局域网机器人控制的方式进行分析说明。

从数据传输方面来说，无线路由器是手机APP客户端、上位机PC端和下位机的数据核心，终端可以通过一个套接字编程，建立网络接口，进而与无线路由器进行连接，智能机器人便可以通过一个网口转串口的WiFi模块，再将机器人的串口数据通过这个模块转变成WiFi信号，就可以实现和无线路由器进行数据传输。其中，手机客户端APP、上位机PC端和下位机都有相应的局域IP地址。通过设置正确的IP地址，就可以实现数据的传输。

从控制的方面来说，手机客户端APP和上位机PC端是智能机器人的控制中心[1]，这两者可以通过按键，发出相应的指令给智能机器人，智能机器人解说到对应的指令后给上位机，再由上位机将接收到的指令进行解析，并执行相应的程序，完成对应的动作。

1.1 上位机PC端软件设计

上位机PC端[2]的功能是控制机器人的运动，控制机械手的动作，显示机器人当前的速度，采集机器人所在环境的温湿度，控制云台方向，显示机器人周围的视频数据。同时，可以在上位机PC端上切换智能机器人的工作模式，其中机器人的工作模式有：循迹模式、红外避障模式、雷达避障模式、智能模式等，可以根据环境的需要切换不同的模式，也可以通过上位机PC端发送对应的指令，控制家用电器如电视、空调等。上位机PC端软件设计如图2所示。

图2中的功能实现主要由两个流程完成：第一个流程核心任务是完成从机器人端传过来的视频数据和音频数据，而这部分的技术主要是DirectShow；第二个流程核心任务是完成从机器人端传输过来的机器人当前速度和温湿度等信息，选择当前机器人的工作模式，以及完成在上位机PC端和机器人之间的指令传输，实现机器人的向前、向后、向左、向右、加速、减速、停止、开灯和鸣笛等[3]功能。在上位机PC端上有控制机械手的进度条，可以远程控制机械手的操作完成相应的动作，也可以设置机械手和云台舵机的初始状态，避免开机时烧坏舵机。在雷达模式下，上位机PC端可以显示当前有无障碍物，并会做出转向的动作避开障碍物。在整个运动过程中上位机PC端都可以显示拍摄的视频画面，可以用鼠标在上位机视频显示区控制云台，实现机器人无死角拍摄。且两个流程都设置有各自互不干扰的套接字，第一个流程与机器人的摄像头模块完成数据传输，第二个流程与机器人网口转串口模块完成数据交互。

1.2 手机客户端APP软件设计

本文中的手机APP客户端采用Android系统，在Eclipse平台上用Java语言编写开发的[4]。可以通过APP手机客户端完成的设置和操作有：设置机器人的运动方向指令；设置网络地址、视频存储和拍照存储地址；设置是否用触摸屏控制云台；显示视频画面；控制摄像头方位和机械臂动作角度；重力控制机器人。

手机APP客户端软件控制设计流程如图3所示。

1.3 下位机软件设计

下位机设计是机器人核心处理器程序的设计。其设计内容主要包含视频传输控制、云台操作控制、温湿度采集、红外对管模块和红外控制家电的设置，以及采集到的视频数据和控制指令互传等。在设计过程中每部分都是分模块编写的，都有相应的程序模块，再由主函数将所有模块综合起来，当下位机程序接收到上位机PC端或手机客户端APP的相关指令后，就调用相对应的程序模块，执行设定好的动作，并将完成的结果发送给终端，其设计流程如图4所示[5]。

下位机能够完成上位机PC端或手机客户端APP指令，并做出相对应的动作的核心是机器人中有网口转串口模块。机器人将代码指令通过串口转网口模块，再以WiFi的形式传出去，上位机PC端或手机客户端APP便可以接收到下位机发出的指令，通过解析并显示出来，为机器人的下一步动作做好准备。使用模块时必须设置正确的IP地址以及端口号，只有对应的设置正确了，上位机PC端、手机客户端和下位机才能进行数据传输。

2 设计方案特点及扩展说明

2.1 特点介绍

本设计是以PC软件、安卓软件、网络通信、物联网以及单片机技术为基础，结合当今提倡的利用环保型能源，创新的构想设计出来的。从机器人处理器的选型，各个模块的选取，通信协议方案的制定，以及上位机PC端、手机客户端APP的设计都与现有的“机器人”有较大的区别。本设计利用当前最普通的处理器，完成不同寻常的动作，其特点总结如下：摄像头全方位拍摄； 上位机PC端和APP客户端可以显示视频画面，并可以实现控制；上位机PC端可以控制云台，检查机器人状态； 上位机PC端、APP手机客户端和机器人上位机可以指示小车的运动状态[6]；可以实现远程操作机械手； 可以实现遥控家用电器如电视、空调等；可以用太阳能给蓄电池充电，并有指示灯显示蓄电池电量；可以接收上位机的控制指令，实现控制，上位机亦可接收反馈指令和视频的数据流。

其中本设计中的通信方式利用的是TCP/IP协议，采用无线网络技术实现对机器人的控制。只要设置好IP地址和端口号后就可实现连接，可以实现局域网内机器人的控制，也可以实现超远程对机器人的控制。另外上位机PC端软件和手机客户端APP软件，控制模式多样，应用领域广泛，符合当前机器人的发展趋势，为当前机器人的发展提供可行方案。

2.2 扩展说明

物联网智能机器人不仅可以完成上文介绍的功能，还可以扩展以下功能[7]：带有指示灯显示运动方向并能够实现通过重力感应对机器人的控制；带有GPS全球定位功能在危机时刻或者必要时可以发送信息；太阳能电池板减轻重量，实现对机器人供电补给；语音功能，可以实现语音播放；可以利用机器人无线设备上网，打电话等。

3 方案难点及关键技术

本设计方案难点在于：

（1） 上位机PC端在操作控制机器人时，对数据传输的实时性要求很高，并要用相应的表盘显示出来，且对数据传输的稳定性要求更高，网络通信实现不间断传输更是困难；

（2） 手机客户端APP通过触屏控制云台，并显示拍摄视频画面。显示视频就很困难，而通过触摸屏幕不同方位，控制云台方向更是困难；

（3） 视频处理是利用M?JPEG格式图片，在规定时间内传输一定张数，显示出视频画面。如果对DierctShow技术内部细节掌握不够，处理视频时就会很困难。关键技术有：下位机程序模块化编写；上位机PC端软件编写；手机客户端APP的编写；TCP/IP通信协议的设定；机器人作为无线网接入网络；机器人智能模式的完成。

4 系统仿真与结果分析

4.1 物联网智能机器人整体外观

物联网智能机器人外观设计见图5，整个设计主要分为上位机PC端、手机客户端APP和机器人三个部分。

4.2 系统整体调试

机器人调试主要包括上位机PC端的调试、手机客户端APP调试和机器人整体调试。其中机器人整体调试包括机械手调试，太阳能板调试，智能传感器模块调试，智能控制电视、空调调试、视频显示调试等。

4.2.1 上位机PC端调试

上位机PC端界面可以设置网络连接模式，显示视频、温湿度和速度等，并实现对机器人运动控制、云台控制、机械手控制以及对应的功能调试，如图6所示。

（1） 网络连接。网络连接IP地址为192.168.1.1，端口号为2001。其中此IP地址和端口号分别为机器人的网络地址和 WiFi模块默认的端口号。上位机设置成以上地址和端口号后就可以实现连接了。这里着重调试通信协议，通信指令按照之前设定好的代码，当发送相应的代码，机器人就可以做出相应的动作。

（2） 机器人的运动。机器人上位机PC端连接好网络后，用键盘就可以控制机器人的运动。分别点击W，S，A，D是向前、向后、向左、向右的运动，当拖动鼠标时就可以控制云台，进而控制摄像头方位。

为了能更清晰地指示当前机器人的运动状态。在机器人的上端设置有指示灯，当机器人向前运动时，向前的指示灯亮；当向后时，向后的指示灯亮；向左、向右情况相同。并且机器人运动的方位不同，指示灯显示的颜色不同。智能机器人在上位机PC端可以设置不同的控制模式，在不同的应用领域应采用不同的模式。不同的控制模式和控制模式命令代码分别为：FF130100FF，FF130200FF，FF130300FF，FF130400FF，FF130000FF，FF50000XFF。

（3） 遥控电视。智能机器人可以通过红外控制家中电器电视和空调等。首先通过上位机PC端发送FF500001FF，让智能机器人学习一个“频道加”按钮，之后再通过上位机PC端发送FF510001FF就可以使用智能机器人来控制家中电视“频道加”。

4.2.2 手机客户端APP调试

（1） 网络连接。在APP端上可以设置网络地址为192.168.1.1，再设置端口号为2001。确认连接后，即可以显示机器人拍摄的画面。

（2） 机器人运动。在APP上可以通过遥感、按钮控制机器人，也可以通过手机的重力感应控制机器人。同时亦可通过控制机械臂进度条来控制机械手，实现机械手的操作自如。

（3） 视频显示。在整个控制过程中，可以实时显示拍摄的视频画面。在进行超远程控制时，画面仍然可以传输回来，且能清晰显示。另外在调试时发现，设置波特率时不能调的特别大，不然显示的画面不清晰。

5 结 语

在经过多次调试和反复修改程序，物联网智能机器人基本完成，实现了预期的功能。视频传输和指令传输正常，系统稳定，机器人各个控制功能都可以完成，电量显示的灵敏性，数据采集的准确性，太阳能充电的能量利用率都达到要求，且无论是在局域网还是超远程互联网中都可以对机器人操控，其系统的可靠性和稳定性可以和近距离控制相比。

本设计将PC软件技术、安卓手机APP、通信技术、传感器技术和单片机技术有机地结合起来，顺应了当今电子行业的发展趋势，扩展了物联网的应用领域。本设计应用领域广泛，有很大的市场价值，另外，机器人还可以扩展GPS全球定位、无线上网、语音对话等。

参考文献

[1] 崔更申，孙安青.ARM嵌入式系统开发与实践[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2] 梁伟.Visual C++网络编程经典案例详解[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3] 李艳红.单片机I/O口不宜用作直接驱动出口[J].电站设备自动化，2003（2）：23.

[4] 杨丰盛.Android应用开发揭秘[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.

第2篇：机器人设计范文

[关键词]自动 爬壁 机器人 调节定位

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0375-01

1.设计由来

随着城市化进程的不断推进，房地产业的升温。高层建筑如雨后春笋般耸立在城市的各个角落，而它们的外表面在阳光、风雨的作用难免会变脏，影响其美观。因此，清洗高楼已成了一种不可缺少的市场需求。由于机动车数量增加快，局部地区的工业生产企业排放烟尘，还有雨水等因素使城市高楼外部装饰材料的表面受到酸雨、烟尘，油性胶状物、风沙、灰尘、水迹和装饰材料的氧化而变色等。各种影响建筑误美观的因素和现象越来越普遍，使建筑的外部洁净保持时间大大缩短。有的长时间得不到清洗保养。有的建筑从建成到拆除都从未曾清洗过；有的广告牌，外挂物较多，一经雨水冲刷染色金属氧化物扩散到墙面污染外墙，涂料墙面变质变色等诸多因素使高楼外墙的清洗工作需要投入更多的技术、装备、人员才能实现正真意义的达标清洗。

2.设计原理

四杆机构：运动的基本结构。通过四杆机构的转动部分驱动机器人的转臂，让转臂可以实现各种运动状态。

驱动机构：前进的主要动力。驱动机构是整个机器运动的关键，通过它为履带、转臂、液压的运动供给相应的能量。使其进行能量传输，使每个零件能流畅的运动。

连接机构：保护机器内部零件的主要机构。机器人外壳各处的连接使机器人身体融为一体，同时方便拆卸，保证了机器人内部机构的有效保护和维修。

电磁控制装置：使机器人行走和停止之间切换更加的灵活。

3. 研究特点

（1）国家重点支持无论是发达国家，如日本、美国、德国、西班牙、澳大利亚、加拿大，还是发展中国家，如中国、俄罗斯等，都对幕墙清洗机器人的理论和技术给予充分重视，拨巨款，组织多家单位联合攻关。

（2）应用前景广鳞次栉比的摩天大楼己成为现代城市的主要特征，由于幕墙装饰采光好、美观，越来越多的高楼采用幕墙装饰。据国外权威机构估算全球每年的幕墙清洗产值高达6亿美元，如此巨大的市场为幕墙清洗机器人发展奠定了基础。

（3）社会效益好 目前幕墙清洗方法有三种：人工清洗，吊篮清洗和自动擦窗机清洗。但前两种清洗方式完全依赖人工，不但劳动强度大，而且十分危险。每年都有人员因此伤亡的报道，工人的人身安全历来都是建筑清洗业的最大隐患。第三种方式也离不开人的干预，且造价高昂，目前很少采用。随着社会发展和人工成本不断提高，以及社会对人性化要求的不断增长，上述方法最终要被摈弃，机器人必将成该领域的主力军。

（4）时机日渐成熟工业机器人技术经过半个世纪的发展已日臻完善，服务机器人逐渐成为未来机器人技术研究重点。据联合国2003的机器人调查报告[84]显示：服务机器人在可以预见的未来将成为热点，其中幕墙清洗机器人尤被看好。

（5）幕墙结构不断发展变化幕墙结构正在经历明框――隐框――点式――明框，大面积平面――组合几何面――复杂曲面的结构变化。

（6）作业对象由高大建筑向超高层建筑过渡城市现代化的历史就是不断“长高”的过程。相对于高层建筑而言，超高层建筑清洗的难度和危险程度进一步加剧。幕墙清洗机器人的研究呈现出逐步向超高层过渡的趋势。

（7）应用领域不断扩大要求轻量化小型化发展幕墙清洗机器人最初的瞄准目标为高层建筑。但随着社会的发展，家用或准家用擦窗机器人越来越受到重视，并呈现出很好的发展前景。这对清洗机器人的重量、体积要求更为严格，经济性好、小型轻量化是基本要求。

（8）结构趋于模块化作业对象的多样性和设计方法的通用性之间的突出矛盾，客观上要求机器人在结构上采用模块化设计，以适应不同条件和目的的需求。

（9）研究向更广泛的多学科交叉发展幕墙清洗机器人技术的研究涉及更多的学科领域，包括建筑学、机械学、电子学、材料学、仿生学、吸附技术、控制技术、传感技术等，简单移植地面移动机器人或者步行机技术通常不能很好的解决此类机器人设计问题。

4.创新点

（1）附着方式选择及评价 幕墙清洗机器人的附着方式主要有真空吸附、负压吸附、旋翼吸附、磁力吸附等，最近也有研究人员提出利用分子作用进行仿生附着的方法。诚然，每一种附着方式都有显著的特点和限制条件，与幕墙的结构形式、材质、高度、表面质量、污染程度以及几何形状密切相关。附着方式的择必须综合考虑上述各种因素影响，如何求得一个最优解决方案，以及评价标准是研究人员必须面对的问题。

（2）系统构型 原则不同应用对象，不同结构形式的清洗机器人系统有一些共性的东西，这些共性问题对构筑清洗机器人系统有指导意义。不同的系统构型对机器人的性能产生重大影响，包括效率、安全性、成本等多个要素。对于一个给定的目标，遵循某种原则进行机器人构筑，不仅可以减少人工成本，而且可以大幅提高效率。

（3）安全性和可靠性 墙壁清洗机器人工作在高空极限环境，吸附装置易受外界因素影响的特性，使清洗机器人安全性和可靠性具有特殊的重要意义。

（4）小型化低成本问题 小型化、低成本的清洗机器人具有非常广阔的市场和社会价值，也是走进千家万户的必备条件。

（5）清洗工艺优化 根据幕墙结构、材质、污染程度、污物成分和清洁度标准，采用何种清洗工艺。包括清洗装置结构形式，刷毛的压力、速度参数，洗涤液的成分、流量、雾化程度和压力，橡胶刮条的结构、硬度和材质等有一套与之配套的最佳工艺搭配，使清洗效率最优。

（6）清洁度检测技术及评价标准 日常条件清洁度由人工目测确定，但对于高空作业清洗目测的方法受到限制。因此清洁度检测技术及评价标准在机器人清洗中非常重要，但目前尚无文献介绍。

（7）越障及盲区 障碍是幕墙清洗机器人无法回避的，主动越障和被动越障各有优缺点，前者可以保持机器人平稳的位姿，但控制复杂，降低效率，后者克服了前者的缺点，却不能秉承其优点。盲区是障碍的衍生物，采取理想的越障方式是缩小盲区的有效途径。

（8）能源问题 移动机器人的能源供给方式有两种：有缆供电和自备电池，前者限制了机器人的移动范围和工作场所，后者制约着机器人连续工作时间和输出功率。所以能源问题一直是困扰移动机器人的重要因素。

（9）控制器及控制方法 机器人运动中具有感知与行动紧耦合的特点，为满足机器人多任务、多线程控制的实时性要求，控制器结构不同于传统机器人。同时良好的使用性、遥操作性、能源供给问题以及作为实用样机的经济性都是控制系统设计中应考虑的因素。

参考文献

[1] 马东兴，岳林.四足机器人步态规划与仿真.南京航空航天大学，2008.3

第3篇：机器人设计范文

关键词： 吸尘机器人； 硬件策略； ARM处理器； 超声传感器； 红外测障传感器

中图分类号： TN911?34； TP242.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）12?0103?03

随着人们生活水平的日益提高，我国人口的老龄化也越来越明显，吸尘机器人作为服务机器人的一种，能够代替人进行清扫房间、车间、墙壁等一些简单劳动。使服务机器人有了广阔的市场，已成为一些企业和科研院所研究的焦点。目前市场上的吸尘机器人虽然也具有智能性，但大多由于结构不尽合理、通用性差、集成度高而导致成本高，不利于普及。在研究总结市场上相对成熟产品的基础上，基于ARM Cortex??M3处理器设计一款具备自我导航功能的室内吸尘机器人。外形紧凑、结构简单、运行平稳、噪音小，并且成本低，操作方便，还具有可扩展接口，用户能够根据实际需要对其功能做进一步开发。

1 吸尘机器人总体构成

利用ARM Cortex??M3处理器设计一款应用于室内的移动清洁机器人，主要任务是能够自主清扫房间，因此应该具备以下功能：

（1）能正确判断机器人所处的房间和在房间中所处的方位；

（2）能正确检测出房间内的墙壁、家具等障碍物；

（3）在游历完所有房间完成清扫任务后能自主回到出发点，关机。

为了防止机器人在工作时出现堵转现象，并且能自由进入一些家具比如沙发、桌子等的底下，吸尘机器人不能太高，外形采用半圆柱形。底盘由四个轮子共同支撑，其中左右两侧为驱动轮，分别由两个微型直流电机直接驱动，前后两个万向轮起到支撑和导向的作用。采用碰撞、红外传感器、超声波等组成多传感器系统。在机器人的上方装有红外接收传感器，底盘边缘均匀分布装有接近传感器，用来检测障碍物；在机器人的前方装有碰撞传感器；前方和左右装有超声波测距传感器，用来检测周围环境。

2 硬件主体设计

硬件系统主要由ARM Cortex??M3处理器、传感器模块、电机驱动模块、人机交互模块、无线遥控发射模块组成。

2.1 ARM Cortex??M3处理

机器人控制系统的主要任务是根据传感器和编码器等反馈回来的数据，进行清扫路径规划，控制清扫、吸尘机构，完成各种控制动作。设计合适的人机接口，在LCD上显示机器人状态和运行时间。因此，机器人控制系统包括传感器模块，电机驱动模块，红外遥控接收模块、LED指示灯和液晶显示模块。采用ARM Cortex??M3处理器作为机器人控制系统的核心，主要是低成本、小管脚数和低功耗，并且具有极高的运算能力和极强的中断响应能力，工作电流仅为50 mA。

2.2 电机模块

2.3 传感器模块

主要包括3部分：用于测量和感知障碍物的超声模块、红外和碰撞传感器，用于状态检测的传感器（检测电池电量、尘桶、电机堵转悬空）。传感器模块使机器人对周围环境做出正确判断，为顺利完成任务提供智能决策。

（1）超声波测距传感器模块

室内吸尘机器人由于工作环境的原因，必须具备检测各种大小、高低、颜色的障碍物，超声波是一种非接触式的检测技术，在空气中传播不受光线、烟雾、电磁场等外界因素的干扰，与红外传感器相比，超声传感器感应距离更远，可靠性高，且成本低。因此，使用高精度的超声波测距系统可以有效地完成障碍物的检测[1]。

（2）红外和碰撞传感器模块

接收头如果接收到38 kHz的红外脉冲就会返回输出低电平，否则就会输出高电平。通过对I/O口的检测，便可以判断物体的有无。这样一共可以检测14个方向，覆盖360°范围。机器人对前后的近距离障碍物都能检测，前进后退都能工作，这种由2个红外接收管组成测障传感器有效距离接近2 m，并且还能够在球非常近的范围内（10 cm内）读取障碍物距离结果（没有溢出）[4]。

在机器人的左前、左后、右前、右后4个方位安装四个碰撞开关（常开），通过采集模拟口上电压值的变化，判断出其中的一个或几个碰撞开关闭合，从而检测出哪个方向有碰撞发生。

2.4 人机交互模块

（1）液晶显示和键盘输入：两者配合使用可以设置机器人各种参数，如自主启动、设置工作时间等。

3 结 语

通过这样的硬件设计，清洁机器人控制系统，既能满足良好的实用性，还降低了成本，工作稳定可靠。机器人传感器模块能精确定位障碍物，通过软件策略能实现良好的避障。对将来家用服务机器人的研究与开发有着重要现实意义。

参考文献

[1] 崔壮平.一种基于吸尘机器人的新超声波测距系统[J].传感器与微系统，2010（10）：95?96.

[2] 曹小松，唐鸿儒.移动机器人多传感器信息融合测距系统设计[J].自动化仪表，2009（5）：4?8.

[3] 梁毓明，徐立鸿.移动机器人多传感器测距系统研究与设计[J].计算机应用，2008，28（z6）：340?343.

[4] 任亚楠.基于超声波传感器的移动机器人避障系统研究[J].中国测试，2012（3）：76?79.

[5] BAEK Sanghoon. Integrated on?line localization， mapping and coverage algorithm of unknown environments for robotic vacuum cleaners based on minimal sensing [J]. Advanced Robotics， 2011， 25： 1652?1673.

[6] 刘瑜.自主吸尘机器人的研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[7] 曹建树，曾林春，靳志杰.室内智能清洁机器人控制系统[J].机械与电子，2009（6）：60?63.

[8] 程柏林.基于模糊PID控制的智能小车控制器的研制[D].合肥：合肥工业大学，2008.

第4篇：机器人设计范文

关键词：双足步行机器人；步进电动推杆；步态设计；步行机理

注：福建省中青年教师教育科研项目（编号JA15589）

双足步行机器人配置了多个自由度，其运动的灵活性大为增强。可以通过摆动关节调节机器人的下肢高度来调节重心，所以其稳定性很高，不容易跌倒。双步行机器人还可在颠簸或有障碍的路面行走作业，特别是对泥土、沙子、石头地形的适应性较强，因此机器人行走时不用去考虑地形的好坏和腿部的放置位置是否合适，相比其他移动式的机器人在灵活性和机动性方面更胜一筹。

1 步态设计

机器人合适的步态连续步行运动的关键。以下两种是最为常用的步态设计方法：

基于仿生的步态设计：由于人造的双足步行机器人不可能做到百分之百模仿人类的行为举止，所以不能将仿生步态直接用于步行机器人。目前主要解决方法是将人的步行运动数据记录进行修正，然后再用于双足步行机器人。

基于分析、构造的步态设计：这种方法是有条件限制的，只有在满足步行稳定性的前提下，根据步行参数和机器人自身结构，确定双足步行机器人各个关节的运动轨迹。

2 自由度的配置

本文的双足步行机器人仅实现直线行走、静态转弯，最终决定骸关节配置2个自由度，包括俯仰和偏转自由度，膝关节配置1个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转2个自由度，每条腿配置5个自由度，两条腿共12个自由度。骸关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在径向平面内的直线行走功能；骸关节和踩关节的偏转自由度协调动作可实现在侧向平面内的重心转移功能；上述关节的自由度共同协调可实现机器人的静态转弯功能。

3 步行机器人选材

步行机器人的选材主要从工作环境、机械强度、外观视觉等几个方面去考虑，设计的机器人要能适应各种不同的工作环境。因为在日常生活中不确定因素太多，所以为了能保证机器人的稳定运行，要充分考虑各种能影响到稳定运行的可能性，特别是生活中一些带有腐蚀性的物质，所以选材料必须能耐腐蚀、耐磨损、耐高温。考虑到步行机器人的运动特性，在材料上要选择较高的抗拉强度、硬度和韧性，同时也要兼顾步行机器人的外观视觉，一个好的产品总能给人一个好的品相。为保证步行机器人的良好的综合性能，选用316L奥氏体不锈钢作为机器人的材料是再好不过的。316L奥氏体不锈钢可耐多种介质腐蚀、尤其是抗击点蚀效果显著，具有优秀的机械特性且光泽度好，外观漂亮。

4 驱动元件的比较与选择

1）直流电机

直流电机是机器人平台的标准电机，它功率调节范围宽、适应性强、性价比高、适用范围很广，很多轮式机器人都采用的直流电机。直流电机可以运行在8000-20000r/min之间，甚至更高。因此需要安装齿轮减速器，来降低电机转速，同时也增大了电机的转矩。在机器人上我们可以直接使用减速电机，但这无形中给机器人的电源增加了负担。

2）步进电机式电动推杆

直线电机也称推杆电机，是一种将旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。原理：电动机经齿轮减速后，带动一对丝杆螺母。把电机的旋转运动变成直线运动，利用电动机正反转完成推杆动作。电动推杆在一定范围行程内作往返运动，一般电动推杆的负荷和行程也可根据不同应用条件要求设计定做。相比其它电机直线电机有着以下优点：设计新颖精致、体积小、精度高、完全同步、自锁性能好、卫生，电机直接驱动，不需要管道的气源、油路。由于双足步行机器人要求的精度要求比较高，而直流电机通电就转，断电后在惯性作用下又不会马上就停，比较难进行机器人的位置控制；并且从体积小、高力矩、高精度、稳定性好、控制简单、装配灵活、等因素去考虑，选择步进电机式电动推杆来作为驱动元件为佳。

3）控制元件的选择

本课题设计中采用三菱FX2N_64MT_D 型PLC。三菱PLC是日系品牌，指令较多，编程直观易懂，学习难度较低，对于本科阶段的设计者来说是一个很好的选择。该型号的PLC 属于整体式的PLC，相对来讲比较节省空间，且输入输出都是28点的，可以留有一些余量，对于以后的开发很有益处，且三菱的FX2N系列PLC 寿命较长，可以减少日后的维护保养工作。

5 结构设计

双足步行机器人的腰部是联接两条腿的桥梁，是机器人实现行走不可或缺的元件，本O计方案中腰部还被要用来实现机器人的转弯动作。利用三维软件PRO/E对机器人腰部三维建模，髋关节的仿生设计效果图如1所示

1） 足部机构设计

足部关节的仿生设计如2所示

为了使机器人在行走过程中更加平稳，需考虑在足部增加个减震机构，利用弹簧的变形压缩来缓冲行走过程中的震荡。其示意图如3所示

未来的机器人行为姿态将高度模仿人类的肢体动作，完成各种高难度的动作，不再是一步一步地按部就班地去施行人的指令，而是有思维地去思考，以最优化最合适的方法去施行；未来机器人的外表和五官将与人类无异，采用人造肌肉，人造皮肤和五官，你有可能用肉眼根本就无法判断出来。总的来说未来机器人将朝着人工智能、自我意识、高度仿真、高度集成化的方向发展。

第5篇：机器人设计范文

关键词：单片机 控制 智能 清洁机器人

室内地面的清洁工作繁琐耗时，随着现代人生活质量的提高和工作节奏的加快，人们迫切希望摆脱这种枯燥的家务劳动，近年来，用机器人代替人完成清洁工作引起了大家的关注。室内智能清洁机器人是一种新型的居室小家电产品，它不需要人类的监督，能自主运行，集打扫、吸尘、抹地为一体，可自动避开障碍物等功能。在日本、美国等发达国家，都在致力于研究和广泛使用这种机器人，但国内的产品相对比较滞后。当机器人的性价比进一步提高，那么清洁机器人进入家庭将具有广阔的市场前景。

1、室内智能清洁机器人的设计思路

清洁机器人主要包括行走机构、传感系统、清洁系统和控制系统四个部分。行走机构能保证机器人在地面上移动，采用轮式结构。为了简便起见，选择两个驱动轮和一个万向轮组成。清洁系统由清扫、吸尘、擦地三步完成，吸尘机构在原理上与传统吸尘器相同，主要考虑是更合理的选择和布置元器件，克服传统吸尘器噪音大的缺点，使机器人工作时，不会对用户造成干扰，营造舒适的居室环境。在机器人车身的后部设置一个滚刷和垃圾盒，配合吸尘器完成清洁和储存垃圾的工作。由于单片机性价比高，体积小，控制功能强，故采用单片机来控制清洁机器人，由传感器感知外部环境，这里选择简单又实用的碰撞传感器，单片机接受传感器的信号，感知环境并执行相应的控制程序。考虑到单片机的容量和计算速度都很有限，采用了碰撞到障碍物就后退一定距离，然后右转90°的方法，使其能够自动避开障碍物，实现一般家居环境下的自主清洁工作[2]。

2、实现过程

2.1 清洁机器人行走机构

清洁机器人行走机构的动力部分采用的是步进电机，机身的正前方有一个万向轮，左右两边分别布置两个后轮，两个步进电机分别通过齿轮传动带动两边的后轮运动。步进电机由单片机控制，控制脉冲频率，可控制电机转速，改变脉冲顺序，可改变电机转动方向，从而实现清洁机器人的前进、后退和转弯等功能。

2.2 清洁机器人的传感系统

防碰撞的感知任务由碰撞传感器来完成。在清洁机器人的前端设计了约180°的碰撞板，在碰撞板上安装了5个碰撞传感器，清洁机器人在任何方向上的碰撞，都会引起传感器的响应，单片机接受传感器的信号，感知环境并执行相应的程序，控制清洁机器人做出相应的动作。

2.3 清洁机器人的清洁系统

智能清洁机器人的清洁系统包括清扫机构、吸尘机构和擦地机构等几个部分组成。

（1）清扫机构：机器人的前方装有2个小刷子，机器人在行走时，通过电机带动小刷转动将墙边、墙角的灰尘集中到吸尘口，通过吸尘机构吸到灰尘存储箱中。机器人的中后部装有一把滚刷，在电机的驱动下，滚刷高速旋转，有效地清洁地面的灰尘。

（2）吸尘机构：采用的是真空吸尘技术，由高速旋转的风扇形成高速气流，使吸尘机构内部成真空状态，内部的气压大大低于外界的气压，在这个气压差的作用下，灰尘随着气流通过吸口吸到机器人的垃圾存储箱中。

（3）擦地机构：为了提高清洁的质量，在机器人的机身下面装有清洁布，用于在打扫，吸尘之后，抹擦地面，进一步清除地上残留的灰尘。

2.4 清洁机器人的控制系统

机器人控制系统相当于人的大脑，它集中处理和控制协调全部的信息，由软件实现对各部分的控制。因为MCS-51单片机技术成熟，价格低廉，选用AT89C51作为控制芯片，它要控制机器人的运行和停止，实现运动中的前进、后退和转弯等；通过从传感器上接受到的信号感知环境并控制机器人执行相应的动作；驱动清扫、吸尘电机，执行清洁工作[3]。整个控制系统的组成及各部分的互相关系如图1所示。

清洁机器人是在环境未知的情况下进行清洁工作的，既要高效的遍历工作场地，又要自动避开障碍物，这是个复杂的路径规划问题[1]，考虑到AT89C51单片机的容量和计算速度都很有限，实现起来有较大的困难，这里采用碰撞到人或物品就后退一定距离，然后控制机器人右转90°后再继续前进来避开障碍物，完成一般居室环境的清洁任务，其程序框图如图2所示。

3、结论

本智能清洁机器人采用AT89C51单片机控制，简单易用，性价比高，是一种新型的居室小家电产品，它能自主运行，完成清扫、吸尘和抹地的工作，可自动避开障碍物，不足的是智能化和自动化的程度还较低，这是下一步要改进的地方。

参考文献：

[1]石为人，周学益.室内清洁机器人避障路径规划研究[J].计算机应用，2007，（6）：378—379.

第6篇：机器人设计范文

摘要：针对机器人自主控制的现有成果还不能完全适应其恶劣环境的全面要求的问题，开发一套操控功能齐全、实时性以及稳定性良好的人工操控系统便成为现阶段机器人平稳安全完成任务的必要前提。在前期已开发出的六足机器人操纵硬件系统的基础上，提出了一种融合了情景意识原则和人机功能分配原则的操纵模式，建立了多目标模糊决策模型并计算得出最佳的分配方案，最后以贝加莱控制器为核心控制器，设计出一套六足机器人操纵系统，实现了对机器人状态监控的实时性及运动操控的精准性的同时，验证了所提出人机功能分配算法与系统操纵性的良好融合性，为今后设计载人六足机器人的操纵系统提供参考依据。

关键词：载人六足机器人；情景意识；人机功能分配；多目标模糊决策型

中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2017）01-0048-06

0 引言

与传统的轮式和履带式机器人相比，仿生足式机器人在危险探测、抢险、山地运输等复杂环境下具有更强的地形适应能力，仿生机器人已成为机器人学中一个引人注目的研究领域，各国都投入大量的经费和人员进行研究。根据其结构特点，它具备了有足生物落足点离散的行走特点，具有对路面环境要求低的优点，它可以自由跨越障碍物、趟过沙地、掠过沼泽等特殊路面。它极强的地形适应能力、行走过程平稳、肢体存在冗余等方面，使仿生六足机器人更能够独立、可靠的适应复杂环境下的运输、侦查以及外星环境探测等各种非结构化作业环境中的工作。

对于现代化的六足机器人来说，面向的工作场合都比较复杂、恶劣，而从国内外对其自主控制算法的研究上来看，还不能完全保证机器人平稳工作的安全性，因此采用人机协同操纵的方式现在看来是必不可少的。与机动车驾驶员驶员相比，足式机器人驾驶员的操纵从重复性的手动操纵模式转换为集监控、判断、决策、执行等一系列复杂的感知控制为一体的操纵模式，这导致了驾驶员的需求信息与传统的轮式车辆相比信息量更大，判断更复杂、在决策和执行环节中更易出错。在人和机器的功能分配中，综合考虑人和机器的各自特点，既要充分发挥人的主观能动性又要发挥机器的最佳性能，从而使人与机器共同有效的一起工作。六足机器人的操纵系统作为驾驶员与机器人的交互接口，其设计的合理与否关系到驾驶员对环境的监测信息的合理性、判断、决策和执行操作的难易程度，以及机器人能否正确、安全、稳定的运行。

本文为保证六足机器人操纵系统设计的合理性、可行性以及人机系统中人与机器性能发挥性能的最佳性。首先对情景意识原则和人机功能分配原则进行分析和应用，并建立多目标模糊决策模型计算得出最佳的分配方案，同时通过硬件搭建和软件的架构的开发，设计出了一套六足机器人操纵系统。最后，根据实验数据验证了操纵系统的合理性和可行性。

1 操纵系统设计原则及控制策略

1.1 情境意识原则

情境意识概念最早出现在航空心理学中，描述飞行员对作战飞行操纵的理解，随着科技的进步，操作人员的工作由过去以“操作”为主变为监视一决策一控制，操作任务的认知特性也不断增加。在复杂、动态变化的信息环境中，情境意识是影响操作者决策和绩效的关键因素。研究表明，在一般的驾驶操纵事故中，71%的事故涉及人为差错，这其中81%的事故涉及情境意识错误。因此，融合情境意识原则对整个载人足式机器人的操纵的安全性起着至关重要的作用。

情景意识最广泛的定义是Endsley提出的，她提出情境意识就是在一定的时间和空间内，对环境各组成要素的知觉、理解，以及对其近期未碜刺的预测。从简单意义上来说，情境意识就是操作人员通过自身的知识、能力经验、感知能力等对所处环境的认知和理解，以此来预测未来的情境。情境意识的基础主要来源于人对环境中相关成分的感知，而人在感知后做出的相应决策和动作执行属于情境感知的不同阶段。在人-机器-环境系统中，人通过对机器运行环境的感知信息和机器的状态信息二者进行融合，并通过自身的知识储备从而进行操纵的决策和动作的执行。对于操纵系统而言，驾驶员对于环境信息的感知，既包括机器所处环境的感知也包括机器当前的状态的读取。

人的情景意识为一个闭环系统，Endsley情境意识模型如图1所示，人们对情境的感知并非是唯一的，对其影响的因素有很多，其中包括工作负荷、能力经验训练等；情境意识的结果将影响操纵人员的决策和最终的动作执行，因此要将情景意识理论融入到操纵系统的设计当中。根据情景意识模型在设计本操纵系统时需考虑以下两点：反馈

1）在情景感知环节，对于操纵人员来说，从环境中进入到操作人员大脑的信号是未经过任何处理的，操纵人员需要通过自身的“滤波器”过滤掉无意义的信息，而人的注意力资源是有限度的，因此在设计操纵系统之时需要考虑“噪声”信号对操纵人员的影响，设计人机交互界面时尽可能的提取简单、直观、易于理解和判断的信号。

2）考虑到不同的人的能力经验是有差异的，而操纵人员的决策对于机器人的运行模式是否合理起着至关重要的作用，为了使驾驶员能够根据实时的环境信息进行准确的决策，编写通用的调用规则，针对不同的环境给出相应决策意见，使操纵人员的决策更加快捷准确。

1.2 操纵系统控制策略

驾驶员根据实际的环境与机器人的状态信息来判断需要运行的控制策略，控制策略主要为3类：人主机辅控制、机主人辅控制、共同控制。

人主机辅控制：以人工操纵为主，机器控制为辅的控制策略。当机器人所处环境比较艰难且无法自主行进时，采用人主机辅方式来达到控制机器人行进的目的。在此控制策略下，驾驶员主要负责手动操纵机器人来完成复杂、艰难的任务，机器主要通过驾驶员下发的指令来执行，由于驾驶员在操纵过程中会存在误操纵，或者操纵过量等问题，因此机器的辅助系统会根据传感器的返回数据值弥补操纵人员的操纵失误与不足，辅助操纵人员的控制。

机主人辅控制：以机器自主操纵为主，人工协助控制为辅的控制策略。六足机器人在满足其自主运行的环境中，选择此控制策略，当操纵人员下达行进指令后，机器人可根据不同的地形进行自主确定行走路径，通过机身的传感器进行环境感知，可在遭遇大型障碍时自动躲避障碍等。

共同控制策略：机器与人共同控制。当机器与人无法单独完成某任务或共同控制可使任务的执行效果达到最佳时，采用共同控制策略。例如对于机器人需要跨越可逾越障碍这一任务时，机器人本身可自主进行但可靠性很差，对驾驶员的安全产生一定的威胁。而驾驶员手动操纵无法满足操纵效率的要求。因此可采用共同控制策略，驾驶员除了要对运行状态进行监控以外，还要适当的控制行进速度和行进方向，同时面对可逾越的障碍时可加入人工干预达到壁障的目的，在遭遇可预见危险时及时给出安全的控制决策。

以上3种控制中人主机辅控制属于手动控制，机主人辅控制属于自动控制，共同控制策略属于人机合作的控制策略，在操纵系统的设计时，将操纵系统的功能进行相应的划分和规划，驾驶员可根据自身的知识和经验判断选择。这样动态的选择机器的运行模式可大幅度增加系统运行的可靠性，提高机器的灵活度，降低操纵的复杂程度，同时为接下来人机功能分配提供一个指向。

2 操纵系统的人机功能分配

2.1 人机功能分配模型的建立

人机功能分配作为操纵系统设计的指导原则，在分配上应充分考虑人的差异性对系统执行的影响，因此在功能分配上设计者应考虑操纵系统的通用性，以及人机功能分配的合理性，从而使系统与人达到最合理的匹配性，发挥人的主观能动性和机器的最佳性能。在许多方面下操作人员的优点恰好是机器存在的缺点，而机器的优点又恰好是操纵人员的不足。因此根据人与机器的各自特点，才能使操纵系统与机器人达到协调统一。

在对人机功能进行分配时需考虑的指标主要有：操纵要求、操纵人员工作效率、操纵负荷、操纵人员的安全性、任务执行的可靠性等。根据以上指标可以引入一个广义的多目标模糊决策模型，即

目标函数

（1）

约束条件式中：f为功能分配目标函数，如系统安全性最高或者整体效率最高等；xi为人在方案mi下状态变量，如操作效率、操纵负荷；yi为机器在方案mi下状态变量；mi为相应于各状态变量的功能分配方案；Fi为针对上述状态变量建立的功能分配方案mi的约束函数；s为六足机器人“人-机-环境”系统变量空间，由mi与yi组成，也可统称为因素指标集合，即所有的约束函数都必须在给定的机器人“人-机-环境”系统条件下进行；n为功能分配的方案总数。

2.2 人机功能分配应用

应用多目标模糊决策模型进行人机功能分配，本文采用以下几个步骤进行实施。

1）操纵系统综合分析；

2）整体方案设计；

3）系统人、机功能分配方案的确定；

4）以操纵人员操纵效率、操纵要求、操纵人员安全以及操作负荷为状态变量建立目标函数并给出方案的约束条件；

5）比较各个方案确定系统最佳的人机功能分配方案。

六足机器人操纵系统主要负责机器人运行状态的监测，行进方式决策，以及遭遇突发事件的处理等。现根据行进方式决策中跨越障碍控制方式按照多目标模糊决策模型进行分析。

由多目标模糊决策理论、式（1）及表1可知，决策论域U以操纵系统的控制策略为指导因此设U={手动控制，自动控制，共同控制}={m1，m2，m3}

因素指标集合S={操纵效率，操作要求，操纵负荷，安全性，可靠性}={s1，s2，s3，s4，s5}为确定各约束函数值组成的因素指标值矩阵F，现给出不同的分配方案下各个功能需求的约束函数的相对值，如表1所示。

由各约束函数值组成的因素指标值矩阵F为式中i=1，2，3；j=1，2，…，5.

通过前期已开发的操纵系统的实际经验，确定各因素指标的权值向量A为

A=[a1，a2，a3，a4，a5]T

=[0.83，0.92，0.6，0.81，0.91]T

在确定各状态变量的标准约束函数值向量时，需选取各个约束函数的值；而在上述因素指标中当约束函数值与方案的优劣成正比时选取其最大值（操纵效率，操作要求，安全性，可靠性）；当约束函数值与方案的优劣成反比时选取最小值（操纵负荷）；因此各状态变量的标准约束函数值向量式中

3 操纵系统设计

3.1 操纵系统硬件设计

通过对机器人的控制策略分析，为满足操纵系统需满足的要求及实验平台的具体功能需求，操纵系统硬件结构图如图2所示。仿真平台的硬件结构包括操纵系统和搭载Vortex环境的PC机，机器人操纵系统硬件架构包括：人机交互设备、主控制器、通讯模块、数据采集模块、操纵输入设备。其中人机交互设备主要负责驾驶人员的操纵控制和显示当前的所需信息；主控制主要对触摸屏和操纵输入设备的数据进行采集并按照程序做相应的处理，同时与机器人PC机进行实时通讯达到实时控制机器人的目的。

根据六足机器人整体的结构特点和功能需求分析，操纵系统硬件需满足：操纵系统长时间运行的可靠性、操纵系统的实时性、人机交互的合理性和易用性、可扩展性及易开发性。根据市场进行调研分析，选用奥地利的贝加莱工业控制器组件为操纵系统的主要部件来搭建操纵系统，该控制系统以Vxworks时操纵系统为底层操纵系统，结构精简紧凑、响应时间短、传输速度快、稳定性高、可扩展性强，同时开发环境集成化避免了繁琐的开发过程，满足操纵系统的各方面需求。

3.2 操纵系统软件设计

操纵系统软件设计是系统的核心，根据之前提出的人机功能任务分配与控制策略，涉及到操纵系统软件设计的主要包括：用户界面设计、数据采集与处理，数据通讯系统，因此操纵系统的软件设计的合理性关系到驾驶员操纵的效率、是否容易误操作和机器人执行的正确性、稳定性等。下面对软件设计的主要内容进行详细说明：

1）用户界面设计

用户界面作为驾驶员与机器的信息交互界面，在操纵系统中起着关键性的作用，根据情境感知模型结合操纵系统，驾驶员在获取机器人外部运行环境与机器人状态信息后，经过自身的知识理解将信息进行过滤与融合，通过自身的操纵方案的储备进行决策和执行。由于操纵人员信息的获取、命令的下发都要经过人机交互设备来实现，因此本操纵系统的用户界面开发按照以下3点进行，操纵界面如图3所示。①由于操纵人员通过环境感知的信息较多且注意力是有限的，因此采用图形化代替传统的数值输出来显示机体稳定裕度和腿部操纵范围，来使驾驶员直观的监控机器人的关键信息，减少了过多的思考时问，同时可使得驾驶员高效的做出决策。②在重要功能之间切换时，通过后台程序读取当前机器人状态指标并进行计算，弹出建议对话框辅助操纵人员确定可否执行当前操作。③界面按照功能类型进行分区规划，增加切换功能，使不同的页面之间能够灵活的切换。

2）数据采集与处理

在操纵系统人机功能分配中，机器的主要工作为处理大量的数据，循环执行逻辑判断以及在驾驶员面临决策时通过数据分析给出决策建议等，因此操纵系统的数据采集与处理程序主要用于完成六足机器人的操纵指令的采集与逻辑运算、返回数据的处理、界面图形驱动等，其中主逻辑流程图如图4所示，主逻辑程序主要完成相关参数初始化及各个子函数有序工作。

3）通讯设计

操纵系统与PC机主要采用CAN总线通讯的方式来完成数据交互，主要包括发送操纵指令和接受机器人的状态信息，其发送方式采用查询方式发送20ms进行查询一次检测缓冲区是否有发送数据包，如果有则启动发送程序；读取方式为启动程序是即启动读取程序，每20ms读取一次缓冲区查看是否有命令包，若有则从缓冲区读取数据。

4 实验数据分析

4.1 通讯数据分析

本文已完成六足机器人操纵系统的硬件的搭建和软件的开发工作，下面对操纵系统进行实验数据分析。本操纵系统控制基于Vortex环境下搭建的虚拟六足机器人，当操纵人员通过操纵系统发送行进模式行进指令后，机器人开始执行相应指令的行进模式，操纵系统可根据返回的各个关节角度值驱动图形显示，因此数据的正确与否关系到驾驶员对机器人状态的监控可靠性，通过读取返回的数据进行分析来判断是否符合当前的状态。在机器人腿部摆动频率设为pi/20时，机器人依次以二步态、三步态、六步态行进时各关节角度曲线如图5所示，实验分析表明，接受数据与实际数值相同，数据读取正常。

4.2 操纵时间分析

众所周知，只有在适度的任务分配下才能充分发挥人的工作效率。如果工作分配不紧凑，操纵人员的注意力不能连续集中，在执行目标任务时发生的紧急事件不能及时的做出处理，导致事故的发生；而如果任务过分集中，操纵人员的能力有限，无法完成所要求的任务从而导致任务的终止或严重的事故发生。因此在实际操纵过程中记录操纵人员在执行每个功能时所耗时间以此来分析操纵系统人机功能分配是否合理。

在二、三、六步态行进操纵中，当操纵人员得到操纵指令后操纵一般分为6个步骤：①驾驶员大脑响应；②监视所有数据判断是否可操纵；③按下功能指令；④按下确定指令；⑤再次确认关键参数；⑥行进触发。3种基本行进步态下每一个步骤操纵人员所需的时间记录数据图如图6所示，由图可知在3种步态下每一个步骤所需的时间相差不多且各相邻步骤间无连续大强度操纵，在长时间的操纵过程中无心理压力与疲惫感，满足操纵系统的预期效果。

第7篇：机器人设计范文

关键词：汽车制造业；发动机；清洁度；机器人

随着时代的进步，我国人民的生活水平也在稳步提升。其中，人均汽车的拥有率就可以体现。汽车多了，随之影响汽车安全的因数就引起的人们的注意，而作为汽车“心脏”的发动机则尤为重要。发动机质量的好坏不仅影响着汽车制造业的发展，更关系着我国人民的生命健康。清度作为影响发动机质量的重要因数，不仅影响发动机各关键运动副件的工作性能，更能产生研瓦、拉缸等容易造成发动机致命故障的现象。如何减少甚至排除这些问题，这就需要发动机清洗设备有效地清洁发动机缸体、缸盖在加工过程中所存留的铁屑、油污、杂质等有碍于发动机正常工作的不良物质。所以，本文介绍了一种时下最流行的“基于工业机器人”的清洗设备（以下简称“机器人清洗机”），该设备操作简单，利于上手，既可以减少用工数量，也可以有效保证发动机出厂的清洁度指标。该设备适用于汽、柴油机全部零部件的制造间续和最终清洗，可以保质保量地完成发动机的清洗工作。

该清洗机从上料开始一共分为九部分：上料输送工位，浪涌清洗工位，高压去毛刺工位，定点定位清洗工位，下料输送工位，真空干燥工位，鼓风冷却工位，清洗液循环及废屑集中装置，电气智能控制系统。其中上下料输送工位包括上下料滚道及升降滚道；浪涌清洗工位、高压去毛刺工位、定点定位清洗工位则由机器人手臂抓持工件进行相关清洗工作。

1上料输送工位

上料输送工位包括上料输送滚道及上料升降滚道两部分。上料输送滚道由减速机控制，通过输送辊子将工件输送到指定工位（上料升降滚道）处，由下个工位（上料升降滚道）将工件抬至机器人手臂可以抓持的位置，以便机器人手臂顺利将工件抓取，进行下一步操作。

2浪涌清洗工位

此工位由浪涌箱、注水喷嘴、排液装置及相关管路装置组成。该工位主要负责模拟浪涌状态，对工件进行清洗；清洗结束后，清洗下来的废屑及用过的清洗液由排液装置及时排出。

此工位工作时，机器人手臂抓取工件插入浪涌箱中，清洗槽中的清洗液通过加速喷嘴的作用进行紊流流动，同时工件在水槽中进行水平往复摆动（使切屑和杂质处于游离状态，然后再上下往复移动（由机器人手臂实现，使工件离开清洗液），从而利用吸咐效应将水套内和其他内腔的切屑全部冲洗出来；清洗过程中，清洗液随时从水槽下方自动控制排出，这样可以将涮洗出来的杂质随时排出。清洗过程中，在工件往复离开清洗液（由机器人实现），在此过程中，当工件离开清洗液面时，清洗液的瞬间卸荷产生的负压抽吸作用，可将水套中处于飘浮游离状态的杂质全部吸附出来，并随清洗液排掉。这样既可避免二次污染，又相当于对工件进行重复多次清洗，从而提高了清洗效果。

3高压去毛刺工位

此工位由高压插管、高压泵组及相关管路装置组成。此工位的插管的设计具有高度针对性，每个不同的插管都是专门针对每个相应的孔道。

此工位工作时，机器人手臂伸出夹持住工件，然后将工件夹到高压工位处并将工件的指定孔（主油道与斜油道交叉处易在生产中产生毛刺的孔）对准高压插管并逐步将工件缓慢地沿着垂直于高压插管的方向下压或上顶，使得高压插管充分探入指定孔中，同时由高压泵组提供的具有高压及高速的清洗液从高压插管壁上的斜切口中喷出，形成具有一定“切削”功能的“水刀”，对指定孔中的毛刺进行切除，“切下来”的毛刺将随废液流出此孔。与此同时，此工位的随动导向机构也将会下降或上升，确保毛刺完整的被从指定孔中剥离。

4定点定位清洗工位

此工位由水箱、喷嘴及相关管路装置组成。工作时机器人手臂夹持工件通过作往复上下平移、旋转工件、靠紧远离等动作，同时兼顾清洗到工件的各个方位，解决工件各个表面及孔洞的清洁度清洗要求。

此工位工作时，清洗机通过机器人手臂夹持住工件，将工件移到指定位置并将需要清洗的面靠紧清洗水箱上与此面相对应的清洗喷嘴进行慢速或上下，或前后移动进行扫洗；然后将工件的一般孔隙对准专用清洗水箱上的喷嘴进行定点定位喷洗；最后将工件的重要孔隙（缸体与缸盖间把和螺纹孔，缸体与主轴瓦盖把和螺纹孔等）定点套入专用插管清洗喷嘴进行探入式清洗。

此工位做如此复杂而全面的清洗，可以有效的保证每个孔道都清洗干净。

5下料输送工位

此工位基本与上料输送工位相同，也是由下料升降滚道与下料滚道组成。不同的是后续的真空干燥工位与鼓风冷却工位均位于下料滚道之上，所以此处不作过多赘述。

6真空干燥工位

此工位主要是由真空室及真空泵组两部分组成。真空室由腔体、前后两个真空封门和输送滚道等组成，主要是为真空动作提供特定场所；真空泵组是由两台或两台以上的油式旋片真空泵并联组成，主要是抽干真空室内空气及水汽，作真空干燥动作。

此工位工作时，工件由输送滚道送人真空室的腔体中，真空室前后封门关闭，真空泵组开动，抽取真空室内的水汽和空气，以至于在真空室内使之形成一定的真空度，降低了真空室内水的气化点，从而使工件表面存留的水汽蒸发。而油式旋片真空泵组技术则极大地提高了系统的真空度，极大地提高了工件的干燥度。

7鼓风冷却工位

此工位主要是由鼓风冷却通道、输送滚道、制冷空调及风箱组成。由于清洗液的温度一般都在50℃以上，而客户要求工件出厂温度是室温±2℃，所以此工位的存在相当必要。

此工位工作时，工件由输送滚道进入鼓风冷却通2017年第2期道内，制冷空调制冷，风机开始运作，将由制冷空调产生的冷风吹向工件，从而使工件的温度可以降低到所指定的温度，符合了客户的要求。

8清洗液循环及废屑集中装置

此工位主要由辅助水箱及相关管路组成。辅助水箱作为主要部件，由电加热装置、液位发令装置、浮油排除装置及刮板排屑装置组成。电加热装置负责加热清洗液，使清洗液达到一定温度，以适应清洗工件；液位发令装置作为辅助水箱的“量具”，用来测量辅助水箱内的清洗液的多少；浮油排除装置是用来过滤掉回收的清洗废液中的油污；刮板排屑装置则是用来集中由回收的废液带来的废屑并排出辅助水箱之外。

9电气智能控制系统

该系统中集合了PROFIBUS-DP现场总线技术、可编程控制器（PLC）技术、以太网技术、人机界面操作技术、变频控制技术以及集成了仿真软件、在线故障诊断专家系统和机器人控制技术为一体。

由PROFIBUS-DP现场总线将PLC、人机界面、各操作终端、传感器以及机器人控制连接为一体，实现高性能化，高可靠化，保养简便化，节省配线（配线的共享）。

第8篇：机器人设计范文

【关键词】灭火机器人；设计；硬件；ARM9

0 引言

近年来，随着建筑物的高度以及复杂程度的不断提高，对高层建筑内的消防工作提出了巨大的挑战，一旦发生火情就会迅速蔓延，并且很难快速实施有效的救助措施。例如在高层建筑物发生火情时，消防官兵无法在极短的时间内达到火灾现场进行处置，加之高层建筑的环境极其复杂，处于地下的建筑物同样会由于潮湿的环境影响浓烟的扩散，给消防救援带来巨大的困难；在处置化学物品的火情时更是给消防人员的生命安全带来了巨大的安全隐患，极易导致消防人员的中毒。因此，为了更好的解决目前消防救援中面临的问题，需要更多的研制具有较高智能程度的机器人，以更好的协助消防人员对火情进行控制，并且为被困人员的救治提供良好的导向。作为人工智能的一种，机器智能主要是通过计算机模拟的方式实现机器对人类动作的模拟，智能机器人的研究大大的降低了一线工作人员的劳动强度和生产中的危险性，在很大程度上推动了人类经济社会的发展和进步。作为智能化的机器人，需要满足以下基本的功能：一是机器人的动作机构与人类的某些器官在功能上具有较高的相似性，同时机器人的需要具有较高的通用性，即程序具有较高的灵活性；二是机器人还需要具备一定的记忆、感知以及学习的能力，真正的体现出人类智能化的特点；三是机器人在进行工作时需要具有较强的独立性，即无需人员的跟进就可以完成预先设置的功能。实现以上这些功能首先要解决以下几个方面的问题。

首先，对智能机器人路径的规划和具体实施。在对火情的侦查过程中，机器人需要对发生火灾附近的路径进行巡视，并且能够保证在整个巡视的过程中机器人的安全性。因此机器人首先需要解决的就是行走的问题，即侦查路线的选择。主要有以下三个方面的要求：一是路线的设计需要具有全局观念。在对机器人侦查路线的指定过程中，需要根据实际的情况制定不同的路径策略，以供机器人更好的对路径周边的信息进行侦查；二是机器人要能够确定自身的位置，并且通过原先设置的路径对周围的环境进行侦查，以及相关指令的执行；三是机器人必须能够对行进过程中的障碍物进行识别。在智能灭火机器人上会安装传感器对机器人周围的物体进行探测机器人必须能够根据传感器的信息对障碍物进行准确的判断，并且根据障碍物的实际判断信息确定翻越障碍物的策略。

其次，对火源位置的判断的准确定位。智能机器人在消防中的主要应用是对火灾现场进行准确的侦查，并且发回准确的数据信息以供消防人员制定火灾处置的具体方案，因此确定火源的位置成为一个关键性的因素。智能机器人需要根据行进过程中传感器的数据信息对火源的位置做出准确的判断，并且进一步采集更多的详细信息，为火灾的处置提供重要的参考。

三是智能灭火机器人能够实现灭火的功能。在机器人准确的判断和定位火源以后，需要机器人启动相关的灭火装置，并且在将火源熄灭后撤离火灾现场。

1 灭火机器人的系统结构设计

智能灭火机器人的系统结构设计主要包括传感器、控制器、驱动电路以及电源的设计。

（1）传感器设计。传感器是智能灭火机器人设计中一个至关重要的环节，它通过对周围的环境进行感知，可以获取到周围环境中的数据信息，其功能的实现类似人类的感知器官，智能灭火机器人中主要包括红外测距传感器、火焰传感器。第一，红外测距传感器是智能灭火机器人中的关键部件，是智能灭火机器人的“眼睛”，它能够帮助智能灭火机器人顺利的通过障碍物，并且能够通过超声波测距等手段对具体的距离信息进行感知，从而进一步提升智能灭火机器人的智能化水平。在该设计中，利用夏普公司的GP2D12测距传感器实现对于机器人周围物体距离的探测，并且将数据转化为电压信号，通过发送一定电压值的脉冲信号，并且获得反射回来的脉冲信息对周围的障碍物信息进行判断，然后通过预先设置的计算方式得到传感器与障碍物之间的距离。第二，红外火焰传感器。红外火焰传感器主要是对火灾现场的火源进行判断和定位，然后通过距离传感器确定智能灭火机器人达到火源的路径，并且在达到以后对火源展开灭火操作。然后进一步通过红外火焰传感器确定火源是否已经被成功熄灭，因此火焰传感器的选取是智能机器人设计中的关键环节，直接影响着智能机器人的灭火效果。在该设计中采用是的红外式的火焰传感器，其每个单元都有两个并行的红外接收管实现，工作原理是接收到的光线越强其读取的数值越大，并且具有较高的精度，可以实现对于火灾附近火源位置的精确定位。在实际设计过程中，通过7个红外传感器组成一个传感器组，以实现对于火灾现象的全方位探测。

（2）控制器设计。在该设计中主要通过ARM9实现对于智能灭火机器人的复杂控制，与传统的处理器相比，ARM9具有更快的代码执行速度和体积小、成本低、稳定性好等特点。所涉及的嵌入式系统采用的是28路的模拟信号通道，以更好的实现与各个传感器的连接。其中的8路可以实现对于采集信息的50万次/秒的采集，同时可以很好的完成数据的后期处理任务，其他的20路通道则可以实现10000次/秒的采集速率。

（3）驱动电路部分。在智能灭火机器人的设计中，还包括用于机器人行走的直流电机以及用于灭火的相关驱动电机。在智能灭火机器人的设计中，考虑到实际应用中的场景，需要使得机器人在能够准确避开障碍物的前提下尽量提高其移动的速度，因此就需要增大直流电机的功率。与普通的异步电机相比，直流电机具有更大的转矩和运行范围，并且没有自转现象。因此在实际应用中需要采用具有较大功率和灵敏度的直流电机。在该设计中选取的是16.8V的直流电源，其电流为20A，具有较大的扭力，可以满足智能灭火机器人快速行进的需要。同时由于选择的电机具有较大的功率，而且需要实现双臂的变速可调运动，因此通过一种半桥组合式电力管来实现对于直流电机的控制。在智能灭火机器人的直流电机设计中，还需要设计专门的灭火用直流电机，其主要通过主板上的端口实现驱动。

（4）电源设计。在智能灭火机器人的电源设计中，需要充分考虑到对机器人的移动性能的影响，选取机器人自身独立的双电源供电方式。

2 灭火机器人的软件设计

软件的设计主要是实现对于智能灭火机器人的智能化控制，并且根据具体的情况对机器人的探测信息进行优化，以更好的提高智能灭火机器人的探测精度和移动速度，通常选择沿墙行走的规则，这主要是考虑到机器人在行走过程中需要对周围的环境进行实时的探测，并且完成灭火操作。在具体的智能灭火机器人程序设计中主要包括机器人启动模块、火源搜索模块、灭火模块以及机器人返回模块。

【参考文献】

[1]李彬.智能灭火机器人系统的设计与实现[J].机械与电子，2010（1）.

第9篇：机器人设计范文

【关键词】自动擦窗机器人 设计 便捷

一、引言

在现代都市中，高层建筑越来越多，各种各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景。在建筑业，由于玻璃的采光性好，保温防潮性能好，玻璃实用美观，高层建筑的外壁越来越多地采用玻璃幕墙结构，但是为了保证建筑外观的整洁美丽，时间一长，就需要对玻璃进行清洗，以美化市容市貌。许多开放性城市都规定，每年应对高楼清洗若干次。自动擦窗机器人是面向普通家庭和办公室的，为其提供电动擦窗器，主要擦拭平开窗。自动擦窗机器人的优点主要是能够自行擦拭玻璃的外侧，不需要人站在窗台上擦拭，保证了人的安全；同时该擦窗器不需要人的操纵，减少了人的体力劳动，其能够自行擦完整块玻璃，方便易操作，其价格便宜。自动擦窗机器人正是在这种背景下应运而生。它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产效率，也必将极大地推动清洗 业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。

二、自动擦窗机器人需求分析

各类玻璃窗在家庭、办公楼、酒店等得到了广泛的使用，但由于工作的繁忙、生活节奏的不断加快，玻璃外窗的清洗越来越成为一大生活问题。最原始的外窗清洗方法就是手拿湿毛巾爬上窗户将手伸出窗外进行擦洗。其擦洗难度之大、危险性之高可想而知。因此人们想了个办法利用一根竿子代替人手绑一块擦布伸出窗外进行外窗的清洗，如此危险性降低了，但效率和擦洗效果大大的降低了。于是另一种擦洗方法随即出现，那就是磁石式双面玻璃擦洗器，但其主要缺点就是擦洗的高度为一人举手的高度，要擦洗较高的地方就要站到梯子上，如此甚为不便。 当今社会，人们住在高楼大厦之中，频频发生因擦窗而坠楼身亡的事件。为了安全问题，也为了改善住宅环境，人们迫切需要一个全自动的能实现双面同时擦洗的擦窗器。

三、自动擦窗机器人现状

目前市场已经有了自动擦窗机器人，使用的人反馈的问题很多，有人认为自动擦窗机器人工作时噪音太大影响别人的正常交谈和工作以及休息。这是由空气泵工作产生的，空气泵的作用是抽出空气形成真空状态让自动擦窗机器人吸在玻璃上的，这是现有的自动擦窗机器人的硬伤，也是我们改进的方向。现有的自动擦窗机器人受电源线的影响，工作时自动擦窗机器人是会绕圈的有可能会把电线绕起来，影响不大。由于自动擦窗机器人工作时容易出现小故障，人没有办法离开，一旦离开了自动擦窗机器人出现了故障那么擦窗工作就无法顺利进行了。总的来说，现有的自动擦窗机器人缺点还很多我们可以设计更好的自动擦窗机器人。

四、自动擦窗机器人设计方向

通过对现有市场调查与问卷调查和文献研究，研究自动擦窗机器人设计方向。不少使用者反应自动擦窗机器人的工作时产生的噪音太大了，自动机器人工作时会被电源线影响，还有的人第一次完全没有办法自己一个人去用自动擦窗机器人。我们得出以下结论：将自动擦窗机器人的产生的噪音减少到人们能够接受的范围内减少电源线对自动擦窗机器人的影响设计出十分简单的操作，让用户容易上手。

五、自动擦窗机器人设计趋势

自动擦窗机器人在未来生活有一定的作用，人们的生活越来越追求品质，更需要智能化的机器帮助人们生活和工作。高效率设计、智能化设计、易操作设计、美观的外形的设计是未来的自动擦窗机器人主流设计。高效率设计：现有的擦玻璃的机器效率太低，工作时间长，工作时的速度慢，在高效率的社会中高效率的设计一定会受人欢迎的。智能化设计：智能选定工作路线，遇到突发状况能够很好地处理让人对自动擦窗机器人更加放心。易操作设计：操作简单，不用人花大量的时间去学习怎么使用自动擦窗机器人，上手一定要快。美观的外形设计：一个现代化、简单、美观的设计，让人喜欢的设计。

六、总结

本课题的研究目标，是通过对现有市场调查研究与问卷调查研究，辅以文献研究的方式，研究自动擦窗机器人在生活中的运用。基于以上调查分析结果运用于设计实践中。

通过本课题的研究探讨，得出以下结论：

我们需要一个优良设计的自动擦窗机器人来代替人工作，解放人又没有人去擦玻璃产生的危险还能拥有干净的玻璃。顺应时代的发展，设计优良的自动擦窗机器人改善人们的生活。生活中需要这样的产品，我们的设计出发点就是改变生活中点点滴滴，哪怕是很不起眼的地方，有改进的地方我们就可以去思考，去想象，去设计。希望我的设计能够很好的解决擦玻璃的问题，让擦玻璃不再难，改善人们生活中的一小点，也是我们设计师的义务。

参考文献：

[1]兰阳春、薛抱新.擦窗机设计概述[J]《建筑机械化》 2010年07期 4

[2]李大寨、宗光华、汪勇、渠慎丰、李曼娜自动擦窗机视觉定位系统的设计[J]《电子技术应用》2002第3期

[3]周延武、宗光华、Cleanbot-I擦窗机器人的智能化技术[J]《机器人》2002第1期