1、課 程 設 計 報 告學生姓名:朱玥學 號：1015070141學 院:機械工程學院班 級:機械101題 目:慧魚機器人陳國君指導教師： 職稱: 教授 2013 年 12 月 29 日目錄1緒論 11.1課題背景 21.2 慧魚機器人 31.3 走進實驗室 41.4 按鍵式傳感器 51.5 設計工作原理 61.6慧魚模型操作規(guī)程 72. 仿生機器人(邁克) 8 2.1仿生機器人仿真示意圖 9 2.2仿生機器人仿真程序圖示 102.3仿生機器人結構簡圖 11 3. 仿生機器人（杰克） 12 3.1 仿生機器人基礎模型 13 3.2 仿生機器人仿真圖 143.3 仿生機器人結構簡圖 15 3.4

2、仿生機器人仿真程序框圖 164. 仿生機器人（喬） 175.1仿生機器人仿真模型 18 5.2連線圖和結構簡圖 195.3仿生機器人仿真程序 205. 仿生機器人（吉姆） 216.1仿生機器人仿真模型 226.2仿生機器人仿真圖 23 6.3仿生機器人仿真程序 24 6任務分配和心得體會 25 7. 參考文獻 26 慧魚組合機器人的組裝設計摘要：慧魚創(chuàng)意組合模型是一種技術含量很高的工程技術類拼裝模型，是展示科學原理和技術過程的理想教具。本設計是以德國慧魚創(chuàng)意積木所組成的仿生模擬機器人為其基本架構，透過圈形式人機介面LLWin，經由智慧型微電腦介面板去驅動機器人，使機器人細部動作很容易達到我們需

3、求，進而取代以往由硬體描述語言所驅動架構，通過慧魚模型的組裝，程序的編制，任務的完成，闡述機械機構之間的配合關系，各種傳感器的安裝和使用，以及軟件程序的編制思維，實現(xiàn)對伺服電機，電磁線圈的控制,不但操作簡易，更可使我們了解機械運作的原理。關鍵詞：慧魚組合模型；機器人；引言:由機器人的發(fā)展和快速廣泛的被使用，可知科學家對于機器人的功能也相提高，除了超強的邏輯運算、記憶能力及具備類似的自我思考能力，另外在機器人的外表及內部結構，科學家更希望能模仿人類。對于外在資訊的選集，也透過各種感應器，企圖達到類似人類各種觸覺的功能，選集了外在環(huán)境的資訊，一旦外在環(huán)境起了改變，機器人一定要能隨著變化，做出該有的

4、反應動作，更新自己的資料庫，達到類似人類學習的功能。 本次研究即為移動機器人設計及其在控制器的實現(xiàn)，是說明當移動機器人在軌行動作中若遇到障礙物時會透過微動開關將訊息傳回電路板中進行判斷，再配合計數(shù)器的動作使機器人能避開障礙物并往下個路徑前進，知道要到遠的目標。無疑，自動化控制理論本來是要使機器人變聰明。但是如何實現(xiàn)呢？我們先用一個啟發(fā)式實驗進行說明。我們可能都觀察過飛蛾趨光的特點，飛蛾找到光源，向那里飛去，即使非常近的距離，也絕不會拍打到光源。顯然飛蛾之所以能夠這樣做，是因為它發(fā)覺光源，劃出路線然后再向其撲去。這本領是基于這種昆蟲自身具備的機敏的行為模式。 現(xiàn)在我們將上述能力應用到一

5、個技術系統(tǒng)中。先用光學傳感器探測到光源，馬達執(zhí)行動作，這樣，我們必須在發(fā)現(xiàn)信號和執(zhí)行信號之間建立一個合理的連接，即程序。  20世紀50年代，一位名叫沃特格雷(Walter Grey)的英國人將上述引人思考的實驗付諸于實踐。借助于幾個簡單的傳感器，馬達和電路，他創(chuàng)作出多種自動化動物，可以準確模仿出飛蛾的動作。左圖所示的是“自動”海龜?shù)膹椭破罚故驹谌A盛頓的史密森博物館里。 鑒于上述的奇思妙想，我們也要為我們的機器人建立起類似的行為模式，并用程序來和機器人進行交流。但是我們?yōu)槭裁葱枰梢苿訖C器人？讓我們試著將“虛擬的飛蛾”的動作應用到技術裝置上。首先，一個很簡單的例子就是尋光

6、。我們將一個光條粘在地上作為光源，把傳感器面朝下并排放在一起，而非面向前。這樣，如果是在倉庫，移動機器人就會從中找到自己的行進路線。沿著這條線，還有一些特殊的信息采集點，如條形碼，將引導機器人進行下一步的動作，比方說到達這些點時，抓取和放下貨盤。事實上，這樣的機器人系統(tǒng)到今天已經存在了。在很多大醫(yī)院里，通常需要走很遠的路來運送日常所需的消耗品，比如被單枕套等，讓護理人員運輸這些物資無疑是既耗時、耗財又費力的事情。當然，也大大減少了對病人照顧的時間。 最近今年里，科學家們開始研究另一種本質上非常相近的動作形式，走或跑。開發(fā)出的機器人具備了用腿移動的能力。由布魯塞爾皇家軍事研究院研制的電氣氣動步行

7、機器人“阿基里斯”（Achille）就是一個六足步行機器人的典型。頭上和六條腿上分別都配備了照相機，阿基里斯能夠機械的對提起或放下的障礙（物體或者坑）能夠機械的做出反應。這種步行機器人能運用到各個地方，比如輪軌式車輛不可能通過的坎坷或松軟的地帶，它翻越障礙，攀爬樓梯，跨越壕溝進入諸如核電站、煤礦隧道等危險地帶作業(yè)或者進行營救。1.2慧魚機器人  怎樣用慧魚創(chuàng)意模型的構件大家我們自己的機器人呢？傳感器（如：接觸傳感器）和動力裝置（如馬達）是必不可少的，然后加上許許多多的機械部件，組成所需的模型。慧魚ROBO 移動機器人組為此提供了理想的模式。本設計是以德國慧魚創(chuàng)意積木所組成的仿生模擬機

8、器人為其基本架構，透過圈形式人機介面LLWin，經由智慧型微電腦介面板去驅動機器人，使機器人細部動作很容易達到我們需求，進而取代以往由硬體描述語言所驅動架構，不但操作簡易，更可使我們了解機械運作的原理。1.3走進實驗室先從一個簡單測試安裝來檢查接口板和各個傳感器的基本功能。然后，搭建出簡易模型，讓其具備特定的功用，再漸漸嘗試越來越復雜的系統(tǒng)。你是不是覺得有時候編制自己的程序要么太難，要么太浪費時間？你可以先下載軟件中提供的一些現(xiàn)成程序到接口板，控制機器人。該接口板的最重要的作用在于輸入量的邏輯連接。這就需要程序來完成，程序決定輸入數(shù)據(jù)和傳感器信號如何處理并轉換為適當?shù)妮敵鰯?shù)據(jù)，電機控制信號等等

9、。有了ROBO接口板，我們就有足夠的計算能力來設計和處理最復雜的程序。 搭建和最初控制機器人，是非常重要的環(huán)節(jié)，一定要格外認真才行。連接各個電氣元件時一定要嚴格按照說明書操作，然后檢查兩三遍以確保準確無誤。在進行機械構件搭接時，我們要特別注意連接的平滑度，尤其是齒輪與緊固件的連接，不要太用力。好了，現(xiàn)在讓我們發(fā)揮自己無窮的創(chuàng)造力為機器人“譜寫”新的動作程序啦！1.4按鍵式傳感器（接觸傳感器）舉例說明，將一個接觸傳感器接在數(shù)字輸入口I1，觀察一下當鍵按下去時，輸入端狀態(tài)框的變化。 雖然極性在連接電機或接觸傳感器不起作用（充其量電機旋轉方向錯誤），準確接通光電傳感器是至關重要的

10、。晶體管有紅標的接點應連接紅色接頭，沒有標注的接點連接綠色接頭。第二個綠色接頭要插在輸入端AX的插孔中（靠近接口板邊緣的那個孔），第二個紅色的插頭要插在靠近里面的AX的插孔中。（注意：連接光電傳感器到數(shù)字輸入端I1I8，紅色接頭需插在緊靠接口板邊的插孔中。 現(xiàn)在，我們用一個手電來改變光電傳感器光的亮度。這將改變AX藍色狀態(tài)條的讀數(shù)。如果指示器從其最大值沒有變動，那就得檢查一下光電傳感器的連接情況。如果即使手電筒滅掉，指示仍為零，那有可能是房間里的光太亮了。我們遮住光電傳感器，狀態(tài)條的位置就會變化。再回到紅綠接線頭上來：裝配時，要紅色接頭接紅線，綠色接頭接綠線。當電路配線時必需極性正確

11、的話，通常我們將紅線作為正，綠線為負。這樣，非常細心的配線，將使得線路走勢更系統(tǒng)，更一目了然，自然更方便了我們排除故障。1.5設計工作原理 機器人指的是可程式控制的機械，整體來說可分為兩大部分，分別為機械架構及軟體的控制的兩大部分。 （一）機械架構本設計移動機器人之機械構架采用德國慧魚創(chuàng)意積木所組成，它的優(yōu)點在于方便組裝，能在設計階段能起到一定的輔助作用，減少設計成本以及更好的觀察到設計的可行性及其優(yōu)缺點，以便更好改進設計中的缺點。一般機械所用到的零組件如齒輪、馬達、光電開關等，都可以在慧魚創(chuàng)意積木中找到，且功能毫不遜色。首先針對我們所需的機械架構做規(guī)劃，收集所需用到之慧魚創(chuàng)意積木零件，將其組

12、裝機械架構。該架構主要是由兩個絲桿與一個馬達連接，兩絲桿再平均接上傳動齒輪實現(xiàn)此仿生機器人的運動及其開關所組成，而這個開關主要用于判斷機器人的開關及其運動方向。（二）軟體控制程序的整體采用了主/從結構的編程方式，主要是為了解決多個不同頻率的循環(huán)和循環(huán)之間的信息交互。程序中嵌入了并聯(lián)機器人的反解模型及控制算法，采用全局變量、局部變量、共享變量等實現(xiàn)各程序模塊之間及模塊內部的信息交互，充分利用用戶事件技術、通知或隊列技術實現(xiàn)各界面之間的切換，為了避免諸如兩個循環(huán)同時操作一個對象之類的競爭問題，采用了同步技術。因為程序比較大，所要反映的信息多，因此在程序的管理上，我們也充分利用了LabVIEW的高級

13、編程技巧，如為了節(jié)省內存和清晰化程序框架及前面板，我們采用了動態(tài)VI控制技術，不但實現(xiàn)了子VI的即用即調，而且實現(xiàn)了多面板程序設計的動態(tài)載入和界面重用。面向機器人的軌跡控制與I/O邏輯控制的程序集合，如回零點、連續(xù)運行、單軸調整、軌跡曲線選擇、系統(tǒng)自檢等。該層軟件一方面負責完成機器人各關節(jié)驅動電機的精確同步運動控制，實現(xiàn)末端執(zhí)行器在操作空間中的精確軌跡；另一方面，該層軟件還需要完成一組通用I/O的輸入輸出控制，實現(xiàn)對機構運動的過程控制以及對外圍設備的協(xié)調控制等，以適應復雜的控制任務需要。驅動軟件是實現(xiàn)單軸與多軸運動控制、D/A轉換和硬件I/O控制的函數(shù)集合，包括軸配置、運動類型設置、電機運行和

14、停止等操作函數(shù)。該層軟件主要進行運動軸參數(shù)設置、電機加減速控制、起停控制、D/A轉換和運動I/O的設置與控制等。該層的函數(shù)主要是控制板卡所帶有的底層功能模塊，可以用這些函數(shù)很方便的根據(jù)自己設定的控制方案編程實現(xiàn)上一級的核心控制軟件層。LabVIEW 圖形化語言和LabVIEW RT、Control Design and Simulation Bundle、Labview System identification toolkit, motion assistant等相關的NI工具包開發(fā)應用程序不但使得軟件程序的開發(fā)效率大大提高，而且使得軟件的功能齊全、人機界面友好。下面對多媒體定時器和外控線程

15、的創(chuàng)建與工作作一簡單說明。首先多媒體定時器作如下定義5:#define WM_MAINPROCCTRL(WM_USER+1) /多媒體定時器的消息int TimerAccuracy=1 /多媒體定時器精度UINT TimerID /多媒體定時器標志ON_MESSAGE(WM_MAINPROCCTRL,MainProcCtrl) /消息映射TimerID=timeSetEvent(100,1,(LPTIMECALLBACK)MMTimeProc,(DWORD)this,TIME_PERIODIC);/啟動多媒體定時器多媒體定時器的回調函數(shù)為:void CALLBACK MMTimeProc(UI

16、NT TimerID,UINT uMsg,DWORD dwUser,DWORDdw1,DWORDdw2)CSixDofCtrlDlg*pDlg=(CSixDofCtrlDlg*)dwUser;:PostMessage(pDlg->GetSafeHwnd(),WM_MAINPROCCTRL,0,0);外控線程也首先進行定義CWinThread*pExterConThrd,*pNetThrd,*pHandleThrd,*pSendThrd;/定義線程CCriticalSection DataSection;/數(shù)據(jù)緩沖區(qū)臨界同步后調用下列函數(shù)啟動外pExterConThrd=AfxBeginT

17、hread(ExterConProc,this,THREAD_PRIORITY_NORMAL);在外控線程中啟動網絡接收線程、數(shù)據(jù)處理線程、發(fā)送線程后,將外控主線程懸掛pExterConThrd->SuspendThread();只有接收到數(shù)據(jù)后,處理線程才開始執(zhí)行操作;只有計算出新的液壓缸控制信息后,計算機才會發(fā)送。而液壓系統(tǒng)動作時間相對計算機運行來說是很長的,為了防止網絡通訊、洗出濾波、運動學反解的等待,在創(chuàng)建網絡接收線程的同時創(chuàng)建兩個同步事件:HANDLE pEvent1,pEvent2;/事件pEvent1=CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,NULL);等

18、待的線程可以通過調用WaitForSingleObject()等到事件的發(fā)生圖1為智慧型微電腦界面板，它的主要功用在于儲存LabVIEW程式使程式經由此介面板驅動機器人，達到預設之動作。 圖1-1智慧型微電腦介面板細部說明如下：1、 此裝置是所有電腦控制套件的控制邏輯核心，他負責與PC間的通訊和運算，將電腦所編輯的程式轉換成控制命令來控制馬達等。2、此裝置有八個數(shù)位輸入，兩個類比輸入可接收05歐姆的電阻值，四個可逆馬達輸出控制，控制馬達dc relay等。3、電源供應電池或充電器的方式，大小為9伏特5瓦。4、可在On-line（以傳輸線與PC連線），也可在Off-line（不需與電腦連線）兩種

19、模式下作業(yè)。5、與電腦連接時不需額外插卡，利用CMOM2通訊即可。1.6慧魚模型操作規(guī)程：1、實驗前先按照清單清點零件個數(shù)；2、熟悉零件分裝方式，了解零件分裝的大致規(guī)律；3、檢查袋子的封口；4、每次僅取出要用到的零件；5、每次取用零件后勿忘將袋子封口封好；6、拆除模型后將零件放回相應的袋子；7、按照清單清點零件。1.7二、仿生機器人（邁克）機器人邁克，即仿生態(tài)六足爬行機器人，是一種基于仿生學原理研制開發(fā)的新型足式機器人，仿生態(tài)六足爬行機器人比傳統(tǒng)的輪式機器人有更好的移動性，自動化程度高，具有豐富的動力學特性。此外，足式機器人采用類似生物的爬行機構進行運動，比其他機器人具有更多的優(yōu)點：它可以較易

20、的跨過比較大的障礙，并且機器人足所具有的大量自由度可以是機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應能力更強；足式機器人的立足點是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達到的地面上選擇最優(yōu)支撐點。圖2-1 仿生機器人（MJ）仿真示意圖圖2-2 仿生機器人（MJ）仿真程序圖示圖2-3 仿生機器人結構簡圖  三、仿生機器人（杰克）機器人杰克，原理結構與邁克機器人類似，區(qū)別在于電路板的安裝位置不同。它可以較易的跨過比較大的障礙，并且機器人足所具有的大量自由度可以是機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應能力更強；足式機器人的立足點是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達到的地

21、面上選擇最優(yōu)支撐點。足式機器人采用類似生物的爬行機構進行運動，比其他機器人具有更多的優(yōu)點：3.1基礎模型     圖 3.1杰克仿真機器人實圖圖圖3-2 移動機器人結構簡圖現(xiàn)在我們明白了我們所設置的電機轉向實際上是為了讓模型按該方向行進。在下列表做下記錄，這樣我們就不用每次都得想著要改變電機方向了。如果嚴格按照裝配手冊正確接線，向左旋轉就使得任一電機帶動車輪向前行。所有的示例程序中的電機都是如此編程的。圖3-3 仿真機器人仿真程序框圖 四 機器人（喬）機器人喬，即仿生態(tài)四足爬行機器人，是一種基于仿生學原理研制開發(fā)的新型足式機器人，足式機器人的立足點是離散

22、的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達到的地面上選擇最優(yōu)支撐點。此外，足式機器人采用類似生物的爬行機構進行運動，比其他機器人具有更多的優(yōu)點：它可以較易的跨過比較大的障礙，并且機器人足所具有的大量自由度可以是機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應能力更強；仿生態(tài)四足爬行機器人比六足機器人機動性強。 圖4-1 喬仿真機器人仿真圖 4-2 機器人圖圖4-2機器人結構件圖 圖4-2 仿真機器人仿真程序 五、仿真機器人（吉姆）到此，我們所做的機器人都可以行走一段路了。但是都是爬行，吉姆是我們組裝的唯一一個可直立行走的機器人，仿真對象更接近人類，動作方式也更貼近人類的行為習慣，但是也不能很好的仿真。圖5-1 移動機器人仿真圖圖5-2吉姆仿真機器人仿真程序六任務分配1 朱 玥：小組長，機器人搭接方案設計；2 張 鑫：設計電路圖和搭接電路圖；3 祝烽哲：資料的查閱及整理；4 祝傳林：編程和調試；5 楊德鵬：元件的選擇及分析和協(xié)助安裝；6 楊博珺：畫結構簡圖，拍照，協(xié)助拆裝；7 翟通宇：論文的整理和編