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机器人设计范文1
关键词：机器人；轮腿式；电子控制
中图分类号：TP242 文献标识码：A
0.引言
机器人是给人提供方便或拓展人活动范围的工具：提供方便，诸如扫地机器人；拓展人的活动范围，诸如科考类机器人。在自然和人类社会中，存在一些人类无法到达的地方及不适合人类达到的场合，如灾难发生的矿井、防灾救援和反恐等。
与双足和四足机器人相比，六足和八足机器人具有独特的非连续支撑行走方式，即在某条腿失稳情况下机器人仍具有良好的运动稳定性，同时具有不同的步态以应对不同的地形环境；与八足机器人相比，六足具有相对简单的机械结构，同时也使得控制算法生成较方便可以预见，这些优点将使六足机器人成为在复杂环境下机器人作业的最佳选择。同时，采用六足在需要时可将其中的两足转化成操作臂，进行手臂操作。因此，对六足机器人的研究具有深远的理论价值和工程应用意义。
因此课题进行研究的是一款陆地移动机器人――多功能六足轮腿式机器人。所述多功能六足轮腿式机器人，轮腿融合并且腿臂可转换，将在救援行动和探测活动中得到广泛应用；如果在机器人上搭载更多的模块，其将具有更多的功能并可以被应用在更多的领域中。
1.机器人机械本体设计
1.1 六足轮腿设计
根据对昆虫生理结构的分析，根据仿生学的知识设计了如图1中左图所示六足机器人。该机器人由6条腿和机器人本体构成，6条腿分别分布在机器人本体两侧，每侧三条腿。现在以编号为②的腿进行腿部结构的详细介绍。腿部由连杆CE、CB、AB组成，在C、B、A处分别通过转动副连接，腿在A处通过转动副与主体相连。在这一腿部机构中CE最长、CB长度中等、BA长度最短，以此模拟六足类昆虫腿部的真实情况，便于模拟昆虫实际运动方式。
对机器人腿的自由度进行分析，以腿②为例，该腿部机构中，活动构件数为3，运动副中低副的个数为3，高副的个数为0，因此该机构的自度为：
F=3n-2Pl-Ph=3×3-2×3-1×0=3
因此该腿部机构的自由度为3，要使连杆AB、BC、CE获得确定的运动，需要增添3个驱动。因此在A、B、C三个转动副处添加电机作为驱动，即通^控制3个电动机即可使整个机构如昆虫的足一样前后移动，同理剩余的5条腿也是如此运动。至此，基于模拟昆虫运动，完成了六足机器人机械本体的设计。
由于机器人执行任务的需求，需要在到达指定位置时进行一些抓取操作。但为了进行抓取操作再增添操作臂则显得太过于复杂，因此将机器人腿与操作臂进行结合设计，机器人前部的腿①与腿⑥可以转换成机械臂，后部的4条腿用于支撑，将前部的腿转换成操作臂进行抓取操作。
设计的机器人通过机械腿和轮式结构进行移动，前部的两条腿可以转换成机械臂进行夹持操作。在平缓的公路上机器人可以通过轮式结构移动，在崎岖的路面上可以通过机械足进行移动，这样的设计大大提高了移动效率。
1.2 操作臂设计
如2.1所述，腿①与腿⑥可以从腿部结构转换为操作臂，在腿部结构的末端F处可以增添夹持手。设计该夹持机构时以结构简单、能进行简单操作为原则，在设计时模拟螃蟹的夹持手。
根据仿生学知识设计如图2所示的夹持手，该夹持手由上下两部分对称的夹持指组成，下面以上部夹持指为例进行详细的说明。该夹持手由连杆OJ、JL、NK组成在O、J、K、N处分别通过转动副连接，O、N处转动副与夹持手基座相连。下部夹持指的结构与上部夹持手完全一样。上下两个夹持指通过两个齿轮连接，两个齿轮分别与连杆OJ、PH固连，即齿轮转动时两个连杆也随之一起运动。
对该夹持机构的自由度进行分析，以便确定原动件数目，以及需要多少电机驱动。该机构中，活动构件数为6，运动副中低副的个数为8，高副的个数为1，因此该机构的自度为：
F=3n-2Pl-Ph=3×6-2×8-1×1=1
因此该机构的自由度为1，需要一个电机进行驱动。在转动副O处增添电机，使齿轮转动，进而带动连杆OJ转动；通过啮合的齿轮使得下部连杆PH也转动，最终即可实现夹持指末端LM的张开和夹紧，即可实现对物体的抓取操作。夹持手通过灰色框线表示的夹持手基座与机器人足末端相连。当LM接触，即夹持指并拢时作为机器人足可以行走；当腿①、⑥抬起时，即可进行抓取操作。至此，完成了六足机器人操作臂夹持手的设计。
2.机器人电子控制系统设计
2.1 电子系统整体设计
为了能够让机器人有运动的能量，需要在机器人本体上布置电池功能模块；为了控制各个电机按照指定指令运动，需要布置电机控制器模块；为了对机器人进行远程控制、与外部环境进行交互，需要在机器人上增添一些交互设备。
机器人电子系统整体如图3所示，驱动电机布置在各个驱动关节处，通过线缆与电机控制器相连；其他电子设备均集中安放在机器人本体处。机器人本体分为上中下3层，分别为设备、控制器和电池。
2.2 控制及交互设计
对电机控制、设备等各部分进行详细地设计说明。
电机控制模块：电机安装在各个驱动关节处。机器人运动有自主和远程控制两种运动模式，自主运动模式是不需要外界实时给机器人运动指令，机器人可以自行运动；远程控制是通过远程控制软件实时给机器人发送运动指令。同时还可以控制机器人前部的两个腿变换为操作臂，并通过末端的夹持器实现对物体的夹取。
语音与图像交互模块：麦克风与摄像头安装在机器人本体最上层，通过麦克风、摄像头可进行语音和图像的交流。灾害发生需要救援被困人员时，可以让机器人进入一些人无法进入的狭小空间。
手势识别及地图重建模块：增添现有的一些3D体感摄像机，通过摄像机捕捉并分析得到人手的手势动作，将捕捉到的手势与之前程序中预设的进行比对，再让机器人进行相应的操作。无线模块：在机器人本体最上层安装天线，通过此天线实现机器人各种设备、电机控制器与远程控制软件之间的通信；远程控制可以通过电脑控制程序实现。
结论
本文运用仿生学的知识，通过模拟足形昆虫腿式结构，并且结合轮式机器人的特点，设计了一种多功能轮腿式六足机器人。该机器人可采用足式与和轮式两种行走方式在两个足末端安装有夹持手可进行抓取操作。通过安装3D体感摄像机等设备，实现与外部的语音图像交互以及手势操控、地图重建等功能。所设计的机器人结构新颖、功能丰富，具有很强的实用价值。
参考文献
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机器人设计范文2
关键词：灭火机器人；传感器；编程策略
中图分类号：F49
文献标识码：A
文章编号：16723198（2013）01017402
0引言
随着现代科技的飞速发展，机器人在人们生产生活中发挥着越来越重要的作用，在某些特殊领域可以代替人完成人们不可能完成的任务，例如机器人可以参与救援、排爆、消防等。机器人学科涵盖面广，综合了机械、电子、自动控制、传感器、通信和人工智能等多学科的最新技术。目前，很多高校已经开设机器人实践教学课程，同时，国际上还推出不同类型的机器人比赛，为了适应国内机器人教学的发展趋势，借鉴国内机器人生产厂家乐高、广茂达等机器人制作经验，自行设计开发了基于国际赛制灭火比赛规则的机器人。
1选择嵌入式ARM CortexTM-M3为灭火机器人处理器
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及通信和语音图像技术与各个行业的具体应用相结合形成的产物，既具有硬件扩展功能还有软件开发功能。将嵌入式系统应用于灭火机器人的控制器中，使机器人更加的智能化、网络化和小型化。
ARM CortexTM-M3内含32位72 MHz时钟主频，能执行实时多任务进行快速中断响应。CPU 含有5 级流水线，
紧耦合存储器（TCM），跳转指令高速缓存（BC）等性能增强部件，使得每秒种可执行约1 亿1 千万条机器指令。允许用户自调主频以适应不同的应用场合，具有64Kb 随机存储器（RAM）和512kb 程序存储器（Flash ROM）。
2灭火机器人传感器系统总体设计
传感器用于实时监测周围环境信息，描述机器人与环境的相互关系。主要使用红外光电传感器、180。全方位探测复眼、地面灰度传感器、内置式数字指南针和声音启动模块，灭火机器人传感器分布如图2所示，（〖XC李宗学-03.TIF〗表示红外光电传感器；表示火焰探测传感器）。
2.1红外光电传感器
主要是用来检测障碍物的，搜索蜡烛所在房间是避免碰撞发生和检测房间门口，也称距离传感器（PSD传感器）。红外光电传感器的检测距离为10cm～80cm。通过发射和接受红外线来确定障碍物的远近。
2.2180°全方位火焰探测传感器
在灭火比赛中主要用于寻找火源。当输出电压约等于0时表示没有火焰，当输出电压为0.5～2.5V时表示探测到火焰。有效探测距离2m，探测角度为60°，在每个半圆形区域共有7个通道，180°扫描范围，同时在机器人前后对称安装2个，则可以覆盖360°范围。
2.3灰度传感器
根据不同颜色地面对光的反射程度的不同，通过比较电压来检测场地内的房间入口白线、火焰范围及出发处。
2.4数字指南针
数字指南针连接于控制卡的I2C端口，机器人通过数字指南针能够明确自己在灭火场地中的位置，智能定向，使机器人能顺利搜索各个房间和在灭火后顺利返回出发点。
3程序设计
有了以上的硬件基础，还要有优化的程序来支撑，我们采用在房间门口白线处检测房间内有无火焰的方法，节省时间，减少碰撞。灭火全过程共由避障、找火、灭火和回到出发点四部分组成。
3.1门口白线处检测火焰的程序设计
利用红外光电传感器，检测墙壁实现无碰撞行走。机器人通过地面灰度传感器检测每个房间入口的白线，在白线处利用火焰传感器和温度传感器快速探测有无火源，如果检测到火源，则走进房间蜡烛周围的白线区域火焰处启动灭火风扇完成灭火，最后返回到出发点。其总体算法流程图如图3所示。
3.2躲避碰撞程序设计
灭火机器人主要通过距离红外传感器，判断距离周围墙壁的远近，从而控制机器人无碰撞行走。无火不进房间策略综合应用了右手、左手法则以及固定线路法来躲避障碍物，以沿右墙走为例说明躲避碰撞搜索房间的程序。通过红外光电传感器设置多个条件判断，对机器人下一步的运动方向做出精准的判断，从而躲避碰撞。如表3所示，其中PSD2为右45度角红外传感器，PSD1为右红外传感器。
3.3机器人寻找火源及回家程序设计
当机器人前、后两个灰度传感器检测的灰度值有较大差距时，则说明机器人处于房间的门口白线处。这时左、右火焰传感器和温度传感器检测火源，通过前、后温度传感器值来判断房间是否有火。如果有火源则进入灭火阶段，通过检测左右火焰探测传感器的值来调整机器人位置使其正对火焰，最后启动风扇将蜡烛熄灭。
在对火源进行灭火后，需返回且停在出发点位置。返回路线根据机器人所处的房间不同而不同，如果在1号或者4号房间灭火后走右手法则回家；如果在3号房间则灭火后走左手法则回家；如果在2号房间灭火后先走左手法则，然后走固定直线线路返回到出发点位置。当机器人的地面灰度传感器检测前后皆为白色并且红外光电传感器检测前面有墙壁时结束程序，即回到出发点成功灭火。
4总结
灭火比赛的任务是机器人以最短时间找到火源并熄灭。成功灭火并且用时最短者获胜。机器人遍历4个房间后，熄灭4号房间的火源，实际灭火时间大约为7秒左右，接近于国内领先水平，其余房间实际灭火时间均在6.5秒以下。实验表明设计的灭火机器人能够较好完成灭火任务.具有一定使用价值。该设计的创新之处是以ARM CortexTM-M3为核心的嵌入式系统的控制器能够高速采集和处理传感器信号。实现7S内完成任意房间灭火，并且成本较低，有利于智能机器人早日实现市场化；通过沿墙行进规则的设计，机器人的灵敏度和适应外界变化的特性明显提高.且程序简捷，有利于模块化编程。
参考文献
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[8]陶敏，陈新，孙振平.移动机器人定位技术[J].火力与指挥控制，2010，35（7）.
机器人设计范文3
关键词：机器人；变半径管道；修补；蜗轮蜗杆
1 前言
目前细小型管道已广泛应用在电力，制冷，航空航天等领域。而随之而来的细小的查漏、排障、修补等问题也日益引起业界的广泛关注。本文所研制的机器人主要应用于内径50-70mm的管道中的查漏和修补，通过机器人携带的超声波传感器及红外线传感器可排查阻塞管道的障碍和检测管道缝隙，机器人上安装有修补剂涂抹机构，通过CCD成像技术可使机器人准确的修补管道缝隙。
2 总体结构设计
本研究中机器人主要由行走机构，变径机构，涂胶及检测机构组成；总体结构示意图，如图1所示：
图1 总体结构图
1.变径机构 2.行走机构 3.涂胶及检测机构
2.1 行走机构
机器人的行走机构由四个行走单元组成，每个单元固定在变径滑道上，由此组成机器人的行走机构。行走单元机构示意图如图2所示：
图2 行走机构
1.支架 2.从动轮 3.驱动电机 4.从动轮连杆
5.从动轮扭簧 6.从动轴 7.主动轮
8.主动轴 9.蜗轮 10.蜗杆
机器人行走时由3驱动10带动9和8旋转，主动轮7带动机器人在管壁内行走，从动轮2通过扭簧5及从动轮连杆的被动的适应在管壁上，由于机器人的行进从动轮2从动旋转以增加机器人和管道壁的接触长度。
2.2 变径机构
变径机构部分主要有滑道、滑块、连杆及拉簧组成。机器人进入管道时拉簧要有一定的预紧力，以增加机器人行进的驱动力，机器人行进至变半径管道时，由于管道半径发生了变化，导致机器人行走单元上相对主动轮间的距离变化，连接各单元的拉簧长度变化致使滑块在滑道上滑动，从而适应变化后的新半径。具体结构如图3所示：
图3 变半径机构
1.单元固定块 2.拉簧 3.变径连杆 4.滑块
5.行走单元 6.滑道 7.主动轮
8.支架 9.扭簧 10.从动轮
机器人行走在变半径管道内，当管道半径发生变化时，3、4、7可视为的摇杆机构，由扭簧2的伸缩带动滑块4在滑道6上滑动，滑块4通过变径连杆3拉动支架8沿管壁半径方向摆动，使主动轮7适应管内半径的变化，从动轮10通过扭簧9的作用也在管道半径方向上摆动，从而适应管道半径的变化。
2.3 涂胶及检测机构
图4 涂胶及检测部分
1.推出电机 2.检测摄像机 3.推出丝杠
4.行进摄像机 5.浇池 6.注胶电机
机器人在管道里行进时通过行进摄像头4实时监控管道内的情况，摄像机前端安装有一周LED发光体，通过手持终端来调整机器人的速度和姿态，通过检测摄像机2反馈回的图像信号检测管壁的情况，当发现管壁有需要作业的区域，通过手持终端的控制，驱动电机3带动浇池5沿管壁半径方向调整，当对准作业区域时，电机6旋转通过丝杠螺母机构挤压浇池5，使胶涂抹在作业区域，完成一次作业任务。
2.4 机器人的转弯
机器人的转弯是通过控制行进电机的差速实现的，通过控制行进电机的速度及旋转方向可以使机器人在狭小管道内灵活的转弯。
5 总结
基于直流电机驱动蜗轮蜗杆机构、扭簧和连杆机构被动适应的细小管道机器人，采用这种机构可以提高机器人的爬行牵引力，结构简单、紧凑，能适应不同的管道半径，转弯灵活，控制简单，其力学特性分析证明，保持较小的姿态角能提高机器人的牵引力，管道被动适应机构的张开过程是一个复杂的受力过程，在设计中应给予着重考虑。
参考文献
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[4] 张秀丽. 一种小型管道检测机器人[J]. 机器人, 2001(10)： 626-629
机器人设计范文4
关键词：人形机器人；单片机；软件
中图分类号：TP242 文献标识码：A
0.引言
如今，机器人技术在军事、生产和生活领域中得到了广泛的应用。随着机械化、自动化和智能化技术的发展，许多先进的技术已应用于各类机器人中。人形机器人的出现是控制科学、传感器技术、人工智能等学科的技术进步。人形机器人的设计和发展在生活中应用前景较广，如引路机器人、点菜机器人、问询机器人等。本设计完成了一个具有17关节的机器人外形设计和零部件加工制作、电路设计和搭建和软件编程调试，最终实现了一个能够按照预先设置程序而动作的机器人。
1.外形设计
要使机器人动起来，必须借助电机的转动控制机器人的关节以某种规则转动。人形机器人整体采用1.5mm厚轻质铝板手工加工而成，如图1所示。机器人头部采用一个90°的9g舵机带动，可以实现头部的左右转动运动。其余16个舵机均采用270°的60g金属齿大扭矩舵机。每条手臂由3个舵机构成，其中一个舵机固定在胸板上，控制手臂的前后旋转运动；一个舵机控制手臂的上下运动；一个舵机控制小臂的运印C刻跬炔坑4个舵机组成，其中最上方舵机控制腿部左右运动；其余3个舵机控制腿部弯曲的运动。每只脚部由1个舵机组成，控制脚部左右方向的运动。除了胸板、胸板外壳、头部、脚板以外，其余所有关节连接均采用标准件完成。机械连接件均在本校内加工中心由师生共同完成。最终机器人高度为500mm，宽度270mm，臂展560mm，臂长180mm，总质量约1.5kg。
经测量，机器人重心在膝盖附近。机器人重心越低，机器人运动越加平稳。反之机器人重心约高，机器人稳定性越差。本设计电源分布在机器人胸板偏下，两块锂电池左右对称安置，避免破坏机器人的平衡性。
2.电路设计
人形机器人由舵机电源电路、单片机电源电路、单片机最小系统电路和舵机控制电路四部分组成。由于需要同时驱动17个舵机，故本设计采用2块额定电压为7.4V的轻质锂电池为机器人供电，其中头部舵机、单片机最小系统和其中7个关节舵机采用一块电池供电，另外9个关节舵机由另一块电池供电。
因为60g舵机的驱动电流较大，故采用LM29302驱动，其驱动电流可达到3A。为保证供电平衡，本设计中采用4块LM29302构成4个可调稳压电路模块，经调节后稳压输出6V（±5%）为舵机供电，每个模块控制4个舵机。如图2所示为LM29302电路图。头部舵机、单片机最小系统采用LM2940稳压输出5V控制。
机器人核心控制板采用作者本人设计PCB印制电路板，如图3所示。该PCB中需要将XS128最小系统板插入在引脚座中。核心板中包含LM2940稳压电源线路，并引出了最小系统中的80个引脚。
3.软件设计
（1）舵机控制
本设计中的舵机均为数字舵机，采用PWM信号控制。MC9S12XS128系列芯片带有7路引出的PWM输出口，其余10路PWM信号输出采用10个I/O口由软件模拟实现。调试前，先找到每个舵机的中间位置点和运动范围区间，记录角度和对应的PWM值，最终实现线性控制。每个舵机的单独控制可以近似采用y=kx+b的数学模型。
（2）动作控制
程序采用C语言编程，每个舵机关节的运动采用一个独立的函数编写完成，并建立模块化程序，通过各个模块的协调运行实现机器人的协调运动。同时程序中具有良好的可维护性和扩展性，可以满足随时加入新的动作。本设计编写了一套“舞蹈”动作和一套行走动作。
（3）单片机初始化
本设计采用MC9S12XS128型号单片机。其中包含以下初始化程序模块：PLL模块主频80MHz；PWM模块不级联输出；PIT定时中断和外部触发中断；I/O输入输出接口模块。
结论
人形机器人在今后生活中的应用前景较大，配有GPS功能、语音功能和网络化管理的人形机器人是未来人形机器人发展的趋势。但这些智能化的功能都需要以机器人稳定的行动能力为基础。经验证，本设计的机器人能够实现基本动作的展示和行走。下一步，可以在本文研究的基础上，加入如语音问询和导航功能，从而进一步提高人形机器人的智能化程度。
参考文献
[1]虞汉中，冯雪梅.人形机器人技术的发展与现状[J].机械工程师，2010（7）：3-4.
机器人设计范文5
关键词：STM32单片机、限位开关、步进电机
Abstract： The solar cell board cleaning device is controlled by STM32 microcontroller as the control part，Connecting the rail （belt drive） with two two phase hybrid stepping motor，XY rectangular coordinate system is composed of a solar panel to clean the solar panels.A line of cleaning is carried out at the level of the horizontal direction，End of a line，The vertical direction of stepper motor drives the horizontal guide rail overall move a distance by the limit switch trigger，Then the horizontal direction of the cleaning device and then a line level，So go round and begin again until the entire cleaning， cleaning the panels.At this point， the limit switch to the end of the vertical guide rail，The whole device will be reversed in the vertical direction to the starting position， then the cleaning will be completed.
Key word：STM32 single chip microcomputer、Limit switch、Stepper motor
0引言
随着时代的发展，节能成为当今社会的又一大主题。其中，太阳能成为大家的研究对象。太阳能电池板将会成为世界节能的主流方向。目前，国内家用太阳能电池板越来越普及，但若要清理电池板，则需我们人为的清理。由于太阳能电池板大多安装在较高处，一般情况很难清理。而我国在清洁太阳能电池板机器人这块儿，仍处于初期的探索阶段，很多核心技术尚未掌握，市面上也很少有太阳能电池板清洁机器人。所以对清洁太阳能电池板机器人的设计的研究就显得十分重要，使其可以在危险的环境下替代工人劳动，并且已在各个领域发挥不凡的作用。
从市场供应层面看，虽然国际市场已经有类似的产品，但是日本掌握着较为成熟的技术和生产，我国在这方面仍处于各方探索的初期阶段，深入研究和创新仍是我们的目标。从市场需求层面看，环保节能逐渐成为生产的宗旨，太阳能电池板提供的清洁能源且取之不竭，家用太阳能的供电模式将成为主导，保持板面清洁是提高效率的必要选择，在我国已有的研究成果上扩大其功能和适用范围是我们研究的终极目标。将环保节能意识贯彻始终是我们作此研究的重要意义。
1方案论证与比较
1.1 整体结构选择
方案一：选用外形小车结构的模型，为清洁机器人装上吸附装置、清洁装置、蓄电装置、遥控装置。这种设计方法最终机器人清洁灵活，技术上和产品上较为优越，但是在小车指定区域内循迹难以实现，算法结构较为复杂。技术要求较高，成本昂贵。
方案二：采用机械臂式框架结构设计，采用单片机控制运行轨迹进行清洁，结构简单，成本适宜，实现较大面积清洁相对方便快捷。
相比之下选用方案二。
1.2 电机及运行方式
方案一：电机选择两相步进电机作为驱动装置，两个两相步进电机连接导轨（皮带传送）。组成XY坐标系，以太阳能电池板中心为始点，驱动电机实现有内线外渐开式走矩形路线，直到将板清扫完。此方案的驱动部分程序设计相对复杂。
方案二：电机选择两相步进电机作为驱动装以置，两个两相步进电机连接导轨（皮带传送）。组成XY坐标系，先后驱动水平和垂直方向上的电机，实现清扫装置部分进行己字形路线清扫。此种方法实现简单，程序设计清晰不复杂。故选用方案二。
1.3 清洁装置选择
方案一：在清扫部分使用毛刷，在装置按轨迹运动过程中，带动毛刷将电池板上的灰尘刷掉，并在毛刷周围固定上海绵，进行二次擦拭。此方案设计简单，成本较低，但是对于附着较紧的污渍清扫效果不理想。
方案二：在清扫部分使用直流电机带动圆盘刷进行清扫，这样毛刷可获得较大的动力，清扫效果可以得到明确的提高。故采用方案二。
1.4 单片机选择
方案一：51单片机：价格便宜，引脚功能简单，但对复杂控制有些力不从心。
方案二：STM32系列单片机高性能，低成本，低功耗且功能强大，若以后要对设计进行改进则可方便实现。故采用方案二。
1.5 总体方案论述
此太阳能电池板清洁装置以STM32单片机作为控制部分，以两个两相混合步进电机连接导轨（皮带传动），组成XY直角坐标系对太阳能电池板进行清扫，清扫部分采用直流电机带动圆盘刷随驱动装置按轨迹运动。清扫开始时先在水平方向上进行一行清扫，一行清扫结束，由限位开关触发使得垂直方向上步进电机带动水平导轨整体移动一段距离，然后水平方向上清扫装置再进行一行水平清扫，就这样周而复始的清扫，直至将整个电池板清扫完，此时碰到垂直导轨末端的限位开关，则整个装置将在垂直方向上逆向行驶到启动位置，这时本次清扫将全部完成。装置实物图如图1所示。
图1 装置实物图
1.6 系统总体框图
2 硬件介绍
2.1 太阳能电池板板样
选用模板大小为50cm X 70cm的家用太阳能电池板为实验样板，电池板实物如下：
图2 太阳能电池板
2.2 两相步进电机
本实验选用电机为57BYGH301，其各项参数可在下表中查询：
2.3 M542H 两相混合式步进电机驱动器
M542H 细分型两相混合式步进电机驱动器，采用直流 18～50V 供电，适合驱动电压 24V～50V，电流小于 4.2A 外径 42～86 毫米的两相混合式步进电机。此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转矩波动很小，低速运行很平稳，几乎没有振动和噪音。硬件如下：
图3 步进电机驱动器
2.3.1 电气参数
输入电压： 直流 24～50V 输入
输入电流： 小于 4 安培
输出电流： 1.0A～4.2A
功 耗 功耗：80W； 内部保险：6A
温 度： 工作温度-10～45℃；存放温度-40℃～70℃
湿 度： 不能结露，不能有水珠
气 体： 禁止有可燃气体和导电灰尘
注：拨码开关请在未上电时调好，严禁带电操作，切记！
2.3.2 控制信号接口
PLS+： 步进脉冲信号输入正端或正向步进脉冲信号输入正端
PLS-： 步进脉冲信号输入负端或正向步进脉冲信号输入负端
DIR+： 步进方向信号输入正端或反向步进脉冲信号输入正端
DIR-： 步进方向信号输入负端或反向步进脉冲信号输入负端
ENA+： 脱机使能复位信号输入正端
ENA-： 脱机使能复位信号输入负端
2.3.3 拨码开关
为了驱动不同扭矩的步进电机，用户可以通过驱动器面板上的拨码开关 SW1、SW2、SW3位来设置驱动器的输出相电流（有效值）单位安培，各开关位置对应的输出电流不同。
2.3.4 驱动器接线
一个完整的步进电机控制系统应含有步进驱动器、直流电源以及控制器（脉冲源）。以下为典型系统接线图：
图4 步进电机接线图
3 软件程序流程图
4 实验结果
（1）经过试验测试，此太阳能电池板清扫装置可实现倾斜的电池板的清扫工作，
清扫效果良好，能将附着较紧的污渍清扫干净。
（2）通过加长水平导轨可实现对多块太阳能电池板的跨板清扫。从实际使用效果看总体达到实验基本要求。
5 总结
本次设计刚开始选定题目后，经过讨论选定了一个方案小车模型的清扫装置，但由于设计所需知识水平较高，最终经过较长时间的研究，也没有将实验做出实质性的进展，致使浪费很多时间。当我们从头开始后，汲取之前的教训，最终确定了现在导轨框架清扫方案。
当然在完成设计后仍有许多有待改进的地方，这都是我们今后努力的方向。并且实验中每一个实验成员配合更加默契，更加懂得了团结协作的重要性。这在我们今后的生活工作中都会是非常重要的宝藏。
参考文献：
[1]濮良贵，纪名刚，陈国定，等.机械设计（第八版）[M].高等教育出版社，2007.
[2]大连理工大学工程画教研室.机械制图（第五版）[M].高等教育出版社，2003.
机器人设计范文6
关键词：stm32；传感器；灭火机器人
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.10.127
1 系统整体方案设计
智能灭火机器人在声音或人工启动后 ，左右两侧的电机被驱动旋转，小车在前进的过程中，通过两侧夹角固定红外传感器，来调整两轮的转速，是车体达到前行方向，前行过程中实时监测是否有火源存在，若火焰传感器检测到有火源时，向火源靠拢，当与货源达到一定距离时，温度传感器接收到信号，在单片机处理下使风扇转动，直至火源被灭才停止旋转，然后继续寻找下一火源。
系统总体设计框图如图1。
2 系统硬件设计
2.1 结构设计
在综合考虑工作受地面摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦、电压变化等多个因素影响后，为了方便小车在前进过程中，能够直线前进，且没有左右较大的晃动，而且能够平稳转弯，我们采用圆形车体，两电机驱动，前后各安装一个万向轮。
车体主要由电路板，车底盘，风扇架，车轮等构成，为了更加节省车体空间，我们在设计电路板时，将稳压芯片，电机驱动，stm32芯片都焊接在一块板子上，使整个车体看起来更整洁更美观。在车体前方安装5个红外传感器，并且距中心红外各岔开30度，将两个传感器放在车盘后面，距中心岔开60度。这样能够使探测的范围更大，有利于对墙壁的探测。红外的距离大概8cm，经过检测，这样车体能够最快修正，更加平稳。电池放于车底盘下面，将车的重心降低，更有利于车体稳定。将风扇提高能够略高于火源，而温度传感器与火焰传感器一般与火源同等高度，风扇要有大概10度的向下倾角，这样就能保证最大范围的灭火。
2.2 电源管理模块设计
电源管理模块包括稳压模块与驱动模块。由于单片机及所有的传感器系统供电采用的是5V的电源，而车体要良好的运行电机的供电电压应该达到12V，所以在电源的处理上采用了稳压芯片，LM2596来稳5V，以供传感器使用，电机驱动模块使用直流12V，使用一款MC34063 升压芯片。由于传感器数量较多，尤其红外传感器所消耗的电流较大，这便是我们使用LM2596的原因。
电机驱动芯片我们采用的是 LR7843 ，电机驱动电路为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由4片 N 沟道功率 MOS 管组成，额定工作电流可以轻易达到 100A 以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。该驱动器主要由以下部分组成：功率 MOS 管栅极驱动电路、 IR2104驱动芯片、74HC08D与门芯片等。
2.3 传感器模块设计
红外传感器采用E18-D80NK，传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。红外发射管发射出经过调制过的38KHZ的红外光，当前方没有障碍物时，接收器收不到红外光，相反当前方有障碍物时，接受器可以收到红外光。根据此原理，机器人可以感知前方的路况从而决定是否前行。声音传感器是固定频率声控的，内部含有鉴频器，可以对固定频率音频信号识别；放大器对麦克风的声音进行100倍放大，并从接口插针输出，可以精密多圈电位器调节频率。这样我们就可以更加准确的控制小车，不至于在杂音下启动。温度传感器采用的是DS18B20 测温模块，其板载DS18B20芯片，同时留有3P圆孔座，方便插拔DS18B20芯片，芯片引脚已经全部引出，内置上拉电阻，方便使用，价格便宜，能够精确检测与火源距离，使小车实现完全自动化。火焰传感器与风扇模块选材，满足需求即可，但其位置有较为严格要求，火焰传感器最好使用5路，分布原理与红外传感器分布原理相似，方便在检测火源后校正角度。风扇最好选用大功率空心杯等，能够保证足够的风力灭火，使用继电器控制其开关。
3 软件设计
程序的开发是在Keil开发环境下进行的，包括源程序的编写、编译和链接，并最终生成可执行文件。软件设计部分包括系统初始化、 数据采集与处理、 电机控制、灭火等部分。
在小车接收到信号启动后，实时监测是否有火源存在，在红外传感器没有检测到物体时，小车则向两边斜向靠拢，以便贴近障碍物行驶。若检测到火源，根据火焰传感器来判别火源的方向，并逐渐向火源靠拢，靠近过程中及时修正车体方向，在距火源达到一定距离后，温度传感器接收到信号，通过单片机控制继电开通，促使风扇转动，直至检测不到火源时风扇停止。为防止火复燃，需小车在原地静定几秒钟，确定无火源时再离开，继续寻找下一火源。
4 结论
顺应于现代灭火技术的理念，基于stm32核心处理器，合理搭建小车机械结构，使用红外传感器避障，声音传感器启动，火焰传感器检测火源，温度传感器控制与火源距离，用风扇灭火，我们设计出一种运行稳定，价格低廉，可靠且可行的全自动智能灭火机器人。
参考文献：
[1] （美）麦库姆.小型智能机器人制作全攻略[M].（第4版）北京：人民邮电出版社，2013（06）.
