避崖机器人的设计毕业设计.docx
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避崖机器人的设计毕业设计
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2013年3月10日
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2013年3月10日
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1机器人概述
1.1机器人的定义
“机器人”是存在于多种语言和文字的新造词，专家们采用不同的方法来定义这个术语。
它的定义还因公众对机器人的想象以及科学幻想小说、电影、电视和网络对机器人形状的描述而变的更为困难。
为了规定技术、开发机器人新的工作能力和比较不同国家和公司的成果，就需要对机器人这一术语有某些共同的理解。
现在，世界上对机器人还没有统一的定义，各国有自己的定义，这些定义之间差别较大。
国际上，关于机器人的定义主要有如下几种：
（1）英国简明牛津字典定义。
机器人是“貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器”。
这一定义并不完全正确，因为还不存在与人类相似的机器人在运行。
这是一种理想的机器人。
（2）美国机器人协会（RIA）的定义。
机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手（manipulator）”。
尽管这一定义较实用些，但并不全面。
这里指的是工业机器人。
（3）日本工业机器人协会（JIRA）的定义。
工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器（endeffector）的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。
或者分为两种情况来定义：
（a）工业机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机器装置”。
（b）智能机器人是“一种具有感觉和识别能力,并能够控制自身行为的机器”。
前一定义是工业机器人的一个较为广义的定义，后一种则分别对工业机器人和智能机器人进行定义。
（4）美国国家标准局（NBS）的定义。
机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。
这也是一种比较广义的工业机器人定义。
（5）国际标准化组织（ISO）的定义。
“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置,以执行种种任务”。
显然，这一定义与美国机器人协会的定义相似。
（6）关于我国机器人的定义。
随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制定关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义。
蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”（amechantronicdevicetoimitatesomehumanfuntions）。
上述各种定义有共同之处，即认为机器人
（1）像人或人的上肢，并能模仿人的动作；
（2）具有智力或感觉与识别能力；（3）是人造的机器或机械电子装置。
随着机器人的进化和机器人智能的发展，这些定义难免都有修改的必要，甚至需要对机器人重新定义。
1.2机器人学的进展
1.2.1世界各国的机器人发展
1.美国
美国是机器人的诞生地,早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称"机器人王国"的日本起步至少要早五六年。
经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚技术先进。
综观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。
由于美国政府从60年代到70年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。
对于企业来说，在只看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使用刚性自动化装置上，也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。
加上，当时美国失业率高达6．65％，政府担心发展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机器人，这不能不说是美国政府的战略决策错误。
70年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。
进入80年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。
80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了美国60％的机器人市场。
尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。
其技术全面、先进，适应性也很强。
具体表现在：
1）性能可靠，功能全面，精确度高；
2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；
3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；
4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。
早在1966年，美国Unimation公司的尤尼曼特机器人和AMF公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。
1967年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。
接着，英国HallAutomation公司研制出自己的机器人RAMP。
70年代初期，由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的Lighthall报告，对工业机器人实行了限制发展的严厉措施，因而机器人工业一蹶不振，在西欧差不多居于末位。
但是，国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到：
机器人技术的落后，导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。
于是，从70年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛
2.法国
法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。
这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。
法国机器人的发展比较顺利，主要原因是通过政府大力支持的研究计划，建立起一个完整的科学技术体系。
即由政府组织一些机器人基础技术方面的研究项目，而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界很快发展和普及。
3.德国
德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。
这里所说的德国，主要指的是原联邦德国。
它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。
其所以如此，是因为德国的机器人工业一起步，就遇到了国内经济不景气。
但是德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的。
因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。
到了70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在"改善劳动条件计划"中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。
这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。
日尔曼民族是一个重实际的民族，他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则。
除了像大多数国家一样，将机器人主要应用在汽车工业之外，突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业，报废了旧机器，购买了现代化自动设备、电子计算机和机器人，使纺织工业成本下降、质量提高，产品的花色品种更加适销对路。
到1984年终于使这一被喻为"快完蛋的行业"重新振兴起来。
与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。
经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。
4.前苏联
在前苏联（主要是在俄罗斯），从理论和实践上探讨机器人技术是从50年代后半期开始的。
到了50年代后期开始了机器人样机的研究工作。
1968年成功地试制出一台深水作业机器人。
1971年研制出工厂用的万能机器人。
早在前苏联第九个五年计划（1970年一1975年）开始时，就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。
到1975年，已研制出30个型号的120台机器人，经过20年的努力，前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。
国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段，来安排机器人的研究制造；有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作，都由政府安排，有计划、按步骤地进行。
5.中国
有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。
这是一种误解。
在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。
它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。
我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。
十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。
目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。
我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。
1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。
就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。
6.日本
日本在60年代末正处于经济高度发展时期，年增长率达11％。
第二次世界大战后，日本的劳动力本来就紧张，而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。
为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。
正是由于日本当时劳动力显著不足，机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。
日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人，从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。
尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策，如由政府银行提供优惠的低息资金，鼓励集资成立“机器人长期租赁公司”，公司出资购入机器人后长期租给用户，使用者每月只需付较低廉的租金，大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担；政府把由计算机控制的示教再现型机器人作为特别折扣优待产品，企业除享受新设备通常的40%折扣优待外，还可再享受13％的价格补贴。
另一方面，国家出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。
这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。
按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：
“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进人普及提高期。
”并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年”，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。
日本政府和企业充分信任机器人，大胆使用机器人。
机器人也没有辜负人们的期望，它在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面，发挥着越来越显著的作用，成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。
日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。
从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。
此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场……这使“山姆大叔”后悔不已。
日本由于制造、使用机器人，增大了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施，奋起直追第一台工业机器人问世后头十年，从20世纪60年代初期到70年代初期，机器人技术的发展较为缓慢，许多研究单位和公司所做的努力均未获得成功。
这一阶段的主要成果有美国斯坦福国际研究所（SRI）于1968年研制的移动式智能机器人夏凯（Shakey）和辛辛那提.米拉克龙（CincinnatiMilacron）公司于1973年制成的第一台适于投放市场的机器人T3等。
进入20世纪70年代之后，人工智能学界开始对机器人产生浓厚兴趣。
他们发现，机器人的出现与发展为人工智能的发展带来了新的生机，提供了一个很好的实验平台和应用场所，是人工智能可能取得重大进展的潜在领域。
这一认识，很快为许多国家的科技界、产业界和政府有关部门所赞同。
随着自动控制理论、电子计算机和航天技术的迅速发展，到了70年代中期，机器人技术进入了一个新的发展阶段。
到70年代末期，工业机器人有了更大的发展。
进入80年代后，机器人生产继续保持70年代后期的发展势头。
到80年代中期机器人制造业成为发展最快和最好的经济部门之一。
到20世纪80年代后期，由于传统机器人用户应用工业机器人已趋饱和，从而造成工业机器人产品的积压，不少机器人厂家倒闭或被兼并，使国际机器人学研究和机器人产业出现不景气。
到90年代初，机器人产业出现复苏和继续发展迹象。
但是，好景不长，1993～1994年又出现低谷。
1995年以来，世界机器人数量逐年增加，增长率也较高。
到2000年，服役机器人约100万台，机器人学仍然维持较好的发展势头，满怀希望跨入21世纪。
1.2.2应用范围遍及工业、科技和国防的各个领域
在日本，工业机器人应用的最多的工业部门依次为家用电器制造、汽车制造、塑料成型、通用机械制造和金属加工等工业。
在美国，制造工业中的焊接、装配、搬运装卸、铸造和材料加工所使用的机器人占多数；其次则为喷漆和精整用机器人。
在前苏联国家，机器人的应用范围包括钟表和汽车零件的组装、原子能电站的维护、锻压加工、水下作业、装卸作业以及对人体有害物资的化学处理等。
1.形成了新学科——机器人学
机器人技术的迅速发展，已对许多国家的工业生产、太空和海洋探索、国防以及整个国民经济和人民生活产生了重大影响，而且这种影响必将进一步扩大。
当一种工业、技术和经济发生重大变化时，总是要求科学和教育系统发生与之相适应的调整和发展。
发展知识经济对机器人的需求和机器人工业的迅速发展，为机器人学的建立奠定了基础。
现在，机器人学这一新学科已从它的幼年时代转入朝气蓬勃的青年时代。
许多国家先后成了机器人协会或学会。
在美国、英国、瑞典和日本等国，还设立了机器人会议（ISIP）、国际工业机器人技术会议（CIRT）、国际自控联（IFAC）等等。
在我国，1985年已先后在几个学会内设立了机器人专业委员会，以组织和开展机器人学科的学术交流，促进机器人技术的发展，提高我国机器人学的学术水平和技术水平。
中国人工智能学会智能机器人学会也于1993年成立。
并成功地举办了四次全国性的学术会议。
从1987年起，由中国电子学会、中国自动化学会、中国人工智能学会、中国机械工程学会、中国汽车工程学会、中国宇航学会、国家863计划智能机器人专家组、国家863计划空间机器人专家组和中国机器人工程协会等联合举办的全国机器人学术讨论会，每两年左右举办一次。
2.机器人向智能化方向发展
目前在工业上运行的90%以上的机器人，都不具有智能。
随着工业机器人数量的快速增长和工业生产的发展，对机器人的工作能力也提出更高的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的机器人和特种机器人。
在我国，也已把智能机器人列入国家高技术计划，足以证明政府有关部门对发展智能机器人的高度重视。
经过近15年的努力，我国的智能机器人研究与开发已取得丰硕成果。
2避崖机器人的设计总方案
2.1避崖机器人的设计任务及描述
设计任务：
用单片机及其相应的各种必要硬件组成的一个简单的避崖机器人，要求这个机器人在移动的过程当中能够检测到白底的边缘，避开边缘继续运动，当碰到障碍物时也能自动避开，若检测到边缘步进电机伴有音乐或声音报警。
场景图
场景描述
用白色线将设在一个空房间内4个障碍物及一条白色线围起来,机器人从A点出发绕过障碍物及避过白线到达B点。
其中白线代表悬崖。
2.2避崖机器人的基本设计方案
设计思想：
我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。
所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：
服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。
在特种
机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。
目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：
制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。
基本设计方案：
基本设计方案：
设计的机器人在软件及硬件的支持下能够发现障碍并自主的躲避障碍,选择一条可行的路径。
其中发现障碍我选择红外传感器,可测一定范围的距离。
在测定范围内可以发现障碍物,测定障碍物距离达到避障目的。
避崖机器人装有红外光电收发一体光电管，，用来识别地面黑白颜色。
白色的地面有反光，黑色的地面无反光,从而达到避崖目的。
2.3避崖机器人的总方案
避崖机器人的控制系统的功能框图如图2.2所示：
检测信号
图2.2避崖机器人的控制系统的功能图
2.4对避崖机器人方案的理想设计
在本文中，我们将避崖机器人的设计过程主要分成两个大部分来分析：
避障部分和避崖部分。
2.4.1避障部分的设计
检测障碍物，必须充分收集周围环境信息，对其分析，最后确定障碍物的位置信息。
常用的检测手段有主动式和被动式。
前者主动发射信号，再对的反射回的信号进行分析处理。
被动式检测直接分析接受到的外部环境信号，要求系统自身信号处理能力较高。
在本设计中我们选用了被动式检测手段。
传感器位置如图2.3所示，4个传感器分布在以22.5cm为半径的圆上，相隔角度为45度，前方可测量范围120度，可以计算得到，两两传感器间的死区为40cm，测量最大有效距离是350cm，超过该值则认为前方没有障碍物。
C
B
D
A
45度
图2.3坐标标定
机器人运动方案的确定：
机器人的运动速度设置为较小（可以是0.2m/s）每次转向转角15度，6个传感器认为左、中、右三组，以每组传感器测量小的值为该组传感器量到的障碍物距离，测量中会出现图2.4中的几种情况。
（1）三组传感器的值都不等于-1：
图2.4（a）为这种情况，三组传感器都探测到了障碍物。
图2.4（a）中，d大于d1，此时机器人应向右转，反之，与图2.4（a）情况对称，如果dr大于d1，则机器人应向左转。
（2）两组传感器的值不等于-1:
图2.4（b），（c），（d）都属于这种情况。
图2.4（b）中，机器人正前方没有障碍，则机器人保持原来前进方向，不做转动；图2.4（c）中，dc>dr*cos（H），dl=-1，则机器人应该向右转；或者与之对称，dc>dl*cos（H），dr=-1，则左转。
图2.4.2（d）与图2.4（c）条件相反，dc（3）仅一个传感器的值不等于-1:
图2.4（e）和图2.4（f）均是这种情况，对于图2.4（e）中情况，左右都不存在障碍，则默认右转；图2.4（f）中，dc=dr=-1,则右转，对称可知，dc=dl=-1，则左转。
d1
图2.4移动机器人与障碍的相对位置关系
（4）两个传感器感受到障碍物:
图（b）d1与dr之间如有足够的角度且两障碍物之间有足够的距离可以让机器人通过,则机器人调整方向,从中间通过。
但在本设计中考虑到性价比我们只选择了三个接触传感器分别装在机器人的左、中、右三部位。
2.5避崖部分的设计
避崖机器人装有红外光电收发一体光电管CNY70，作为机器人的“眼睛”，用来识别地面黑白颜色。
白色的地面有反光，黑色的地面无反光。
（注：
本避崖机器人只限定在室内的理想环境中运行，环境桌面为白色，周围避崖部分为黑色）。
同时也可设定程序使本机器人具有寻迹功能，原理大致相当，按照黑色轨道（白底上用黑色胶布贴成）声控启动寻迹，按黑色轨道行走，当左右光电管接受到白色反光信号时，说明机器人已偏离黑线，则程序自动调整电机转向，从而沿黑线行走。
红外光电收发电路原理如图2.5所示。
图2.5红外光电收发管电路原理图
其中：
SL1左光电管，用于左侧寻迹识别，由程序设定电机动作。
SM1中间光电管，用于中间或前方寻迹或避崖识别，由程序设定电机动作。
SR1右光电管，用于右侧寻迹识别，由程序设定电机动作。
SL2左光电管（同SL1共用一个I/O口），用于左侧避崖识别。
若转过90度安装，可用来识别左侧墙壁或避崖，由程序设定电机动作。
SR2右光电管（同SR1共用一个I/O口），用于右侧避崖识别。
若转过90度安装，可用来识别右侧墙壁或避崖，由程序设定电机动作。
3避崖机器人的硬件介绍
单片机是以大规模集成电路为主的微型计算机，又称为嵌入式微控制器。
由于单片机具有功能强、体积小、可靠性高和价格便宜等有点，使之成为许多电子控制装置的首选控制器。
在本文中选用的是美国ATMEL公司1997年推出的AVR单片机系列。
3.1AVR单片机的性能特点
AVR单片机采用RISC结构，具有1MIPS/MHz的高速运行处理能力；同时采用低功率，非挥发的CMOSE工艺制造，内部分别集成Flash,EEPROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器。
特别地，除了可以通过SPI口和一般的编程器对AVR单片机的Flash程序存储器和EEPROM数据存储器进行编程外，还具有在线编程的特点，这给调试和使用带来了极大的方便。
在AVR家族中，ATmega16芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机Mega系列的全部优点，其价格于低档单片机相当，具有很高的性价比，较AVR的AT90系列相比，其6通道的A/D转换是AT90系列所不具备的。
同时，Mega系列的高可靠性完全保证了在避崖机器人设计中无需光电隔离的直接输出方式，故在避崖机器人的主控系统选用ATmega16单片机。
3.1.1ATmega16/ATmega16L芯片的性能特点
高性能、低功耗的8位AVR微处理器。
先进的RISC结构：
131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期，32个8
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