哈工大暑期机器人课设答辩报告

机器人创新设计与制作

课程设计

题目车载机械臂四轮小车

设计与制作

专业机器人工程

班号组号 1713402 第4组

学生姓名仲帅郑倩陈宇航

指导教师刘亚欣

答辩日期 2019年7月23日

哈尔滨工业大学（威海）

课程设计成绩

基本信息

班号： 1713402 组号： 4 地点： Y315 课程设计时间： 2019 年 7 月 15 日至 7 月 28 日

装订顺序页码

1、封面

2、课程设计成绩Ⅰ

3、课程设计任务书Ⅱ

4、目录Ⅲ

5、正文 1

6、参考文献

7、图纸和程序清单

课程设计成绩

竞赛排名：成绩：

设计分工表

学生成绩

教师签字： 2019年07月 23日

哈尔滨工业大学*********任务书

指导教师签字：李哲2019年1月3日

第1章绪论

1.1课题背景与意义

第三次信息技术革命以来，随着微电子、信息、计算机等技术的快速发展，人工智能技术的发展速度越来越快，智能化产品不断进入人们的生活。中国自1978年把“智能模拟”作为国家科学技术发展规划的主要研究课题，开始着力研究智能。从概念的引进到实验室研究的实现，再到现在军事、航天航空、勘探等高端领域的应用，为智能化理论的全面发展奠定基石。人工智能的理论方案、分析方法及特色创新都可以为国内采矿勘探机器人、自动运输机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及提供一定的参考。

人类可以利用自己的听觉、视觉、味觉、触觉等功能获取事物的信息，人类的大脑再根据已经掌握的知识对这些信息进行综合分析，从而全面了解认知事物。这样一个认识事物、分析事物和处理信息的过程称之为信息融合过程。多传感器信息融合的基本原理就是模仿人类大脑的这个过程，得到一个对复杂对象的一致性解释或结论。多传感器信息融合是协调多个分布在不同地点，相同或不同种类的传感器所提供的局部不完整观测量信息加以综合，协调使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互补，以减少不确定性，得到对物体或环境的一致性描述的过程。

智能小车包含周围环境探测、识别和自动控制等功能的综合系统，以单片机芯片作为其控制核心，由控制器控制其进行相应的动作。智能小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值；同时作为高校毕业设计研究课题，智能小车可以让学生的思维、动手能力、创新开发以及总结概述等能力得到充分锻炼，有利于以后独立及全面的发展；智能小车由于其较低的成本，甚至还可以代替人进行高危、高重复性的工作。

1.2课题研究现状和发展趋势

智能小车、机器人的发展研究从上世纪60年代至今已有几十年的历史，自从上世纪60年代末期，第一台能够自主移动机器人问世以后，经过几十年的发展智能机器人已经从最初的示教模仿机器人发展到现在的具有感知功能的智能机器人，在技术上取得了很大的进步许多国家都对智能机器人进行了大量的研究。由于各国的科研实力不同，其水平也有高低，其中美国和日本在该项技术的研究处于领先地位。

法国提出的“机器人与人工体”国家计划主要是对智能机器人的认知功能进行深入的研究，使其能够在复杂的环境中通过自主感知判断来自动执行各种动作。美国发明的智能机器人，可以帮助人们送信件、食品等生活用品，还可以牵引吸尘器来打扫卫生。日本目前已经研制成

功的人形机器人，其可以模仿人们的各种面部表情而且非常逼真。近年来发明的的手术机器人已经广泛的应用在实际医疗手术中而且稳定性好，安全性高。我国的智能小车、机器人从“八五”期间的军用智能机器人的研制，“九五”期间军用“智能机器人平台2号”的研制，到“十五”期间对复杂智能机器人，危险作业机器人、仿人机器人、复合结构移动机器人的研究都取得了较大的成果。国内的许多高校也都在不停的进行着这方面的研究而且也有了层出不穷的成果，例如中科院研制的能够和人对话的机器人、上海交大研制的具有较强越障能力的仿人关节结构的机器人等。与此同时，我国也开展了智能移动机器人基础理论研究，在某些方面取得了世界领先的成果，正在逐渐缩小与发达国家的差距。

随着各方面技术的不断进步与完善，各个国家对于智能小车、机器人的科研能力都再逐步的加强，未来的智能机器人可能会朝着以下几个方面发展:使用高强度的轻质材料让机器人的结构越来越灵巧动作执行也更加灵活;应用网络化技术来远距离操作控制机器人群体为人们工作;通过复杂生物机电系统和人机耦合系统来研究出具有仿生感知、生物神经的仿人机器人。相信未来会有具有更高智能化的、更加生动有趣的智能机器人出现在我们的周围，而且会极大的改变和方便人们的生产生活。

1.3创意之星机器人套件

“创意之星”机器人套件是一套用于高等工程创新实践教育的模块化机器人套件,是一套数百个基本“积木”单元的组合套件包。这些“积木”包括传感器单元、执行器单元、控制器单元、可通用的结构零件等。这些“积木”单元都很容易互相拼接、组装。用这些“积木”可以很方便地搭建出各种机器人,并可为搭建出的机器人编程。它具有模块化、积木式的特点,组装、编程都很方便,非常适合于创作、设计各种各样的机器人模型。

本课题通过构思新型智能机器人小车，培养学生的创新意识和创造性思维方法；通过了解创意之星套件，加强学生对智能机器人系统组成的实践认识；通过设计与制作智能机器人，提高学生的观察分析、综合设计、动手创造的能力；通过编写智能机器人控制软件，增强学生的算法和软件设计能力；培养学生的参与、竞争和团队协作意识。

1.4设计思路

利用“创意之星”套件设计车载机械臂四轮小车，小车功能包括：小车的循迹行驶、自动避障功能、图像捕捉、定点停车、手动和自动控制机械臂的抓取功能，完成整机的机构、控制和驱动系统设计。

第2章轮式移动机器人设计与制作

2.1安装软件

安装驱动精灵，图形化开发环境LUBY和WOODY，和SLIDWORKS2018。

2.2元器件调试

调试舵机：设置舵机号，设置舵机中位。使用LUBY和舵机、调试板、舵机线、适配器、电池等控制舵机速度和转动角度，接收和处理红外测距、碰撞、灰度、光强、姿态等传感器信号。

传感器调试：练习使用WOODY和彩色COMS摄像头、立体声麦克风接收处理模拟信号。

2.3轮式移动机器人设计

建立创意之星所有元件三维图样库，了解各元器件的功能、作用、工作原理、连接方式。动力元件之一为CDS5516机器人舵机它是一种集电机、伺服驱动、总线式通讯接口为一体的集成伺服的单元。有两种调节模式分别为舵机模式和电机模式，位置伺服范围0-300°，可连续旋转，有10kgf*cm的持续转动输出扭矩。图2-1为其在舵机工作模式下的工作原理图。图2-2为舵机的接线图。

图2-1 舵机的工作原理图

图2-2舵机的接线图

CDS5516机器人舵机还可以工作在电机模式下，此时舵机可连续旋转，可换向和改变速度，可作为直流电动机来使用。

传感器应用到的有数字信号传感器红外接近传感器。有SIG/VCC/GND三线制接口，TTL 电平，可以连接到控制器的数字量输入通道。当传感器前方一定距离内出现障碍物时返回低电平，没有障碍物时则返回高电平，可作为实现小车的自动避障功能的传感器。图2-3为其工作原理图和接线图，图2-4为其结构电路图。

图2-3 红外接近传感器原理图和接线图

图2-4红外接近传感器的结构图和电路图

LUBY控制器内内含STM32103VCT6@72MHz微控制器系统，有外置RS232串行接口两个，烧录程序有U盘下载模式和直接下载模式两种。有机器人舵机总线接口，四个用户可配置的按键输入，具备蓝牙收发功能和ZigBee通信功能，支持使用串口命令对其操作。WOODY

控制器内含ARM11核心，内存512MB,flash 4G。内置有蓝牙模块和四个USB接口。可外接USB彩色摄像头（320×240）和麦克风、耳机。内置有语音识别、语音播放、图像捕捉等功能。主要用于语音和图像处理，使用时与LUBY控制器配套使用。LUBY和WOODY控制器的硬件原理图见第3章。图2-5所示为LUBY控制器和动力原件、传感器连接的原理图。

图2-5 LUBY控制器和动力原件、传感器连接的原理图

2.4轮式移动机器人制作

使用创意之星结构件，按照设计图纸搭建四个轮子，与电机相连，固定在底板上。在底板上的合适位置安装上所需的传感器，完成轮式移动机器人的搭建。使用LuBy Crater软件编写程序，烧录到控制器中，实现对轮式移动机器人运动的控制。

2.5图形化开发环境编程调试与实验

为实现小车自动避障功能，须通过安装在小车左前方及右前方的两个红外接近传感器来检测是否有障碍物。小车行进过程中，若遇到不同的障碍物类型则分别采取相应的应对措施。前方无障碍物，即左右两传感器都没有检测到障碍，则保持直行；若左侧有障碍物，右侧没有则向右差速转弯；若左侧无障碍物，右侧有障碍物，则向左差速转弯；若左前、右前方都有障碍物，则小车自动后退。下面是基于以上思路设计的程序流程图（如图2-6图形程序所示）。

图2-6 自动避障的图形程序

2.6设计移动机器人控制算法

舵机是一个伺服电机，属于伺服系统控制，伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。舵机的转动由PWM脉冲控制，每经过一个脉冲舵机转过一个特定的角度。同时舵机是一个闭环控制系统，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位。图2-9所示为舵机的闭环控制原理图。

舵机的控制信号，一般是脉宽调制（PWM）信号，如图2-10，直观反映了PWM信号和舵机转动角度的关系，通过给舵机通电的时间控制，结合角度传感器的反馈信号检测和控制，实现了舵机的精确角度控制。关于舵机的精准位置控制，存在以下如下图2-2所示的闭环控制机制。即：位置检测器（角度传感器）是它的输入传感器，舵机转动的位置变化，位置检测器的电阻值就会跟着变化。通过控制电路读取该电阻值的大小，就能根据阻值适当调整电机的速度和方向，使电机向指定角度旋转。从而实现了舵机的精确转动的控制。

图2-7 舵机的闭环控制原理图图2-8 PWM信号和舵机转动角度的关系

更改底盘四轮的舵机为电机模式，设置好ID号，使用LuBy Crater图形化编程软件的舵机控制模块，编写电机转速，设计前进，后退及左转和右转操作，编译通过后烧录到控制器中运行。

2.7嵌入式系统环境编程调试与试验

小车自动避障代码

#include "Uplib\UP_System.h"

int main(void)

{

UP_System_Init();

int x = 0;

int y = 0;

x=150;

while(x>100||y>100)

{

x = UP_ADC_GetIO(7);

y = UP_ADC_GetIO(8);

UP_CDS_SetMode(1, CDS_MOTOMODE);

UP_CDS_SetSpeed(1,-512);

UP_CDS_SetMode(2, CDS_MOTOMODE);

UP_CDS_SetSpeed(2,-512);

UP_CDS_SetMode(3, CDS_MOTOMODE);

UP_CDS_SetSpeed(3,512);

UP_CDS_SetMode(4, CDS_MOTOMODE);

UP_CDS_SetSpeed(4,512);

if(x<100)

{

UP_CDS_SetMode(1, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(1,512);

UP_CDS_SetMode(2, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(2,512);

UP_CDS_SetMode(3, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(3,-512);

UP_CDS_SetMode(4, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(4,-512);

UP_delay_ms(300);

UP_CDS_SetMode(1, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(1,512);

UP_CDS_SetMode(2, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(2,512);

UP_CDS_SetMode(3, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(3,512);

UP_CDS_SetMode(4, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(4,512);

UP_delay_ms(300);

UP_CDS_SetMode(1, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(1,-512);

UP_CDS_SetMode(2, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(2,-512);

UP_CDS_SetMode(3, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(3,-512);

UP_CDS_SetMode(4, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(4,-512);

UP_delay_ms(300);

UP_CDS_SetMode(1, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(1,-512);

UP_CDS_SetMode(2, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(2,-512);

UP_CDS_SetMode(3, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(3,512);

UP_CDS_SetMode(4, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(4,512);

}

if(y<100)

{

UP_CDS_SetMode(1, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(1,512);

UP_CDS_SetMode(2, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(2,512);

UP_CDS_SetMode(3, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(3,-512);

UP_CDS_SetMode(4, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(4,-512);

UP_delay_ms(300);

UP_CDS_SetMode(1, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(1,-512);

UP_CDS_SetMode(2, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(2,-512);

UP_CDS_SetMode(3, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(3,-512);

UP_CDS_SetMode(4, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(4,-512);

UP_delay_ms(300);

UP_CDS_SetMode(1, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(1,512);

UP_CDS_SetMode(2, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(2,512);

UP_CDS_SetMode(3, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(3,512);

UP_CDS_SetMode(4, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(4,512);

UP_delay_ms(300);

UP_CDS_SetMode(1, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(1,-512);

UP_CDS_SetMode(2, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(2,-512);

UP_CDS_SetMode(3, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(3,512);

UP_CDS_SetMode(4, CDS_MOTOMODE); UP_CDS_SetSpeed(4,512);

}

}

}

第三章创新机器人设计与搭建

3.1构思创新机器人功能

车载机械臂四轮小车具有手动控制和自动控制两种模式。手动模式下小车行进自动避障、遇障碍物精确停止、手动控制机械臂实现夹取物体、移动物体并重新放置物体的功能。理论上可以实现对机械臂可伸展范围内任意空间位置放置的物体的夹取，操作简便，十分灵活。

自动模式下小车具有循线功能、图像捕捉，识别物体然后完成自动夹取物体、移动物体并重新放置物体的功能。循线功能完成后，通过图像捕捉判断目标物体的位置，并控制小车移动到目标物体前方，自动完成目标物的抓取。

3.2设计创新机器人

3.2.1 SolidWorks机器人三维模型

图3.1机器人三维模型图

3.2.2 LUBY控制器硬件原理图

图3.2 LUBY控制器硬件原理图

3.3制作创新机器人

3.3.1底盘搭建

创新机器人的制作，首先是底盘的搭建，考虑及机器人的运行方式，有六足，四足以及轮式等几种主要的方法可供选择。由于足式机器人运动不能很稳定，加之后续要用添加机械臂抓取物体，综合考虑几点情况，我们组采取了四轮搭建的底盘，其具有运行平稳，易于控制，可以实现任意位置的精准移动和停止等良好的特性，并给我们机械臂的搭建带来了方便。

图3.3小车底盘搭建实物图

3.3.2机械臂搭建

第二部分是机械臂的搭建，我们需要机械臂以及夹持机构能够实现小车四周任意位置目标物体的夹取，运送功能。因而，机械臂需要有适合的长度保证其夹取目标物体的灵活性，此外，机械臂过长会给控制程序，算法设计，乃至电池的供电带来麻烦和负担。考虑以上各种因素，我们舍弃了机械臂搭建指导书上的搭建方法，根据实际需要，自行设计搭建了一个由5个舵机控制的机械臂，以实现预期的相关功能。

图3.4机械臂搭建实物图

3.3.3整车组装及传感器的安装

最后是传感器的安装，选用的传感器有：红外测距传感器*1，红外接近传感器*2，灰度传感器*2以及摄像头。根据实际功能需要，安装传感器的位置如小车整装图所示：红外测距传感器，红外接近传感器装在小车前部，用于实现测量目标物体距离以及避障功能。摄像头安装在车前用于颜色识别，接近目标物。灰度传感器装在小车尾部，用于实现巡线功能。

图3.5 小车整装实物图

3.4编写创新机器人图形化控制软件

3.4.1巡线功能模块图形化编程界面

图3.6 巡线功能模块图形化编程界面

3.4.2图像捕捉模块图形化编程界面

图3.7图像捕捉模块图形化编程界面3.4.3避障程序模块图形化编程界面

图3.8避障程序模块图形化编程界面

3.4.4遥控机械臂模块图形化编程界面

图3.9遥控机械臂模块图形化编程界面

3.5设计创新机器人控制算法

3.5.1巡线功能算法

灰度传感器是模拟传感器，灰度传感器利用光敏电阻对不同颜色的检测面对光的反射程序不同，其阻值变化在的原理进行颜色深浅检测。灰度传感器有一只发光二极管和一只光敏电阻，安装在同一面上。在有效的检测距离内，发光二极管发出白光，照射在检测面上，检测面反射部分光线，光敏电阻检测此光线的强度并将其转换为机器人可以识别的信号。

图3.10灰度传感器组成原理图

借助两个灰度传感器，安装在小车上，分布在黑线的两边，默认小车向前运动。当左侧传感器检测到黑线时（黑线的方向发生改变），灰度传感器返回值突变，控制小车向左移动一定的角度，使小车任在预定的巡线上行进。当右侧传感器检测到黑线时，小车向右移动一定距离，其他与前面相同，使小车始终沿着黑线在行进。

3.5.2颜色识别自动抓取目标物体算法

红外测距传感器是一种传感装置，是用红外线为介质的测量系统，测量范围广，响应时间短。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD 图像处理接收发射与接收的时间差的数据。经信号处理器处理后计算出物体的距离。这不仅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。

摄像头用于颜色识别。将目标物体标记为红色，循迹完成后，进入颜色识别模块，小车在原地旋转搜寻目标物体，在识别到红色后，小车向前移动，在目标物体前方停止。接着，红外测距传感器工作，小车继续前进，距离达到设定值后，停止，机械臂进行自动抓取操作。

3.5.3避障功能算法

红外接近传感器自带红外LED 驱动，主控MCU可通过I2C接口对其进行功能控制，当LED发射的红外线经过接近物体反射后被内置的红外线光电二极管接收，然后进行模拟数字转换将光强信号转换为数字信号，计算后的数值可与设定的门限值相比较，如果超过设定的门限值则从INT口输出中断信号给主MCU，通过相应的软件实现具体操作功能。

图3.11红外接近传感器

在小车前部两侧各装一个红外测距传感器，左边传感器识别障碍物后，返回信号给控制器，控制小车向右转弯；右测传感器识别障碍后，控制小车向左旋转，以避开障碍物。两边传感器同时识别到障碍物后，小车停止。

3.5.4遥控机械臂算法

避障结束后进入机械臂手动抓取物体模块。定义变量，使用按键输入给变量赋值，四个按键，一组为单个按键组合实现4种操作，另一组为两个按键为一命令实现6种操作，每两个操作控制机械臂上四个舵机的正反转，以及小车的前进和旋转。以上10种命令可以实现平面内任意位置物体的手动抓取。

3.6嵌入式系统环境编程调试与实验

3.6.1 图像捕捉及自动抓取代码

#include "Uplib\UP_System.h"

int main(void)

{

UP_Woody_Init();

UP_System_Init();

UP_LCD_ShowString(0,0," ");

UP_LCD_ShowCharacterString(4,0,"博创科技");

UP_LCD_ShowCharacterString(0,1,"卓越之星创意套件");

int a = 0;

int u_x = 0;

int u_y = 0;

int u_p = 0;

UP_Woody_StartUp(4);

UP_Woody_ImageRecLetIssue();

UP_Woody_ImageRecIDSet(1);

UP_LCD_ClearScreen();

UP_LCD_ShowCharacterString(0,0,"图像坐标和像素。");

while(1)

{

u_x=UP_Woody_X_Coordinates();

u_y=UP_Woody_Y_Coordinates();

u_p=UP_Woody_ImagePixel();

if(u_x>230)

{

UP_LCD_ClearLine(0);

UP_LCD_ShowCharacterString(0,0,"识别到颜色");

UP_delay_ms(700);

UP_CDS_SetMode(1, CDS_MOTOMODE);

UP_CDS_SetSpeed(1,-200);

UP_CDS_SetMode(2, CDS_MOTOMODE);

UP_CDS_SetSpeed(2,-200);