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1、青 岛 大 学毕业设计(论文)开题报告题 目：基于能力风暴机器人的数字指南针模块设计学 院：机电学院专 业：机械工程及自动化姓 名：马文睿指导教师 ：王海峰2011年3 月 29 日1课题来源机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具备高度灵活性的自动化机器。智能机器人是21世纪新的热点，也是一个国家整体实力的显示。近年来，在机器人和自动化领域里移动机器人的研究吸引了众多研究者的注意力，其中轮式机器人以其结构简单、容易实现成为受到欢迎的控制平台。在另一方面，移动机器人在方向辨别的问题上，由于其具有广阔的运动空
2、间，数字指南针成为移动机器人所必须具备的方向辨别元件。在这种背景下，有关机器人数字指南针设计的课题应运而生。2本课题的研究目的和意义“能力风暴”(Ability Storms)机器人由上海广茂达电子信息有限公司开发，呈单片机结构，外形酷似宇UFO,是专为个人机器人的需求设计的，专门面向教育的机器人。它是专门为大学进行课程教学、工程训练、机器人竞赛、科技创新以及研究服务开发的新型移动智能机器人。能力风暴个人机器人配有5种十几个传感器，另外还可以根据需要扩展其他传感器，对环境的感知能力很强。感知环境的能力是产生智能行为的前提，因此能力风暴能产生许多智能性行为。本课题主要是设计一块基于能力风暴机器人
3、的数字指南针，用于“能力风暴”大学版机器人在足球比赛、灭火比赛和创意比赛中实时测量机器人所处的方位，满足比赛要求。3目前国内外发展趋势工业机器人技术发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础上，第二代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。以应用为龙头拉动工业机器人技术的发展，其技术特点与重点发展领域体现在下述方面： 机械结构。以关节型为主流，应3K(炼钢、炼铁、铸锻)行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接数十米长、l0t以上大构件的弧焊机器人群；采取蚂蚁啃骨头的协作机构，己普遍采用CAD、CAE等技术用于设计、仿真与制造中。 控制技术。大多数
4、采用32位CPU，控制轴多达27轴，NC技术和离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，基于PC的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，己成为一股潮流。 驱动技术。直接驱动技术则广泛用于装配机器人中。新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合，已由日本FANUC 公司开发并用于工业机器人中；在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。 智能化的传感器多有应用。在上述167种机型中，装有视觉传感器的有94种，占56.3，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留下了多种传感器接口。 网络通信方式。在上述167种机型中，有69种采用Ether网通讯方式，占41.3，其它采用RS
5、232，RS422，RS485等通讯接口。 高速、高精度、多功能化。目前所知最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s;高精度机器人的位置重复性为正负0.01mm.有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度达80m/s;而另一种并联机构的NC机器人，其位置重复性达l um。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能。最近瑞典Neos公司开发出一种高精度、高可靠性的可切割、钻孔、铣削、磨削、装配、搬运的多功能机器人，用于多家著名汽车厂和飞机公司。 集成化与系统化。工业机器人的应用从单机、单元向系统发展。多达百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体(多智能体)。跨国大集团的垄
6、断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。3.1国外机器人的发展状况为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。除了这些研究单位，各大机器人企业也投入大量人力、财力开发
7、机器人系统。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至2002年的6.5万美元。 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速
8、度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入使用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。 机器人化机械开始兴起。
9、从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。3.2我国机器人的发展状况我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基
10、础上，有重点地系统攻关，以系统集成带动机器人技术的全面发展，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。4本课题研究的内容及目前研究现状4.1能力风暴机器人能力风暴机器人AS- U提供了一个接口平台, 可供用户进行扩展, 实现二次开发, 在软件, 机械, 电子等方面均有较强的延拓能力。它采用图形化交互C 语言( 简称VJC)完成AS- U的软件开发, 具有基于流程图的编程语言和交互式C 语言(简称JC),便于用户自由发挥。AS- U是依靠传感器来与外界进行交流的, 传感器探测到了外界信息, 然后将它传给AS- U的大脑, 大脑经过判断计算, 控制执行机构输出动作。AS- U自带五种传感器, 包括:
11、 碰撞传感器, 能够检测到来自360 度范围内物体的碰撞, 使AS- U遭遇到来自不同方向的碰撞后, 能够转弯避开并保持正常活动。 红外传感器, 用来检测前方, 左前方, 右前方的障碍, 和人眼一样, 在看见前方的障碍物后, 可避开。在AS- U中左前方和右前方各有一个红外传感器。 光敏传感器, 使AS- U能够知道它所处环境范围内光线的强弱。返回值为0- 255, 光线越弱, 数值越大。同红外传感器一样, AS- U在左前方和右前方各有一个光敏传感器。 光电编码器, 360 度产生33 个脉冲, 每个脉冲分辨率约为10.91 度, 轮子直径为65mm,周长分辨率约为6.19mm。 话筒, 可
12、以感受到声音的强弱。利用碰撞传感器和红外传感器可以实现搜索目标过程中的避障行为, 处理与AS- U接触到的障碍或者有一段距离的障碍; 利用光敏传感器确定目标位置和方向; 利用光电编码器计算搜索目标过程中, AS- U轮子走过的路程。能力风暴软件硬件开放性,使使用人员的动手能力在娱乐中得以提高。又由于它是多种高科技的融合,使用人员的综合能力也不容置疑地得以提高。这对于富有活力的年轻人而言,正是培养创造力、合作能力、进取精神的绝好机会.4.2数字指南针组成数字指南针由磁场检测模块、数字指南针接口卡和4 芯串口通讯排线三部分组成。(1) 磁场检测模块。磁场检测模块通过检测地球磁场的变化得到当前所在的
13、方位，然后将检测的方位数据通过通讯线发送到数字指南针接口卡。(2) 数字指南针接口卡。数字指南针扩展卡是“能力风暴”机器人系列扩展卡之一。可用于检测机器人的方位。数字指南针接口卡接收磁场检测模块发送的方位数据，然后将方位数据发送到ASBUS 数据总线，能力风暴机器人从ASBUS 总线读取方位数据。(3) 4 芯串口通讯排线。磁场检测模块通过4 芯串口通讯排线将方位数据发送到数字指南针接口卡。4.3本课题所用的Protel软件在EDA ( Elect ronic Design Automation) 工具中,Protel 系列软件一直深受广大电子爱好者的喜爱而成为常用的电子电路设计工具. Pro
14、tel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的，数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。Protel 99 SE（Second Edition）在原理图设计和电路仿真方面增加了许多小的功能，而其最主要的改进体现在电路板设计系统方面。Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。 5完成
15、本课题的工作计划及安排5.1设计任务： 可用于能力风暴机器人方向辨别的数字指南针模块一块。 完整的技术文档。 毕业论文。5.2进度安排：第12周： 资料搜集，熟悉课题。第35周： 熟悉机器人的使用方法，确定数字指南针模块的设计方案。第68周： 利用Protel软件完成电路原理图、印刷电路板图设计并制板。第911周： 电路板组装后，编程调试通过。第1114周：撰写毕业论文，答辩。6参考资料1 沈红卫. 单片机应用系统设计实例与分析M . 北京:北京航空航天大学出版社,2003.2 李学礼,林海峰. 基于Proteus 软件的单片机实验室建设3 单片机与嵌入式系统的应用,2005 (9) :5 6
16、.4 付植桐. 电子技术M . 北京:高等教育出版社,2000.5 刘守义. 数字电子技术M . 西安:西安电子科技大学出版社,2001.6 康华光. 电子技术基础(数字部分) M . 北京:高等教育出版社,2000.7 清华大学电子学教研室. 数字电子技术基础简明教程M .北京:高等教育出版 社,1988.8 广茂达能力风暴个人机器人操作手册，2001.9 广茂达JC 使用手册，2001.10 张洪涛.地面机器人结构光道路识别方法的研究J.微计算机信息,2005.11 朱世强，王宣银.机器人技术及应用M，浙江：浙江大学出版社，1994.12 蔡自兴.机器人学M，北京：清华大学出版社，2000.