材料学院机器人结课报告

     工程训练中心

竞赛机器人制作技术基础

结课报告

学    院：    材料科学与工程学院     

专业班级：    成型Z1201班           

姓    名：     徐栋                   

学    号：     2012000862             

课程名称：助老机器人制作技术          

指导老师： 杨学军、李卫国             

助课同学：      杨广华                

日    期：2014年3月22日—2014年5月24日

目录

一、基础知识    3

1.1以前对机器人的认识    3

1.2现在对机器人的认识    3

二、结课作品    6

2.1团队介绍    6

2.2作品介绍    6

2.3作品程序    11

2.4遇到的问题及解决办法    12

三、创意设计    13

摘要    13

关键词    13

3.1创新想法    13

3.2设计实现    13

3.3创新感想    13

参考文献    14

四、课程总结    14

五、致谢    14

六、日志    15

一、基础知识

1.1以前对机器人的认识

在接触工程训练中心的机器人团队之前，机器人在我的印象中，是电影荧幕上的变形金刚、终结者、阿童木。。。他们能听、能看、能说话 ，可以行动、可以思考，比人类更有力量。他们不仅拥有酷炫的外形，更拥有无比强大的能力。总之，在以前的认识中，机器人是存在科幻中的东西，不够贴近现实。而在接触机器人竞赛团队之后，我对机器人有了更深更广的认识。它可以很高端，像机器人阿西莫，除具备了行走功能与各种人类肢体动作之外，更具备了人工智能，可以预先设定动作，还能依据人类的声音、手势等指令，来从事相应动作，此外，他还具备了基本的记忆与辨识能力。可以说与科幻电影中的机器人非常接近了。它也可以很低端，像扫地机器人，实际上就是一个智能的吸尘器。机器人竞赛团对的大部分机器人都是一些简单的机器人，他们大大改变了我对机器人的看法，他不再是遥不可及的科幻想法，而是如此贴近现实，等待我们进一步开发利用。

1.2现在对机器人的认识

机器人的概念

机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备与人或生物相似的智能能力，如感知能力、动作能力、规划能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。

机器人的外形

机器人有各种各样的外形，大致可以分为人形、多足形、异形。在未来也有可能出现可以变换形态的机器人以适应多变的工作环境。

机器人的组成

机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。执行机构即机器人本体，出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。检测装置简单来说就是各种传感器，是机器人具备某种感觉。控制系统是机器人的大脑，大部分是计算机或单片机，负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并发送指令、反馈信息等。

机器人的工作原理

如果说机械装置是机器人的身体，那么程序便是机器人的灵魂。我们通过C语言编译一系列的程序，对机器人下达指令。机器人通过计算机或单片机分析这些程序并下达到执行机构完成一系列的任务。

机器人的分类

对于诞生于科幻作品中的机器人，人们充满幻想。正是由于机器人的模糊定义，人们有了充分的想象空间和创造空间。

中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。

机器人的历史、现在和未来

近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。第一代为简单个体机器人，这类机器人需要使用者事先教给它们动作顺序和运动路径，再不断地重复这些动作。目前在汽车工业和电子工业自动线上大量使用的就是这类机器人。它们基本上没有感觉也不会思考。

第二代为低级智能机器人，和第一代机器人相比，低级智能机器人具有一定的感觉系统，能获取外界环境和操作对象的简单信息，可对外界环境的变化做出简单的判断并相应调整自己的动作，以减少工作出错、产品报废。因此这类机器人又被称为自适应机器人。20世纪90年代以来，在生产企业中这类机器人的台数正逐年增加。

第三代为类似人类的智能机器人，它不但有第二代机器人的感觉功能和简单的自适应能力，而且能充分识别工作对象和工作环境，并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作。这类机器人目前尚处于实验室研究探索阶段。

机器人未来发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。有越来越多的种类以及越来越多应用。

学习机器人技术的意义

随着社会的不断发展，各行各业的分工越来越明细，就像电影《摩登时代》中演示的那样，人像没有思想的机器一样在工作，不断重复着繁重、单调的工作，像是失去了灵魂。学习机器人技术就是强烈希望用某种机器代替自己工作，用以代替人们去完成那些枯燥或是危险的工作。从而人类的劳动力，去创造更多的社会价值。

二、结课作品

2.1团队介绍

组  别：第五组

组成员:徐栋   王波    郭健   白亚楠  李可  付煜 

徐  栋  熟悉各种软件 能够快速检索资料  负责提供技术支持和相应资料

王  波  实践动手能力强  细心谨慎  负责机器人的维护工作

郭  健  组织能力强 曾经担任班级项目总工 负责协调组员分工 

白亚楠  专业知识丰富  责任心强  C语言基础扎实  负责程序的编译工作

李  可  表达能力强   擅于与人沟通  负责助教和组员之间的沟通、联系

付  煜  逻辑能力强  思维敏捷    负责实验场地的维护工作

2.2作品介绍

1.应用背景

服务机器人又称助老机器人，旨在帮助独居的老人检查身体、送水送药。可以说是类似保姆的机器人。

2.本组机器人结构组成

图表 1  服务机器人

服务机器人的控制系统是一个单片机，它主要负责处理程序、分析传感器接受的信息以及下达各种指令。我们的机器人一共有四种传感器，分别是红外测距传感器、超声波传感器、灰度传感器和电子罗盘。它们让机器人能够眼观四路、耳听八方。整个机器人是通过电机移动的，利用两个电机和一个万向轮便可以让机器人灵活的移动了。服务机器人还有一条通过舵机控制的机械臂，让它能够完成拿取物品的功能。机器人还有一个WIFI接受装置，我们可以通过这个装置在计算机上完成对机器人的控制。

3.各组成部分的资料参数、说明和功能

图表 2  单片机

单片机，全称单片微型计算机（英语：Single-Chip Microcomputer），又称微控制器（Microcontroller），是把处理器、存储器、定时/计数器（Timer/Counter）、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出接口简单，功能较低。由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器；从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。

电子罗盘，也叫数字指南针，是现代人用电子技术制作的利用地磁场来定北极的一种方法。现代利用先进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的电子化提供了有力的帮助。古代称为罗经，现代利用先进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了有力的帮助。现在一般有用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。

图表 3电子罗盘各项参数

光电开关即光电传感器，是光电接近开关的简称，利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。光电开关是传感器的一种，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目图表 4  光电开关

的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。光电开关采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。

表格 1 光电开关介绍

表格 2 超声波传感器主要参数

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的测距传感器。超声波是一种振动频 率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

1：使用电压：DC5V                   2：静态电流：小于2mA

3：电平输出：高5V                    4：电平输出：底0V

 5：感应角度：不大于15度            6：探测距离：2cm-450cm  

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。

1：重量：20g                                      2： 额定电压：DC 5.0V 

3：调节方式：多圈电阻式调节        4： 线长：20cm±1cm 

5：返回值：0~255，检测颜色越浅，返回值越小

表格 3  灰度传感器主要参数

机器人舵机的概念起源于对“航模舵机”的改进。长期在各种教育娱乐机器人上大量使用的“航模舵机”可以实现位置伺服的功能；由于它具有高度集成、标准统一、控制简单、价格较低等特点，因此广泛使用在各类教育娱乐机器人上。但是，“航模舵机”毕竟是用于航模的产品，用作机器人关节伺服单元，有控制精度不高、无法整周旋转、没有反馈信息、响应较慢、线缆杂乱等明显的不足。

1：尺 寸(Dimensions)： 40.4×19.8×36.0 mm        2： 重 量(Weight)： 37.2 g  

3：工作速度(Operating speed)：0.23 sec/60°(4.8V)  0.19 sec/60°(6.0V)  

4：输出力矩(Output torque)： 3.2 kg.cm (4.8V)  4.1 kg.cm (6.0V

表格 4  舵机的主要参数

4.机器人的整体特性与功能实现

助老机器人能够实现直线行走、转弯、定向、定位与抓取物品的功能。通过对底部两个电机设定参数，能够使机器人行走。当两个电机的参数不一致时，在万向轮的帮助下，机器人将实现转弯。机器人的定向功能是由电子罗盘完成的。通过电子罗盘对地磁场微小变化的感应，再加上红外测距传感器、超声波传感器对距离的测量，机器人就能避开障碍物，实现精确的定向与定位。助老机器人前方的机械臂在两个舵机的操控能够实现抓取物品的功能。

5.对本组机器人的评价和看法

助老机器人实用性强，功能多样，设计简单、灵活，有很大的发展空间。但是我们组的机器人体态相对臃肿，反应迟钝，很容易出现死机现象。因此，我觉得，我们组机器人的软件系统和硬件结构还有待进一步的优化、结合。可以更换老旧的零件，简化接线，缩小机器人的尺寸，使得机器人的重心更稳固，避免不必要的误差。

2.3作品程序

2.4遇到的问题及解决办法

在调试程序的过程中，我们发现每次即使是使用相同程序参数，机器人的运行轨迹也大相径庭。在仔细检查后，发现是万向轮松动后导致机器人在起步时便偏离了轨道。在调整了万向轮后，问题得以解决。在机器人寻线时，机器人时常出现原地打转的情况，仔细调整参数也无法解决。后来检查发现是灰度传感器脱落了，重新安装后，问题得到解决。

三、创意设计

摘要：

独居老人除了生活不方便外还会倍感孤独，助老机器人除了可以在端茶送水上方便老人外还可以在精神方面予以慰藉。在助老机器人上加入ＭＰ３和语音识别功能，使得机器人能与老人做简单交流，为老人唱歌、讲笑话。很多老人有听戏剧的爱好。可以在机器人上加上收音机，当老人想听戏剧时。机器人可以自动搜索、播放戏剧。

关键词：实用、贴心、乐趣、交流、互动

3.1创新想法

随着科学技术的不断进步，越来越多天马行空的创意和想法得以实现。例如苹果公司在其产品上应用的一项语音控制功能Siri。它可以令iPhone4S变身为一台智能化机器人，利用Siri用户可以通过手机阅读短信、介绍餐厅、询问天气、语音设置闹钟等。Siri可以支持自然语言输入，并且可以调用系统自带的天气预报、日程安排、搜索资料等应用。还能够不断学习新的声音和语调，提供对话式的应答。我的想法是也在助老机器人上设计一个类似的语音功能模块。能够提供简单的语言交流，能识别简单的语音指令，能够实现简单的影音功能。

3.2设计实现

在助老机器人上放置听筒用于接收语音信号。将市场上MP3收音机的核心模块安装在机器人上，以便用语音模块功能控制。建立语音数据库，设置参数，编译程序。

3.3创新感想

服务机器人体型敦厚，憨态可掬。如果还能提供简单互动交流，将会非常讨人喜欢。但是，现在很多老人普通话不标准，带有一定的口音，因此语音识别不能够正常识别。各种方言版的程序有待开发。所以，在助老机器人上加人语音功能是行的。

参考文献

[1]  [美]丹尼斯·克拉克 迈克尔·欧文斯 《 机器人创意与制作》 科学出版社 2004-05

[2] 刘洪军 《走近机器人》 吉林人民出版社 2009-07-01

四、课程总结

两个多月的机器人制作技术课看似漫长却实际弹指已过。在这短暂却又精彩纷呈的课程中，我对机器人的理解全面升级。它不再是硬邦邦的铁疙瘩，而是有类似人类思想的“人”。看着机器人在不断的程序调试中，像婴儿蹒跚学步一样，一步步走的越来越好，那种兴奋的感觉让人唏嘘不已。

在无数不多的课程中，我学习到机器人是靠着小小的单片机处理成千上万的信息，机器人的传感器无时无刻不在收集、检索信息，舵机实际上就是加了很多齿轮的电机。。。

虽然以后不再有机会接触机器人，但我们在机器人制作技术课堂上的知识不会白白浪费。除了学习到基础的编程技术，这个课程还大大锻炼了我的动手能力、与同学间协作能力。重要的是，机器人课程培养了我对科学技术的兴趣。更重要的是，它还锻炼了我的理性思维。

五、致谢

感谢老师对这么多天来给予我们的关爱和指导！

感谢学院为我们提供的这次难得的机会！

感谢杨广华组长的陪伴和帮助！

感谢给予我们帮助的同学和老师！

六、日志

第一篇

2014年3月22日

正文：

今天是我们参加机器人制作课程的第一天。虽然工程训练中心对我们来说并不陌生，但是能见识到多种类型的机器人还着实让我大开了眼见。杨学军老师向我们详细讲述了机器人发展历程、现状以及机器人的各种构件。机器人说白了还是机器，能够代替人类从事繁复危险的工作。之所以把它称为人是因为它具有各种类似人类的感知能力。工程训练中心的机器人有灭火机器人、擂台机器人、反恐机器人、技术挑战机器人以及服务机器人。它们能够实现一些简单基础的动作和功能。我们主要学习的地方就在通过编译程序让机器人实现基本功能。虽然还不能制造出《机械公敌》里那种智能的机器人，但小小的满足下儿时的科幻梦还是很有意义的。

第二篇

2014年3月29日

正文：

我被分在了服务人机器小组。服务机器人又可以叫做助老机器人。它的设计思想是帮助独自在家的老人检查身体健康以及帮忙取药。整个机器人用到了4种传感器，包扩红外测距传感器、超声波传感器、灰度传感器和电子罗盘。通过各种传感器的配合实现机器人的定位、定向。机器人的动力系统是由电池和电机组成的。我们的服务器人配备了一个万向轮，可以让机器人实现不同方向转动。服务机器人的取物功能是通过两个舵机实现的。舵机说白了也是一种马达，只不过它能够实现不同角度的转动。我们的机器人的一个特色功能是可以手动遥控，通过Wifi直接操控机器人。是Wifi啊，有木有！！我都想自己做个遥控车了。

第三篇 

2014年4月12日

正文：

我们在杨广华组长的带领下学习了一些简单的操控机器人的程序。主要是直行与转向。如何通过简单的程序让机器人精确的行动是我们学习编程的主要目的。这其中的关键就是传感器数据的利用。通过超声波传感器进行远距离测距，通过红外传感器进行近距离测距。通过电子罗盘确定方向。电子罗盘利用的居然是地磁场。利用地磁场能够精确的确定方向？虽然和指南针的功能相似，但是精确程度不可同日而语啊。不由得感叹发明家的智慧以及知识的魅力。杨学军老师问我们学的咋样，有没有学到东西，有没有可学的东西。我想说，关于C语言的学习只是入门阶段，学的比较浅显，大多是组长给一个模子，我们依葫芦画瓢。真正学习到的应该是设计的理念。怎么让程序精简，怎么让机器人行动更精确快速。编辑什么样的程序才能让机器人准确达到我们的要求。这才是不分专业的通用知识。

第四篇

2014年4月19日

正文：

今天我们进一步学习了灰度传感器的使用，灰度传感器是一种光学传感器，能够检测地上的黑线返回数据。像擂台机器人使用的灰度传感器可以检测返回地面渐变的灰度数据，进而判断机器人在擂台上的位置。李卫国老师向我们大概了解了学习机器人制作的状况以及想法。并且要求我们介绍一下自己组的机器人。当然我们没有轮到我介绍啦。杨老师说机器人学习的东西与我们的专业并不是特别紧密。我觉得，竞赛机器人制作这门课程是锻炼我们实践动手的好途径。额 ，是的，实践动手能力，编完程还是要调试的。总之学习态度还是很重要的。既然来上了，那就好好上。

第五篇

2014年4月26日

正文：

机器人的课程已经进行一半了，我们的程序也已经完成一半了。今天上午组长杨广华重点给我们介绍了寻线函数，主要用于第二个阶段机器人在抓取物品前的准备动作，让机器人沿着黑线走到预定地点。由于在实现这个任务中我们要用到灰度传感器，所以程序的编译变得更加复杂。事实上。实际出现的突发情况也比较多，对机器人寻线造成了很大的困扰。由于第一段位移的不确定的性，机器人在寻线前需要再次定位。在实际情况中，机器人总是不能完成这个步骤，导致机器人底部的灰度传感器检测不到黑线而在原地打转（囧）。在反复调试参数后，问题得以改善，但还是磕磕绊绊。程序中任何一个参数不准确便会造成无法估计的后果。那些编译整页整页程序的程序员们是多么强大。

第六篇

2014年5月24

正文:

由于缺了一次课，再次来到基地竟然有些陌生，在调试程序的过程中也感觉到生疏。这次组长生病没有来，因此我也只好向组里的大神们求助。在经过虚心的学习后,我的状态也渐渐恢复，终于程序进入最后的调试阶段了！！之前助老机器人的轮子已经更换过了，确实走的更稳了一点。这说明软件是在硬件的基础上发挥作用的。但是新的问题也接踵而至，我们的万向轮同志，似乎不太喜欢新来的同事，非常不配合，及其不配合！！在起步的时候总是把机器人带偏。经过反复修改参数，增长机器人等待时间后，情况得以扭转，万向轮同志终于服气了。看着机器人完整的走完一个流程，我唏嘘不已。这些天来的努力没有白费。

第七篇

2014年6月4日

正文：

终于是最后一次课了，时间过得很快，八周的课程就在今天结束了。在最后一次课程中，我们按照小组分别总结了这学期的所学，并且演示了各组所做的程序。由于之前做了充分的准备，我们服务机器人小组表现优异，脱颖而出，获得一致好评。事实上，在演示开始前，我们还在调试程序，参数一直不太准确。后来，我们才发现电池的电压对传感气的稳定性也有影响。所以，及时给机器人充上了电，算是有惊无险。机器人课程的结束了，但学习的道路还有很长的路要走。我们在基地学习的不仅仅是有关机器人的知识，更要有思维上的突破，实际上的联系。愿我们在学习的道路上上下求索，越走越远。