基于单片机的机器人设计与制作

作者简介:曹永彦(1981-),男,硕士,助理工程师,主

要从事网络化制造与自动控制方面的教学和科

研工作。

基于单片机的机器人设计与制作

曹永彦,王培俊,毛茂林,李 琳

(西南交通大学国家级机械基础实验教学示范中心,成都 610031)

摘要:以机器人技术为依托,通过创新性实验,可以丰富学生的想象力、有效地提高综合运用能力、创新能力和工程实践能力。将机器人技术与学生实验结合起来,形成创新型实验体系。机器人设计与制作创新实验包含三个层次,分别是基础型、提高型和创新型实验。文章分别从上述三个层次阐述了基于单片机的机器人设计与制作创新实验的重要意义、硬件组成、实验设计以及开展模式。

关 键 词:创新能力;实验教学;机器人中图分类号:TH -39;T P368 1;G 2 0 文献标识码:B 文章编号:1672-4550(2010)01-0022-03

RobotDesign and Fabrication Based on Si ngle Chi p Co mputer

CAO Yong yan,WANG Pei j u n ,MAO M ao li n ,LI L i n

(N ati on alExperi m entalT eaching De m ons trati on Cen ter for M echan ical Basis ,Sou t hw est Jiaotong Un i versity ,Chengdu 610031,Ch i na)

Abstrac t :T he i m ag i nation ,app lica ti on a lility ,i nnovative ab ili ty and eng i nee ri ng practice ability of st udents can be i m proved t hrough the robo t techno l ogy and ind i v i dua l expe ri m en t It bu ilds up an i nnovation exper i m ent syste m by i ntegrati ng robot techno l ogy and student experi m ent T he i nnovati on exper i m enta l of robot design and fabricati on inc l udes t hree d ifferen t leve ls such as foundati on leve,l i m provem ent level and i nnovation leve l T his paper ma i n l y i ntroduces t he significance ,hard w are ,experi m ent desi gn i ng and deve l op i ng m ode o f the innova ti on experi m ent o f robot desi gn and fabricati on based on s i ng le ch i p co m pute r fro m the three levels K ey word s :i nnovati on ab ility ;exper i m ent teach i ng ;robot

1 引 言

随着科技的飞速发展,机器人技术在生活和生产中发挥着越来越重要的作用。机器人集成了机械、计算机、电子、物理、控制、人工智能等多方面的技术,是一个集成应用平台。利用机器人,可以实现在复杂、恶劣、危险环境下作业,减轻劳动强度和提高产品质量。目前世界各国高校和研究所都在进行机器人研究、开发和生产,已经形成了比较大的规模,比如仿生类人形机器人、多机构自由度机器人、救火机器人、医用机器人、工业生产机器人等。作为科技人才培养基地的高校,也越来越重视机器人技术人才的培养。

2 机器人创新性实验

通过机器人创新性实验,学生亲自动手设计、加工、安装、调试,可以丰富他们的想象力、有效

地提高综合运用各门学科知识的能力、创新能力和工程实践能力。由于机器人实践教学是提高学生工程实践能力和自主创新能力的一个重要途径,为充分调动学生参加工程实践的积极性,适应不同层次学生个性化发展的需要,在西南交通大学 323实验室建设工程 项目的支持下,西南交通大学机械基础实验教学示范中心建设了 机器人设计与制作综合创新 实验室,开设了不同层次的机器人设计与制作实验,给学生提供了一个充分发挥个性和想象力的空间,整体提高了学生的工程实践和创新能力。

3 基础机器人实验系统硬件组成

基础机器人由机械和控制两部分组成。机械部分,通过6V 供电的两个单独伺服电机实现双轮自主移动;控制部分采用ATS52单片机,对传感器检测到的外界信息进行处理,并根据程序做出反应,输出不同的脉冲序列进行伺服电机运动控制。机器人主要由控制器和相应的外围设备组成。通过程序下载模块将控制程序下载到控制器中,控制器根据外围的传感器信号变化控制伺服电机实现运动。机器人基本硬件结构如图1所示。

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22!实验科学与技术2010年2月

图1 机器人基本结构图

4 基于单片机的机器人设计与制作创新实验的教学设计

学生是实验教学的主体。学生之间存在较大的个体差异,每个学生的兴趣和能力不同。为适应分层次实验教学以及学生个性化发展的需要,基于单片机的机器人设计与制作创新实验分为三个层次,即基础型、提高型和研究创新型。

开设机器人设计与制作基础型实验,扩大了学生的知识面,有利于整体提高每位学生的实践能力。基础型实验为感知型实验,主要介绍机器人的主要类型、用途、应用举例,示范讲解单片机技术在机器人控制中的应用。在学生了解机器人基本原理的基础上,进行简单的机器人行走基本实验,由学生自已动手组装机器人,并进行基本运动控制,掌握伺服电机的控制方法和指令,实现机器人的前进,后退、左转、右转、调头等运动。

机器人行进过程中,会遇到各种各样的问题,如行进障碍和行进边缘。因此,我们在机器人设计与制作提高型实验内容的设计上,以解决上述两个问题为主要目标。机器人采用红外传感器来引导运动,即根据红外传感器采集到的不同信号,由控制器给出不同的控制指令。

采用两个红外传感器实现复杂情况下的运动控制,根据红外传感器的特点搭接红外电路,如图2所示。

红外传感器由红外发射器和红外接收器组成。控制器控制红外发射器,发射适合红外接收器接收波长的红外光。通常状态下,红外接收器的输出信号为高电平,当接收器接收到红外光时,输出为低电平,根据红外接收器的高电平和低电平的信号变化,控制脉冲序列实现复杂情况下的运动。机器人行进过程中的避障功能就是根据红外接收器的信号输出控制运动。当机器人左边的接收器接收到红外信号时,进行右转避障;当右边的接收器接收到红

外信号时,进行左转避障等。利用红外传感器可以

图2 红外传感器连接电路图

实现机器人行进过程中的边缘检测,和避障相对应的,机器人行进到桌子边缘的时候,红外接收器输出的信号由低电平转为高电平。

为提高学生对机器人传感器综合运用的实践能力,在提高型实验的基础上,开设研究创新型实验。研究创新型实验集多种知识于一体,实验过程中,教师起引导作用,学生以小组为单位设计制作机器人设备完成预定的实验目标。

实验主要内容为深入运用红外传感器导航、颜色传感器识别颜色、蓝牙传感器等实现机器人之间的通信、通过摄像头识别物体运动等。深入运用红外传感器可以实现距离检测功能,例如实现机器人跟随运动。在机器人行进过程中,通过两个红外传感器检测与前方机器人的距离变化,控制伺服电机加速或减速运动,实现与前方机器人保持一定距离。通过提高型实验,学生在了解各类传感器用途的同时,可以加深对控制理论的理解和应用,进一步掌握控制反馈理论在工程实践中的具体作用。

研究创新型实验除了常规的实验方式,还可以通过SRTP 、机械设计创新大赛、机器赛等多种形式开展,增加学生参与的热情和兴趣,激发学生的创新能力,培养学生的团队合作精神。

5 结束语

实践是提高学生综合素质的重要途径,创新使实验教学改革充满活力。利用机器人技术,开设基础型、提高型和研究创新型等不同类型的机器人创新性实验,可以调动学生的学习兴趣和学习积极性,吸引更多的学生参与到工程实践活动中,激发学生的创造性。学生根据自己的能力和兴趣,选择适合自身特点的实验项目,综合运用多门学科知识,自主设计和组装,完成不同的实验项目,培养

(下转第65页)

像,当客户端提出浏览视频请求时,服务器端应答请求,

并可将视频传到客户端。

图3 视频系统实现原理

图4是服务器端的视频捕捉界面。下拉列表框中保存着当前连接的视频捕捉设备,用户可从中选择一个视频捕捉设备。 设置 按钮用来打开视频设备属性设置对话框, 开始

按钮开始捕捉视频。

图4 视频系统服务器端

图5是视频系统的客户端界面。当客户端单击

连接视频 按钮时,服务器端的视频传到客户端的窗口显示。

主要代码如下:服务器端窗口的代码:

V a r :i i n tege r ;beg i n ∀

for :i =0to V i deoC apX1 G e t V ideoD ev i ceCount -1do Co m boBox1 Ite m s A dd (V i deoCapX1 G et V i deoD ev i ceN a m e

(i ));∀End ;

开始 按钮代码:∀

if ComboBox1 Item Index<0t hen

m essagebox(0,'提示,''没有摄像设备,'M B_OK )e l se beg i n

V i deoCapX1 V ideoD ev i ceIndex :=ComboBox1 Ite m Index;

V i deoCapX1 P rev ie wAudio :=true ;//打开声音模式V i deoCapX1 Connected :=true ;//连接摄像设备V i deoCapX1 P rev ie w:=true ;//启用摄像V i deoCapX1 S tart Capt ure ;//开始摄像

end ;

客户端 连接视频 按钮代码:∀

V i deoCapX1 D isp l ayR e m ote(1'92 168 1 102,'true);

∀

图5 视频系统客户端

6 总 结

本文基于V i d eoCapX 视频控件构建了一个于硬件的视频系统,能够完成视频采集、抓拍图像和视频传输。

参考文献

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(上接第23页)

了学生思考问题、解决问题的能力,从而达到提高学生创新能力的目的。

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