在科技界，科學(xué)家會給每一個科技術(shù)語一個明確的定義，但機器人問世已有幾十年，機器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統(tǒng)一的意見。原因之一是機器人還在發(fā)展，新的機型，新的功能不斷涌現(xiàn)。根本原因主要是因為機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學(xué)問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。
關(guān)于機器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標準，有的按負載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。一般的分類方式見表：
我國的機器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人，包括：服務(wù)機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務(wù)機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。
當前各個國家對機器人技術(shù)都是非常的重視，人們生活對智能化要求的提高也促進了機器人的發(fā)展，在這樣的背景下，機器人技術(shù)的發(fā)展可以說是一日千里，未來機器人將在以下技術(shù)的基礎(chǔ)上飛速發(fā)展。
人機交互技術(shù)
東芝在本周舉辦的 Cutting-EdgeIT& Electronics Comprehensive Exhibition (CEATEC)展會上發(fā)布了一款全新人形交互機器人，而其最大特色就是可以通過手語與人交流。
軟體機器人控制技術(shù)
機器人在大部分人眼里一直都是像擎天柱一樣的鋼筋鐵骨，不過事實并不總是這個樣子的。最近，來自美國普渡大學(xué)的研究人員就發(fā)明了一種由輕質(zhì)惰性泡沫材料 制成的軟體機器人，為了讓它像機器手臂一樣可以自由彎曲，研究人員還在在泡沫材料的表面覆蓋了一層特殊的“衣服”，而這層聚合物纖維在受熱的情況下可以自 由改變形狀和堅硬度，作用就如同附著在骨骼上的肌肉一般。
液態(tài)金屬控制技術(shù)
科學(xué)家們使用鎵和銦合金合成液態(tài)金屬，形成一種固溶合金，在室溫下就可以成為液態(tài)，表面張力為每米500毫牛頓。這意味著，在不受外力情況下，當這種合 金被放在平坦桌面上時會保持一個幾乎完美的圓球不變。當通過少量電流刺激后，球體表面張力會降低，金屬會在桌面上伸展。這一過程是可逆的：如果電荷從負轉(zhuǎn) 正，液態(tài)金屬就會重新成為球狀。更改電壓大小還可以調(diào)整金屬表面張力和金屬塊粘度，從而令其變?yōu)椴煌Y(jié)構(gòu)。
機器人生物行走技術(shù)
新一代微型生物機器人能收縮肌肉。美國伊利諾斯大學(xué)厄本那香檳分校工程師展示了一類行走“生物機器人”(bio-bots )，由肌肉細胞推動、電脈沖控制，研究人員能對其發(fā)號施令。相關(guān)論文在線發(fā)表于最近的美國《國家科學(xué)院學(xué)報》上。
“不管你想制造任何種類的生物機器人，由細胞驅(qū)動的生物刺激都是一項基本要求。”負責這項研究的伊利諾斯大學(xué)厄本那香檳分校生物工程主管拉什德·巴什爾 說，“我們正在把工程原理與生物學(xué)整合在一起，設(shè)計開發(fā)生物機器人和用于環(huán)境、醫(yī)療方面的系統(tǒng)。生物學(xué)非常強大，如果我們能學(xué)習(xí)利用其優(yōu)勢，將帶來許多好 東西。”
機器人透視技術(shù)
據(jù)國外媒體報道，目前，美國加州大學(xué)最新研制一款具有“透視眼”能力的機器人，在兩個機器人之間釋放無線信號，通過測量信號強度的變化，將觀察發(fā)現(xiàn)墻壁內(nèi)部的物體。該技術(shù)可用于尋找困陷在建筑物中的傷員，或者監(jiān)控家中的老年人。
敏感觸控技術(shù)
不要以為機器人的敏感度很差。美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology， MIT )視覺科學(xué)學(xué)科聯(lián)合波士頓東北大學(xué)研究團隊近日成功研制了一種觸覺傳感器GelSight ，比人類的手指更加靈活敏感。
此次麻省理工學(xué)院及東北大學(xué)聯(lián)合研究團隊開發(fā)的“機器人手指傳感器”突破了此前機器人手部關(guān)節(jié)不靈敏等限制，甚至比人類手指更加靈活敏感，因此受到了各界矚目。該傳感器不是以機器來辨識觸覺，而是以3D視覺實時定位物體的方位，以實現(xiàn)對物體的識別和傳感。
機器人用可伸縮電線
日本綜合型化學(xué)企業(yè)旭化成將于9月1日發(fā)售可以像橡皮筋那樣伸縮的電線。《日本經(jīng)濟新聞》8月26日報道說，通過在具有彈性的聚氨酯纖維(中國稱：氨 綸) 中以螺旋狀嵌入可通電的導(dǎo)線，使得電線可以伸縮，且不易出現(xiàn)松弛。與容易松弛的以往電線相比，自由自在的變形將成為可能。旭化成力爭將這種電線應(yīng)用于實現(xiàn) 復(fù)雜動作的擬人機器人和穿戴型輔助機器人。
以樹脂材料作為保護的一般電線在用于機器人時，在手腕做彎曲動作等的情形下，容易形成松弛或纏繞。而旭化成開發(fā)的這種伸縮性電線將可以依照其實施的擬人動作合理布線。
機器人可自行組隊技術(shù)
相信對于有密集恐懼癥的人來說，看到1000只排得密密麻麻的小機器人在桌面上一起移動絕對不會感到好受。不過這仍無法阻礙哈佛大學(xué)的工程師們打造這樣 的系統(tǒng)。據(jù)悉，研究團隊使用了1000只組裝簡易的小型機器人，每個造價20美元。 據(jù)介紹，每組裝一個這樣的機器人需要5分鐘的時間，也就是，他們花費了83多個小時完成了這項艱巨的任務(wù)。
造房子機器人：或成為未來主流
一個被稱為Minibuilders的全新3D打印建筑機器人套件，可以像建筑工人那樣3D打印出一間房屋，其快速、低價、安全讓建筑機器人將有可能成為下一代強大的建筑必備工具。
其運作方式基本上和同類型的無人建筑機器人一樣，逐層澆筑流體建筑材料。但是它最大的不同，就是可以打印的建筑體積更大，而且設(shè)計方法也與眾不同。
這套系統(tǒng)的核心是一個龐大的主部件，有兩個裝有液化合成大理石的大型圓筒，大理石經(jīng)獨特的配方制成。氣胎注射筒會通過長長的管子推動材料，那些管子將被 安置在一個建筑工地上，與三個敏捷的專業(yè)附屬機器人協(xié)同工作。有些研究人員會覺得自己就像是一個建筑師，把自己的建筑構(gòu)想通過一個巨大的獨立機器變成現(xiàn) 實，而Minibuilders的團隊扮演角色就像是一個“包工頭”，在建設(shè)過程中“招募”各相關(guān)領(lǐng)域里的建筑專業(yè)資源。
更多機器人技術(shù)資料，電路圖及DIY設(shè)計，可參見本期Designs of week——當中國制造遇上機器人技術(shù)，設(shè)計思維請跟上!
愛普生機械手簡介
精密組裝機器人： 在高速運動狀態(tài)下具備低殘留震動及高精度，應(yīng)答時間短，動作靈敏 應(yīng)答時間短，動作靈敏，在3維狀態(tài)下仍然保證軌跡平滑精密。
圖象機器人： 通過機械手及攝像裝置的組合可以輕松地滿足多品種生產(chǎn)的需求， 滿足多品種生產(chǎn)的需求。
標準化解決方案簡述
給用戶的可行性分析方案樣例(以食品包裝方案為例)
系統(tǒng)整體描述
• 用戶需求：
– 自動成品包裝，100~120袋/分鐘
– 包裝箱最大尺寸：535*380*287(綜合)
– 湯圓包裝袋最大重量：600克/袋*
– 裝箱方式：頂部裝入，每層4袋
– 系統(tǒng)可以實現(xiàn)人機對話，產(chǎn)品更換時，系統(tǒng)自動切換搬運方式。
• EPSON 設(shè)計方案簡述：
– 系統(tǒng)分為3個主要部分：開箱機、成型機、機器人搬運系統(tǒng)。
– 開箱機負責將包裝箱整形輸送到位。
– 成型機負責將流水線包裝袋分隔并固定在回轉(zhuǎn)臺上。
– 機器人搬運系統(tǒng)負責將包裝袋搬運裝入包裝箱(一次4袋)。
– 其他部分包括必要的輸送線、電控、人機界面、控制軟件等附件。
整形和成型機構(gòu)
機器人搬運系統(tǒng)特性
• 機器人采用水平多關(guān)節(jié)機器人(SCARA)，該機器人的特點是：
– 高速、高穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性強(對現(xiàn)場環(huán)境無特殊要求)
– 機械手剛性參數(shù)較高，遇工人誤操作不易損壞。
– 維護成本低(零備件壽命長，價格較便宜)
– 占地面積小，適合緊湊空間的生產(chǎn)。
– 最大載重量為6KG，可適應(yīng)未來產(chǎn)線湯圓包裝袋容量重量變化，無需重新
設(shè)計系統(tǒng)。甚至重新購買機器人。
– 運動范圍大：垂直方向行程330mm，大大降低了未來產(chǎn)品包裝箱變化時
對系統(tǒng)改造的難度和費用。
– 運動范圍大：水平方向有效作業(yè)范圍最長可達到650mm半徑的扇形區(qū)域，大大降低了未來產(chǎn)品包裝箱和產(chǎn)線位置調(diào)整時對系統(tǒng)改造的難度和費用。
• 控制器采用EPSON獨有的小型緊湊型控制器，該控制器的特點是：
– 緊湊型設(shè)計，不占過多空間。
– 通訊接口豐富，可取代復(fù)雜的PLC系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
– 擴展性強，未來系統(tǒng)再升級和改造時預(yù)留
主要技術(shù)指標
1. 機器人搬運系統(tǒng)工作頻率：
• 取放100袋/分鐘
• 設(shè)計余量20%(即，可達到最大120袋/分鐘)
• 搬運距離330mm
• 搬運高度：300mm
運重量6KG(含真空棘爪)
2. 機器人搬運系統(tǒng)抓取成功率
• 10‰(千分數(shù))
• 機器人系統(tǒng)可設(shè)計掉袋補償動作
• 輸送線上設(shè)計掉袋回收路徑
3. 開箱機工作頻率：(24箱/分鐘)
• 開箱機的工作頻率可供2~3條線同時使用
4. 成型機工作頻率(30組/分鐘)
• 工作頻率匹配機器人搬運系統(tǒng)和上工序頻率。
焊接是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工方式，同時由于焊接煙塵、弧光和金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境非常惡劣，隨著人工成本的逐步提升，以及人們對焊接質(zhì)量的精益求精，焊接機器人得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
機器人在焊裝生產(chǎn)線中運用的特點
焊接機器人在高質(zhì)、高效的焊接生產(chǎn)中發(fā)揮了極其重要的作用，其主要特點如下：
1.性能穩(wěn)定、焊接質(zhì)量穩(wěn)定，保證其均一性
焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結(jié)果起決定性作用。人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，很難做到質(zhì)量的均一性;采用 機器人焊接，每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人為因素影響較小，降低了對工人操作技術(shù)的要求，焊接質(zhì)量非常穩(wěn)定。
2.改善了工人的勞動條件
采用機器人焊接后，工人只需要裝卸工件，遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺等;點焊時，工人不再需要搬運笨重的手工焊鉗，從大強度的體力勞動中解脫出來。
3.提高勞動生產(chǎn)率
機器人可一天24h連續(xù)生產(chǎn)，隨著高速、高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機器人焊接，效率提高地更加明顯。
4.產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量
機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常明確。
5.可縮短產(chǎn)品改型換代的周期，降低相應(yīng)的設(shè)備投資
可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。機器人與專機的最大區(qū)別就是它可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。
一、FANUC控制系統(tǒng)概述
FANUC機器人主要應(yīng)用在奇瑞公司乘用車一廠和乘用車三廠的焊裝車間，是奇瑞最早引進的焊接機器人，也是奇瑞公司最先用到具有附加軸的焊接機器人。
其控制系統(tǒng)采用32位CPU控制，以提高機器人運動插補運算和坐標變換的運算速度。采用64位數(shù)字伺服驅(qū)動單元，同步控制6軸運動，運動精度大大提高， 最多可控制到21軸，進一步改善了機器人動態(tài)特性。支持離線編程技術(shù)，技術(shù)人員可通過離線編程軟件設(shè)置參數(shù)，優(yōu)化機器人運動程序。控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對集成 化，這種集成方式具有結(jié)構(gòu)簡單、整機價格便宜、易維護保養(yǎng)等特點。
圖1 控制原理圖
二、FANUC控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析
控制器是機器人的核心部分，實現(xiàn)對機器人的動作操作、信號通訊、狀態(tài)監(jiān)控等功能。下面以FANUC—F-200iB為例，對其控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各部分的功能進行分析：
1)電源供給單元
變壓器向電源分配單元輸入230V交流電，通過該單元的系統(tǒng)電源分配功能對控制箱內(nèi)部各工作板卡輸出210V交流電及±15V、+24V直流電。
2)安全保護回路
由變壓器直接向急停單元供電，并接入內(nèi)部各控制板卡形成保護回路，對整個系統(tǒng)進行電路保護。
3)伺服放大器
不僅提供伺服電機驅(qū)動和抱閘電源，并且與絕對值編碼器實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，與主控機間采用光纖傳輸數(shù)據(jù)，進行實時信號循環(huán)反饋。
4)輸入/輸出模塊
標配為ModuleA/B，另外也可通過在擴展槽安裝Profibus板、過程控制板與PLC及外圍設(shè)備進行通訊。
5)主控單元
整個控制系統(tǒng)的中樞部分，包括主板、CPU、FROM/SRAM組件及伺服卡，負責控制器內(nèi)部及外圍設(shè)備的信號處理和交換。
6)急停電路板
用來對緊急停止系統(tǒng)、伺服放大器的電磁接觸器以及預(yù)備充電進行控制。
7)示教器
包括機器人編程在內(nèi)的所有操作都能由該設(shè)備完成，控制器狀態(tài)和數(shù)據(jù)都顯示在示教盒的顯示器上。
圖2 控制內(nèi)部結(jié)構(gòu)
三、 故障案例分析
機器人控制器斷電檢修后，對控制器送電，機器人報伺服故障，故障代碼為SERVO-062。對此故障進行復(fù)位：按MENUS→SYSTEM→F1，[TYPE]→找 master/cal→F3，RES_PCA →F4，YES 后，機器人仍然報伺服故障。
1、故障分析和檢查：故障代碼SERVO-062的解釋為SERVO2 BZAL alarm(Group：%d Axis：%d)，故障可能原因分析如下：
1) 機器人編碼器上數(shù)據(jù)存儲的電池無電或者已經(jīng)損壞：拆卸編碼器脈沖數(shù)據(jù)存儲的電池安裝盒，電池盒內(nèi)裝有4節(jié)普通1.5V的1號干電池，對每節(jié)電池的電壓進行 測量，均在1.4V以下，電池電壓明顯偏低，于是更換新電池，再次對故障進行復(fù)位，機器人仍然報SERVO-062故障。
2) 控制器內(nèi)伺服放大器控制板壞：檢查伺服放大器LED“D7”上方的2個DC鏈路電壓檢測螺絲，確認DC鏈路電壓。如果檢測到的DC鏈路電壓高于50V，就 可判斷伺服放大器控制板處于異常狀態(tài)。實際檢測發(fā)現(xiàn)DC鏈路電壓低于50V，所以初步判斷伺服放大器控制板處于正常狀態(tài)。 進一步對伺服放大器控制板上P5V、P3.3V、SVEMG、OPEN的LED顏色進行觀察，確認電源電壓輸出正常，沒有外部緊急停止信號輸入，與機器人 主板通訊也正常，排除伺服放大器控制板損壞。
3) 線路損壞：對機器人控制器與機器人本體的外部電纜連線RM1、RP1進行檢查，RM1為機器人伺服電機電源、抱閘控制線，RP1為機器人伺服電機編碼器信 號以及控制電源線路、末端執(zhí)行器線路、編碼器上數(shù)據(jù)存儲的電池線路等線路。拔掉插頭RP1，對端子5、6、18 用萬用表測量+5V、+24V控制電源均正常。接下來對編碼器上數(shù)據(jù)存儲的電池線路進行檢查。機器人每個軸的伺服電機脈沖編碼器控制端由1-10個端子組 成，端子8、9、10為+5V電源，端子4、7為數(shù)據(jù)保持電池電源，端子5、6為反饋信號，端子3為接地，端子1、2空。拔掉M1電機的脈沖控制插頭 M1P，萬用表測量端子4、7，電壓為0，同樣的方法檢查M2~M7電機全部為0，由此可以判斷編碼器上數(shù)據(jù)存儲的電池線路損壞。順著線路，發(fā)現(xiàn)正負電源 雙絞線的一端插頭長期埋在積水中，線路已腐蝕嚴重。
2、故障處理：更換線路后復(fù)位，對機器人進行全軸零點復(fù)歸“ZERO POSITION MASTER”，導(dǎo)入備份程序后恢復(fù)正常，故障排除。
結(jié)論
做為日系機器人的主要品牌之一，其在控制原理上與其它品牌機器人大致相同，但其控制部分組成結(jié)構(gòu)有著自己的風格，體現(xiàn)亞洲人的使用習(xí)慣，比較適合國內(nèi)使 用。我國焊接機器人技術(shù)的研究應(yīng)用雖然較晚，但借鑒于國外的成熟技術(shù)，得到了迅速的發(fā)展。09年我公司與哈工大合作開發(fā)的奇哈機器人誕生，似乎看到了企業(yè) 與科研合作的力量，覺得當企業(yè)進入的時候，特別是這種應(yīng)用型企業(yè)開始參與設(shè)備的研究的時候，門就慢慢打開了。但焊接機器人是個機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單 靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國產(chǎn)機器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產(chǎn)機器人的發(fā)展。
1 引言
在信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機，通訊、消費電子三種技術(shù)合一的后PC的 時代，雖然計算機和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面滲透到日常生活的每一個角落，但各種各樣的新型嵌入式接入設(shè)備已經(jīng)成為當前的主流產(chǎn)品。任何一個普通人都可能擁有幾十種嵌 入式技術(shù)的電子產(chǎn)品，小到手表、手機、mp3播放器、PDA等微型數(shù)字化產(chǎn)品，大到智能家電、網(wǎng)絡(luò)家電、車載電子設(shè)備等都離不開嵌入式技術(shù)。作為嵌入式技 術(shù)的一個重要的研究分支——機器人技術(shù)，目前在國內(nèi)外研究的如火如荼，各種各樣的工業(yè)機器人和服務(wù)機器人已經(jīng)開始應(yīng)用到人們的生產(chǎn)和生活當中，使用機器人 的優(yōu)勢已經(jīng)被人們廣泛認可，并正在成為我們?nèi)粘９ぷ骱蜕畹囊徊糠帧１疚睦肁T89S52設(shè)計了一種嵌入式智能尋跡機器人，在傳感器、電機驅(qū)動和軟件的 控制下，能夠智能地完成迷宮行走路線探測的任務(wù)，與傳統(tǒng)的遙控玩具車相比，具有一定的獨立性和智能性，是未來智能玩具車的一種雛形。
2 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和工作原理
嵌入式智能尋跡機器人的硬件架構(gòu)如圖1。以單片機AT89S52為核心，外圍由電機驅(qū)動模塊、電機電源模塊、主板電源模塊、通訊模塊、回避障礙模塊以及 在線編程模塊等組成。紅外光電傳感器通過主板的P8、P9、P10接口連接到 AT89S52的P0.5、P0.6和P0.7端口，其中P0.5 = 0，表示前方有障礙;P0.6 = 0 ，表示左方有障礙; P0.7=0，表示右方有障礙。左右電機通過主板的P5接口，連接到主板電機驅(qū)動模塊。
上電后，通過傳感器采集迷宮擋板的信號來控制端口P0的低五位，實現(xiàn)左右電機的正/反轉(zhuǎn)，從而使機器人做左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直線前進等動作，完成在迷宮中從入口到出口的行進過程。
3 系統(tǒng)接口電路設(shè)計
3.1 微控制器模塊
AT89S52是一個低功耗、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)有8KB ISP的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)， 芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。
AT89S52有40個引腳，片內(nèi)有8KB Flash程序存儲器，256B的RAM，32個外部雙向輸入/輸出口，5個中斷優(yōu)先級，2層中
斷嵌套，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片內(nèi)時鐘振蕩器等。
在開發(fā)過程中使用開發(fā)板，以方便程序的調(diào)試和整機的測試，待系統(tǒng)調(diào)試完成后，將單片機從開發(fā)板上取下，安裝在機器人系統(tǒng)板的單片機座中，由于設(shè)計中的機 器人需要完成的任務(wù)比較簡單，因此只在機器人系統(tǒng)板的單片機系統(tǒng)中保留了晶振和復(fù)位電路，取消了JTAG編程口等冗余電路。
3.2 傳感器模塊
光電傳感器的工作原理是傳感器紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外光，接收管根據(jù)反射回來的紅外光強度大小來計數(shù)的，故被檢測的部件或物體表面必須有黑白相間的部位用 于吸收和反射紅外光，這樣接收管才能處于有效的截止和飽和區(qū)以達到計數(shù)的目的。傳感器的檢測與調(diào)節(jié)電路如圖2所示。圖中的R3用于調(diào)節(jié)比較器的門限電壓， 經(jīng)示波器觀察，輸出波形相當規(guī)則，可以直接供單片機查詢使用，而且經(jīng)驗證給此電路供電的電池壓降較小。紅外光電傳感器通過主板P8、P9、P10接口連接 到AT89S52的P0.5、P0.6和P0.7端口。其中P0.5 = 0，表示前方有障礙;P0.6 = 0 ，表示左方有障礙; P0.7=0，表示右方有障礙。
3.3 直流電機驅(qū)動電路與電源模塊
直流電機通過主板的P5接口連接到主板的驅(qū)動模塊上。本文采用L298作為電機的驅(qū)動芯片，L298的5、7、10、12四個引腳連接到單片機上，通過 對單片機的編程就可以實現(xiàn)兩組直流電機的正反轉(zhuǎn)等功能。由于單片機的電壓在4.8V左右，故采用VFM升壓型電源芯片，為單片機及外圍電路提供5V左右的 電壓。
4 軟件設(shè)計模塊
4.1 軟件開發(fā)環(huán)境與搜索算法
本文采用Keil U Version2 作為系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，在程序設(shè)計中采用C語言和匯編語言混合編程。在軟件算法上，考慮到深度優(yōu)先搜索算法的時空效率和迷宮地形的復(fù)雜程度成正比，即迷宮越 復(fù)雜，搜索出口的時間就越長。本文采用了一種稱為左手(或右手)法則的迷宮路徑搜索策略，即在迷宮中一直沿著左側(cè)(或右側(cè))的墻尋找，就可以找到出口。
相對于深度優(yōu)先搜索法，左手(或右手)法則的空間占用與迷宮復(fù)雜程度無關(guān)，機器人搜索路徑的選擇只與當前結(jié)點有關(guān)，不需要回溯。同時，硬件的制造精度要求不高，不需要精確的控制機器人的移動距離和移動方向，方便了驅(qū)動設(shè)計。為便于算法的實現(xiàn)，本文設(shè)定了如下約束條件：
1.在算法中不管迷宮地形有多么復(fù)雜，均由直線、死路、丁字形、十字形、轉(zhuǎn)角形和終點七個基本地形構(gòu)成。
2.按分岔的多少將分岔口分為二岔口和三岔口(一般沒有四岔口)，而將分岔口前面的岔路按從右到左的順序分別稱為第一岔路、第二岔路、第三岔路(十字型 才有)。二岔路有三種不同的形式，第一種是前進的路線右邊出現(xiàn)一條岔路(右邊的岔路稱為第一岔路、前方稱為第二岔路);第二種是在前進的路線左邊出現(xiàn)一條 岔路(前方稱為第一岔路、左邊的岔路稱為第二岔路);第三種是丁字路口(右邊的岔路稱為第一岔路、左邊的岔路稱為第二岔路)。對于這三種情況，算法對應(yīng)的 程序由主程序、走直線子程序、左轉(zhuǎn)子程序、右轉(zhuǎn)子程序和校正子程序組成。主程序起到導(dǎo)向和決策的功能，決定機器人什么時候該做什么。機器人的其他功能通過 調(diào)用具體的子程序來實現(xiàn)。
4.2 算法流程圖描述
本文所采用的迷宮搜索算法流程 如圖3所示。接通電機和傳感器電源后，單片機在程序的控制下，根據(jù)傳感器檢測到的值，決定電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。當 P0.7=1時，表示左方?jīng)]有障礙物，依據(jù)“右手”遍歷算法，機器人將調(diào)用右轉(zhuǎn)子程序;當P0.7=0并且P0.5=0時，機器人將調(diào)用左轉(zhuǎn)子程序;否則 機器人直線前進，如此反復(fù)檢測并調(diào)整機器人的動作，直至機器人走出迷宮為止。
5 結(jié)論及其創(chuàng)新點
本文對基于AT89S52的嵌入式智能尋跡機器人的硬件架構(gòu)進行了探討，將左手(或右手)法則用于尋跡機器人行走路線搜索，重點討論了基于 AT89S52的光電傳感器模塊、直流電機驅(qū)動模塊、電源模塊等的電路實現(xiàn)技術(shù)，經(jīng)過反復(fù)測試，機器人能夠在軟件的控制下，無需任何外界力量就可以智能地 完成從迷宮入口走到出口的尋跡任務(wù)。創(chuàng)新點在于通過光電傳感器自動感知障礙物，并利用軟件控制機器人左/右轉(zhuǎn)以及直線行走，對復(fù)雜路徑探測是一種嘗試，特 別適合人無法到達的環(huán)境路徑探測，系統(tǒng)成本低，可靠性高，反應(yīng)靈敏，對智能玩具的設(shè)計與開發(fā)也具有一定的參考價值。
一、項目設(shè)計背景及概述
清潔機器人是服務(wù)機器人的一種，所謂服務(wù)機器人是指自主 或半自主的、從事非生產(chǎn)活動、能完成有益于人類健康的服務(wù)工作的機器人。家庭清潔機器人集機械、電子、傳感器、計算機、控制、機器入技術(shù)、人工智能等諸多 學(xué)科為一體，能夠自動進行房間地面的家庭衛(wèi)生服務(wù)。在一些發(fā)達國家的很多公共場合已經(jīng)開始使用清潔機器人，隨著清潔機器人性價比的提高，清潔機器人進入家 庭成為可能。
二、項目設(shè)計原理
2.1、原理概述
清潔機器人需要完成的任務(wù)是能夠在房間中自動清潔地面。工作時，利用各種傳感器測得環(huán)境信息，并做出決策，實現(xiàn)邊行走邊打掃，完成預(yù)定的任務(wù)。典型的清潔機器人主要由以下幾個模塊組成：
(1)信息采集模塊
(2)決策模塊
(3)運動控制模塊
(4)清掃模塊
這四個部分構(gòu)成了完整的清潔機器人系統(tǒng)，如圖2-1所示。信息采集模塊返回當前清潔機器人的位置信息，如是否碰到障礙物、是否遇到樓梯等，然后把這些信 息送給決策模塊進行決策，控制運動控制模塊，使機器人轉(zhuǎn)彎或者后退等，在機器人運動的同時讓清掃模塊進行清掃，完成打掃地面的任務(wù)。
圖2-1清潔機器人系統(tǒng)典型組成示意圖
2.2、硬件設(shè)計原理
機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
機器人本體的良好設(shè)計是實現(xiàn)其他各功能模塊的基礎(chǔ)。本文設(shè)計的清潔機器人采用三輪機構(gòu)的車體，兩個動力輪，一個萬向輪，具有運動靈活，控制簡單的優(yōu)點。
機器人在地面上移動的方式通常有三種：輪式、履帶式和步行式。步行移動方式模仿人類或動物的行走機理，用腿腳走路，對環(huán)境適應(yīng)性好，智能程度也相對較 高，但步行移動方式在機構(gòu)和控制上比較復(fù)雜：履帶移動方式將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸，履帶式的的優(yōu)點是著地面積比車輪 式大，所以著地壓強小，適于爬坡或者不平的地面;輪式移動方式是最常見的一種地面行進方式，其特點是：能高速穩(wěn)定的移動，能量利用效率高，機構(gòu)和控制簡 單，但不能爬坡。本設(shè)計中清潔機器人只需在室內(nèi)打掃，工作環(huán)境較好，所以采用輪式移動方式。
超聲波傳感器需要安裝在底盤上，且需要安裝在合適的位置并牢固可靠。本設(shè)計中將超聲波模塊直插在固定的電路板上，進而固定在底盤上。機器人行進時，主要是對要前行的路探測是否有障礙物，因此將超聲波模塊安裝在車身的最前端。
本系統(tǒng)選用雙軸HC02-48強磁電機，電機運行穩(wěn)定，無抖動。扭力強勁130強磁直流減速電機，扭力為普通電機的2至5倍，電壓3-9V，變速箱1：48比速，小車最佳比速，速度與力量完美組合。
清掃機器人的吸塵技術(shù)有兩類：真空吸塵器和氣流濾塵器。真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風扇在機體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強大的氣流，將塵埃和臟物通過吸口吸入機 體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。氣流濾塵器是一個全封閉系統(tǒng)，既無外部氣體吸入，也無機內(nèi)氣體排除，其原理是利用附壁效應(yīng)去形成低壓渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi) 的渦流腔內(nèi)。
硬件電路設(shè)計
根據(jù)清潔機器人功能要求，清潔機器人硬件系統(tǒng)包括單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、超聲波模塊、藍牙模塊。
本系統(tǒng)采用SLH89F5162作為核心控制芯片。采用了多種防破解技術(shù)。SLH89F5162單片機是一款功能比較強大的單片機，它擁有兩個全雙工串 行通信接口，串口1的功能及操作與傳統(tǒng)51單片機串行口相同：特殊的是SLH89F5162單片機內(nèi)部有一個獨立波特率發(fā)生器，串口1可以使用定時器1作 為波特率發(fā)生器，也可以使用獨立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器;而串口2只能使用獨立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器。SLH89F5162是高速/低功耗 /超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成3路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對電機控 制，強干擾場合。SLH89F5162單片機為整個控制系統(tǒng)核心，考慮各模塊的功能需求以及單片機各個I/O口的特性后。
硬件系統(tǒng)由以下幾個模塊構(gòu)成：電源部分，負責提供穩(wěn)定的5V電源;晶振電路，為系統(tǒng)提供時鐘;復(fù)位電路，按鍵后對系統(tǒng)進行復(fù)位：藍牙模塊，接收手機發(fā)送的控制信號;超聲波模塊，進行實時測距以躲避障礙物;驅(qū)動模塊，驅(qū)動電機工作，實現(xiàn)機器人的行走。
軟件設(shè)計原理
本章主要進行了系統(tǒng)軟件設(shè)計，完成了底層軟件的編寫;同時，研究了清潔機器人路徑規(guī)劃算法，實現(xiàn)了三種清掃模式的選擇;進一步
，研究了智能手機遙控在清潔機器人中的應(yīng)用。
清潔機器人在實現(xiàn)自動清潔任務(wù)時，需要完成如下幾個任務(wù)：(1)接收手機發(fā)出的控制命令;(2)手機控制行走;(3)自動避障;(4)控制驅(qū)動輪行走; (5)自動清潔區(qū)域。其中接收手機發(fā)出的控制命令，對實時性要求比較高，需要中斷程序處理，其他傳感器信息采用查詢方式進行處理。
本系 統(tǒng)將軟件分成以下幾個模塊進行實現(xiàn)：手機遙控模塊，用戶可以通過手機遙控的方式使機器人進行清掃，方便使用，采用中斷服務(wù)子程序進行處理;自動避障模塊， 機器人在運行過程中能自動避障，同時完場清掃任務(wù)：自動區(qū)域清掃模塊，機器人可以完成對某一區(qū)域的自動清掃;電機控制模塊，對電機進行控制實現(xiàn)機器人的行 走;這些模塊各自封裝好，將封裝好函數(shù)接口留給主函數(shù)進行調(diào)用。
程序初始化模塊主要包括：初始化串口、初始化定時器、開串口中斷、開定時器中斷、配置獨立波特率發(fā)生器等。工作過程可以分成兩個主要部分：檢測控制命令和實現(xiàn)清掃。
對于檢測控制命令，要求單片機能夠?qū)崟r響應(yīng)手機發(fā)出的命令，由于是通過藍牙通訊，則需響應(yīng)藍牙通過串口接收到的數(shù)據(jù)，只需打開串口中斷即可。
對于實現(xiàn)清掃，首先要選擇清潔模式，再根據(jù)不同的清潔的模式，對電機及超聲波模塊經(jīng)行相應(yīng)的控制。
三、項目設(shè)計框圖
硬件設(shè)計框圖
圖3-1硬件設(shè)計框圖
軟件設(shè)計框圖
圖3-2主程序流程圖
圖3-3藍牙模塊流程圖
圖3-4模式選擇流程圖
硬件電路圖
文章詳情：基于SLH89F5162的智能清潔機器人
老人關(guān)懷照護系統(tǒng)設(shè)計有居家的監(jiān)控功能及和家人互動功能，透過網(wǎng)路服務(wù)，當老人有照顧需求時，可利用手勢辨識功能呼叫機器人至身邊;當想觀看親 友在臉書(Facebook)上的消息及圖片時，可利用臉書動態(tài)服務(wù)，即時得知親友最新動態(tài)訊息，也可透過網(wǎng)路通話與遠方的家人進行視頻聊天;同時也可隨 時監(jiān)控，當意外發(fā)生時可即時通知家人及醫(yī)護人員進行處理。
該系統(tǒng)利用主系統(tǒng)芯片將Kinect所感測的骨架追蹤、手勢辨識及網(wǎng)路攝影的視頻通話等感測后存取數(shù)值，再利用串列傳輸(USART)傳送數(shù)值于主系統(tǒng)芯片，并做出距離等識別模式，進行跟隨老人、控制馬達與老人互動。
Kinect感測功能襄助 照護機器人創(chuàng)新應(yīng)用擴大
該系統(tǒng)創(chuàng)新性功能為跟隨看護模式--Kinect骨架追蹤和超音波定位、骨架判斷--跌倒偵測、緊急通知--簡訊傳送，以及互動功能--手勢辨識和網(wǎng)路視頻(圖1)。
圖1 照護機器人理想互動功能
在跟隨看護服務(wù)部分，該系統(tǒng)利用骨架追蹤及超音波定位，當老人移動時，機器人便會跟隨至后方進行照護，可隨時判定老人是否跌倒，操作起來也十分方便。現(xiàn) 有的跌倒偵測系統(tǒng)大都依賴攝影機或是使用者身上配戴的器材來辨別跌倒，該系統(tǒng)的跌倒偵測只須透過Kinect骨架追蹤，即可判定是否跌倒。
至于緊急簡訊傳送部分，當老人判定為跌倒時，機器人會自動由主系統(tǒng)芯片發(fā)布簡訊至指定家人手機中，親人接收到消息后可立即做出反應(yīng)或視頻觀看。而臉書動 態(tài)及互動視頻服務(wù)部分，該系統(tǒng)加裝臉書動態(tài)服務(wù)及網(wǎng)路視頻，老人即可關(guān)心在外子女的圖片，并讓親友利用視頻互動看見老人在家的狀況，能有效拉近老人與家人 的距離。
.跟隨看護服務(wù)
照護機器人主系統(tǒng)利用芯片與Kinect進行老人互動與 看護服務(wù)。智能型看護機器人可透過Kinect跟隨于老人后方隨時看護，利用Kinect本身的骨架識別，以判別正常狀況時的骨架數(shù)量與動作。當老人不慎 跌倒時，依骨架瞬間降下或消失為判別，再回傳數(shù)值訊號給主系統(tǒng)，可即時透過緊急簡訊功能送至子女的手機進行通知，家人則可透過網(wǎng)路視頻進行查看老人在家中 的狀況，以免錯過時間就醫(yī)。
為即時反應(yīng)與傳送數(shù)值來跟隨與保障老人的安危，看護系統(tǒng)透過主系統(tǒng)芯片提供USART，即可直接利用 USART而不須再以串列周邊介面(SPI)進行轉(zhuǎn)換動作。跟隨方面，則運用產(chǎn)生脈衝寬度調(diào)變(PWM)脈波來控制HB-25馬達驅(qū)動器來驅(qū)動直流馬達， 由于控制波形即可正反轉(zhuǎn)，就能在主芯片應(yīng)用與結(jié)合出讓機器人前后左右的動作與功能。
該系統(tǒng)還須使用PING超音波距離感應(yīng)器(圖2)來偵測距離，除應(yīng)用PWM來進行聲波傳送與接收，也使用通用輸入/輸出來接收數(shù)值距離判斷與Kinect骨架等數(shù)值。
圖2 PING超音波距離感應(yīng)器
利用芯片使機器人進行追蹤，由超音波偵測距離，讓主系統(tǒng)判斷老人的位置，并命令馬達動作，使機器人能進行跟隨，可隨時跟在老人的身邊，注意是否有突發(fā)狀況發(fā)生，揮揮手就能與家人視頻通話等功能。
PING超音波距離感應(yīng)器用于測量與物體間的距離，範圍介于3cm?3.3m，容易裝置于機器人或自動設(shè)備上。超音波感測器利用脈波產(chǎn)生，透過聲波喇叭 進行一發(fā)一收的動作來得到訊號的時間長短，也就是感測器發(fā)送訊號至物體而反射后所經(jīng)過的時間，在經(jīng)過運算后即能得到精準的距離。為實現(xiàn)追蹤功能，超音波定 位追蹤方法利用主系統(tǒng)芯片產(chǎn)生脈波與判斷，使超音波能自動追隨物體，也更加穩(wěn)定照護功能。
為可負載生活必需品，因此行走動力來源選擇扭 力較大的馬達(IG-30GM)做為驅(qū)動，搭配耐高電流的12伏特(V)馬達驅(qū)動芯片(HB-25)來控制直流馬達，控制方式為脈波的寬度調(diào)變，控制兩顆 馬達的正反轉(zhuǎn)、時間差和轉(zhuǎn)動速度等參數(shù)，芯片扮演重要的行動控制機能，車體的前進、后煺、轉(zhuǎn)彎等動作。
.Kinect骨架判斷
Kinect透過鏡頭即時擷取使用者的動作，之后并會接著解析相對應(yīng)的指令。透過內(nèi)建的紅外線VGA鏡頭發(fā)出主動式雷射，在Kinect可掃描的範圍內(nèi) 藉由雷射反射過程判斷使用者位置，當使用者的身體部位識別完畢后，Kinect會將所擷取到的資料整理成一組骨架圖，藉此對應(yīng)于相關(guān)應(yīng)用。
使用Kinect本身的骨架辨識功能，能模擬出老人的骨架，讓主系統(tǒng)監(jiān)控骨架與動作，判斷骨架是否出現(xiàn)或是下降;判斷特定動作，啟動特定的功能，如圖3為人體進入Kinect範圍時會出現(xiàn)骨架識別，進而做出不同指令動作。
圖3 機器人動作流程圖
.緊急簡訊傳送
當老人發(fā)生跌倒時，主系統(tǒng)接受跌倒指令數(shù)值判斷出Kinect所勾勒出的骨架是否下降或消失，并透過緊急簡訊功能，立即發(fā)送簡訊至子女的手機進行通知，家人在查看到簡訊后能立即開啟網(wǎng)路視頻服務(wù)，可于第一時間了解家中老人的狀況，并與老人進行對話。
此外，簡訊功能可指定手機號碼，且更改緊急聯(lián)絡(luò)人十分方便。
.臉書動態(tài)/互動視頻服務(wù)
當老人需要照護機器人進行觀看在外子女的動態(tài)或聯(lián)絡(luò)時，可透過手勢辨識，呼叫照護機器人過來至身旁，機器人可透過手勢動作判別進行臉書動態(tài)服務(wù)，可觀看子女在外打卡或上傳照片，也可利用網(wǎng)路攝影機及網(wǎng)路視頻功能與在遠方子女進行視頻對話，隨時知道彼此的消息。
執(zhí)行完整測試項目 機器人實現(xiàn)更安全老人照護
圖3為該系統(tǒng)的動作流程圖，以微控制器(MCU)做為核心控制(圖4)，進行數(shù)值運算與即時反應(yīng)，利用微控制器的高運算處理速度來即時完成所有數(shù)值接收與指令，讓機器人不會因延遲而導(dǎo)致行動不順暢。
圖4 微控制器動作方塊圖
主系統(tǒng)芯片還須與其他硬件結(jié)構(gòu)說明，以主系統(tǒng)芯片出發(fā)，達到所有模組相互結(jié)合的應(yīng)用，進而完成智能型照護機器人的設(shè)計與實現(xiàn)。在實作過程中須進行仔細調(diào)整與測試的項目，包括直流馬達驅(qū)動控制、超音波定位角度追蹤、Kinect指令動作方向和機器人追隨安全距離。
.直流馬達驅(qū)動控制
為讓本系統(tǒng)達到行動照護，所以直流馬達是必定需要的，并使用馬達驅(qū)動器，控制起來只須調(diào)整脈衝寬度調(diào)變(PWM)，以及馬達的正反轉(zhuǎn)、時間差和轉(zhuǎn)動速度等參數(shù)，就能讓照護機器人行動起來更加順暢(圖5)。
圖5 直流馬達測試及建置
利用測試方法讓馬達得以進行正反轉(zhuǎn)動作，再將完成的馬達驅(qū)動置于該作品底座，裡頭包含自行設(shè)計的電路板、配置電源及最重要的馬達驅(qū)動器等。
.超音波定位角度追蹤
為能讓機器人能自動追蹤人體，自行簡易設(shè)計出應(yīng)用叁個超音波判斷距離與方向，再與伺服器馬達結(jié)合而形成的角度追蹤，透過偵測叁種方向，馬達就能精準追隨并停止。
.Kinect指令動作方向
該系統(tǒng)結(jié)合Kinect進行骨架與動作偵測，手勢動作則應(yīng)用于開啟臉書動態(tài)服務(wù)于網(wǎng)路視頻功能，為方便開啟功能，進而測試手勢不同方向與動作。
.機器人追隨安全距離
為能讓跟隨老人并維持距離追蹤，以及Kinect角度偵判範圍，測試不同距離來決定能最精準且偵測到數(shù)值的車身與老人間距，分別測試50cm、80cm、100cm叁種不同距離。
圖6為該系統(tǒng)的正面擺設(shè)，其中包含筆記型電腦的放置，用來觀看視頻及骨架偵測觀察畫面。Kinect置于上方處，方便擷取整個骨架，并結(jié)合超音波進行人體追蹤，置放叁顆以擴大測量範圍。
圖6 照護系統(tǒng)正面硬件裝置配置
藉由跟隨功能達到即時監(jiān)控，讓老人在家中能降低危險發(fā)生，并利用本身置物柜以放取老人日常生活用品，達到即時拿取的便利性，以最人性化且智能的方式照顧好老人，未來也將會增加更多功能，來讓服務(wù)更加完善。
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本文標題：機器人關(guān)鍵技術(shù)及前沿應(yīng)用設(shè)計集錦
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