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　　如前所述單面機(jī)及感應(yīng)器的機(jī)器人設(shè)計(jì)與同時(shí)實(shí)現(xiàn)

　　國(guó)際金屬加工網(wǎng)

　　先進(jìn)制造 ◇ 系列技術(shù)講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國(guó)機(jī)器人行業(yè)典型研討會(huì)

　　1 前　言

　　機(jī)器人技術(shù)是結(jié)合了機(jī)械、電子、感應(yīng)器、計(jì)算機(jī)、人工智能等許多學(xué)科的科學(xué)知識(shí)，涉及到當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已把機(jī)器人制做賽事做為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。如日本每年都要舉行諸如“NHK杯大小學(xué)生機(jī)器人大賽”、“全日本機(jī)器人相撲大會(huì)”、“機(jī)器人足球賽”等各種類型的機(jī)器人制做賽事，參加者多為小學(xué)生，旨在透過(guò)大賽全面培育小學(xué)生的動(dòng)手潛能、創(chuàng)造潛能、合作潛能和進(jìn)取精神，同時(shí)也普及智能機(jī)器人的科學(xué)知識(shí).[1]

積極開(kāi)展機(jī)器人的制做活動(dòng)，是培育大小學(xué)生的創(chuàng)新精神和課堂教學(xué)潛能的最差課堂教學(xué)活動(dòng)之一，特別是機(jī)電專業(yè)小學(xué)生積極開(kāi)展綜合科學(xué)知識(shí)訓(xùn)練的最差平臺(tái)。本文針對(duì)具有鼓勵(lì)線環(huán)境下的方向追蹤這一熱點(diǎn)問(wèn)題，如前所述單面機(jī)掌控及感應(yīng)器基本原理，透過(guò)硬體阻抗制做和軟件編程，制做了兩個(gè)機(jī)器人，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的方向追蹤和手動(dòng)勒維岡縣的功能，并能觀測(cè)金屬，實(shí)時(shí)顯示距。

　　2 機(jī)器人要完成的功能

　　挑選出一塊光滑地板或木板，上面鋪設(shè)紙片，紙片上畫(huà)任意白色輪廓(輪廓不要交叉)，做為機(jī)器人騎行的拋物線，鼓勵(lì)機(jī)器人自主騎行。紙下沿隱棘拋物線隨機(jī)深藏幾片薄金屬片，金屬片厚度為0.5～1.0mm。機(jī)器人沿拋物線騎行一周，觀測(cè)出深藏在紙下金屬片，發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示金屬片距起點(diǎn)的位置。

　　3 硬體設(shè)計(jì)方案

　　機(jī)器人總體構(gòu)成

圖1機(jī)器人總體構(gòu)成

　　如圖1所示，以微處理器為核心，接受感應(yīng)器響起外部重要信息，進(jìn)行處理，掌控機(jī)器人的運(yùn)行。

　　系統(tǒng)電源供電系統(tǒng)部份

　　由于機(jī)器人電機(jī)，感應(yīng)器及系統(tǒng)CPU等部份均選用+5V供電系統(tǒng)，考慮電動(dòng)汽車功率和車載質(zhì)量及摩擦阻力問(wèn)題，電源我們選用電動(dòng)汽車自帶干電池組，功耗小、體積小和質(zhì)量輕，加裝較為方便。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)力及PWM調(diào)速部份

　　機(jī)器人需掌控在兩個(gè)合適的速度高速行駛，速度太快，因單面機(jī)對(duì)各感應(yīng)器響起的訊號(hào)有兩個(gè)響應(yīng)、處理時(shí)間，小車極易偏離軌道。小車的速度是由后輪交流電機(jī)轉(zhuǎn)速掌控，發(fā)生改變交流電機(jī)轉(zhuǎn)速通常選用并聯(lián)、調(diào)磁等方式來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)。其中，并聯(lián)方式基本原理簡(jiǎn)單，易與同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

選用由晶體管共同組成的H型PWM正弦阻抗。透過(guò)圖2所示PWM正弦阻抗，用單面機(jī)掌控晶體管使之組織工作在充電電流可調(diào)狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

　　圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)力阻抗

　　令單面機(jī)P1.7口為低阻抗，P1.6口為高阻抗，此時(shí)Q1、Q4偏壓，Q2、Q3截止，電動(dòng)機(jī)正常組織工作。發(fā)生改變P1.6口高阻抗周期，即發(fā)生改變PWM正弦波形充電電流，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速。波形振幅對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，波形振幅高連續(xù)性好，但帶負(fù)載潛能差;波形振幅低則反之[2]。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，波形振幅在30Hz以上，電機(jī)旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但小車高速行駛時(shí)，由于摩擦力使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低很快，甚至ZR19;波形振幅在10Hz以下，電機(jī)旋轉(zhuǎn)有跳躍現(xiàn)象，試驗(yàn)證明波形振幅在25～35Hz效果最差。我們挑選出波形振幅為30Hz。

　　鼓勵(lì)線檢驗(yàn)?zāi)K

根據(jù)紙片和隱棘反射系數(shù)不同，透過(guò)以微電子感應(yīng)器為核心的微電子檢驗(yàn)阻抗將橋面兩種顏色進(jìn)行區(qū)分，轉(zhuǎn)化為不同阻抗訊號(hào)，將此阻抗訊號(hào)送單面機(jī)，由單面機(jī)掌控轉(zhuǎn)為電機(jī)作相應(yīng)的轉(zhuǎn)為，保證小ED500鼓勵(lì)線高速行駛?？紤]到小車與橋面的相對(duì)位置，選用紅腺微電子檢驗(yàn)阻抗。

　　紅外微電子感應(yīng)器TCRT1000，它是一種微電子子掃描，微電子二極體發(fā)射，真空管接收并輸入的裝置 .它的特點(diǎn)是尺寸小、使用方便、訊號(hào)高輸入、組織工作狀態(tài)受溫度影響小。它的外圍阻抗簡(jiǎn)單，(如圖3所示)。二極體的C端和真空管的E端接地，二極體的A端透過(guò)一阻抗和電源相連接，共同組成諧振電流阻抗;真空管的C端也透過(guò)一阻抗和電源相連接，共同組成輸入阻抗。當(dāng)檢驗(yàn)器檢驗(yàn)到白色時(shí)，其輸入低阻抗;當(dāng)檢驗(yàn)到白色時(shí)，則輸入高阻抗。

為提高檢驗(yàn)精度，采用了多感應(yīng)器重要信息結(jié)合技術(shù)。設(shè)計(jì)中，在車頭均勻精心設(shè)計(jì)三個(gè)微電子感應(yīng)器，其中，中間兩個(gè)(Q1)加裝在小車正中央。Q1的輸入經(jīng)一級(jí)比較器和非門，接單面

　　圖3 微電子檢驗(yàn)轉(zhuǎn)換阻抗

　　機(jī)的P1.3腳.Q1埃皮納勒區(qū)分別精心設(shè)計(jì)兩個(gè)感應(yīng)器，經(jīng)與圖3相同的阻抗后也連接到單面機(jī)P1口。若兩側(cè)某一感應(yīng)器檢驗(yàn)到隱棘，表明小車正脫離軌道，將3個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)的結(jié)果結(jié)合后做為單面機(jī)的輸入，機(jī)器人按照單面機(jī)P1口重要信息進(jìn)行判斷調(diào)整，同時(shí)實(shí)現(xiàn)方向追蹤和手動(dòng)勒維岡縣[3]。

　　金屬觀測(cè)部份

　　圖4 金屬觀測(cè)阻抗

如圖4所示，金屬觀測(cè)器使用一接近開(kāi)關(guān)，觀測(cè)有效距約為4mm，將它固定在機(jī)器人上，當(dāng)觀測(cè)到金屬片時(shí)，觀測(cè)器輸入端輸入低阻抗，經(jīng)反向器后接一發(fā)光二極體和一蜂鳴器，發(fā)出聲光指示訊號(hào)。同時(shí)輸入反向后接單面機(jī)，對(duì)觀測(cè)到的金屬片個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

　　霍爾元件測(cè)距設(shè)計(jì)

　　霍爾集成片內(nèi)部由三片霍爾金屬板共同組成，當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向偏壓[4]，因此可以在車輪上加裝磁片，而將霍爾集成片加裝在固定軸上，透過(guò)對(duì)波形計(jì)數(shù)進(jìn)行距測(cè)量。小車后輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件產(chǎn)生的波形送入單面機(jī)的T0口進(jìn)行計(jì)數(shù)，單面機(jī)完成波形數(shù)到距的轉(zhuǎn)換。在后輪加裝兩個(gè)磁極，測(cè)量誤差是兩個(gè)車輪的周長(zhǎng)，可在軟件中給予補(bǔ)償。

　　LCD顯示

液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 這里選用2行16個(gè)字的DM-162液晶模塊，透過(guò)與單面機(jī)連接，編程，完成顯示功能。

　　4 系統(tǒng)軟件流程

　　系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

　　圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

　　5 結(jié)論

　　本文如前所述單面機(jī)及感應(yīng)器基本原理，以單面機(jī)為掌控器的核心，小型交流電機(jī)做為驅(qū)動(dòng)力元件，配置不同類型的感應(yīng)器，透過(guò)軟件編程，制做出了兩個(gè)價(jià)格低廉、模塊化結(jié)構(gòu)的小型機(jī)器人。大量的騎行試驗(yàn)證明，該機(jī)器人能夠順利方向追蹤和手動(dòng)勒維岡縣自主騎行，并完成觀測(cè)、顯示等功能。

　　本文創(chuàng)新點(diǎn)：本文針對(duì)具有鼓勵(lì)線環(huán)境下的方向追蹤這一熱點(diǎn)問(wèn)題，選用多感應(yīng)器重要信息結(jié)合技術(shù)，透過(guò)單面機(jī)掌控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的方向追蹤和手動(dòng)勒維岡縣的功能，方法簡(jiǎn)單，易于同時(shí)實(shí)現(xiàn)，造價(jià)低廉，效果較好。

　　參考文獻(xiàn)

[1]韓建海，趙書(shū)尚，張國(guó)躍等。如前所述 PIC 單面機(jī)的六足機(jī)器人制做。機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003,06

　　[2] 姜長(zhǎng)漲，于萬(wàn)元，王冬蕾。如前所述AVR單面機(jī)的交流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。儀器儀表用戶，2006,02

　　[3] 薛艷茹，鄭冰， 郝興貞，等。如前所述模糊掌控重要信息結(jié)合方法的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。微計(jì)算機(jī)重要信息，2005年第11-2期

　　[4] 張壽安。霍爾效應(yīng)在位置掌控中的應(yīng)用。長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2005,02

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