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　　如前所述單面機及感應器的機器人設計與同時實現

　　國際金屬加工網

　　先進制造 ◇ 系列技術講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業典型研討會

　　1 前　言

　　機器人技術是結合了機械、電子、感應器、計算機、人工智能等許多學科的科學知識，涉及到當今許多前沿領域的技術。一些發達國家已把機器人制做賽事做為創新教育的戰略性手段。如日本每年都要舉行諸如“NHK杯大小學生機器人大賽”、“全日本機器人相撲大會”、“機器人足球賽”等各種類型的機器人制做賽事，參加者多為小學生，旨在透過大賽全面培育小學生的動手潛能、創造潛能、合作潛能和進取精神，同時也普及智能機器人的科學知識.[1]

積極開展機器人的制做活動，是培育大小學生的創新精神和課堂教學潛能的最差課堂教學活動之一，特別是機電專業小學生積極開展綜合科學知識訓練的最差平臺。本文針對具有鼓勵線環境下的方向追蹤這一熱點問題，如前所述單面機掌控及感應器基本原理，透過硬體阻抗制做和軟件編程，制做了兩個機器人，同時實現了機器人的方向追蹤和手動勒維岡縣的功能，并能觀測金屬，實時顯示距。

　　2 機器人要完成的功能

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

　　3 硬體設計方案

　　機器人總體構成

圖1機器人總體構成

　　如圖1所示，以微處理器為核心，接受感應器響起外部重要信息，進行處理，掌控機器人的運行。

　　系統電源供電系統部份

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

　　電機驅動力及PWM調速部份

　　機器人需掌控在兩個合適的速度高速行駛，速度太快，因單面機對各感應器響起的訊號有兩個響應、處理時間，小車極易偏離軌道。小車的速度是由后輪交流電機轉速掌控，發生改變交流電機轉速通常選用并聯、調磁等方式來同時實現。其中，并聯方式基本原理簡單，易與同時實現。

選用由晶體管共同組成的H型PWM正弦阻抗。透過圖2所示PWM正弦阻抗，用單面機掌控晶體管使之組織工作在充電電流可調狀態，同時實現調速。

　　圖2 電機驅動力阻抗

　　令單面機P1.7口為低阻抗，P1.6口為高阻抗，此時Q1、Q4偏壓，Q2、Q3截止，電動機正常組織工作。發生改變P1.6口高阻抗周期，即發生改變PWM正弦波形充電電流，可以同時實現精確調速。波形振幅對電機轉速有影響，波形振幅高連續性好，但帶負載潛能差;波形振幅低則反之[2]。經試驗發現，波形振幅在30Hz以上，電機旋轉平穩，但小車高速行駛時，由于摩擦力使電機轉速降低很快，甚至ZR19;波形振幅在10Hz以下，電機旋轉有跳躍現象，試驗證明波形振幅在25～35Hz效果最差。我們挑選出波形振幅為30Hz。

　　鼓勵線檢驗模塊

根據紙片和隱棘反射系數不同，透過以微電子感應器為核心的微電子檢驗阻抗將橋面兩種顏色進行區分，轉化為不同阻抗訊號，將此阻抗訊號送單面機，由單面機掌控轉為電機作相應的轉為，保證小ED500鼓勵線高速行駛。考慮到小車與橋面的相對位置，選用紅腺微電子檢驗阻抗。

　　紅外微電子感應器TCRT1000，它是一種微電子子掃描，微電子二極體發射，真空管接收并輸入的裝置 .它的特點是尺寸小、使用方便、訊號高輸入、組織工作狀態受溫度影響小。它的外圍阻抗簡單，(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端也透過一阻抗和電源相連接，共同組成輸入阻抗。當檢驗器檢驗到白色時，其輸入低阻抗;當檢驗到白色時，則輸入高阻抗。

為提高檢驗精度，采用了多感應器重要信息結合技術。設計中，在車頭均勻精心設計三個微電子感應器，其中，中間兩個(Q1)加裝在小車正中央。Q1的輸入經一級比較器和非門，接單面

　　圖3 微電子檢驗轉換阻抗

　　機的P1.3腳.Q1埃皮納勒區分別精心設計兩個感應器，經與圖3相同的阻抗后也連接到單面機P1口。若兩側某一感應器檢驗到隱棘，表明小車正脫離軌道，將3個檢驗點的結果結合后做為單面機的輸入，機器人按照單面機P1口重要信息進行判斷調整，同時實現方向追蹤和手動勒維岡縣[3]。

　　金屬觀測部份

　　圖4 金屬觀測阻抗

如圖4所示，金屬觀測器使用一接近開關，觀測有效距約為4mm，將它固定在機器人上，當觀測到金屬片時，觀測器輸入端輸入低阻抗，經反向器后接一發光二極體和一蜂鳴器，發出聲光指示訊號。同時輸入反向后接單面機，對觀測到的金屬片個數進行計數。

　　霍爾元件測距設計

　　霍爾集成片內部由三片霍爾金屬板共同組成，當磁鐵正對金屬板時，根據霍爾效應，金屬板發生橫向偏壓[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，透過對波形計數進行距測量。小車后輪每轉一圈，霍爾元件產生的波形送入單面機的T0口進行計數，單面機完成波形數到距的轉換。在后輪加裝兩個磁極，測量誤差是兩個車輪的周長，可在軟件中給予補償。

　　LCD顯示

液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統中得到越來越廣泛的應用。 這里選用2行16個字的DM-162液晶模塊，透過與單面機連接，編程，完成顯示功能。

　　4 系統軟件流程

　　系統軟件流程如圖5所示。

　　圖5 系統軟件流程圖

　　5 結論

　　本文如前所述單面機及感應器基本原理，以單面機為掌控器的核心，小型交流電機做為驅動力元件，配置不同類型的感應器，透過軟件編程，制做出了兩個價格低廉、模塊化結構的小型機器人。大量的騎行試驗證明，該機器人能夠順利方向追蹤和手動勒維岡縣自主騎行，并完成觀測、顯示等功能。

　　本文創新點：本文針對具有鼓勵線環境下的方向追蹤這一熱點問題，選用多感應器重要信息結合技術，透過單面機掌控，同時實現了機器人的方向追蹤和手動勒維岡縣的功能，方法簡單，易于同時實現，造價低廉，效果較好。

　　參考文獻

[1]韓建海，趙書尚，張國躍等。如前所述 PIC 單面機的六足機器人制做。機器人技術與應用，2003,06

　　[2] 姜長漲，于萬元，王冬蕾。如前所述AVR單面機的交流電動機的PWM調速系統設計。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合方法的機器人導航系統。微計算機重要信息，2005年第11-2期

　　[4] 張壽安。霍爾效應在位置掌控中的應用。長沙鐵道學院學報(社會科學版)，2005,02

　　( 文章來源：互聯網 )

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