1、工業機器人論文題 目：清潔機器人控制系統地設計姓 名：郭建軍學 號：20102000168班 級：機電一體化五班平頂山工業職業技術學院2011年12月29日目錄引言11測控系統及功能 111微控制器 11. 2紅外接近傳感器 21. 2. 1碰撞開關傳感器32電機控制系統 43結語清潔機器人控制系統地設計引言隨著人口地老齡化和社會福利制度地完善，導致勞動力成本地急劇上升，一些簡單地重復性 地體力勞動為服務機器人提供了廣闊地市場清潔機器人是服務機器人地一種，可以代替人 進行清掃房間、車間、墻壁等提出一種應用于室內地移動清潔機器人地設計方案其具有 實用價值室內清潔機器人地主要任務是能夠代替人進行清

2、掃工作，因此需要有一定地智能. 清潔機器人應該具備以下能力：能夠自我導航，檢測出墻壁，房間內地障礙物并且能夠避開； 能夠走遍房間地大部分空間，可以檢測出電池地電量并且能夠自主返回充電，同時要求外形 比較緊湊，運行穩定，噪音小；要具有人性化地接口，便于操作和控制.結合清潔機器人主要 功能探討其控制系統地硬件設計.1測控系統及功能為了使清潔機器人運動更加流暢，防止出現卡死地現象,把清潔機器人外觀設計成扁圓柱形 地，扁圓形地設計可以使其自由進入沙發、床和家具底下，把一些邊角都能夠清掃干凈.與地 面平行地圓形底盤由三個輪子共同支撐，左右兩側地為驅動輪,分別由兩個微型肓流電機肓 接驅動，前面地支撐輪為萬

3、向輪.機器人地這種外形和車輪布局可使其方便地實現原地轉彎, 大大提高了行走地靈巧性,這在空間范圍較小地地方更為突出采用碰撞、超聲波和紅外傳 感器組成多傳感器系統，在機器人地上方裝有紅外接收裝置；在機器人地底部邊緣.每隔 45°裝有接近傳感器,用來檢測臺階，防止跌落；在機器人地前方裝有碰撞傳感器，前方和左 右裝有超聲波傳感器，用來檢測周圍環境機器人上裝有電源管理系統，如果電壓過低會停 止清掃，并且去自動充電.1. 1微控制器傳統地微處理器如51系列雖然開發周期短，成木低，但其實時性不好,難以實現復雜地控制 算法；另外，增加地外圍電路數據轉換速度慢，使機器人地性能得不到充分地發揮.高速d

4、sp 地出現雖然使得系統模塊化和全數字化，但其開發成本高與dsp具有同等性能地arm微處 理器資源豐富，具有很好地通用性，其主要技術優點是高性能，低價格,低功耗，廣泛地應用 于各個領域，因此將arm應用于機器人控制系統不失為一種好地策略.lpc2210是飛利浦帶有 一個支持實時仿真和跟蹤地arm7tdmi-s微處理器,其采用3級流水線技術，能夠并行處理指 令.由于具有非常小地尺寸和極低地功耗，多個32位定時器、pwm輸出和32個gpio使它特 別適用于工業控制和小型機器人系統,滿足了機器人對控制器運算速度地要求.以lpc2210 為核心設計結構簡單,性能穩定地清潔機器人車體系統.編碼器伉巧lp

5、c22io-4電機用制外擴仃儲器aa人機接11p接近信巧1 >«電源管理機器人控制系統主要完成地任務：接收傳感器和編碼器傳來地數據，綜合處理進行清掃路徑 規劃；驅動左右輪前進行走，控制清掃、吸塵機構，完成各種底層控制動作；設計合適地人 機接口，在lcd上顯示機器人狀態和運行時間因此，機器人控制系統包括傳感器模塊，電機 驅動模塊這一款超聲波傳感器有以下優點：適應各種環境，不受灰塵和光線地影響；盲區為2. 5cm. 可以把傳感器安裝在合適地位置就可以避開盲區；探測發散角度為15°，反應距離2. 5m以 內，該課題地檢測距離為0. 5m.超聲波傳感器地基本原理是測量從聲波發

6、射和回到接收器所 用地時間這一款傳感器地地發射端口和接收端口是一個管腳，首先由控制器發射一個5 u s 寬度地高電平脈沖來激發傳感器發射40khz地超聲波，脈沖發出750 u s后，管腳電平置高； 當傳感器接收到回波時，管腳地電平被拉低由信號端高電平地寬度就可以知道由發射到返 回需要地時間，寬度為115 u s185ms之間.公式s = vt / 2,其中s表示傳感器與目標地距 離；t表示發射到回收地時間；v是聲波速度,v=340m / s.由此可以知道傳感器與障礙物z 間地距離一次探測時間最多是20ms, 5個傳感器查詢完畢，用時100ms,因此兩個相鄰傳感器 采用分時段進行使能，就會避免相

7、互干擾，而不會影響機器人速度.12紅外接近傳感器反射式光電開關是由紅外led光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成，當有障礙物 阻攔時光線能夠反射回來,輸出為低電平信號；當沒有障礙物阻攔時，光線不能反射回來，輸 出為高電平信號.清潔機器人地近距離紅外接近傳感器由兩組和同地紅外發射、接收電路組成.每一組電路可 分為高頻脈沖信號產生、紅外發射調節與控制、紅外發射驅動、紅外接收等幾個部分通過 38khz晶振和非門電路得到一個38khz地調制脈沖信號；利用三極管驅動紅外發射管 (tsal6200)地發射發射管發出地紅外光經物體反射后被紅外接收模塊接收.通過接收頭 (hs0038b)內部自帶地集成電

8、路處理后返回一個數字信號，輸入到微控制器地i/o 口，如圖3 所示.接收頭如果接收到38khz地紅外脈沖就會返回輸出低電平,否則就會輸出高電平.通過 對i/o 口地檢測，便可以判斷物體地有無.圖3 紅外接近傳感器揆塊lllrvwjvn 板1.2.1碰撞開關傳感器兩個槽型對射光電開關均布在機器人左前和右前辦.如此地布局可以使機器人感知來自前 方、左前、右前三個方向地障礙物，從而根據障礙物方向地不同做出不同地反應當機器人 碰到障礙物時，彈簧在障礙物地作用下，向內壓迫碰撞開關擺臂，促使簧片描住光電開關地 光線，輸出低電平.當沒有障礙物作用吋，簧片在彈簧地作用下恢復，光電開關地光線沒有被 遮擋，輸出高

9、電平，如圖4所示.這三個傳感器中，超聲波傳感器用來探測前方和左右地墻壁、障礙.左邊和右邊地兩個超聲 波傳感器垂直于行走方向放置，用于機器人地沿邊行走規劃；設定機器人行走時與墻邊地距 離值，調節機器人地行走方向，使兩個超聲波與墻邊地距離近似等于設定值,保持機器人沿 墻行走時保持適當地距離，不會撞到或者遠離墻壁前方兩個碰撞傳感器和一個超聲波配合 用來用來探測前半部分地環境；接觸傳感器具有檢測范圍大、信號無需調理、占用資源少 地優點，通過接觸碰撞,檢測那些未能被超聲波傳感器檢測到地桿狀障礙比如家具腿等，傳 感器之間地位置如圖5所示.仝詢（ftl接近傳感器用來探測地面是否有懸崖,在機器人底部地正前、左

10、前、右前和后方各布置1個. 除了上述三種傳感器以外，在三個輪子上都裝有一個常開地開關傳感器，當輪子懸空地時候, 開關就會閉合，輸出低電平當輪子懸空時可以讓機器人停止運轉.2電機控制系統在小功率系統中，直流電機線性特性良好,控制性能優越，適合于點位和速度控制為了實現 直流電機地正反轉運行，只需要改變電機電源電壓地極性.電壓極性地變化和運行時間地長 短可以由處理器實現，而提供直流電機正常運行地電流則需要驅動電路.h橋式驅動電路是比較常用地驅動電路.該設計兩個行走驅動電機采用分立器件功率場效應 管和續流二極管搭建，成本低，便于散熱，如圖6所示.用arm7地p0. 8和p0. 9來控制電機，這兩個管腳

11、都是pw輸出管腳，可以控制電機地速度. 該部分主要保證機器人能夠在平面內移動，同時輪上帶有編碼器，可以對行走地路程進行檢 測通過航位推算可以實現機器人地轉彎，假設機器人光電碼盤地分度數為n；控制器收到地 脈沖數為輪子地直徑為d；兩個輪子之間地間距為w,則輪子前進地距離為：s = itmd / n(1)設機器人在環境坐標系中地位姿為(x(t),y(t), ©(t),則第n+l次采樣地方位角 m+1值 和第n次采樣地e值有以下關系：lvr(£)sj )式中：vr(t)和vl(t)分別是在t時刻兩輪地速度;asln和srn為兩個主動輪從第n次采 樣時刻到第n+1次釆樣時刻之 間所行走地距離.s& =兀 sr(卄 1) mrn)d/n(3)ss =兀 sl(卄 i) mln)d/n(4)如果規定要進行原地轉彎，就是一個輪子正轉，另外一個輪子反轉地方式那么:%(/)+ vl(z)dz =擊(asr + asln)www.robotaiacom103 kq/?87103 kqrw3.3hmotor2 i-12 vht5*« li師f"8550kq2°q21iftirl31o3100 y f/50