苏科版 信息技术 九年级上册 1.2 机器人与单片机课件（共22张ppt)

课件22张PPT。机器人与单片机机器人的发展 1、机器人的发展史
“机器人”一词起源于捷克语，意为强迫劳动力或奴隶。这个词是由剧作家Karel Capek引入的，他虚构创作的机器人很象 Frankenstein 博士的怪物－由化学和生物学方法而不是机械方法创造的生物。各国机器人发展① 美国：美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称"机器人王国"的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。综观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。
尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：
（1）性能可靠，功能全面，精确度高；（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；
（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；
（4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。
各国机器人发展　② 英国：早在1966年，美国Unimation公司的尤尼曼特机器人和AMF公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。1967年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着，英国 Hall Automation公司研制出自己的机器人RAMP。70年代初期，由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的Lighthall报告，对工业机器人实行了限制发展的严厉措施，因而机器人工业一蹶不振，在西欧差不多居于末位。
但是，国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到：机器人技术的落后，导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是，从70年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。各国机器人发展 ③ 中国：有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。
我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。 各国机器人发展国际上，工业机器人的发展呈以下特点：
(1) 通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用,国外机器人操作机已实现了优化设计。
(2) 通过采用并联机器人机构,实现高精度测量及加工,这是机器人技术向数控技术的拓展,为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。
(3) 控制系统性能进一步提高,已由过去控制标准的6 轴机器人发展到现在能够控制21 轴甚至27 轴,并且实现了软件伺服和全数字控制,人机界面更加友好,基于图形操作的界面也已问世,在某些领域的离线编程已实现实用化。激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用,大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。国际上，工业机器人的发展呈以下特点：
(4) 许多新产品具有网络通信功能,使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步,也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展了一大步。
(5) 由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路应用,使机器人系统的可靠性有了很大提高。 国内机器人的发展状况 从80 年代开始至今,我国已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件、软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出用于喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离。 发展趋势 工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。
机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。
工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。发展趋势 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。机器人的应用领域（1）水下机器人
（2）空间机器人
（3）核工业用机器人
（4）地下机器人
（5）医用机器人
（6）建筑机器人
（7）军用机器人 机器人的核心技术一个机器人包括两个主要部分：机器人的身体和某种形式的人工智能（artificial intelligence，AI）系统。很多不同的身体部分都可以叫做机器人。关节手臂被用于焊接和上漆；起重机和传送带系统在工厂中运送零件；巨型机器人机器搬运矿井深处的泥土。一般说来，机器人最有趣的一个方面是它们的行为，这需要一种形式的智能。机器人最简单的行为是移动。典型地，轮子被作为让机器人从一点移动到下一点的基本机械装置。还需要某种力（如电力）让轮子在命令时转动。单片机技术在机器人中的应用 单片机技术作为自动控制技术的核心之一, 被广泛应用于工业控制、智能仪器、机电产品、家用电器等领域。随着微电子技术的迅速发展, 单片机功能也越来越强大,在机器人的设计中单片机技术、红外技术完成智能机器人控制系统设计的基础。智能机器人研究在当前机器人研究领域具有十分突出的地位, 其显著的特点是具有环境感知、判断决策、人机交互等功能。现在智能机器人系统主要实现了步行、跟踪、避障、步伐调整、语音、声控、液晶显示, 地面探测等功能。在遇到外界条件发生变化时, 该机器人将采取不同的措施对待, 较好地表现出该机器人的思考能力。通过单片机来实现不同的工作。 单片机技术在机器人视觉系统中的应用 轮式机器人导航控制系统的硬件组成如图1所示。整个系统由三部分组
成, 即: 由单片机AT89C52构成的单片机应用系统; 由电磁感应传感器、放大
调理电路和A /D转换电路构成的前向通道; 由互锁保护和PWM直流调速电
路构成的后向通道。工作时,由电磁感应传感器检测机器人的位置, 经过放大
调理电路和A /D转换, 将位置信号送入单片机; 单片机将位置信号进行数字
滤波, 与系统设定值进行比较,按照模糊控制算法进行运算, 通过输出PWM信
号去控制直流电动机按照一定的速度转动, 带动机器人沿诱导线的轨迹行走。
单片机技术在机器人运动系统中的应用 单片机作为系统检测和控制的核心, 实现对机器人小车的智能控制。反射式红外光电传感器检测引导线, 使机器人沿轨道自主行走; 使用霍尔集成片, 通过计车轮转过的圈数完成机器人行走路程测量; 接近开关可探测到轨道下埋藏的金属片, 发出声光信息进行指示, 并能实时显示金属片距起点的位置。
本设计中为提高检测精度, 采用了多传感器信息融合技术。设计中,在车头均匀布置三个光电传感器, 其中, 中间一个(Q1)安装在小车正中央。Q1 的输出经一级比较器和非门, 接单片机的P1.3脚.Q1 左右两端分别布置一个传感器, 经与图2相同的电路后也连接到单片机P1 口。若两侧某一传感器检测到黑线, 表明小车正脱离轨道, 将3 个检测点的结果融合后作为单片机的输入, 机器人按照单片机P1 口信息进行判断调整, 实现路径跟踪和自动纠偏。 图2光电检测转换电路单片机在智能机器人设计中的应用 该智能机器人控制系统采用两片AT89C51[2]控制, 一片单片机MCU1 用于整个系统的控制, 另一片单片机MCU2 用于驱动液晶屏LCM1602 工作, 它们之间通过I/O 口通讯, 以实现两片单片机共同工作的相互协调控制。系统框图如图3 所示。
设计中, MCU1 的P1.0、P1.3 分别接触觉传感器, P1.6- P1.7接视觉红外传感器, P2.0- P2.4 口控制继电器驱动电路, P2.5 口接地面探测传感器, P2.6- P2.7 接步伐校正光耦器, P3.0- P3.5 接ISD25120 语音芯片。 驱动电路 要想让机器人有稳定行走能力, 需要选择稳定的电动机驱动系统。本设计利用三极管放大作用对单片机I/O 口电流进行放大, 驱动继电器控制电动机转动。且不会对输入电流有任何影响, 完全可以给电动机提供大电流, 保证电路工作稳定。电动机驱动电路采用两个NPN 管对单片机AT89C51 的I/O 口输出电流信号放大, 利用电阻R19、R20 作为三极管基极进行保护。当单片机I/陈宇: 讲师硕士O口有信号输出时, 该电流经电阻后送入第一级三极管基极, 使第一级三极管导通, 导通电流经电阻送入第二个三极管基极, 进一步放大电流, 以达到继电器驱动电流 视觉电路 我们仅要求机器人发现并跟踪目标, 不需要识别目标。因此采用最常用的红外线反射传感器来作为机器人的视觉功能, 检测机器人前方是否有目标。该功能的实现采用的是两个型号为TX05D 的红外线反射传感器。TX05D 常用的红外反射式接近开关, 它内部有一红外线发射管和一红外线接收管。发射管发出红外线, 如果其正前方没有物体, 那么接收管接收不到红外线反馈信号。当前方出现物体时, 红外线信号经过物体被反射了回来, 这时接收管接收到信号, 向单片机发出高电平信号, 以告知单片机其前方出现障碍物。步伐调整电路 当机器人在前进过程中, 如果电机转速不一致或者在转向过程中打乱了步伐, 这时便会启动步伐调整功能, 该功能是利用两个光耦来完成的。在机器人腿部, 装有两片通过光耦的挡片, 当机器人正常行走时, 挡片会交替的打开和关闭光耦。如果两个光耦的状态始终不相同。那么就说明该机器人步伐正常。当光耦状态出现相同时, 说明机器人步伐错乱, 需要校正步伐。这时便会随机停下一条“腿”, 等另一条“腿”走在合适位置, 即光耦状态相反时, 再作出同步前进。 显示电路 本功能主要实现了人机交互的视觉平台 显示电路原理图 语言电路 语音电路原理图