开放创新实验(机器人设计)讲义第三章_基于AS-UII机器人创新平台

第三章 基于AS-UII机器人创新平台

第一节 AS-UII的系统结构

AS-UII是面向教育的新一代智能移动机器人，它有功能强大的微处理系统和传感器系统，而且它能扩展听觉、视觉和触觉，成为真正意义上的智能机器人。AS-UII是能力风暴(Ability Storms)大学版机器人，II表示第二版本，AS-UII是专门为大学进行课程教学、工程训练、科技创新以及研究服务的新型移动智能机器人。

一、AS-UII智能机器人简介

AS-UII是具有感知、思维和行动功能的智能机器人。它是“麻雀虽小，五脏俱全”，具备自主机器人所应有的设备。它的系统结构如图3.1所示。

图3.1 AS-UII智能机器人的系统结构

1. AS-UII智能机器人的硬件组成

（1） 传感器——机器人的感觉器官

传感器是一种与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉相对应，能代替人定量地测出感知对象的信息量，并能把被测的信息量转换成电脑能够识别、判断的电信号的装置，因此又称为“电五官”。传感器大多由半导体器件制成。

AS-UII智能机器人有红外传感器、光敏传感器、碰撞传感器、麦克风、光电编码器等5种十几个传感器，并可以根据需要扩展其他传感器，对环境的感知能力相当强。

（2） 微型计算机——机器人的大脑

机器人的大脑就是电脑，一般用的是单片微型计算机。AS-UII智能机器人的大脑是功

能强大的M68HC11单片机。

（3） 执行器——机器人的四肢和嘴

执行器一般由电机和机械装置构成。AS-UII智能机器人的执行器有：两只高性能直流电机，一只声音响亮的喇叭，一个2×16字符的液晶显示器，两只主动轮及其驱动机构，两只导向轮。

因此，AS-UII智能机器人是一个融合了微电子技术、传感器、通讯技术和计算机技术的光、机、电一体化自动控制系统。

2. AS-UII智能机器人的智力开发系统——交互式C语言

硬件决定了机器人的极限潜能，而软件设计的目标就是开发机器人的潜能。交互式C语言（简称JC）是用于AS-UII智能机器人（基于M68HC11）的专用开发系统。AS-UII智能机器人的一切行动功能都通过JC编程来控制。图形化交互式C语言使开发AS-UII智能机器人的高层行为充满了乐趣和挑战。

二、AS-UII智能机器人的身体结构

AS-UII智能机器人的外观如图3.2

所示。

图3.2 AS-UII智能机器人的外观结构图

AS-UII智能机器人的性能指标：

外形：宇宙飞船形，重量为1kg。

机电系统：高强度ABS底盘，两只高性能直流电机，锌合金减速器，两只带缓冲的导向轮，可原地转向。

电池：高能量镍氢电池，智能充电器，可连续运行3小时。

传感器：光电编码器，光敏传感器，红外传感器，麦克风，碰撞传感器等。 计算硬件：68HC11A1单片机，32KB内存，有较强的计算能力，16*2字符显示LCD。

操作系统：ASOS多任务操作系统。

身体结构图如下：

图3.3 AS-UII智能机器人侧视图

图3.4 AS-UII智能机器人俯视图

三、AS-UII智能机器人的动力与驱动

3.1 AS-UII智能机器人的动力

AS-UII智能机器人的动力来源于位于机器人底盘内的电池，电池提供电能，而机器人运动需要的是动能，而将电能转化为动能的是电动机。

以电为原动力产生机械旋转动力的装置叫做电动机。电动机如果是依靠直流电源工作，即称为直流电机。在AS-UII智能机器人中，直流电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱，然后齿轮箱的输出轴控制轮子转动，从而驱动整个机器人的运动。

直流电机的电压大小影响它的转速和扭矩。

如图3.5所示，直流电机在一定电压下，转速与转矩成反比；如果改变电压，则转速转矩线随着电压的升降而升降。在AS-UII智能机器人负载一定时（即转矩一定时），降低电压，对应的转速n1，n2

不同，n1>n2，这样就可实现用电机调速。

图3.5 转矩、转速与电压关系图

图3.6 不同宽度的方波实现PWM 控制

在AS-UII智能机器人里采用的是改变电机电压的方式来改变电机的转速。AS-UII智能机器人提供给电机的信号是方波，不同的方波它的平均电压不同，我们就利用这一点来进行机器人的速度控制。采用不同的脉宽调节平均电压的高低，进而调节电机的转速，即脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation），如图3.6所示。智能机器人通过主板发脉宽调制信号，通过改变脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压。

3.2 AS-UII智能机器人的驱动

AS-UII智能机器人的驱动采用的是差动驱动方式。差动方式是指将两个有差异的或独立的运动结合成为一个运动。当我们把两个电机的运动合成为一个运动时，这就成了差动驱动。

在AS-UII智能机器人的底盘，有两个一样的齿轮头，每个齿轮头都包括一个直流电机。这样两个直流电机分别独立控制一个驱动轮，在运行时，我们可以分别确定两个电机各自的转速，组合起来就能实现机器人的各种运动方式，如直行、转弯等，这就实现了差动驱动方式。

四、AS-UII智能机器人的驱动机构

AS-UII智能机器人的驱动机构是齿轮箱，齿轮箱由直流电机和减速器组成。电机是AS-UII智能机器人的能源转换器，将电能转化为动能，减速器是将高速减为低速。AS-UII

智能机器人通过三级直齿轮传动减速，以满足机器人运行的速度和转矩。

图3.7 齿轮箱（左）及其剖面图（右）

AS-UII智能机器人驱动机构驱动的终端是机器人的主动轮。主动轮有两只，因为是主动轮带动整个AS-UII智能机器人的运动，所以能力风暴是平面移动机器人，它能够完成向前走，向后转弯，左转，右转，原地打转等这些平地上的技术动作。正因为有驱动机构齿轮箱的存在，AS-UII智能机器人才可以利用直流电机输出的动力。

机器人的主动轮是具有码盘的轮子，在码盘上有黑白相间的格子，这些格子可以被轮子内侧的光电编码器识别为高低不同的脉冲信号，通过信号的读取和计数可以控制轮子走过的距离。

机器人仅靠两个主动轮带动，是难以保持平衡的，AS-UII机器人还有两只从动轮，通过安置弹簧，它们可以在垂直于地面的方向上上下下移动，保持机器人动态、静态平衡和实

现一定的越障功能。

图3.8 底盘装置的俯视图

第二节 传感器

传感器是一种与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉相对应，能代替人定量地测出感知对象的信息量，并能把被测的信息量转换成电脑能够识别、判断的电信号的装置，因此又称为“电五官”。传感器大多由半导体器件制成。

AS-UII智能机器人有红外传感器、光敏传感器、碰撞传感器、麦克风、光电编码器等5种十几个传感器，并可以根据需要扩展其他传感器，对环境的感知能力相当强。

一、碰撞传感器

碰撞传感器是使AS-UII智能机器人有感知碰撞环上的碰撞信息能力的传感器。在AS-UII智能机器人的左前、右前、左后、右后设置有四个碰撞开关（常开），它们与碰撞环共同构成了碰撞传感器，如图3.9所示。碰撞环与底盘柔性连接，在受力后与底盘产生相对位移，触发固连在底盘上相应的碰撞开关，使之闭合。我们把来自四周的碰撞分为八个方向，如图3.10

所示。

图3.9 碰撞开关及碰撞环

(a) 碰撞传感器方位 (b) 碰撞开关位置图

图3.10 碰撞开关的位置

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