仿生机器人说明书

课程设计说明书
学生姓名:王超学号：1015070229 学院:机械工程学院
班级: 机械102班
题目: 慧鱼组合机器人的组装设计
指导教师：陈国君苏天一职称: 副教授 2013 年 12 月 23 日
目录
1．引言 1
1.1内容摘要 1
1.2 慧鱼机器人 2
1.3 走进实验室 3
1.4 按键式传感器 3
1.5 设计工作原理 4
1.6慧鱼模型操作规程 5
2. 仿生机器人6
2.1仿生机器人迈克仿真示意图 6
2.2仿生机器人迈克仿真程序图示 6
2.3仿生机器人结构简图7
3. 移动机器人8
3.1 移动机器人基础模型8
3.2 移动机器人仿真图8
3.3移动机器人结构简图9
3.4移动机器人仿真程序框图10
4.工业机器人10
4.1工业机器人仿真图11
4.2业机器人结构简图11
4.3工业机器人仿真程序12
5.寻光机器人14
5.1寻光机器人仿真模型14
5.2连线图和结构简图15
慧鱼组合机器人的组装设计
摘要：慧鱼创意组合模型是一种技术含量很高的工程技术类拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具。

本设计是以德国慧鱼创意积木所组成的仿生模拟机器人为其基本架构，透过圈形式人机介面LLWin，经由智慧型微电脑介面板去驱动机器人，使机器人细部动作很容易达到我们需求，进而取代以往由硬体描述语言所驱动架构，通过慧鱼模型的组装，程序的编制，任务的完成，阐述机械机构之间的配合关系，各种传感器的安装和使用，以及软件程序的编制思维，实现对伺服电机，电磁线圈的控制,不但操作简易，更可使我们了解机械运作的原理。

关键词：慧鱼组合模型；机器人；传感器；机械原理；
引言
由于机器人的发展和快速广泛的被使用，可知科学家对于机器人的功能也相提高，除了超强的逻辑运算、记忆能力及具备类似的自我思考能力，另外在机器人的外表及内部结构，科学家更希望能模仿人类。

对于外在资讯的选集，也透过各种感应器，企图达到类似人类各种触觉的功能，选集了外在环境的资讯，一旦外在环境起了改变，机器人一定要能随着变化，做出该有的反应动作，更新自己的资料库，达到类似人类学习的功能。

1.慧鱼机器人简介
1.1 课程内容与实验目的
本项目课程以德国慧鱼公司生产的机电产品模型为对象，学生通过装配机电设备模型，对设备进行较为细致的观察和分析，从而完成综合性的设计训练过程。

虽然用模型学生可装配出各种各样的产品，但学生学习的重点是选定其中一个产品进行分析研究；对产品进行编程运行，检验其功能、性能等效果；初步掌握开发、设计一个产品的有关过程；学习查阅资料，为自己的设计和分析提供理论依据。

加强实践教学，培养学生的动手能力，在一定程度上改变工科教学重理论教学，轻实践环节的现状，使学生生动活泼地进行学习，较全面地掌握各类机械机构，机电一体化机构、计算机编程等基本知识。

本课程的任务是，在简明扼要的介绍各类装置之后，对指定装置进行测绘，学生完成所有零件图、部件图、最后完成总装图设计。

根据学生的能力，还可进行相关的改进设计、动画设计等。

在设计过程中，学生还可接触到机械装备的控制、驱动、传动的技术，学习机械制造中的工艺、工装、测量等知识。

1.2 慧鱼模型
1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。

慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。

1.3 慧鱼模型背景及构成
机器人这个词，第一次出现在Carel Capek 1923年的小说《Golem》（有生命的假人）中，这个人造的主人公因其高超的本领代替了人。

上个世纪的三四十年代，机器人多少更像一种自动机器。

以至于今天，当我们回顾人们曾用闪光灯作为机器人的眼睛从而使其具有人类特点的种种尝试，总会让人忍俊不禁。

这些机器几乎没有什么“智能化”或者“灵活性”可言。

随着控制学对机器人技术的影响日益深刻，机器人的设计也伴随电子电路的出现而越发接近现实了。

直到今天，机器人的智能化仍然是许多公司、科研院所和高等学校不断研究和探索的重要课题。

自动化控制理论（Cybernetics）为解决这一问题带来了生机。

“自动化控制”一词来源于希腊语(Kybernetes)。

原意指的是希腊轮船上领航员，其任务是指挥航行方向并绘制到达目的地的航行路线。

无疑，自动化控制理论本来是要使机器人变聪明。

但是如何实现呢？我们先用一个启发式实验进行说明。

我们可能都观察过飞蛾趋光的特点，飞蛾找到光源，向那里飞去，即使非常近的距离，也绝不会拍打到光源。

显然飞蛾之所以能够这样做，是因为它发觉光源，划出路线然后再向其扑去。

这本领是基于这种昆虫自身具备的机敏的行为模式。

现在我们将上述能力应用到一个技术系统中。

先用光学传感器探测到光源，马达执行动作，这样，我们必须在发现信号和执行信号之间建立一个合理的连接，即程序。

20世纪50年代，一位名叫沃特格雷(Walter Grey)的英国人将上述引人思考的实验付诸于实践。

借助于几个简单的传感器，马达和电路，他创作出多种自动化动物，可以准确模仿出飞蛾的动作。

左图所示的是“自动”海龟的复制品，展示在华盛顿的史密森博物馆里。

鉴于上述的奇思妙想，我们也要为我们的机器人建立起类似的行为并用程序来和机器人进行交流。

慧鱼创意组合模型体现不同学科知识点的各种组合包，不仅可以应用于中小学各个年级学科教学、还可以用于大学不同专业以及研究生工程实验和技术创新活动，现在以清华大学、上海交通大学为代表的一批高校建立的慧鱼创新实验室就是利用慧鱼模型组合包系列建立的工程技术实验室，是创新教育的一个全新平台。

通过慧鱼模型的使用，不仅可以让我们的
孩子将多学科多领域的综合知识融会贯通于实践过程中，更重要的是培养了他们的创新意识和创新能力。

创新是一个民族进步的灵魂，而慧鱼创意组合模型就是我们期待的创新教育的理想学具！慧鱼模型就是利用“六面可拼接体”这种开放的零件，来构建或者模拟现实发挥你的创意，来完成机电一体化的工业设计为主的模型组建，现在慧鱼模型在中国有众多的高校以及职业学校在使用，并且越来越受到大家的关注。

相信慧鱼会成为中国创新教育的理想教具。

1.4 机械构件
1.六面拼接体六面拼接体的 6 个面各有 U 形槽或凸出的小方块,二者是相互配
合的。

通过U形槽和小方块的相互拼接,可以实现构件之间的互连。

由于这些构件是六面体,因此接合的角度一般为0°或90°。

如果需要其他角度的连接,有专用的楔形体可供使用,这些楔形体提供的角度有7.5°,15°,30°,60°等。

2.齿轮,齿轮轴与齿条。

慧鱼模型提供的齿轮种类比较多,其中普通外齿合齿轮还
可用作蜗轮。

3.蜗轮,蜗杆和螺旋传动。

慧鱼模型提供的蜗轮蜗杆形式多样, 除蜗轮外, 所有
的外啮合齿轮也都可用作蜗轮。

小尺寸蜗杆还可以用作螺旋传动的蜗杆。

4.导轨与连杆。

慧鱼模型提供了多种长度的塑料或金属杆件,可用作导轨,连杆和传动轴等。

5.万向节,齿轮箱。

万向节用于和塑料传动轴配合以传递扭矩。

齿轮箱用于和电动机相连接,起减速器的作用。

6.链条和履带。

链条由链节连接而成,在链条上安装履带板后,就成为履带(输送带) 。

链轮可以用齿轮代替。

此外慧鱼模型还提供了大量其他的构件, 很好的扩展了模型的功能。

1.5 电气构件
1.电动机与灯泡。

慧鱼模型提供的电动机有普通迷你电动机和大功率电动机两种, 提供的灯泡也有普通灯泡和聚光灯泡两种,可根据实际需要选用。

2.小型开关的工作原理。

小型开关上有 3 个针脚:0 针脚和 1 针脚形成一个常
闭开关；0 针脚和 2 针脚形成一个常开开关；当按键 3 被压下时,小型开关的通断状态改变,电脑接口板检测到数字信号“1”或“0”,利用这个原理,小型开关可以用作运动部件的限位开关。

在模型中还提供了一种特殊的脉冲齿轮, 该齿轮有4个齿, 使用该齿轮和小型开关配合,可以对运动件的运行位置进行精确定位。

将脉冲齿轮与电动机相连,电动机每转动一圈,脉冲齿轮将小型开关按下4次,通过检测小型开关被按下的次数,即可实现精确定位。

3.光敏传感器的工作原理。

光敏传感器用于检测光源强度,当光线足够强时,传感器内部的电路闭合,接口板上检测到数字信号“1” ,否则检测到数字信号“0”。

光敏传感器也可以用作限位开关。

同时,由于深色物体吸收光线,而浅色物体反射光线,光敏传感器还可以用来鉴别深色和浅色物体。

4.磁敏传感器的工作原理磁敏传感器用于检测环境的磁场强度, 当磁场强度达到一定值后, 传感器内部的电路闭合,接口板上检测到数字信号“1” ,否则检测到数字信号“0”。

5.热敏传感器的工作原理热敏传感器是一个模拟信号传感器,其电阻的阻值随温度上升而减小。

1.6 气动构件
慧鱼模型的气动构件使用一个小型空气压缩机作为气源, 压缩空气通过气管, 弯头, 气阀,气缸等部件来传递动力,可模拟液压系统。

1.7 应用范围
慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。

1.8 慧鱼机器人的发展前景
1964年伟大的阿图.费舍尔先生为送给孩子一份有意义的生日礼物而发明了“六面可拼接体”，从那时候起，慧鱼创意组合模型以其牢固的拼接方式，良好的拓展性，丰富的知识性和趣味性日益博得广大欧美青少年乃至成人广泛的认可和钟爱，并建立庞大的慧鱼迷俱乐部。

四十年的实践教学表明：“慧鱼创意组合模型”发挥着极其重要的作用。

在美国,被PLTW（Project Lead The Way-非营利官方机构，即专为培训全国的中小学教师及学生）作为工程、项目教学实践和基础性研究的首选产品；在马来西亚，被列为政府采购的必备教具；在中国，作为“世界银行高等教育发展项目”的2002、2003年度中标产品，慧鱼正日益为广大中国教育界人士接受和认可。

“创新教育的理想学具”作为广大用户和各方面的创新教育专家所给予我们的评价和期许，将更加激励着我们扛起创新教育的旗帜积极探索中国创新教育有效的实施途径，用我们优秀的产品和理念，用我们慧鱼人的赤诚谱写中国创新教育的崭新篇章。

慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。

1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。

1.9慧鱼机器人类型
一、慧鱼机器人组合包5种，每种各两个组合包。

分别为：移动机器人组合包、仿生机器人组合包、气动机器人组合包、实验机器人组合包、工业机器人组合包。

二、慧鱼成品模型3种，分别为：三自由度机械手、双工作台流水线、带传送带的冲床。

三、慧鱼工业模型：柔性加工流水线1套。

2.移动机器人
2.1 发展背景
但是我们为什么需要可移动机器人？让我们试着将“虚拟的飞蛾”的动作应用到技术装置上。

首先，一个很简单的例子就是寻光。

我们将一个光条粘在地上作为光源，把传感器面朝下并排放在一起，而非面向前。

这样，如果是在仓库，移动机器人就会从中找到自己的行进路线。

沿着这条线，还有一些特殊的信息采集点，如条形码，将引导机器人进行下一步的动作，比方说到达这些点时，抓取和放下货盘。

事实上，这样的机器人系统到今天已经存在了。

在很多大医院里，通常需要走很远的路来运送日常所需的消耗品，比如被单枕套等，让护理人员运输这些物资无疑是既耗时、耗财又费力的事情。

当然，也大大减少了对病人照顾的时间。

最近今年里，科学家们开始研究另一种本质上非常相近的动作形式，走或跑。

开发出的机器人具备了用腿移动的能力。

由布鲁塞尔皇家军事研究院研制的电气气动步行机器人“阿基里斯”（Achille）就是一个六足步行机器人的典型。

头上和六条腿上分别都配备了照相机，阿基里斯能够机械的对提起或放下的障碍（物体或者坑）能够机械的做出反应。

这种步行机器人能运用到各个地方，比如轮轨式车辆不可能通过的坎坷或松软的地带，它翻越障碍，攀爬楼梯，跨越壕沟进入诸如核电站、煤矿隧道等危险地带作业或者进行营救。

显而易见，移动机器人在现代社会可以扮演非常重要的角色。

2.2 机械部分设计
动力源的选择：电动机械传动装置的确定：齿轮传动；
机械执行部件的设计：行走机构；
控制部分硬件选型：接口电路板及PLC 接口板；
行程开关：控制部分软件的编制(LLWin.3.0 软件)
设计的主要参数：(1)双边单独驱动；(2)驱动方式：电机驱动；(3)运动参数：移动范围：线长；移动速度:v(mPs)：根据工作要求定；回转范围:0°~360°；
2.3 工作原理
电动机通过齿轮传动，带动车轮转动。

同时有一个四齿齿轮与车轮相连，同时齿轮与一个极限开关相连，因此，当带轮转动一圈便会有4个脉冲产生并传向主板，从而控制电动机的运行。

改变机器人的前进方向。

3.仿生机器人
3.1 摘要
在仿生学原理的基础上,对双足步行机器人步态的行走原理和稳定性进行了分析。

采用慧鱼仿生机器人包搭接出双足步行机器人,进行了一系列步行的实验。

并对机器人腿部机构中的足端轨迹进行了仿真与分析。

结果表明该机器人能够严格按步态进行行走,实现诸如直线、转弯、躲避障碍物等行走功能,具有较好的机动性。

3.2 机械部分设计
动力源的选择：电动
机械传动装置的确定：齿轮传动;蜗轮蜗杆传动；
机械执行部件的设计：行走机构；
控制部分硬件选型：接口电路板及PLC 接口板;行程开关；
控制部分软件的编制(LLWin.3.0 软件)；
设计的主要参数：
(1)双边单独驱动；
(2)驱动方式：电机驱动；
(3)运动参数：移动范围:线长；移动速度:v(mPs)：根据工作要求定；回转范围：0°~360°。

3.3 工作原理
电动机将电能转换为机械能，并通过齿轮传动，使得贯穿于机器人的长轴转动，从而带
动位于长轴上的蜗杆转动，通过涡轮蜗杆传动使得与涡轮相连的曲轴转动，而连杆机构再将曲轴的转动转换为机器人腿部的移动。

通过不同程序的驱动可以使两个电动机的运行情况不同，从而完成机器人的不同运动。

机器人头部有运动传感器，在机器人运动到极限位置时，有相关部件按下传感器的开关，通过主板的识别可以改变电动机的运转，从而达到极限位置的处理。

4.工业机器人
4.1 机械部分设计
动力源的选择：气动
机械传动装置的确定：齿轮传动；蜗轮蜗杆传动;螺旋传动；杆组机构传动；
机械执行部件的设计：机械手控制部分硬件选型：接口电路板及PLC 接口板；行程开关及脉冲计数装置；
控制部分软件的编制(LLWin.3.0 软件)设计的主要参数:
(1)自由度：F=1；
(2)驱动方式：电机驱动；
(3)抓重：0.25kg；
(4)运动参数：回转范围:0°~180°；回转速度：15/s；
4.2工作原理
电动机将动力通过齿轮，蜗轮蜗杆机构传递给机械手臂，再通过杆机构实现手臂的开合实现机器人的夹紧和松开。

同时另一电动机通过螺旋机构的传递，实现手臂的转动，从而实现手臂的搬运动作。

位于手臂下方的极位开关在手臂达到极限位置后闭合，从而达到位置确定的目的。

5.灯光机器人
5.1 机械部分设计
动力源的选择：电动；
机械传动装置的确定：齿轮传动；
机械执行部件的设计：行走机构；
控制部分硬件选型：接口电路板及PLC 接口板；行程开关及脉冲计数装置；
控制部分软件的编制(LLWin.3.0 软件)；
设计的主要参数:
(1)双边单独驱动；
(2)驱动方式:电机驱动；
(3)运动参数:
移动范围:线长；
移动速度:v(mPs)，根据工作要求定；
回转范围:0°~360°。

5.2 工作原理
电动机通过齿轮传动带动带轮转动，从而达到机器人的行走。

同时有一个四齿齿轮与带轮相连，同时齿轮与一个极限开关相连，因此，当带轮转动一圈便会有4个脉冲产生并传向主板，从而控制电动机的运行。

5.3 系统线路图
图1
图2
6. 总结
慧鱼机器人课程设计是机械类各专业学生学习工程材料及机械制造基础等课程必不可少的选修课，它对于培养我们的动手能力有很大的意义。

而且可以使我们了解机械的基础知识了，和现代机器人技术。

作为机械专业的一名学生，学好理论知识固然重要，但动手能力也是至关重要，现在的很多大学生，特别是来自城市的同学，平时自己动手的机会少，动手的能力差，很难适应以后社会对全面人才的需求。

而这么课程设计为我们这些理工科的学生带来了实际锻炼的机会，让我们走出课堂，在各种各样的小零件中，自己动手，自己发挥，亲身体验，这些对我们的帮助是巨大的。

感谢学校为我们提供这样的机会，同时也感谢辛苦带领和指导我们学习的老师们。

随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。

由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。

80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。

这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。

将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）
扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器。

当前与信息技术
的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。

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