慧鱼机器人课设(说明书).

课程设计报告
学生姓名:XXX 学号：201131xxxx
学院: 机械工程学院
班级: 机械xx班
题目: 慧鱼组合机器人的组装设计
指导教师：陈国君职称: 高级工程师 2014年 12 月 31 日
目录
1．绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 慧鱼机器人 2
1.3 走进实验室 2
1.4 按键式传感器 3
1.5 设计工作原理 3
1.6慧鱼模型操作规程 5
2.四足仿生机器人（乔）5
2.1四足仿生机器人简介 5
2.2四足仿真机器人模型 6
2.3四足仿生机器人仿真程序 7
2.4四足仿生机器人连线图和结构简图 7
3. 双足步行仿生机器人（吉姆）8
3.1双足步行机器人简介 8
3.2机械部分设计 8
3.3工作原理和系统线路图 9
3.4双足步行机器人结构简图和仿真模型 9
3.5双足步行机器人仿真程序 10
4.1任务分配 11
一、绪论
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，透过人机界面LLwin,经由智慧型微电脑界面去驱动机器人，使机器人细部动作很容易达到我们的需求，进而取代以往由硬件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，实现对伺服电机的控制，不但操作简单，更可使我们了解机械运作的原理。

由于机器人的发展和快速广泛地被使用，可知科学家对于机器人的功能要求也相对提高，除了超强的逻辑运算、记忆能力，另外在机器人的外表及内部结构，科学家更希望模仿人类。

对于外在资讯的选集，也透过各种传感器，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，一旦外在环境变化，机器人也要随之变化，做出该有的动作，更新自己的资料库，达到类似人类学习的功能。

1.1课题背景
1964年，慧鱼创意教学组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是由德国发明家Arthur Fischer 博士在 1964 年从其专利“六面拼接体”的基础上发明的。

它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。

它由各种型号和规格的零件构成，类似于积木。

零件的种类很多，几乎包括了机械课程和日常生活中的所有零件，如机械零件：连杆、凸轮、齿轮（普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、内啮合齿轮、外啮合齿轮等）、蜗轮、蜗杆、螺杆、铰链、带、链条、轴（直轴和曲轴）、联轴器、弹簧、减速器、齿轮箱、车轮等；电气零件：直流电机、灯泡、电磁气阀、行程开关、传感器（光敏、热敏、磁敏、触敏）、可调直流变压器、电脑接口板、PLC 接口板、红外线发射接收装置等；气动零件：储气罐、汽缸、活塞、气弯头、手动气阀、电磁气阀、气管等。

由这些零件的不同组合便可构造出各式各样的模型，这些模型主要可分为两大类：技术组和机器人组。

技术组又包括传感器技术组、气动技术组、汽车技术组、太阳能技术组、万能组合包、机器人组又包括3D机器人、计算机器人、实验机器人、工业机器人、移动机器人和气动机器人。

1.2慧鱼机器人
由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。

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，不但操作简易，更可使我们了解机械运作的原理。

学生在慧鱼实验过程中，通过对各类模型的认识和组装，从而可以熟悉并掌握各类机械设备和自动化装置的常用结构和工作原理。

在模型的组建中，学生将运用到机械加工、气动技术、电子电路和软件编程等知识，从而加深了对这些相关课程的理解。

另外通过慧鱼模型的搭建和组装也培养了学生的实际动手的能力、解决实际问题的能力和创新设计的能力。

1.3走进实验室
先从一个简单测试安装来检查接口板和各个传感器的基本功能，然后，搭建出简易模型，让其具备特定的功用，再渐渐尝试越来越复杂的系统。

你是不是觉得有时候编制自己的程序要么太难，要么太浪费时间？你可以先下载软件中提供的一些现成程序到接口板，控制机器人。

该接口板的最重要的作用在于输入量的逻辑连接。

这就需要程序来完成，程序决定输入数据和传感器信号如何处理并转换为适当的输出数据，电机控制信号等等。

有了ROBO接口板，我们就有足够的计算能力来设计和处理最复杂的程序。

搭建和最初控制机器人，是非常重要的环节，一定要格外认真才行。

连接各
个电气元件时一定要严格按照说明书操作，然后检查两三遍以确保准确无误。

在进行机械构件搭接时，我们要特别注意连接的平滑度，尤其是齿轮与紧固件的连接，不要太用力。

好了，现在让我们发挥自己无穷的创造力为机器人“谱写”新的动作程序啦！
1.4按键式传感器（接触传感器）
举例说明，将一个接触传感器接在数字输入口I1，当按键按下时，
输入端状态框的变化。

虽然极性在连接电机或接触传感器不起作用（充其量电机旋转方向错误），准确接通光电传感器是至关重要的。

晶体管有红标的接点应连接红色接头，没有标注的接点连接绿色接头。

第二个绿色接头要插在输入端AX的插孔中（靠近接口板边缘的那个孔），第二个红色的插头要插在靠近里面的AX的插孔中。

（注意：连接光电传感器到数字输入端I1——I8，红色接头需插在紧靠接口板边的插孔中。

现在，我们用一个手电来改变光电传感器光的亮度。

这将改变AX蓝色状态条的读数。

如果指示器从其最大值没有变动，那就得检查一下光电传感器的连接情况。

如果即使手电筒灭掉，指示仍为零，那有可能是房间里的光太亮了。

我们遮住光电传感器，状态条的位置就会变化。

再回到红绿接线头上来：装配时，要红色接头接红线，绿色接头接绿线。

当电路配线时必需极性正确的话，通常我们将红线作为正，绿线为负。

这样，非常细心的配线，将使得线路走势更系统，更一目了然，自然更方便了我们排除故障。

1.5设计工作原理
机器人指的是可程式控制的机械，整体来说可分为两大部分，分别为机械架构及软体的控制的两大部分。

（一）机械架构：
本设计移动机器人之机械构架采用德国慧鱼创意积木所组成，它的优点在于方便组装，能在设计阶段能起到一定的辅助作用，减少设计成本以及更好的观察到设计的可行性及其优缺点，以便更好改进设计中的缺点。

一般机械所用到的零组件如齿轮、马达、光电开关等，都可以在慧鱼创意积木中找到，且功能毫不逊色。

首先针对我们所需的机械架构做规划，收集所需用到之慧鱼创意积木零件，将其组装机械架构。

该架构主要是由两个丝杆与一个马达连接，两丝杆再平均接上传动齿轮实现此仿生机器人的运动及其开关所组成，而这个开关主要用于判断机器人的开关及其运动方向。

（二）软体控制：
程序的整体采用了主/从结构的编程方式，主要是为了解决多个不同频率的循环和循环之间的信息交互。

程序中嵌入了并联机器人的反解模型及控制算法，采用全局变量、局部变量、共享变量等实现各程序模块之间及模块内部的信息交互，充分利用用户事件技术、通知或队列技术实现各界面之间的切换，为了避免诸如两个循环同时操作一个对象之类的竞争问题，采用了同步技术。

因为程序比较大，所要反映的信息多，因此在程序的管理上，我们也充分利用了LabVIEW 的高级编程技巧，如为了节省内存和清晰化程序框架及前面板，我们采用了动态VI控制技术，不但实现了子VI的即用即调，而且实现了多面板程序设计的动态载入和界面重用。

面向机器人的轨迹控制与I/O逻辑控制的程序集合，如回零点、连续运行、单轴调整、轨迹曲线选择、系统自检等。

该层软件一方面负责完成机器人各关节驱动电机的精确同步运动控制，实现末端执行器在操作空间中的精确轨迹；另一方面，该层软件还需要完成一组通用I/O的输入输出控制，实现对机构运动的过程控制以及对外围设备的协调控制等，以适应复杂的控制任务需要。

驱动软件是实现单轴与多轴运动控制、D/A转换和硬件I/O控制的函数集合，包括轴配置、运动类型设置、电机运行和停止等操作函数。

该层软件主要进行运动轴参数设置、电机加减速控制、起停控制、D/A转换和运动I/O的设置与控制等。

该层的函数主要是控制板卡所带有的底层功能模块，可以用这些函数很方便的根据自己设定的控制方案编程实现上一级的核心控制软件层。

LabVIEW 图形化语言等相关的NI工具包开发应用程序不但使得软件程序的开发效率大大提高，而且使得软件的功能齐全、人机界面友好。

注：图1为智慧型微电脑界面板，它的主要功用在于储存LabVIEW程式使程式经由此介面板驱动机器人，达到预设之动作。

图1—1
智慧型微电脑介面板细部说明如下：
（1）此装置是所有电脑控制套件的控制逻辑核心，他负责与PC间通讯和运算，将电脑所编辑的程式转换成控制命令来控制马达等。

（2）此装置有八个数位输入，两个类比输入可接收0~5欧姆的电阻值，四个可逆马达输出控制，控制马达dc relay等。

（3）电源供应电池或充电器的方式，大小为9伏特5瓦。

（4）可在On-line（以传输线与PC连线），也可在Off-line（不需与电脑连线）两种模式下作业。

（5）与电脑连接时不需额外插卡，利用CMOM2通讯即可。

1.6慧鱼模型操作规程：
(1)实验前先按照清单清点零件个数；
(2)熟悉零件分装方式，了解零件分装的大致规律；
(3)每次仅取出要用到的零件；
(4)拆除模型后将零件放回相应的袋子；
(5)按照清单清点零件。

二、四足仿生机器人（乔）
2.1四足仿生机器人简介
仿生机器人，是一种基于仿生学原理研制开发的新型足式机器人，我们此次组装的第一个机器人是以“狗”为生物原型的四足仿生机器人，其外形明显特点是腿部是由“髋关节”和“膝关节”两部分组成，分别实现腿结构中大腿和小腿的摆动。

四足仿生机器人比传统的轮式机器人有更好的移动性，自动化程度高，具有丰富的动力学特性。

此外，四足式机器人采用类似生物的机构进行运动，比其他机器人具有更多的优点：它可以较易的跨过比较大的障碍，并且机器人足所具有的大量自由度可以是机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强；足式机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积较小，因而可以在可达到的地面上选择最优支撑点。

2.2四足仿生机器人模型
图2 —1 四足仿生机器人（乔）仿真模型
2.3四足仿生机器人仿真程序
图2—2 四足仿生机器人（乔）仿真程序2.4四足仿生机器人连线图和结构简图
图2—3 四足仿生机器人（乔）结构简图
图2—4 四足仿生机器人（乔）连线图
衡量该四足仿生机器人运动能力的重要指标是其足端工作空间，即该机器人足末端参考点所能达到的空间点的集合，该集合代表了机器人足端的活动范围。

而且四足步行机器人比二足步行机器人承载能力强，稳定性好，同时又比六足、八足步行机器人结构简单，因此，得到了广泛的应用和研究。

三、双足步行机器人（吉姆）
3.1简介
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工具，搭接出双足步行机器人，并对其进行了一系列地步行实验。

结果表明该机器人能够严格按进行行走，实现如直线、转弯、躲避障碍物等行走功能，具有良好的机动性。

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：齿轮传动和蜗轮蜗杆传动
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软件
驱动方式：双边单独驱动，电机驱动
运动参数：根据工作要求确定，回转角度0～360°
3.3工作原理和系统线路图
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，从而带动位于长轴的蜗杆传动，通过蜗轮蜗杆传动使得与蜗轮相连的曲轴转动，从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，有相关部件使传感器开关按下，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。

电源
计算机接口板
模型
图3—1 双足步行机器人（吉姆）系统连线图
3.4双足步行机器人结构简图和仿真模型
图5移动机器人仿真设计
图3—2 双足步行机器人（吉姆）仿真模型
图3-3 双足步行机器人（吉姆）机构简图3.5双足步行机器人（吉姆）仿真程序
图3-4 双足步行机器人仿真程序图
四、任务分配和心得体会
4.1任务分配
1、xx：小组长，组织和策划；
2、xxxx：设计电路图和搭接电路；
3、xx：资料的查阅及整理；
4、xxx：编程和调试，器材清点；
5、xxx：元件的选择及分析和协助安装；
6、xx：画结构简图，拍照，协助拆装；
7、 xxxx：论文的整理和编写。

4.2心得体会
通过此次的课程设计，我们从中收获颇多。

这次课程设计使我们所学的理论知识与实际紧密相结合，使我们的动手能力得到了锻炼，同时，使我们的理论知识得到了升华。

总的来说，我有以下几点心得体会：
1）在设计过程中，必须要端正态度，严肃认真对待设计中每一个细节，耐心设计好每个步骤；主动思考，分析问题，解决问题，这次课程设计是在老师辛苦指导下完成的，有老师的指导，我们少走很多弯路，但我们必须发挥主动思考能力，对存在问题进行分析，找出原因所在，最后解决问题。

2）对理论知识在实际中应用有了更深的理解本次设计理论知识与实际应用紧密相结合。

但理论与实际是有差距的，平时学得很好的理论知识，要用到实际中，总有些手忙脚乱的，这迫切需要加强实践。

要将学到的理论知识融合到实际中，从实践中加深理论知识的理解，才能更好用理论指导实践。

3）团队意识增强，一个人的力量是有限的，一个人不可能什么都知道。

人与人之间相互合作，能够加速问题的解决，还能培养我们团队精神，对我们以后工作将有很大帮助。

4）激发学习的积极性，通过设计，我们要找出我们薄弱的理论知识环节，激发我们去重温以前学过的知识，也能激发我们学习新的知识，来完善课程设计。

这次课程设计的实践，让我们的动手能力和思考能力都有了一定的锻炼与提高，但对我们来说学到的不仅仅是知识，还有团队合作精神，一个人的力量是有限的，但是团队的力量是无限。

总之，它不仅仅使我们综合地将所学的理论知识
运用到设计和创新中，还使我们的凝聚力增强，为将来我们走上工作岗位打下了一定的基础。

五、参考文献
[1] 朱世强，王宣银.机器人技术及其应用.浙江大学出版社，2001.
[2] 张剑平，王益.机器人教育：现状、问题与推进策略.中国电化教育，2006(12).
[3] 熊有伦.机器人技术基础.武汉：华中科技大学出版社，1996.
[4] 顾震宇.全球工业机器人产业现状与趋势.机电一体化，2006.
[5] 张效祖.工业机器人得现状与发展趋势.相关产业，2004，10.
[6] 杨锋.JJR1 型机器人运动学分析及其控制系统的研究：[硕士学术论文].兰州:兰州理工大学机电工程学院.2006.
[7] 王庭有.可编程序控制器原理及应用.北京：国防工业出版社，2005.
[8] 廖常初.FX 系列 PLC 编程及应用.北京：机械工业出版社，2006.
[9] 陈维山，赵杰.机电系统计算机控制.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1999.
[10] 龚振邦、陈振华等.机器人机械设计.北京：电子工业出版社，1995.
[11] 熊有伦.机器人技术基础.武汉：华中科技大学出版社，1996.
[12] 诸静.机器人与控制技术.浙江：浙江大学出版社，1991.。