机器人设计范文1
关键词：状态转换；有限状态机；机械手；机器人
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 02-0000-01
一、前言
工业机器人系统通常分为机器人本体和控制器两大部分。微控制器的主要作用是根据用户的指令对机器人本体进行操作和控制，为每一个不同的机器人设计不同功能的控制程序是一个设计者经常感到困扰的难题。许多机器人都是有多个任务的，这些任务间是相关联的，且每个任务都有明确的细致要求，这就使得机器人的控制设计难度增大。在此，有一种叫状态机理论的相关概念，它能用在机器人的控制程序设计上。
二、有限状态机理论
有限状态机，又称有限状态自动机，简称状态机。有限状态机理论构成有限状态机的具体内容是：有限状态机是由寄存器组和组合逻辑构成的硬件时序电路。它是由有限个状态相互间的转换构成的，下一个状态不但取决于各个输入值，还取决于当前的所有状态。在任意时刻，当前状态就只能存在一个。只有在有事件输入的条件下，状态才会产生并发出一个输出。对在给定时刻要进行的活动的描述的是动作。它包括了进入动作、退出动作、输入动作和转移动作四个动作。
三、有限状态机的优、缺点
有限状态机，又称有限状态自动机，简称状态机，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。它具有以下优缺点：
优点：思路明确，内容简单易懂，状态间的关系明了，容易编程；只需要改动输出就可以改动机器人的动作要求；当发现程序不对时，更能快速的找到错误的点。
缺点：在每一个时刻，有且只有一个状态，没有并发性的表达方式，更不能描述异步并发系统；当设计需求的状态太多时，反而编程变得更耗时和困难。
四、基于状态转换方法的机器人的程序控制的设计实例
状态机是具有基于状态的动态行为的机器。它是一个动态系统，对时间和状态产生的时间做出反应。一个状态机包含一组有限的状态和一组转换的集合。其中状态描述运算中不同的阶段，而转换所描述的是如何使运算从一个状态变化到另一个状态。依赖于此理论的有限性，才能发此理论用在机器人的编程设计上，设计时可以把机器人的每个动作按要求先合理分成多个状态，并给予特定的符号代表每个状态，在每个状态给予相应的输出要求，及机器人的动作和反映。再细分到每个状态的输入条件，根据机器人在工作时感应到的事件来触发输入信号，使状态转换。如此，只要知道触发的条件，就能很简单的编写完机器人的控制程序。笔者举了一下具体两个例子说明有限状态机的表达是一个方便实用的机器人控制程序表达方式。
（一）简易智能车机器人的状态转换程序设计
简易智能车机器人的状态转换程序设计寻迹竞速机器人是第六届全国大学生电子设计竞赛的E题，这不进是考验学生的动手能里，更是考验学生对机器人智能控制的知识的掌握，如果在编程时只按照条件的判断编写代码，会有很大的难度而且花费很多的时间。基于以上所述的状态机的理论编写的话，会很简单快速的编写完成，让出更多时间给机器人其他部分的设计上，具体题目的要求是请参考参考书籍[2]。简易智能电动车的行驶路线如图1所示。
此简易智能机器人可分为3个工作，分别是检测工作、控制工作和显示工作，他们之间是相互交错的关系，这增加了参赛者编写程序的难度。如上述，笔者在下面将简单描述有限状态机理论编写程序的思路。状态转换方法的简易智能电动车的状态设计以及控制状态转换过程如图2所示。
由图2可见，机器人要从起跑线出发，通过一个直到后向左转弯，然后通过几个障碍物，再进入仓库。分析可得具体过程可以分为9个状态，就能简单理顺编程的思路了。再分别对每个状态进行细致的分析，分析出每个状态的输入条件的和输出信息，并分析出状态间转换的出发事件，这样就可以完成程序的整体设计。
（二）分类机械手的状态转换程序设计
机械手是一种能够自动定位控制并且可重新编程改变功能的多功能机器。它有多个自由度，可用来搬运各种工件，可以在各种不同环境中工作。能在各种有害环境下操作从而保护人身安全，因而广泛的应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等工作部门。它可代替人们的繁重工作，实现生产的机械化和自动化。
在生产半导体的工厂中，有一种名叫半自动X射线晶体角分类机的机器，其工艺要求就是能卸载晶片并能自动分类晶片。该分类机械手的具体工作如下：（1）开启启动命令，分类机械手由待命区域转至回转台的上方；（2）启动电动气阀，使得机械手的垂直臂伸长，让吸嘴正对已被测量的晶片；（3）使控制气阀对吸嘴加以负压，对回转台上的测量吸头加以正压，将已测量完的晶片转吸附在吸嘴上；（4）控制气阀使机械手的垂直臂回缩到原始位置，再对回转台测量吸头加负压，使之可吸附下一个晶片；（5）测量计算机的给出指令，使机械手移至分类料盒上方；（6）打开气阀，取消吸嘴负压，使晶片落入分类料盒中；（7）机械手移至起始待命位置，到此完成了一次晶片分类任务，并准备开始下一个过程。
通过以上的具体介绍，显然，控制其工作状态及其转换可以表达出机械手的各项工作任务以及相互间的变换，7项工作任务分别编号为1～7的工作状态，根据具体要求，再进一步的添加了3个新的隐含状态，分别是上电自检、基础步长自学习以及记忆和故障报警任务。该分类机械手的具体状态设计以及控制状态间转换过程如图3所示。由上述的有限状态机理论可知，每个状态都要完成一个特定的任务，但是状态间要有所联系，而且状态间的转换是要有外部的触发事件的刺激，使机器人能在不同的状态下做出相应的动作。以此为依据，对分类机械手控制程序分成多个模块进行设计，并根据时间属性值或者触发事件来互相衔接工作。
五、结束语
以上通过两个应用实例，说明了机器人动作行为的表示方法中，有限状态机是其中简单又好的一种，此方法不仅使机器人程序设计思路简明了，还简化了程序设计的过程，能减短设计者在编写程序的时间，使设计周期更快，并且日后机器人出错时，如果来源于程序，此思路编写的程序更容易找出错误。
参考文献：
[1]王忠海，叶以正.SoC有限状态机优化验证方法研究[J].计算机辅助设计与图形学学报，2005（09）.
[2]全国大学生电子设计组委会.第六届（2003年）全国大学生电子设计竞赛试题[Z].
[3]蒋宗礼.形式语言与自动机理论[M].北京：清华大学出版社.2003.
[4]黄晓霞，萧蕴诗.基于多智能体的新型智能决策支持系统体系结构的产生和发展[J].微型电脑应用，2002（05）.
机器人设计范文2
机器人行走系统属于导向驱动轮式平台，运用艾克曼转向模型，简化机构如图4所示。定义参照点T的姿态向量为q=XT，YT，α，[]δ。其中，(XT，YT)为T点的平面坐标，α为车体行驶方向与X轴的夹角，δ为车体中心线导向角;M与N分别为前后轮轴心，相距L，前轮轴心M坐标为(XM，YM)，后轮轴心N坐标为(XN，YN)，N与T相距h，T与车体中心线的夹角为γ。以N设为参考点，经过运动学分析，可以得到关系矩阵。
2导引控制系统设计
2．1系统原理机器人电磁导航的控制结构是以PLC和上位机为主控中心，由左前轮转角、左右后轮转速和路径检测组成的一个闭环系统。该系统的输入是车体运动轨迹与导线比较后确定的车体姿态偏差，通过控制算法确定中心线期望转角和后轮转速，并转化为左前轮电机、电动推杆和左右后轮电机控制量，输出控制前轮转角、电动推杆行程和后轮转速。导引控制系统原理图如图5所示。
2．2磁导引传感器工作原理设计采用CA－16D型磁导航传感器，该传感器由16个相隔10mm分布的电磁探头组成，可以探测到100gauss以下极微弱的磁场，并各自对应一路数字信号输出。机器人行走时，磁导航传感器中位于磁条正上方的3～5个连续分布的探头会被触发，产生数字信号输出。根据这3～5路输出，计算出磁导航传感器对应于磁条的偏差距离，机器人车体由内部算法控制，自主进行纠偏动作，保证运行路线与磁条一致。磁导航传感器探头如图6所示。
2．3偏差距离检测为了量化机器人车体运行中的偏移量，对磁导引传感器的16个探头进行赋值，从左至右由16至1进行编号，如图7所示。如果传感器没有脱离磁条，至少会有一个传感器被触发。计算被触发的传感器编号值之和平均值，并乘以2，作为当前姿态值。当磁条位于车体正下方时，此时姿态值应为17;当车体左倾时，右边传感器被触发，当前姿态值小于17，控制车体向右偏转;当车体右倾时，左方传感器被触发，当前姿态值大于17，应控制车体向左偏转。
2．4路径跟踪算法设计系统控制分为两部分:期望转角确定和期望速度确定。依据电磁传感器测得的位置偏差，通过PID算法决策，实现对预定义路径的跟踪。本文采用了如图8所示的双PID路径跟随控制器。即将电磁传感器检测的位置偏差作为输入，分别输入两个PID控制器，得到车体期望转角和期望速度，转角和速度协调控制，可以使机器人在路径跟踪过程中既可以有足够的时间消除位置偏差，又可以兼顾跟踪效率。在PID控制器中，参数KP决定控制系统的稳态精度，参数KI控制稳态误差，KD影响系统的稳定性。为了使PID控制器产生更好的调节效果必须处理好KP、KI与KD的关系。
3路径跟踪算法的仿真
在MatLab/Simulink中建立仿真模型，对路径跟踪算法进行仿真。设计了不同初始偏离状态下小车跟踪预定路线(圆曲线)的仿真实验，跟踪效果图如图9～图12所示。仿真中，以传感器在线内点数类比被触发传感器编号。车体初始位置在预定轨迹直线段上，分别呈左倾斜和右倾斜状态。左倾时，传感器在线内点数为9，初始误差error=16－9=7;右倾时，传感器在线内点数为28，初始误差error=16－28=－12。初始状态分别如图9、图11所示;图10和图12为车体在左倾和右倾状态下跟踪预定轨迹的纠偏仿真图。从仿真实验可以看出，车体在纠偏动作完成之后进入路径跟踪状态，跟踪误差在±30mm以内，直线段稳定状态误差在±5mm以内。其跟踪效果良好，验证了算法有效性。
4结论
机器人设计范文3
关键词:步行机器人 机械机构 设计 仿真
中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(a)-0041-01
步行机器人的研究对理论和实践具有重要的理论价值和现实意义。它不仅可以丰富机器人研究的相关理论。还可以推动人工智能技术、仿生学、计算机图形学、通信技术等相关学科的发展。随着机器人逐渐被运用到越来越多的领域中,机器人的工作环境发生了变化,工作任务进一步复杂化,这就对机器人性能提出了更高的要求。由于步行机器人具有体积小、对环境的适应性强、能耗小、避障碍能力强,移动盲区小等特征和优点,因而它具有广泛的实际运用领域,也吸引人们的普遍关注。
由于该机器人的设计要求实现步行和身体摆动等较为复杂的运动,设计的结构也相对较为复杂,对设计尺寸也有相关对严格的规定,同时还要求采用单电机进行驱动。为了满足这些要求,文章设计了一种结构紧凑、易于控制的机械机构。
1 传动机构设计
由于是步行机械机构的设计,因而双足行走的驱动机构需要作重复的非完整圆周旋转运动。而传达机构的作用就是将电机的连续旋转运动转变为重复的非完整圆周旋转运动。一般情况下,为了实现这一转化,我们在设计中可以采用曲柄摇杆机构。一般来说,中间构件会比较长,这使得传递的线路也会比较长,容易产生误差。而线路长又会积累误差,这样一来,在传递过程中比较容易产生较大的误差积累。与此同时,机构运动经过中间构件进行传递还会增加能耗,降低机械的使用效率。除了会出现这些问题之外,死点的存在也会在很大程度上限制连杆机构的运用。
鉴于曲柄摇杆机构存在的缺陷,在这种步行机器人的机械机构的设计中,我们考虑采用齿轮传动。齿轮传动是机械传动中比较常用的一种方式,它具有其它传动不可比拟的特点和优势,比如传动结构紧凑、传递比较稳定、传动工作可靠、传动效率高、传动装置使用寿命长等。在一般的锥齿轮传动中,从动齿轮只能随着主动锥齿轮做旋转运动。如果我们延长主动锥齿轮的轴,在从动锥齿轮的另一边再安装第二个锥齿轮和从动锥齿轮齿合。由于在旋转方向上,第二个和第一个的旋转方向相反,所以该机构就自动被锁住了,无法运行。
在设计工作的实际中,如果我们只运用第一个主动锥齿轮的一半齿,去掉另一半齿,同时还去掉两个主动锥齿轮被削齿对面的一半,通过这样对齿轮的设计和调整,去掉一部分齿轮,就能够将电机的连续旋转运动转变为重复的非完整圆周旋转运动。
2 步行机构设计
如图1所示,秆d所指的是大腿,杆e所指的是小腿,杆f所示的是脚板。在秆a和杆f之间采取相应的措施,使得他们之间相对固定。轮b所指的是驱动轮,并且,它的驱动杆是杆a。通过一点相应的连接措施,使杆a铰接在轮c上。这样的结构方式使得杆a的运动形式为平动,这是由轮b和轮C所确定的。在实际运动中,首先由杆a和杆f一起作平动,与此同时,他们的平动会同时带动杆e进行运动,而杆e进行运动又会带动杆d进行运动。这样一来,看似杆d、e、f一起在作步行运动,而事实上是轮b、轮C和杆a在发挥着作用,杆d和杆e并不发挥主动的作用,他们只是作为从动件在整个机构设计中发挥作用。在这个步行机构设计中,只要作为脚板f的面积足够大,能够承受住杆件的重量和运动时带来的压力,使得地面上的投影始终不超越支撑多边形的范围,这样一来,该机械机构就可以实现双足步行,而不需要步行稳定控制器的的支持就可以(如图1)。
3 步行机器人仿真研究
为了验证该步行机器人机械机构设计的效果,我们进行了仿真研究。通过详细的设计机构参数,我们的得出了具体的单腿运动参数。这些运动参数是以下一个情况。由1位置开始运动,杆a从这里顺时针旋转10°便到达2位置,与此同时,杆b由1位置逆时针旋转至2位置;杆a反向逆时针旋转40°至3位置,与此同时,杆b继续逆时针旋转40°至3位置;杆a继续逆时针旋转10°至4位置,与此同时,杆b反向顺时针旋转10°至4位置;杆a反向顺时针旋转40°返回1位置,与此同时,杆b继续顺时针返回1位置,通过这样的旋转运动从而使一个步行周期得以完成。
4 结语
科学技术的进步必将推动机器人设计的进一步发展和进步。随着整个社会对机器人要求的进一步提高,机器人的功能将进一步增强。而机械机构设计在机器人的设计中占有重要的地位和作用,直接影响机器人整体功能的发挥。文章主要探讨分析了一种步行机器人的机械机构的设计问题,这种机器人便于控制,采用单相电机进行驱动,运用齿轮传达机构和步行机构使其实现稳定的静态步行。通过对该机器人的仿真研究,结果表明该步行机器人能够实现设计时所期望的运动轨迹。总的来说,该机器人的机械机构的设计是正确的,结构紧凑,传动效率高,因此,在实践中,值得推广和应用该种机器人的机械机构设计方案。
参考文献
[1] 祁乐,闫继宏,朱延河.小型双足步行机器人的研制[J].机械工程师,2006(11).
[2] 余联庆,赵毅,杜利珍,等.小型双足步行机器人机械机构设计[J].中国水运(理论版),2007(7).
机器人设计范文4
【关键词】AT89S51 避障机器人 传感器 舵机
1 引言
机器人作为一种智能机器，越来越多的替代了人类在极端环境下作业，比如：核辐射地区，深海探测，深空探索，以及高空作业等。为了防止机器人在作业中因碰撞等因素损坏，因此智能机器人的避障功能显得尤为重要。
传统的超声避障机器人大多是采用多路超声波传感器来采集障碍物的距离参数，这种设计的最大缺点即是多路超声波传感器之间会有干扰；而后，较好的避障机器人采用了一路超声传感器安装在具有360度转角的舵机之上，这样随着舵机的旋转一路超声波传感器就能采集到周围360度障碍物的距离，然而这种设计也有其缺点既是采集一次周围障碍物的距离信息所需的时间过长。因此，本文提出了一种新的智能避障机器人的设计，它采用了一路超声波传感器和一路红外传感器背对着安装在即使使用仅仅具有180度转角的舵机上，仍然可以在舵机转过半周时采集到周围的障碍物距离，反应速度提高了一倍。
2 避障机器人硬件设计
本文提供的智能避障机器人的硬件设计（如图1所示）包括了上位机接口模块、电源管理模块、红外探测模块、超声波检测模块、传感器舵机驱动模块、电机驱动模块、以及电机舵机驱动模块等电路组成。其中，红外探测模块由红外发射电路和红外接收电路组成；传感器舵机驱动模块主要驱动舵机带动红外传感器和超声波传感器一起转动；电机驱动模块主要通过单片机发来的PWM波改变直流电动机的转速，以此来控制机器人行进的速度；电机舵机驱动模块可以通过调整舵机的角度来达到改变机器人行进方向的目的。
3 避障机器人软件设计
本设计主要采用了模块化的编程方法，将硬件的每一个功能驱动都作为一个子函数的形式出现，主函数通过调用子函数来实现机器人的具体动作，这样就能极大的提高编程的效率，如图2所示。主要思路与步骤如下：
（1）上电及系统各模块初始化程序：初始化时钟以及引脚的驱动信号。
（2）开启定时器使能，并等待中断发生。
（3）若产生中断则进入中断子程序：
a. 调用传感器舵机驱动子程序，使得传感器舵机转动；
b. 通过AD采集超声波和红外传感器所得到的距离信息；
c. 通过自适应算法分析是否转向并通过串口向上位机传回距离信息，并能保存和显示该信息。
d. 若转向，则通过PID算法减慢机器人行进的速度，并调节直流电机的舵机转角，使得机器人改变进行的方向，结束中断程序等待下一次中断。
e. 若不转向，则通过PID算法加速机器人行进的速度，并结束中断程序等待下一次中断。
4 结论
本文介绍了一种以AT89S51单片机为主控芯片的智能避障机器人的设计，采用了两种互不干扰的传感器采集距离信息――一种是超声波传感器，一种是红外发射与接收器，通过增量式PID算法进行调速并通过遗传算法进行机器人角度调节来达到避障的目的。
这种设计采用的电子元器件价格相对便宜较容易推广，采用不相干信号采集距离信息提高了智能避障机器人的反应速度，使用自适应算法使得机器人对环境的适应性大大增强并实现安全避障。
参考文献
[1]曾军，吴长雷，李东，黄华等.基于C8051F430的超声避障机器人设计[J].微计算机信息（嵌入式与soc），2009（25）.
[2]徐跃.基于超声波测距的机器人定位与避障[D]. 齐鲁工业大学，2013.
[3]刘世聪.机器人避障算法研究[D].东北石油大学，2011.
[4]郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、 提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009（01）.
机器人设计范文5
关键词：人形机器人；单片机；软件
中图分类号：TP242 文献标识码：A
0.引言
如今，机器人技术在军事、生产和生活领域中得到了广泛的应用。随着机械化、自动化和智能化技术的发展，许多先进的技术已应用于各类机器人中。人形机器人的出现是控制科学、传感器技术、人工智能等学科的技术进步。人形机器人的设计和发展在生活中应用前景较广，如引路机器人、点菜机器人、问询机器人等。本设计完成了一个具有17关节的机器人外形设计和零部件加工制作、电路设计和搭建和软件编程调试，最终实现了一个能够按照预先设置程序而动作的机器人。
1.外形设计
要使机器人动起来，必须借助电机的转动控制机器人的关节以某种规则转动。人形机器人整体采用1.5mm厚轻质铝板手工加工而成，如图1所示。机器人头部采用一个90°的9g舵机带动，可以实现头部的左右转动运动。其余16个舵机均采用270°的60g金属齿大扭矩舵机。每条手臂由3个舵机构成，其中一个舵机固定在胸板上，控制手臂的前后旋转运动；一个舵机控制手臂的上下运动；一个舵机控制小臂的运印C刻跬炔坑4个舵机组成，其中最上方舵机控制腿部左右运动；其余3个舵机控制腿部弯曲的运动。每只脚部由1个舵机组成，控制脚部左右方向的运动。除了胸板、胸板外壳、头部、脚板以外，其余所有关节连接均采用标准件完成。机械连接件均在本校内加工中心由师生共同完成。最终机器人高度为500mm，宽度270mm，臂展560mm，臂长180mm，总质量约1.5kg。
经测量，机器人重心在膝盖附近。机器人重心越低，机器人运动越加平稳。反之机器人重心约高，机器人稳定性越差。本设计电源分布在机器人胸板偏下，两块锂电池左右对称安置，避免破坏机器人的平衡性。
2.电路设计
人形机器人由舵机电源电路、单片机电源电路、单片机最小系统电路和舵机控制电路四部分组成。由于需要同时驱动17个舵机，故本设计采用2块额定电压为7.4V的轻质锂电池为机器人供电，其中头部舵机、单片机最小系统和其中7个关节舵机采用一块电池供电，另外9个关节舵机由另一块电池供电。
因为60g舵机的驱动电流较大，故采用LM29302驱动，其驱动电流可达到3A。为保证供电平衡，本设计中采用4块LM29302构成4个可调稳压电路模块，经调节后稳压输出6V（±5%）为舵机供电，每个模块控制4个舵机。如图2所示为LM29302电路图。头部舵机、单片机最小系统采用LM2940稳压输出5V控制。
机器人核心控制板采用作者本人设计PCB印制电路板，如图3所示。该PCB中需要将XS128最小系统板插入在引脚座中。核心板中包含LM2940稳压电源线路，并引出了最小系统中的80个引脚。
3.软件设计
（1）舵机控制
本设计中的舵机均为数字舵机，采用PWM信号控制。MC9S12XS128系列芯片带有7路引出的PWM输出口，其余10路PWM信号输出采用10个I/O口由软件模拟实现。调试前，先找到每个舵机的中间位置点和运动范围区间，记录角度和对应的PWM值，最终实现线性控制。每个舵机的单独控制可以近似采用y=kx+b的数学模型。
（2）动作控制
程序采用C语言编程，每个舵机关节的运动采用一个独立的函数编写完成，并建立模块化程序，通过各个模块的协调运行实现机器人的协调运动。同时程序中具有良好的可维护性和扩展性，可以满足随时加入新的动作。本设计编写了一套“舞蹈”动作和一套行走动作。
（3）单片机初始化
本设计采用MC9S12XS128型号单片机。其中包含以下初始化程序模块：PLL模块主频80MHz；PWM模块不级联输出；PIT定时中断和外部触发中断；I/O输入输出接口模块。
结论
人形机器人在今后生活中的应用前景较大，配有GPS功能、语音功能和网络化管理的人形机器人是未来人形机器人发展的趋势。但这些智能化的功能都需要以机器人稳定的行动能力为基础。经验证，本设计的机器人能够实现基本动作的展示和行走。下一步，可以在本文研究的基础上，加入如语音问询和导航功能，从而进一步提高人形机器人的智能化程度。
参考文献
[1]虞汉中，冯雪梅.人形机器人技术的发展与现状[J].机械工程师，2010（7）：3-4.
机器人设计范文6
【关键词】自动送水系统；单片机；红外传感技术；电驱动技术；机器人
1.引言
近几年红外传感技术、单片机控制技术、电机驱动技术等多项技术在日常生活中应用越来越广泛，目前单片机接口技术的日趋成熟，这些方面的研究也在某些领域实现机器人代替人力，提高人们生活的质量。
考虑到现在人们都是自己进行倒水，在很多场合下有诸多不便，我们此次发明是希望通过这些方面的技术运用于单片机控制机器人以实现自动化倒水工作，解决了开会时不方便取水的问题，以及实现日常中公司人员的自动化取水。
本文系统属智能小车机器人，安装有驱动电机，通过齿轮传动传递给机器人小车后轮，通过单片机控制驱动电机来实现小车的前进、后退和停止。在小车的前轮处，设置有舵机并与单片机相连，控制小车转向。在小车底盘处设有灰带传感器，使小车按预定轨道运行。在机器人上安装有信号接收器，以接收呼叫。
2.总体设计方案
2.1 自动送水系统整体布置
如图1所示，并结合图3至图4，包括设于圆桌的轨道、圆桌上与各个座位相对应的呼叫装置、小车以及饮料装置，饮料装置固定安装于小车上，其中，小车包括驱动模块和主控模块，呼叫装置发出信号，主控模块接收到相应信号后，控制驱动模块沿轨道按照预定的轨迹运动直至到达发出信号的呼叫装置。主控模块为自动送水系统的核心，从呼叫装置接收到呼叫信号，控制小车的前进、后退以及停止，若主控模块接收到多个呼叫信号，则根据接收到的呼叫信号时间依次送水，本文主控模块由单片机控制，其体积小、质量轻、价格便宜，抗干扰性强，能够实现可编程、可控制、可修改的智能控制。
2.2 机器人小车地盘机械结构
参考图2，小车还包括前轮、后轮以及舵机，驱动模块与后轮通过相互啮合的齿轮连接，舵机与前轮固定连接，驱动模块与舵机均与主控模块连接。当主控模块接收到呼叫信号，向驱动模块发出指令，驱动模块通过齿轮的传递带动后轮旋转，从而推动小车前进或后退；当需要转弯时，主控模块向舵机发出相应的指令，使前轮偏移，从而使小车转向。小车上还设有为小车提供动力的蓄电池。用蓄电池取代插电式的电源线的使用，可以避免小车行驶过程中与电源线的缠绊，从而避免不必要的事故，是该发明的自动送水系统的应用更加安全、灵活。
2.3 储水结构
请参考图3，并结合图4，饮料装置包括水桶以及水桶内的若干个饮料室，以及与各个饮料室相连通的出水口，每个出水口对应一个取水开关。当小车响应呼叫而运行到相应的位置时，人员只需根据个人需要按动某一个取水开关，即可从相应的出水口处取得所需的饮料，小车延长一定的时间后若没有接收到下一个呼叫信号，则自动回到初始位置等待呼叫。
结合图1至图3，每个饮料室的下方设有一弹簧，饮料室的上方设有返程加水开关，返程加水开关与主控模块相连。本文饮料室的数量为3个，可以分别存放不同种类的饮料，当某个饮料室中的饮料不足时，弹簧会把饮料室托起，继而触动返程加水开关，返程加水开关将需加水的信息传递给主控模块，主控模块控制驱动模块带动小车行至加水位置进行饮料补充。
本文呼叫装置为无线信号发射器。当然，主控模块中有与之相对应的无线信号接收器，这样，信号的传递均采用无线传递，使整个系统更加简洁，使用更加方便。
3.运动轨迹规划
如图1所示，轨道由灰带铺设。较佳地，小车底部设有灰度传感器（图中未示出）。相对于现有技术中的用金属材料架设轨道的方式，本发明的轨道更加简单易行，利用灰度传感器，实现智能有轨运行。
如图3所示，小车或饮料装置上设有一摄像头，摄像头与主控模块相连。本实施例中，将摄像头安装于水桶上，摄像头用于拍摄小车运行方向前方的路况，如转弯、直行以及有障碍物等，并将该路况信息传递至主控模块，主控模块根据该路况信息选取合适的运行方式，具体地，若直行，将相应的信息输出至驱动模块；若需转弯，将信息输出至驱动模块和舵机；若前方有障碍物，则绕行或停止运行并报警告知相关人员。
3.1 机电系统控制流程图
自动送水机器人控制流程图如图5所示。机器人分为空闲、送水、等待、补水四中状态。机器人上电初始化后进入工作状态。先检查饮料是否充足，如果充足则再判断是否进入等待状态，否则进行补水。在水充足的情况下再判断是否进入等待状态，如果进入等待状态，机器人则等待送水指令，否则就进入空闲状态机器人断电不工作。在有送水指令发出时，机器人进入送水状态执行送水任务，在取水结束后，机器人则会自动延时停止一段时间，然后马上检查饮料是否充足。这既是机器人自动送水的工作流程。
3.2 控制系统硬件的设计
自动送水系统的硬件结构图如图6所示，单片机通过摄像头采集的信息判断小车转过的弯度，将控制信息在传输给舵机执行。然后单片机通过电源驱动模块控制直流电机，实现小车的启停。单片机通过无线串口模块把当前传感器数据传给上位机，通过上位机数据显示来进行传感器好坏的判断和距离阀值的修改。
（1）控制核心
系统的核心控制采用飞思卡尔半导体公司的16位HCS12系列单片机MC9S12DG128。其主要特点是高度的功能集成，易于扩展，低电压检测复位功能，看门狗计数器，低电压低功耗，自带PWM输出功能等。系统I/O口具体分配下：PORTA0、PTH0～PTH7共9位用于小车前面路径识别的输入口；PORTB0～PORTB7用于显示小车的各种性能参数；PWM01用于伺服舵机的PWM控制信号输出；PWM23、PWM45用于驱动电机的PWM控制信号输出。
（2）路径识别单元
为提高小车转向角的控制精度，系统路径识别单元采用摄像头作为路径检测元件。摄像头价格低廉，经济实用。对于小车循迹，利用摄像头采集的灰带相对稳定的灰度值作为阈值，作为判断灰带的数据。其路径检测硬件电路如图7所示。
（3）角度控制单元
系统角度控制单元采用Sanwa公司SRM 102型舵机作为小车方向控制元件。在实际运行过程中，舵机的输出转角与给定的PWM信号值成线性关系，以PWM信号为系统输入信号，实现舵机开环控制。舵机响应曲线和控制电路如图8、图9所示。由于舵机的开环转向力矩足够，单片机通过采集的当前路况，给定PWM控制信号，从而实现舵机的转向。
3.3 软件流程设计
本智能车系统的软件设计基于Met rowerks CodeWarrior CW12 V3.1编程环境，使用C语言实现。整个系统软件开发、制作、安装、调试都在此环境下实现。系统软件设计由以下几个模块组成；单片机初始化模块，实时路径检测模块，舵机控制模块，驱动电机控制模块，中断速度采集模块和速度模糊控制模块。系统软件流程如图10所示。
4.结束语
综上，本文提供的自动送水系统，包括设于圆桌的轨道、圆桌上与各个座位相对应的呼叫装置、小车以及饮料装置，饮料装置固定安装于小车上，其中，小车包括驱动模块和主控模块，呼叫装置发出信号，主控模块接收到相应信号后，控制驱动模块沿轨道运动直至到达发出信号的呼叫装置。将饮料装置加满水，在小车的带动下送至发出信号的呼叫装置处，供相对应的座位上的人员取用，不仅能够代替服务人员的劳动，节约人力，还避免了使用大功率的驱动设备，结构简单且安全。
参考文献
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