计划书(5).doc

2011 RoboGame Enoch计划书中国科学技术大学第十一届RoboGame机器人大赛参赛计划书 队伍名称： Enoch(以诺) 系别（全称+代号）： 电子工程与信息科学（06系） 类别： 杂技表演类 家庭服务类 说明1参赛队应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2参赛队在填写本表时只需根据所报项目填写A1（杂技表演类）或A2（家庭服务类）表。3计划书提交截止时间2011年6月12日。4电子版发送至。5 纸质版打印交至西区力学三楼311室黄铭处（进门左边第一个桌子）承 诺 书组委会承诺：我们组委会保证及时解决各参赛队就比赛相关问题提出的疑问，为各参赛队的制作计划等保密，公正处理机器人比赛相关事务，选拔优秀成员担任比赛裁判，保证裁判的公正。组委会负责人（签字）：2011年6月12日参赛者承诺：我们队承诺对本人填写的各项内容保证是本队的原创，没有抄袭他人。我们保证以本承诺为有约束力的协议，遵守中国科学技术大学第九届robogame组委会的有关规定，认真进行机器人的设计制作等工作，就比赛相关问题积极与组委会交流，服从组委会的活动安排与最终裁判。对于由本队引发的一切不良后果由本队承担相应责任。参赛队员（签字）：李亚 刘邦 陆恒洋 崔骁 于沛洋2011年 6 月 2 日家庭服务类队员组成及分工姓名学号分工姓 名学 号分 工李 亚PB09210357在组中担任小组长的职务，并且负责机器人的程序部分。崔 骁PB09210297负责机器人的电路部分，并协助机械部分的制作。刘 邦PB09210365负责控制部分的设计，并且协助机械的设计。于沛洋PB09210369负责电路部分的设计，并协助机械部分的组装与制作。机器人的基本设计思路（想法）及创新性我们发现在生活中表面检测和清洁等工作对于高层建筑物或大型结构的安用和寿命非常必要，而传统的吊篮人工操作方式既危险，劳动强度又高，而且效率底下。在世人对生命越来越尊重、对生活质量追求越来越高的同时，显然需要更新的科技来代替人工来完成这类操作。于是我们想到了做一个能帮人类擦玻璃的机器人，希望借此能将人从危险和枯燥的工作中解放出来。有了这个方向之后我们小组进行了多次的讨论并且收集了不少资料，在讨论的初期我们想把机器人设计成比较灵活的有着四肢的机器人，并且在机器人腹部安装一个能够旋转的擦玻璃的机械部分（类似于给洒水车的旋转洒水部分），我们仔细分析了这样设计的优缺点，首先这样设计的机器人移动比较灵活，但是不容易在玻璃上实现行走或者转弯等动作，而且这样设计的擦玻璃机器人擦玻璃时会有好多擦不到的地方。因此我们想将机器人改装，使其能够在玻璃上更加灵活的转弯和行走，在第二次的设计中我们想设计成类似于坦克式的，这样机器人能够以较快的速度移动，而且在坦克的轮带上可以多安装几个吸盘，这样就不容易掉下来。但是考虑到实际机器人的重量不能够太重，而且经费有限，我们最后将机器人改成了坐标式的移动方式，这样设计的机器人不仅机械部分简单，而且移动比较灵活，擦拭范围比较大。经过查找资料和不断的讨论，最终我们确定了现在的方案。机器人由平移机构、吸附装置和清洗装置构成，下面分别简介。一、平移机构由两块正交的细长板和传送装置组成，设两块细长板分别位于x、y轴方向上，当x轴方向的细长板通过吸附装置贴附在玻璃上时，y轴方向的细长板通过传送装置实现y轴方向的移动以达到清洗玻璃的效果。并且在两块细长板的中心部分通过一根垂直方向的轴相连，设为z轴，两块板亦可在z轴方向移动，以避免在细长板移动时擦拭装置会对其造成阻碍。二、吸附装置由八个真空吸盘和真空泵以及相连的管道构成。通过单片机控制真空泵的吸气和放气使得机器人完成吸附和移动的功能。三、清洗装置由一根上水管连在机器人上，通过压力泵来提供压力供水，水管应采用轻质材料以减小机器人总重量，在机器人上由喷水头喷出，对玻璃进行清洗。机器人上有带有擦玻璃的可移动机械臂，可以沿x轴、y轴移动进行清洁。本机器人的创新性主要体现在两点上：1.机器人的移动上，通过两块x和y方向上的细长板和z轴方向上的轴来实现机器人的移动，既省料，又美观，也可比较容易的实现对玻璃清洁的遍历。2.我们考虑在机器人的喷水头旁，加装一高频的超声波发生器（大约800kHz以上），以其利用超声波的空化作用来实现清洗的效果。（具体的应用我们还会调研技术的实现难度以及市场上类似产品的价格，综合考虑之后再做出决定是否来应用。）机器人的实用性描述我们设计的机器人（名字为WALLE,瓦力），其首要任务就是能够擦玻璃。随着现代建筑的发展，其钢架结构愈来愈坚固，而玻璃的安装也越来越多，其表面清洗却成了难题，该机器人通过吸附在玻璃上对玻璃进行清洗，可以实现对建筑外面的玻璃的清洗；由于其自动性，可以在玻璃表面走动，实现大面积的清洗工作。建筑外表面容易脏，不易清洁，人工较危险，使用机器人可以降低危险性及清洁成本，在吸盘吸力足够的前提下，还可以吸附在墙面上对墙面进行清洗，具有较强的应用前景。瓦力不仅具有擦玻璃的功能，还能够实现擦地板的功能，特别是针对大面积的地板砖，人工清洁会比较耗时耗力，而有了擦地板的机器人，就不用我们在亲自去擦玻璃，这对于生活节奏越来越快的我们来说具有非凡的意义，能够提高我们的生活质量节约时间。机器人的智能性描述机器人主要的智能性体现在可以自动的吸附在玻璃上，然后进行自动的洒水，并在位置固定时进行玻璃的清洗工作，在清洗好玻璃的一部分后，机器人会自动地上下左右移动，直到将整块玻璃擦拭干净。为了与现实相接近，特别是进行大规模的作业时，要清洗的不仅仅是一块玻璃，往往会有很多块玻璃连在一块，并且中间会有一定的间隔。为了能够使机器人能够在不同玻璃间进行作业，我们使用了超声波进行识别是否已经达到一块玻璃的边缘，并判断玻璃之间的空隙的大小，然后让机器人跨越缝隙，来到另一块玻璃继续清洗。 同样在擦拭地板时机器人的动作和擦玻璃近似，只是机器人是在地面上行走，擦地板和擦玻璃相比相对简单，不用考虑到从高空摔下的危险。在擦拭地板时机器人会遇到墙壁等障碍物，我们仍用超声波来识别这些障碍物，在遇到这些障碍时机器人会自动返回，并自动移动对别的地板进行擦拭，知道整个地板擦干净。机器人的道具及场地设计机器人表演时以下道具两块比较大的玻璃，一些家具模型，还有清洗所需的水桶，海绵等道具。表演分为两部分，首先我们会让机器人对现场的地板进行擦拭，未来节约时间我们会设计一些障碍墙壁和一些沙发等家具模型，机器人进行擦拭地板，当遇到这些障碍物时，机器人会自动改变行走路线，直至擦拭好我们规定区域。其次我们将在舞台中间放置两块较大的玻璃，并让他们并排放置，而且中间有一定的缝隙，然后由一名同学拿着毛笔在两块玻璃上书写几个比较优美的文字，最后将机器人放置在其中一块玻璃上，并配置背景音乐，让机器人开始擦玻璃，最终效果是让把玻璃擦干净。机器人的具体技术实现机械部分（可附图）下图是我们机器人的整体结构图（一）机器人WALLE整体图图中的零件1为真空吸盘图中零件2为舵机，其外表用外壳包裹，具体图和作用将在下面详述。如图所示，我们整体结构为十字架形状，近似为一个坐标系，此设计为了方便机器+零件3为海绵卡槽，零件4为传动齿条.、机器人的固定靠吸盘，当上下吸盘固定时，通过舵机的运动和传动齿条的运动，机器人将会左右移动，用海绵卡槽里的海绵进行清洗。同理当左右吸盘固定时，可以进行上下的清洗。机器人的上下移动移动是靠左右吸盘固定，利用齿条和舵机的配合将身躯整个向上平移，当移到一定距离后此时固定上下吸盘，然后将水平方向的清洗臂移到中间位置，开始进行新一轮清洗。图（三）真空吸盘上图为真空吸盘，其在整个机器人结构中起到将机器人固定在玻璃和地板上作用，考虑到机器人吸附的稳定性，在整个设计中我们共用了八个真空吸盘，并且对称的分布在两个机器人的两个清洗手臂上使机器人能稳定的左右上下移动。真空吸盘上端会与真空泵相连。为了减轻机器人的整体质量我们只在机器人身上装两个真空泵，然后用橡皮管连接分别给每个机械臂上的四个真空吸盘提供真空来控制机器人的吸附和移动。实物真空吸盘的图如下所示:图（四）真空吸盘图（五）连接件零件5为齿条轨道，起作用是为了固定齿条板，让齿条板沿着固定方向移动，上面的6为舵机孔，是为了固定舵机为齿条滑动提供动力。零件7是一个舵机，起作用主要是驱动零件8升降杆，升降杆能够使上下的机械臂上下移动一定距离，用来避开一定高度的边缘，减小摩擦力。图（六）升降部分图上图为齿条轨道的连接部分，零件8为升降杆用来控制上下机械臂的距离，舵机是用来驱动升降杆的。舵机实体图如下图所示图（七）舵机实图图（八）传动装置上图为机器人的主要驱动装置，利用舵机，齿轮和传动齿条的配合，为齿条提供动力，并沿着齿条轨道滑动。图(九)优化装置上图为机械的优化部分，为了减小传动齿条在移动过程中的摩擦力，减小舵机的阻力和减小真空吸盘所承受的力量，我们设计了上面的滚珠槽的装置，齿条板将在上面滚动，使机器人的运动更加流畅。图（十）喷水系统如上图所示为机器人的喷水系统，实际所运用时我们会让一个橡皮软管从右边的孔穿进喷水管，由水泵通过橡皮管把清水通进喷水管，再由上面的孔分散开洒向玻璃面上。其中喷水管的另一侧是密封的如下图所示。管的另一侧是密封的如下图所示。图（十一）喷水管另一侧机器人的具体技术实现电路部分（可附图）一、 单片机1 AVR单片机的特点：（1） 高性能：采用精简指令集CPU（RISC），32个通用寄存器，采用哈佛结构的流水线技术，机器周期等于时钟周期，绝大部分指令为单周期指令。指令的执行速度最快可以达到20MHZ。 （2） 有丰富的外设，可以真正地做到单片。（3） 工作电压在1.86V之间，范围较大，电源的抗干扰能力强。（4） 低功耗。AVR单片机有六种休眠状态，可以迅速从低功耗模式唤醒。（5） 程序写入器件可以并行写入，也可使用串行在线编程（ISP）方法下载写入。方便程序的修改和烧写等操作，有利于产品的微型化。（6） 超功能精简指令。（7） 端口有较强的带负载能力。2. AVR单片机的选型：鉴于所做机器人对单片机性能的要求和组委会的建议，我们决定采用ATmega16单片机，具体参数如下：ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32个通用I/O 口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。二、 控制电路总图整个机器人各部分系统如下，各系统均与单片机想连，实现单片机对整个机器人的控制。图（一）电路结构总图三、 各部分电路分电路图1.单片机ATmega16外部引脚图1. 单片机ATmega16外部引脚图2.测距系统电路本机器人通过超声波测距系统实现机器人的障碍识别和拐弯转向。 图2.超声波测距原理框图图3.超声波测距电路原理图3.舵机控制电路 单片机根据预编并烧好的程序产生PWM波，其经过74HC244后连到舵机上实现控制。图4. PWM波经74HC244后带舵机图5. LM7805的稳压电路4、晶振电路ATmega16片内有一个由高增益反相放大器构成的振荡电路。XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入输出端。其振荡电路有两种组成方式：片内振荡器和片外振荡器。采用片内振荡器来组成振荡电路。在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路，这里，我们在这里选用了12M的石英晶体，C1和C2取30pF。原理图如下：5. 复位电路原理图： 6、电源：使用ATmega16单片机，5V供电电压。电源由四节充电电池（每节标称电压1.2V）组成，提供4.8V电压，然后利用稳压器7805获得稳定的5V电压。滤波电容用来降低交流电的干扰。电路图如下 舵机为MG945，其允许的供电电压为4.8-7.5V，故可不使用稳压器。除去稳压器外，舵机电源与单片机电源基本一致。 舵机的动力SANYO 18650 2400mAh锂离子电池参数如下：标称容量 : 2400mAh标称电压: 3.7V充电方式 : 恒流电流充电电压: 4.2V充电电流 : Std.2100mA充电时间 : 2.5hrs.重量： Max.46.5g直径 : Max.18.1 mm 机器人的具体技术实现控制部分（可附图）一、机器人清洁路线如图一，机器人瓦力开始安置在玻璃的左下方，再从左下方开始，上下巡游，在上下巡游的过程中，瓦力逐段对玻璃进行清洁：例如往上清洁，瓦力每次向上移动30cm(根据最后制作的机器人的尺寸决定，后期可能稍有变动)，然后停止移动，对该处区域进行清洁。清洁完毕后，再继续上移以此类推。当前方传感器探测到边框时，瓦力改变移动方向，向右移动30cm，再向下移动，逐段清洁。这样逐渐完成对整块玻璃的清洁，最后回到玻璃的右下方，清洁完毕！图一 瓦力的清洁路线图二、障碍识别与决策 1.缝隙 考虑墙面玻璃或是多块玻璃，在多块玻璃之间会有缝隙。这样，在瓦力清洁的过程中会有两种选择：（1）跨过缝隙对另一块玻璃进行清洁；（2）到达清洁区域边缘，转向或停止清洁。 图二 缝隙可跨越 图三 缝隙不可跨越如图二，当瓦力右移时，若底部探测器收到反射波的时间很短，说明底部为玻璃，此时，横向杆两端固定在两块玻璃上，纵向杆右移，再让纵向杆固定在右边玻璃上，横向杆右移，这样便实现了两块相隔距离较近的玻璃的跨越。如图三，若瓦力右移后，底部探测器收到反射波的时间较长，说明下方没有玻璃，则到达清洁边缘，瓦力不向右移动，若此时在上方，则向下清洁，到达底端后停止；若在底端则停止工作。对于上下方向，处理方式相同。2.障碍考虑在清洁过程中遇到突出物或边界墙面： 图四 前方遇见障碍（俯视） 图五 前方遇见障碍（斜视）以向上清洁为例，如图四、图五，此时前方探测器探测到障碍（如墙的凹陷面）的距离很近，若右方无障碍（或障碍很远），则右移（左右依照设定的清洁路线而定）。若右移后，前方未探测到障碍，说明为玻璃中的障碍而非墙边界；若前方仍是障碍，说明是墙边界，则继续再向下清洁。其它情况类似。若依照前面的清洁路线（图一），当右方与下方均为障碍是，说明已经清洁到玻璃的右下方，清洁结束。三、洒水系统与擦拭系统如下图所示为机器人的洒水系统：（下面附图）在清洁杆的侧面有数个水管孔，它们由一个总管分支而来。水的开关由舵机控制。以向上清洁为例：（1）瓦力的横向杆先靠吸盘固定在玻璃上，纵向杆向上移动到顶；（2）再固定纵向杆，舵机反转使横向杆移动到纵向杆中部，两杆交叉成十字形；（3）两杆都固定，前方水喷头开始洒水；（4）停止喷水，横向杆固定在玻璃上，纵向杆开始上下反复移动，将玻璃擦拭干净；（5）清洁完毕此区域后，瓦力继续上移，重复以上步骤，直至遇到边界，转向继续清洁其它部分。制作时间进度安排时间进度7月1日7月31日细化机器人的各个部位需要的东西，排除一些不合理的设计想法，并用更加简单的方法达到预想的效果。最终确定下来所需的资源。购买材料等必需品。同时深入学习单片机，电路设计等知识，初步确定电路。8月1日8月31日开始组装机械，检验电路的准确性，可行性，总结出关键问题进行讨论分析，向别人请教一些不懂的知识，再次提高机器人的可操作性，稳定性。争取能初步实现能够擦玻璃，在竖直水平方向行走。9月1日9月30日在实践过程中发现不足之处，设法去改善，提高擦玻璃的清洁度，提高移动速度，减少能耗，减轻机械重量，增加机械的负