机电一体化模块.pdf

目录一、一、创新模块单元及搭建基础创新模块单元及搭建基础.1二、能力风暴二、能力风暴 AS-UII 基础基础.8三、多功能扩展卡使用说明三、多功能扩展卡使用说明.12四、程序编写及下载四、程序编写及下载.141一、创新模块单元及搭建基础一、创新模块单元及搭建基础1.1 机械模块分类分为结构件、结构连接件、传动件1.1.1 结构件：提供刚度和支撑的零件(8 种)，如图 11包括立方体、半高立方体、1，2，3，4 号平板、1 号小平板、梁图 111.1.2 结构连接件：连接固定作用（9 种）包括立方体连接件、T 形连接件、L，H 型连接器、方管、圆轴、微型 A 型连接器、5 孔梯1）立方体连接件立方体连接件用于连接两个六面立方体。图 12 立方体连接器2）T 型连接件T 型连接件的现实对应物是钉子，可分为长插销和短插销两类：其中长插销用于导轨梁与面之间的连接；短插销用于点与面之间的连接或面与面之间的叠加连接。图 1-3 T 型连接件（短插销、长插销）3）L 形连接件L 型连接件的现实对应物是角铁，可用于面之间的垂直连接或点与面之间的连接。2图 14 L 形连接件4）H 形连接件H 型连接件用于平行连接平面或水平连接扩展平面。图 15 H 形连接件5）A 形连接件A 型连接件可以与轴相连接，起垫片或固定的作用。它也可以连接平面与轴，分为小A/小特 A/中 A。图 16 A 形连接件1.1.3 传动件：传递运动包括 5:1 减速齿轮箱、1:1 带轴转向齿轮箱、丝杠、34 齿齿轮、蜗杆、14 齿耦合器、齿条、轴承、方轴、轮轴、导向轮1）轴与轴耦合轴是典型的机械传动件，有长方轴、短方轴；长八棱轴、短八棱轴；2 节自由轴和轴耦合器件之分。图 17 轴与轴耦合2）轴承轴承座可嵌入平面方孔中，适合方轴、八棱轴；也可承载磁棒。3图 18 轴承3）导轮与轴承导轮用于移动部件附着于导轨梁。圆轴承除用作八棱轴的滑动轴承外，还可用于固定滑槽与点、面，用于连接滑槽制作连杆。图 19 导轮与轴承4）齿轮大型轴 10mm、中型轴 5mm单层分为：28，20，12 个齿三种双层：外 28 齿，内 12 齿；自带轴承图 110 齿轮5）齿条齿条可变同向圆周运动为切线方向直线运动，能与导轨梁结合，作为梁上运动物体的步进依托。图 111 齿条6）蜗杆蜗杆可与齿轮组成大减速比变速器，还可用作方轴的耦合器。图 112 蜗杆7）滑轮滑轮有定、动之分，可与绞绳配合使用。4图 113 滑轮8）轮毂与轮胎轮毂可用作绞盘轴，可与轮胎结合组成车轮。图 114 轮毂与轮胎9）丝杠与滑槽丝杠可将旋转运动转变为直线运动，多用于机床工作台的传动。滑槽呈 5 孔梯形，用于丝杠溜板箱或齿条滑槽、连杆主件等。图 115 丝杠与滑槽10）齿轮箱 齿轮箱有 5：1 减速齿轮箱和 1：1 换向齿轮箱两类。图 116 齿轮箱1.2 电子模块电子模块包括传感器和执行器1.2.1 传感器：主要用来收集外界信息的，。包括磁敏开关、触碰开关、光敏传感器、温度传感器、旋转计数器、电机、灯、电磁铁1）磁敏开关磁敏开关可用作数字开关和行程开关。图 117 磁敏传感器2）触碰开关触碰开关是一个数字量传感器，初始状态为开启。连接到数字传感器的输入口，能开启和停止一个装置。5图 118 触碰开关3）光敏传感器光敏传感器是一个模拟量传感器。假如它连接到一个模拟输入口，它能检测外界光线的强弱。图 119 光敏传感器4）温度传感器温度传感器是一个模拟量传感器，连接到控制卡上的模拟输入口，检测的范围大约为560 度。图 120 温度传感器5）旋转计数器旋转计数器是一个组合传感器，由磁感应开关和一个特殊的含磁铁转子组成。图 121 旋转计数器1.2.2 执行器：主要来执行主板发出的动作指令。包括电机、灯、电磁铁。1）电机 直流电机的电压为 12V，功率 7.2W。可在面板上固定；输出轴可接齿轮箱或齿轮，也可接轴耦合以延长轴距。6图 122 电机2）灯指示灯采用六面体结构，有红黄蓝绿白等五种颜色。图 123 灯3）电磁铁电磁铁通电时能吸住许多小金属。电磁铁能被连接到任何一个 AS 多功能扩展卡的输出口。请不要连续通电 5 分钟以上。图 124 电磁铁1.3.1 连接示范1）两个立方体的连接：a）直接扣在一起 b）用立方体连接器连接2）两个面的垂直：用 L 形连接器连接：图 125 两个面的垂直3）两个平面的平行：用 H 形连接器连接7图 126 两个面的平行4）两个平面的延伸：用 H 形连接器连接图 127 两个面的延伸5）齿轮传动机构的搭建 齿轮，顾名思义就像是带了齿的轮子。齿轮传动机构就是齿轮作为主要传动件的传动 机构。工作时，首先有一只主动轮先转动起来，转动过程中与另一个从动轮的齿一个一个的 咬和下去，这个与它咬和的齿轮也会跟着旋转，这样运动就从主动轮传递到从动轮，这叫做 齿轮的啮合传动。齿轮的种类很多，它们通过不同的配合可以实现不同的传动类型，如图(a）a）传动类型 示意图：图 128 图1-28所示的传动类型能够改变运动的形式，齿轮是旋转运动，下方的齿条则是直线运动；图 129 图1-29所示传动类型能够改变了旋转运动的速度；8二、能力风暴二、能力风暴 ASUII 基础基础 能 力 风 暴 AS-U能 力 风 暴 AS-U 1、机器人使用注意事项：1.轻拿轻放机器人，防止摔落地面。1.轻拿轻放机器人，防止摔落地面。2.碰撞环是机器人最易损坏的部件，请注意保护拿放机器人时，应用手指抠住空闲的传感器孔，不要提持、拉扯、捧托碰撞环。2.碰撞环是机器人最易损坏的部件，请注意保护拿放机器人时，应用手指抠住空闲的传感器孔，不要提持、拉扯、捧托碰撞环。3.串口通信线连接在机器人上时，不要按复位键。否则容易死机。3.串口通信线连接在机器人上时，不要按复位键。否则容易死机。4.机器人在桌面上操作时，不要放在桌边，防止机器人掉地。4.机器人在桌面上操作时，不要放在桌边，防止机器人掉地。5.机器人运动时勿顶住障碍物，否则易造成电机堵转，烧毁芯片。5.机器人运动时勿顶住障碍物，否则易造成电机堵转，烧毁芯片。图2-1 方式(a)：正确的拿法，手指勾住传感器孔。方式(b)：错误的拿法，双手捧住碰撞环。2、能力风暴AS-UII 系统结构 能力风暴AS-UII系统共分为三种：感知系统、控制决策系统、执行系统 2.1 感知系统：是由随身的各种传感器组成，主要用来收集外界信息。传感器是将力或温度、距离等各种工业量改变为电信号输出的元件。能力风暴上用了一下几中传感器：1）红外传感器 2）光敏传感器 9 3）碰撞传感器 4）光电编码器 5）声音传感器 2.1.1 红外传感器 AS-UII 机器人的红外传感器共包含两种器件：红外发射管和红外接收管，看图 2-2 图 2-2 就 可以发现红外接收管位于 AS-UII 机器人的正前方，两只红外发射管位于红外接收管的两侧。红外发射管可以发出红外线，红外线在遇到障碍后被反射回来，红外接收管接收到被 反射回来的红外线以后，通过 A/D 转换送入 CPU 进行处理。AS-UII 机器人的红外传感器能 够看到前方 10cm80cm，90范围内的比 210mmx150mm 面积大的障碍物，如果障碍物太小太细、或者在它的可视范围以外，它可就没法看到了。2.1.2光敏传感器 能力风暴个人机器人上有2只光敏传感器，它可以检测到光线的强弱。光敏传感器其实是一个光敏电阻，它的阻值受照射在它上面的光线强弱的影响。能力风暴个人机器人所用的光敏电阻的阻值在很暗的环境下为几百，室内照度下几，阳光或强光下几十。图2-2 红外传感器、光敏传感器及声音传感器 2.1.3 碰撞传感器 碰撞传感器是使能力风暴个人机器人有感知碰撞环上的碰撞信息能力的传感器。机器人的碰撞传感器，相当于我们人类的触觉。它虽然只用了四只碰撞传感器，却能感知全身碰撞的方位。图2-3 碰撞传感器 2.1.4 光电编码器 10光电编码器是一种能够传递位置信息的传感器，它由光电编码模块及码盘组成,分别安装在主动轮内侧和轮子支架内侧,分辨率为33脉冲/转。图2-4光电编码器 当码盘随轮子旋转时，黑条和白条交替经过光电编码器，反馈的信号状态不同,即构成一个脉冲。因此360度共产生33个脉冲，轮子直径为65mm。2.1.5 声音传感器 AS-UII机器人上的麦克风microphone是能够识别声音声强大小的声音传感器。它能听见的声音频率范围大约是 16Hz20000Hz 的机械波。AS-UII 机器人在听到你的声音命令后，会根据你的指示（由程序事先输入）采取行动。2.2 控制决策系统 主要由两部分组成：主板和控制按键 2.2.1主板 位于 AS-UII“心脏”部位的控制部件是 AS-UII 的大脑主板，它由很多电子元器件 组成，跟人的大脑一样，主要完成接收信息、处理信息、发出指令等一系列过程。AS-UII 的大脑有记忆功能，这主要由主板上的内存来实现，至于“大脑”的分析、判 断、决断功能则由主板上的众多芯片共同完成。2.2.2 控制按键 图 2-5 控制按键“开关”“开关”：控制 AS-UII 电源开关的按钮，按此按钮可以打开或关闭机器人电源。“电源”指示灯电源”指示灯：按下 AS-UII 的开关后，这个灯会发绿光，这时可以与机器人进行交流了！“充电”指示灯“充电”指示灯：当你给机器人充电时，“充电”指示灯发红光。“充电口”“充电口”：将充电器的相应端插入此口，再将另一端插到电源上即可对机器人充电。“下载口”“下载口”：用于下载程序到机器人主板上，使用时只需将串口连接线的相应端插入下载口，另一端与计算机连接好，这样机器人与计算机就连接起来了。“复位/“复位/ASOS”按钮”按钮：这是个复合按钮，用于下载操作系统和复位。当串口通信线接插11在下载口上时，按击 此按钮，机器人系统默认为此操作为下载操作系统；如果你想使用其复位功能则需要将通信线拔下，按击此按钮，机器人系统认为此操作为系统复位。注意：在给机器人主板下载程序时，串口通信线连接到机器人时不要摁“复位”按钮，否则容易造成死机。“运行”键“运行”键：打开电源后，按击“运行”键，机器人就可以运行内部已存储的程序，按照你的“指令”行动。2.3 执行系统 AS-UII 机器人的执行部分包括：扬声器、LCD、直流电机、主动轮、从动轮及其驱动机构这五部分。图 26 执行系统器件1）扬声器 AS-UII 机器人也可以通过扬声器发出一定频率的声音，也可以通过编程让机器人演奏 歌曲。2）LCD AS-UII 机器人上的 LCD 可以显示除中文外的各种字符。利用 LCD 可以单步显示程序运 行的中间结果。3）主动轮及其驱动机构 AS-UII 机器人的主动轮有两只，能够完成向前直走，向后转弯，左转，右转，原地打 转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 才可以利用直流电机输出的动力。4）从动轮 AS-UII 机器人有 2 只从动轮，通过安置弹簧，它们可以在垂直与地面的方向上上下移 动，保持机器人动态平衡和实现一定的越障功能。5）直流电机 在 AS-UII 机器人上有两个直流电机。12三、多功能扩展卡使用说明三、多功能扩展卡使用说明多功能扩展卡专门为控制 ASEI 创新套件而开发，与能力风暴机器人主板配合可以对ASEIM 系列工程套件进行控制。多功能卡充分利用了能力风暴主板上 ASBUS 总线强大的功能，提供了 8 路数字输入信号、4 路数字输出信号、3 路模拟输入信号以及 4 路电机驱动信号和 2 路输入捕捉口。3.1 硬件安装1）8 个数字输入口 AS 多功能扩展卡上的左侧 8 个标有 IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、IN6、IN7、IN8 的插针为 8 个数字输入口，各口与 8 位二进制数位位对应，每个输入口可单独进行输入，也可多个输入口同时输入。可用于接入数字开关信号，如行程开关、接近开关、按钮和磁敏开关等 2）4 个电机输出口AS 多功能扩展卡上的右侧标有 DC1、DC2、DC3、DC4 为 4 个电机输出口，可接直流电机，没有正、负极之分，可以实现电机的启、停和正反转。3）4 个数字输出口AS 多功能扩展卡的前侧标有 OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 为 4 个数字输出口，可接灯，电磁铁或电机，其中插针右侧为电源信号，插针左侧为数据信号线。每个输出口可单独进行输出，也可以多个同时输出。4）3 个模拟输入口AS 多功能扩展卡的前侧标有 A1、A2、A3 为 3 个模拟输入口，可接光敏传感器，温敏传感器，其中插针右侧为地，左侧为信号线。3.2 接线注意事项131）如上图所示，电子器件插入多功能扩展卡时保证电子器件接插件上的三个小疙瘩与电路板标出的三个小正方形凸起对应，这样才不会插反。2）多功能扩展卡上的针要完全插入电子器件的孔里面，不要漏插。14四、程序编写及下载四、程序编写及下载图形化交互式 C 语言（简称 VJC）是用于能力风暴智能机器人系列产品的软件开发系统,具有基于流程图的编程语言和交互式 C 语言（简称 JC）。VJC 为开发智能机器人项目、程序与算法、教学等提供了简单而又功能强大的平台，在 VJC 中，不仅可以用直观的流程图编程，也可以用 JC 语言编写更高级的机器人程序。VJC 操作简便，由顶向下搭建流程图，搭建流程图的同时，动态生成无语法错误的 JC代码。流程图搭建完毕，程序就已经编写完成，可以立即下载到机器人中运行。4.1 VJC2.0 界面介绍 双击桌面上的“能力风暴 VJC2.0.1”图标（如图 41）。打开新建对话框（如图 42），这里有两个界面供选择，一个是流程图程序编辑面，另一个是 JC 代码程序编辑面。一般咱们现在选择的是流程图程序编辑面流程图程序编辑面。图 41图 424.1.2 流程图编辑界面1）主界面 在图 4-2 中选择“新建流程图程序”，就进入了流程图编辑界面（如图 4-3）。它由这样几个部分组成：菜单栏、工具栏、模块库、垃圾箱、流程图生成区、JC 代码显示区(单击“JC 代码”快捷按钮即可显示)。15图 432）工具栏工具栏上有若干快捷按钮，使用起来很方便。各快捷按钮的作用如下图所示：3）模块库区模块库可以用鼠标点击打开。图 4-4 是机器人的模块库展开图。(a)(b)垃圾箱模 块库菜 单栏工具栏流程图生成区JC 代码显示区16 (c)(d)图 4-4 模块库 4）流程图生成区图 32 中最大一个窗口就是流程图生成区，模块库区的模块可以移入到这个区域，连接生成流程图程序。连接好的模块会成为一个整体，可以一起移动。也可以断开模块之间的连接，删除或插入模块。5）JC 代码显示区VJC1.5 可以根据流程图程序自动生成 JC 语言的源程序。流程图编好后，点击“JC 代码”快捷按钮，在“JC 代码显示区”中就会显示与流程图对应的 JC 代码。6）垃圾箱 在编程的过程中，可以将不用的模块移到“垃圾箱”处，在“垃圾箱”上点击一下，即可删除此模块。图 4-5 垃圾箱 7）模块库介绍 控制模块库控制模块库 程序结构一般是由顺序结构、循环结构、选择结构这三种结构组成。在编写程序过程中，最基本的结构是顺序结构，即从上往下依次执行。当遇到一组模块需要重复执行时，就可以使用循环结构，按照指定方式重复执行。选择结构是在程序执行时，根据设置的判断条件，在两组模块中选择一组执行。灵活使用这三种结构，可以提高编程的效率，使程序清晰明了。VJC 在控制模块库中提供了四种控制模块，分别为：“多次循环”、“永远循环”、“条件循环”和“条件判断”模块。用它们可以实现循环结构和选择结构。多次循环图标 模块 对话框 功能：“多次循环”模块允许多次执行同一组指令。17 操作：将“多次循环”模块移到流程图生成区，并连接在程序的相应位置。设置时，右击“多次循环”模块，在弹出的对话框中输入循环次数，然后点“确定”。接下来在循环体中插入需重复处理的其它模块。永远循环图标 模块 对话框 无设置对话框 (1)功能：“永远循环”模块永远执行循环体内的同一组指令。(2)操作：将“永远循环”模块移到流程图生成区，并连接在程序中，在循环体中插入需永远循环处理的模块。条件循环图标 模块 对话框 功能：当设定的判断条件成立，就重复执行循环体。一旦条件不成立，就退出循环。操作：将“条件循环”模块移到流程图生成区，并连接在程序的相应位置。设置时，右击“条件循环”模块，在弹出的对话框中输入判断条件，然后点“确定”。接下来在循环体中插入需重复处理的其它模块。条件判断 图标 模块 对话框 功能：根据条件在两组指令中选择一组执行，如果满足条件就执行左边“是”的指令，不满足条件就执行右边“否”的指令。可以对任何全局变量和传感器变量进行条18件判断。操作：将“条件判断”模块移到流程图生成区，并连接在程序的相应位置。设置时，右击“条件判断”模块，在弹出的对话框中输入判断条件，然后点“确定”。在“条件判断”模块中插入其它执行模块。程序模块库程序模块库 有时候要求机器人同时做几件事，比如一边跳舞一边唱歌，在计算机技术中这叫做多任务。还有的情况下，某一段功能需要在程序中重复出现，或者复杂的程序需要进行局部封装，就可以用到子程序。VJC 能很方便地支持多任务和子程序。可以同时创建多达 16 个任务和10 个子程序。关于多任务和子程序的编程方法将在后面将详细介绍，这里先来看看与之相关的程序模块。任务开始图标 模块 对话框 无设置对话框 功能：用于新建一个与主程序同时运行的子任务。操作：用鼠标将“程序模块库”中的“任务开始”模块移到流程图生成区，“任务”模块自动定位在主程序右侧。你可以象编写主程序一样编写新任务。“任务”模块可以像普通模块一样删除。新建子任务不能超过 16 个。结束模块图标 模块 对话框 无设置对话框 功能：用于给主程序或任务加一个结束标志，该模块不产生 JC 代码。结束模块后不能再连接其他模块。操作：将“结束”模块移到流程图生成区，并连接在主程序或任务的结束位置。新建子程序 图标 模块 对话框 19 功能：把需要重复使用的一组模块新建为“子程序”，便于在主程序中调用，以精简程序。操作：新建子程序是一个特殊的模块，它是子程序调用的第一步。其操作如下：用鼠标点击“程序模块库”中的“新建子程序”模块，就会弹出一个新建子程序对话框。在对话框中“子程序位置”下，有两个选项：“系统子程序”和“其它程序”。“系统子程序”提供常用的子程序模板；“其它程序”可以选择任何已编制程序，以调用其中存在的子程序。新建子程序“确定”后，会自动进入该子程序的编辑窗口，可以像编辑主程序一样编辑子程序。每个子程序都有独立的编辑窗口。新建子程序不能超过 10 个。子程序图标 模块 对话框 功能：调用一个“子程序”，只能在主程序中使用。只有在新建了子程序之后这个模块才能在主程序界面中出现。操作：如果新建了子程序，在主程序窗口（主程序窗口可以用工具栏中的“主程序”快捷按钮切换），在“程序模块库”中可以看到新建的“子程序”模块的图标。子程序模块可以象其他模块一样移入到流程图生成区，连接在主程序中使用。在子程序模块上点击右键，可打开子程序对话框，选择“编辑”按钮，即可进入此子程序的编辑界面。子程序返回图标 模块 对话框 无设置对话框 20 功能：结束一个用户“子程序”。此模块在子程序编辑界面中出现，只能在子程序中使用。操作：将“子程序返回”模块从“程序模块库”移到流程图生成区，并连接在子程序的结束位置。AS 多功能扩展卡模块库多功能扩展卡模块库 AS 多功能扩展卡模块对能力风暴扩展卡功能进行了封装，所包含的模块与扩展卡动作相关。AS 多功能扩展卡模块库中包括：电机启动、电机停止、数字输入、模拟输入、数字输出、读扩展卡以及写扩展卡等模块。电机启动图标 模块 对话框 功能：“电机启动”模块控制 ASLasy 扩展卡上电机的正转、反转。电机接在 ASLasy 扩展卡的 DC1、DC2、DC3、DC4 口上。操作：将“电机启动”模块移到流程图生成区，并连接在程序中的相应位置。设置时，右击“电机启动”模块，在弹出的对话框中选择电机和电机转动的方向。注意：AS 多功能扩展卡电机驱动模块由于采用直接检查和修改存储器内容的基本函数，具体使用方法参考 AS 多功能扩展卡（ASLasy 扩展卡）使用说明。在 VJC1.5 模块库中对电机进行驱动时，为避免影响同一内存地址对应的其它电机，采用了屏避位方法。举例如下：将电机扩展模块设置为“电机 1 正转”电机停止 图标 模块 对话框 21 功能：“电机停止”模块主要用于停止 AS-Lasy 扩展卡上的电机。操作：将“电机停止”模块移到流程图生成区，并连接在程序中的相应位置。设置时，右击“电机停止”模块，在弹出的对话框中选择要停止的电机。注意：AS 多功能扩展卡“电机停止”模块由于采用直接检查和修改存储器内容的基本函数，具体使用方法参考 AS 多功能扩展卡（ASLasy 扩展卡）使用说明，“电机停止”为避免影响同一内存地址对应的其它电机，采用了屏避位方法。举例如下：将电机扩展模块设置为“电机 1 停止数字输入图标 模块 对话框 22 功能：“数字输入”模块用于检测扩展卡 8 路输入信号。其中通道 1通道 8 分别对应于 AS 多功能扩展卡（ASLasy 扩展卡）上的 IN1IN8 口。数字输入信号可以来自于开关、磁敏电阻、光敏电阻等。操作：将“数字输入”模块移到流程图生成区，并连接在程序中的相应位置。设置时，右击“数字输入”模块，在弹出的对话框中设置相应参数。设置参数说明 单功能模块 “扩展卡数字输入一”按钮：表明存储扩展卡数字输入检测值的变量。若要更换存储变量，鼠标左键单击该按钮，可选择其它两个变量，“扩展卡数字输入二”或“扩展卡数字输入三”。带判断功能模块 “扩展卡数字输入一”按钮：功能同上 第二项是条件比较关系。第三项是扩展卡可能的输入值，扩展卡可能参数的设置包括两项，即通道选择和通道状态，首先选择要比较的通道，然后选择通道状态。没有选中的通道不管状态如何不影响比较结果。数字输出图标 模块 对话框 23 功能：“数字输出”模块利用 AS 多功能扩展卡（ASLasy 扩展卡）的数字输出端口对外部设备进行控制。其中通道 1通道 4 分别对应于扩展卡上的 OUT1OUT4 口。操作：将“数字输出”模块移到流程图生成区，并连接在程序中的相应位置。设置时，右击“数字输出”模块，在弹出的对话框中设置相应参数。设置参数说明：通道：多功能扩展卡提供 4 路输出通道，即 OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，用户根据需要可设置单路输出也可设置多路输出。状态：选择接通时输出通道输出高电平，选择断开时输出通道输出低电平。