人工智能学科-论文.doc

引言
30年前，比尔·盖茨毅然弃学，创立微软，成为个人电脑普及革命的领军人物；30年后的今天，他预言，机器人即将重复个人电脑崛起的道路。点燃机器人普及的“导火索”，这场革命必将与个人电脑一样，彻底改变这个时代的生活方式。
机器人作为人类２０世纪最伟大的发明之一，在短短的几十年内发生了日新月异的变化。近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性变化，而且将对人类社会产生深远的影响。随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人可谓是无处不在。目前机器已经走进人们的生活与工作，机器人已经在很多的领域代替着人类的劳动，发挥着越来越重要的作用，人们已经越来越离不开机器人帮助。机器人工程是一门复杂的学科，它集工程力学、机械制造、电子技术、技术科学、自动控制等为一体。目前对机器人的研究已经呈现出专业化和系统化，一些信息学、电子学方面的先进技术正越来越多地应用于机器人领域。
目前机器人行业的发展与30年前的电脑行业极为相似。今天在汽车装配线上忙碌的一线机器人，正是当年大型计算机的翻版。而机器人行业的利基产品也同样种类繁多，比如协助医生进行外科手术的机械臂、在伊拉克和阿富汗战场上负责排除路边炸弹的侦察机器人、以及负责清扫地板的家用机器人，还有不少参照人、狗、恐龙的样子制造机器人玩具。舞蹈机器人（如图1）具有人类外观特征、可爱的外貌、又兼有技术含量，极受青少年的喜爱。我从前年开始机器人方面的研究，在这过程中尝试过很多次的失败，也感受到了无比的乐趣。

1 绪论
机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历40余年的发展已取得长足的进步。未来的机器人是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器，是集机械学、力学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工智能和系统工程等多学科知识于一身的高新技术综合体。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的多用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。
1.1国内外机器人技术发展的现状
为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基—梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。
从六十年代开始日本政府实施一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年。到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”。其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期。70年代的实用期。到80年代进人普及提高期。”并正式把1980年定为产业机器人的普及元年”。开始在各个领域内广泛推广使用机器人。
中国机器人的发展起步较晚，1972年我国开始研制自己的工业机器人。"七五"期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。20世纪90年代，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、装配、喷漆、切割、搬运等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。
1.2 机器人技术的市场应用
机器人融入我们日常生活的步伐有多快？据国际机器人联盟调查，2004年，全球个人机器人约有200万台，到2008年，还将有700万台机器人投入运行。按照韩国信息通信部的计划，到2013年，韩国每个家庭都能拥有一台机器人；而日本机器人协会预测，到2025年，全球机器人产业的“蛋糕”将达到每年500亿美元的规模(现在仅有50亿美元)。与20世纪70年代PC行业的情况相仿，我们不可能准确预测出究竟哪些用途将推动这个新兴行业进入临界状态。不过看起来，机器人很可能在护理和陪伴老年人的工作上大展宏图，或许还可以帮助残疾人四处走走，并增强士兵、建筑工人和医护人员的体力与耐力。
目前，我国从事机器人研发和应用工程的单位200多家，拥有量为3500台左右，其中国产占20％，其余都是从日本、美国、瑞典等40多个国家引进的。2000年已生产各种类型工业机器人和系统300台套，机器人销售额6.74亿元，机器人产业对国民经济的年收益额为47亿元，我国对工业机器人的需求量和品种将逐年大幅度增加。
1.3 机器人技术的前景展望
机器人是人类的得力助手，能友好相处的可靠朋友，将来我们会看到人和机器人会存在一个空间里边，成为一个互相的助手和朋友。机器人会不会产生饭碗的问题。我们相信不会出现“机器人上岗，工人下岗”的局面，因为人们随着社会的发展，实际上把人们从繁重的体力和危险的环境中解放出来，使人们有更好的岗位去工作，去创造更好的精神财富和文化财富，机器人来做这些危险环境的工作，展望21世纪机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，所以很多专家预测，在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期，目前国际上很多国家，也对机器人对人类社会的影响的估计提出了新的认识，同时，我们也可以看到机器人技术，涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，它是一个国家高技术实力的一个重要标准。
语音识别处理是语音功能的一个重要方面，目前计算机语音识别处理过程基本上一致，是一种基于统计模式识别的理论。我国的语音识别研究起步于五十年代，近年来发展很快，其研究水平基本与国外同步，在汉语语音识别技术上还有自己的特点和优势。可以预计，语音技术的发展前景无限。

2 舞蹈机器人设计的内容和要求
2.1 舞蹈机器人设计的内容
随着现代科技的发展，机器人技术已广泛应用于人类社会生活的各个领域，特别是舞蹈机器人具有人类外观特征、可爱的外貌、又兼有技术含量，极受青少年的喜爱。本课题要求设计一具有简单人体功能的、模拟舞蹈动作的类人型机器人，完成简单人体舞蹈的基本动作：可以前进后退，左右侧行，左右转弯和前后摆动手臂，行走频率为每秒两步，举手投足、转圈、头部动作灵活、并具备的语音功能。通过语音识别技术，可以对小机器人进行语音控制，通过发出语音命令，控制机器人的。机器人包括底座、头部、上身、下肢、以及电路控制板，分别控制手臂、头部和底盘运动的电机及传动机构等。通过电路控制和机械传动，可使机器人动作。知识范围涉及机构学、力学、电子学、自动控制、计算机、人工智能等。
具体任务：
1、深入了解类人型机器人的功能及工作要求，查找与课题有关的文献资料及参考书目；
2、学习掌握机构创新设计的基本知识和设计方法，了解控制对象舞蹈机器人的工作原理、动作过程，进行简单舞蹈动作及相应机构设计；
3、根据机器人构成、工作原理、主要特点和技术指标，分析比较，加以论证，确定舞蹈机器人运动控制最终方案，完成硬件电路设计，单片机控制程序设计；
4、制作舞蹈机器人模型，完成各种运动、动作模拟，调试成功。
5、规定的翻译、论文工作。
2.2 舞蹈机器人设计的数据和要求
1、机器人身高80～120㎝，表演时机器人随音乐翩翩起舞，动作协调、灵活；
2、表演各种舞蹈的基本动作，具体动作可自行设计。涵盖行进、转圈、举手投足、头部等动作；
3、整套动作持续4分钟左右；
4、机器人结构紧凑、体积小，重量轻；
5、灵活的多功能机器手臂：活动空间大，可360度旋转。
6、采用电机驱动，运动准确可靠。

3 方案设计及方案论证
3.1 设计制作与调试流程
设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。
硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。并且把这些元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。
机器人的设计首先需作总体方案设计，包括机械和电气两部分。根据机械基础知识，从整体上来讲，机械结构设计必须与机器人所要完成的功能相适应。机械部分设计主要包括底盘设计、尺寸选择、驱动方式设计、电机选择等；电气是机器人最重要的部分，直接影响着机器人功能的实现于否。舞蹈机器人要求完全自动控制，必须采用单片机为控制核心，它类似于机器人的大脑，接收和处理所有外界信息，指挥并控制机器人的所有动作。语音识别等功能是制作机器人硬件的难点，它要求机器人具有一定的感觉系统。目前，机器人技术已日趋成熟，机器人感觉系统可通过各种各样相应的传感器技术即可实现。传感器把接收到的外部信息输入到单片机，再通过软件进行控制，从而单片机发出命令指挥机器人动作。软件编程可以丰富机器人的功能，使机器人动作更加完善。
3.2 方案的比较论证及方案确定
根据以上的制作流程图，我们把设计分为两大部分—机械部分和电气部分进行论证，对多种方案进行比较论证后，选出一个最佳的方案，最后再进行软件部分的设计。
3.2.1 机械部分
机械部分包括：底盘机构的设计、弯腰机构的设计、转身机构的设计、手臂机构的设计、转头机构的设计、及材料与型材选择。
3.2.1.1底盘机构的设计
（1）行走式
行走式，能够在平地上、凹凸不平的地上步行，能上下台阶，其粗糙路面性能较好，好的关节，稳定好的牵引力。它的缺点是不能原地转动，速度慢，控制复杂，移动困难，操纵性差，机械复杂，电机性能要求严格，价格昂贵。
（2）移动方式
履带式移动方式的特点是运动平稳，适合爬坡度比较大的地方，这是轮式所做不的。但缺点是加工制作比较麻烦，履带一般是需要到市场上购买的，且摩擦力很大、能量损耗大
（3）前轮偏转后轮驱动移动式
可以实现车体任意的定位和定向，可以做到零回转半径。特别是能通过将轮向正交速度方向实现急停。车底盘、四轮、驱传动装置、舵机和控制盒的行走信道共同组成行走系统。但由于前后启动惯性不一样，导致机器人的不平衡，特别是重心高的机器人。
（4）轮式差速驱
采用两个驱动轮，两个万向轮，万向轮用于平衡。机构简单，容易制造及装配；能在原地旋转以获得不同的方向。因此它是比较适合的一种底盘机构。
3.2.1.2弯腰机构的设计
腰部的设计思路是，作为人形机器人的腰部，主要做要是承接了上部的重量，设计的时候腰部能做到水平的转动最好，如果不能将会极大地影响整个机器人的平衡；所以尽量减少可变的环节，故在腰部转动的设计中不采用电机再经传动其他机构最后带动腰部的转动方式，而是直接使用电机实现弯腰。
(1)齿轮机构
齿轮机构的优点是平稳，自锁性好，精度高。但加工比较困难，且不利于固定，造价也很高。
（2）连杆机构
结构简单，容易实现，更重要的是它的运动规律正好符合人体运动的原理。我们的舞蹈机器人就是采用这样的机构来实现弯腰的。
(3)连杆机构
具体实现方式如下：先通过一根轴穿过鞠躬机构与机器人上半身的两只手臂固定，然后电机通过一个摇杆连接到弯腰机构的一个长方形槽中，在电机转动的过程中，带动鞠躬机构做以与手臂固定轴为中心的前后弯腰鞠躬动作，所需的零件包括一根轴，一个带有与轴相同大小的孔和在孔同一侧的开有长方形槽的铝条。并且考虑在这个机构上，能够与手臂机构相固定。
鞠躬机构的装配顺序如下：
(1) 取适当长度的铝条打轴孔和磨长方形槽，在上身支架两端打相同的孔，轴穿过该铝条后穿过两个支架并固定好
(2) 加工可固定于电机轴上的摇杆，一端可固定住电机，另一端固定摇杆的轴并与加工好的铝条的长方形槽相结合
(3) 将电机固定在上身左边支架的一侧
(4) 为了防止弯腰机构前倾，用两根橡胶带做一定的固定，以使电机拉住机构向下弯腰时更加稳定
在弯腰机构中，如果将机构的位置和方向调换过来，动作就可变为肩的左右摇摆，因为设计水平有限，没有将两种动作结合在一起的机构设计出来。
3.2.1.3转身机构的设计
(1)连杆原理实现的转身机构
转身机构的设计原理和弯腰机构的设计原理差不多，在此就不做多的比较论证了。我们还是采用连杆机构，但具体的设计又和前面稍微不同。
(2)电机做转轴的转身机构
机器人的腰部机构用于实现机器人左右转身的动作，主要部件包括一个滚动轴承、一个自行加工的可固定滚动轴承内部圆的零件，以及必备的其它固定零件。
滚动轴承的特点在于当内圆固定时，外圆可以转动，反之亦然。机器人的腰部机构正是从这个特点出发制作的，要实现机器人腰部左右转动，就让滚动轴承内部圆与可固定电机轴的传动零件固定，同时该零件与机器人下身机构固定，滚动轴承与机器人上身机构固定，再将电机与传动零件固定后又与上身机构固定，这样，在电机转动的过程中，利用轴承的作用，机器人下身机构不动时，由于上身机构与轴承外圆固定，电机旋转带动了轴承外圆的旋转，于是，机器人上身就绕着轴承中心作转身运动。
这种机构的缺点是电机轴受力较大，电机容易损坏，同时要求电机有足够的转矩。
3.2.1.4手臂和头部机构
手臂机构的是机器人整体比较重要的环节，手臂自由度较多，机器人的很多动作都通过手臂体现出来。由于头部机构比较简单，在此和手部一起画出来，因为设计要求没有点头动作，我们只要一个电机来达到头部动作就可以了。
手臂机构就是机器人的两只手臂，在本次设计中将机器人的手部的两个电机与带动机器人头部转动的电机固定在了同一个机构上，同时，将该手臂与前后弯腰的机构相固定，构成机器人的上半身机构的一部分，然后该整体又与机器人的左右支架和腰部机构相结合，一起构成机器人的上半身机构。
参看做的很好的机器人的例子，机器人的手臂是机器人复杂程度的重要标志之一。手臂所具有的自由度越多，动作时活动的空间就越大，所做的动作就越精细，完成的任务就越复杂
本次设计机器人的手臂由一根横杆构成，左右两端分别固定左右手的两个电机，可做前后360度的旋转，中间固定机器人的头部电机，可带动头部做360度的旋转，其中手臂的机构还可以继续扩展，在肩部上和臂末端可再扩展两个电机，实现三个自由度的动作。
同时，为了防止手臂旋转过度使动作错乱，同左右转腰的机构一样，可在机器人手臂转动限定角度内装上限位开关，以达到动作的一致性。
装配顺序：
(1) 选择合适钢性材料钻好孔后将左右手两个电机和头部电机固定住
(2) 将上述做好的机构通过一块钢片钻孔后用螺钉固定在前后弯腰的机构上
(3) 将两个传动杆固定到左右两个手臂电机上，在传动杆的另一端固定直径大小适合的两根钢轴作为机器人的手臂用
(4) 将一个传动杆固定在机器人的头部电机的轴上，作为机器人可360度转动的脖子
3.2.1.5 材料与型材选择
机器人制作前，必须选择用于机器人本体的主要结构材料。在进行机器人制作时，特别要确定它自身的大小、轻重等，这就需要选择合适的材料来满足要求。对机器人本体材料选择，不仅仅有助于确定它的强度、重量、尺寸，而且确定了整体结构的难度水平、可能需要的特殊工具以及达到可接受结果所需要的技术水平。因此在选择材料时，一般是根据机器人以下原则进行挑选：
（1） 零部件的形状、大小有何要求
（2） 零部件需要多大的强度；
（3） 要选择多大重量的零部件
下表列出机器人结构中使用的材料，比较它们的优缺点。

表1 结构材料优缺点比较
材料
优点
缺点
木材
易于获得；价格较低，使用日常工具易于加工；硬木和层压板非常强硬而且坚固
不如塑料或者金属强度大；受潮容易变形；在压力下会有裂缝和碎裂
塑料

强度大而且耐用；有多种形式可选；包括板材和挤压型材；容易获得
遇高温会发生溶化或下陷；某些塑料收到冲击可能会碎裂，有些材料难以获得；性能较好的塑材比较昂贵
金属
强度非常高；铝材有各种方便使用的形状；甚至在高载荷以及高温下也可以保持全方位的稳定性
是所有材料中最重的；制作过程需要电动工具以及锋利的锯条和钻头才能完成；更难于加工；价格比较高

根据以上分析：选择机器人的本体材料，应该从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制作要求，所以应在充分掌握机器人特性和各组成部分的基础上，从设计思想出发。机器人本体是被用来支承、连接、固定机器人的各部分，也包括机器人的运动部分。伴舞机器人臂部是运动的，其整体也是运动的，所以，机器人运动部分的材料质量要轻。伴舞机器人的结构设计成左右对称，高度适当，上下半身比例协调，确保结构紧凑。关节连接件的设计合适，既要保证机器人行动起来灵活自如，动作顺滑平稳，又要具有一定的承受负载能力。所以选用了密度较小的铝制作，因为铝易于加工，质量又轻，不会增加机器人的承载负担。
伴舞机器人是仿人机器人，材料截面对构件质量和刚度施加重要的影响，因此通过合理选择构件的截面可以较好地满足机器人的使用要求，如空心圆截面，空心矩形截面，工字截面等。
若空心矩形截面是边长为a，壁厚为t的正方形，空心圆截面的外圆直径也为a，壁厚也为t，且令t＝0.2a，通过计算可以得出，在相同壁厚的条件下，正方形空心截面比空心圆截面的惯性矩高69％～84％，而质量仅增加27％。壁厚越薄，则效果越明显。 若比较条件改为空心矩形截面和空心圆截面型材的截面相等，且D0＝a，设空心圆截面壁厚tD＝0.2a，可以计算出正方形空心截面的壁厚为tF＝0.147a。此时，正方形空心截面比空心圆截面的刚度提高了40％～60％。因此无论从何角度来衡量，空心矩形截面都比空心圆截面的刚性优越。从设计，装配的角度来看，矩形截面也有一定方便之处。
综上所述，机器人结构设计为空心矩形截面，由铝材加工而成。其基本框架是使用连接件和角撑支架来搭建的。而常见的机器人联接结构有扣接零件、胶接、胶带、铆接、焊接等，下面通过表格逐一比较各种结构技术的应用，从而确定最后方案。
表 2 机器人常用联接结构
结构
应用场合
扣接零件
小型玩具机器人
胶接
格局所需要的胶粘剂，可用于重量达数磅的机器人上
胶带
暂时性结构、轻型材料和元件的机器人上
铆接
小型到中等尺寸的机器人，以及轻型到中等重量的机器人
焊接
大型和重型机器人，特别用于恶劣环境的机器人
伴舞机器人负载小，自重轻，对寿命要求不高，因此除特别讲究强度、刚度以及抗摩擦磨损性的机构，机械连接上，应使机器人具有较好的坚固性，在机器人做舞蹈动作或行进过程中，各种接插件不能松动、脱落，满足合适的控制方案，所以选择铆接方式。
3.2.2电气部分
（1）方案1
电机驱动电路采用继电器构成桥式换向电路，继电器和主控制电路间用光电隔离器。考虑到电机的起动电流和制动时比较大，会造成电源电压不稳定容易对单片机和传感器的工作产生干扰，所以，电机驱动电路和单片机以及传感器电路用TLP521-4光耦隔离。提高电路的可靠性。同时还可以采用相互独立的电源供电。以确保单片机正常运行，进而以保证整个系统正常工作。
在机器人的控制系统中最主要的就是传感器电路，传感器是机器人感知外界事物的关键。机器人通过传感器收集外界信息，通过电路把这种信息转变成CPU能识别的数字信号，再通过软件算法对所收集的信息进行处理后，形成相应的控制信号，通过端口去控制相关的电机动作。
传感器采用多种传感器相互配合使用。使用光电编码器判断角位移和行程位移。主要用在机械手臂的转动上，使机械手臂动作更准确。行程开关用于位置的检测，主要用在机器人，或机械手臂上。当机器人行走，或机械手臂动作到达某种位置时给单片机一个电信号。让单片机发出相宜的控制信号。
此方案还待解决的就是传感器的抗干扰能力还不够高，其中主要是红外光电器件容易受外界光的干扰。光电编码器提高可靠性主要取决于光电编码器的加工精度，光源和接收管。一般对于比赛机器人的精度要求不是很高，编码器可以采用自制的就可以达到效果，而光电检测（对射式光偶）器已经可以从市场上很容易的购买到，所以要提高光电编码器的抗干扰能力并不难办到。机械开关的可靠性就更高了，他简单实用。但是对机械开关安装的位置一定要准确，牢固。如果安装不到位就无法触碰就检测不到电信号，又因为机器人经常运动如果安装不牢固开关就容易松动。对于提高红外传感器的抗干扰能力可以从以下几个角度去加强：

方案二的电气图基本不变，只是把H桥换成了继电器，把红外信号输入换成光码盘。继电器就有其自身的优胜，他相当于短接没有压降，能承受的电流也可以很大,可以把电机电枢短路，即相当于刹车。
方案二的电气方框图中，机器人的传感器系统由光电编码器，微动开关，闭环电路，语音电路构成。可见光探头用于检测白色引导线，光电编码器，微动开关和方案一的功能类似。
3.2.3电方案的比较与选择
3.2.3.1电气方案比较
（1）首先我们采用直流电机。电机的选取以方案（1）的普通直流电机为最佳选择，其控制比较简单，功率相对机器人比赛是够的；而步进电机功率不够，伺服电机太贵了；在电机驱动电路的选择上我认为用继电器构成开关控制，因为对电机的控制要求不一样所以对不同的电机采用不同的控制方法。三极管构成的驱动电路其优点是能够进行脉宽调速，缺点是三极管有压降。用于行走的电机采用此种方法驱动的力度不够大，对完成动作的电机可以采用由两个继电器实现其正反转和启动停止。
（2）传感器选用以闭环传感器为主，其他传感器为辅，其中包括光码盘，触碰开关。
（3）单片机控制系统采用单机形式。其可靠性能更高。
综上所述，电气方案选择最佳电气方案（2）
3.2.3.2机械方案比较
通过以上各个机械方案的提出并描述了各自的优缺点，比较得出所要设计的机器人的结论为：
（1）移动方式以方案（1）的四轮移动为最佳选择，其速度要比履带式移动快，且其能量耗损相对较少；
（2）机械手的设计模型已和人的手臂很相似，不会有很大的改动。
（3）转身和弯腰机构则是连杆机构较为合理，其它机构不是成本高，就是不易于实现，在此我们选用以设计好的连杆机构。
（4）机器人的材料我们以铝材为主，

4 硬件电路设计
4.1电机驱动电路
继电器是本系统的执行机构，本系统选用D4810型固态继电器，固态继电器(SSR)与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。 固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。安输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。固态继电器有寿命长、可靠性高、灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好、 快速转换、电磁干扰小的优点。D4810型继电器输入电流为5-40mA，电压3－30V，额定输出电流10A，输出电压范围宽为20-220V，满足项目的要求。
在直流电机电枢上加上一定幅度的直流电压，电机便开始旋转；改变电压方向，电机转向也随之改变。如果电机以恒速运动，不调速可以采用一个简单的电路来控制正/反向，电路原理如图3.1所示。它采用两个继电器作为控制弱电到驱动电机的强电之间的转换器。正反转控制开关RELAY1断开，电源开关RELAY3闭合时，电机正转；反之电机反转。两开关同时断开，电机停转。两开关同时闭合是不允许的，从电路可看出，这会导致电源短路。

图4.1 直流电机的简单双向控制及继电器图

电路原理图如下：

图4.2继电器电路图
4.2光电编码器
编码器是一种员简单的数字式位移电感器，它能够把角位移或线位移经过简单的变换变成效字量。目前，编码器精度、分辨力和可靠性都优于相同尺寸的模拟式传感器，但价格—般比较高。根据编码器检测原理和检测对象的不同，可以把编码器分为两种类型。用于检测线位移的编码器称为直线位移编码器；用于检测角位移的编码器称为角度数字编码器。
角度数字编码器由敏感元件和码盘组成。码盘是一种经过精细加工的薄圆盘，它的材料根据与之配套的敏感元件不同而不同。角度数字编码器有增量式码器和绝对式编码器两种基本类型。绝对式编码器能给出与每个角位置相对应的数字量输出，增量式编码器则只输出角度的变化增量光学编码器。这种编码器由光源、码盘和光电敏感元件组成。图3 .13表示了一种五位光学编码器。光学编码器的码盘是在一个基体上形成透明和不透明码区，代表了二进制码0和1。编码盘的性能好坏主要取决于码盘的质量。光学编码器通常采用照相技术和光刻技术制作。把同心分布的多因二进制码复制在码盘上。光源是光学编码器中最容易发生故障的元件。
通常不但要求光源具有较高的可靠性，而且要求光源的光谱要相光电敏感元件相适应。光源的工作温度范围要宽。光电敏感元件可以采用光电二极管、光电晶体管或硅光电池。为了提高输出逻辑电压，还需要加接各种电压放大器，而且每个轨道对应的光电敏感元件要接一个电压放大器。电压放大器通常由集成电路高了减小声的影响，在光路中要加入透镜和谈缝装置。应当注意的是，狭缝不能大窄，要保证所有轨道的光电敏感元件的敏感区都处于狭缝内。光学编码器的基本构成如图3 .14所示。
绝对式光学编码器通常采用的是格雷(Gray)码。它是一种非标准的二进制码。Gray码与标准二进制码的区别，在Gray码中．相邻两个二进制码的变化只能有一位。所以，在连续的两个数码中，若发现数码的变化超过一位．就认为是非法的读数，从而具有一定的纠错能力，可提高可靠性。光电编码器可以检测机器人各个关节的运动状态。若电机电流大，但编码器无输出，说明机器人撞到对方而无退让，己方机器人就须要调整战术。若电机欲前进，编码器反转，说明机器人受对方推堵而退让。最近内藏整形电路直接以矩形波输出的编码器已问世，可以直接接入计算机。在我们的机器人中均采用自制的编码器。在带有明暗方格的码盘两侧分别安置发光元件和光敏元件，随着码盘旋转，光敏元件接收的光通量与方格的间隔同步变化。光敏元件随着输出经过整形的脉冲。根据脉冲计数，可以知道与码盘固接的旋转轴的角位移。
下图是设计中用到的编码器电路图（图3 .15）：

图4.5编码器电路图
4.3开关
比赛机器人常用的开关用按钮开关，数字开关和接触开关几种。按钮开关在机器调试阶段可以方便地提供人工输入。数字开关一般用于向CPU的输入选择，如速度等级，行走模式，策略等。接触开关则用于检测是否触碰，检测的对象有场地的道具，环境界限等，一般微动开关即可。
4.4单片机控制系统
采用单机完成控制的系统，在系统中P1口作为光电传感器的输入端口，P0.0——P0.3作为行走电机的控制端口。P2作为动作电机的控制端口。P3.4——P3.5作为光电编码器的记数口。P3口的另外一些都用来接行程开关。另外留出串行通信的端口以备以后使用，如图4.6所示。

图4.6控制系统的的电路图
当P0口作为一般的I/O口用时我们要接上一个排阻作为上拉电阻。这是由单片机的内部特性所决定的。
单片机及其外围接口电路包括单片机、时钟电路、复位电路、外部接口扩展电路等。单片机采用ATMEL89S51系列单片机，它是十六位的高性能嵌入式控制器，具有40个可编程的I/O口，价格便宜，但功能强大且支持在线编程功能，使用十分方便。时钟电路给单片机系统提供时间基准设计时采用12MHz晶振。复位电路用于上电后使系统回复到初始状态开始运行。整个单片机控制系统框图如下：
4.5 信号隔离模块
在实际的电子电路系统中，不可避免地存在各种各样的干扰信号，若电路的抗干扰
能力差将导致测量、控制准确性的降低。因此在硬件上可以采用一些设计技术，破坏干
扰信号进入测控系统的途径，从而有效地提高系统的抗干扰能力。
常见的信号隔离方法有光电耦合和变压器隔离等，本系统设计采用光电耦合方式对电机控制信号进行隔离，以消除模拟信号对数字信号的干扰。使用的光耦型号为TLP521 - 2 及TLP521 - 4。信号隔离最重要的一点就是将数字与模拟或强电与弱电部分在供电上要完全隔开，否则就不能达到真正意义上的隔离。为了更好的防止干扰，电路中使用了光电耦合器，一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器光敏三极管接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出，这就完成了电—光—电的转换。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小（2pf左右）耐压高(2.5KV左右)，故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小（约10Ω），对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。
4.6 锁存器74HC595模块
74HC595的工作原理，锁存器一般是由D触发器集成的，可以记住一个信号，直到下一个触发信号到来为止。
74HC595具有一个8位串行输入并行输出的移位寄存器和一个8位输出锁存器。 ,QS).$t/ y  由于占用MCU的I/o口线少，硬件结构简单，因此应用广泛。 d>AU<>%E  iQIZYMa
（1）应用原理 

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  以点亮LED数码管显示“0”为例！ =7?wVT `8  
  1. 并口输出： 共用P1八个口，输出用一条指令MOV P1,#3FH即可。 ((${Ea1  
  2. 串并输出： 共用P1.0-P1.2三个口。但输出必须先将3FH逐位移入 2$:]T@m  
                595移位寄存器内(即串入)，再锁存输出(即并出)。 Dd~'5tm:Z  
                注意：只有数据锁存后，3FH才出现在595的Q1-Q7上， ,Yi%iG/[  
                      LED数码管显示“0”。 B.v &}  
                移位方式：1-1-1-1-1-1-0-0，由低到高。 MsPWa87  \w Htl
 （2）主要引脚 Nl?vF R-  
  14脚：串行数据输入端接MCU-P1.0。 /s,Cr2nY34  
  11脚：移位时钟接MCU-P1.2。 (5n0 ^ 1;  
  12脚：输出锁存器的送入信号MCU-P1.1。 {rv)  =TU
:^

图4.10 74HC595的原理图
（3）应用三步曲 &r%F_J(u0  rv Ct6 ~
  第一步：目的：将要准备输入的位数据移入74HC595数据输入端上。 #uFg9EDEkM  
          方法：送位数据到 P1.0。 /Ilh@Wa;S  ]W#L? A6J
  第二步：目的：将位数据逐位移入74HC595，即数据串入 !x tsv83  
          方法：P1.2产生一上升沿，将P1.0上的数据移入74HC595中.从低到高。 }imA$
D  96%2{SG)K
  第三步：目的：并行输出数据。即数据并出 .kH4:,_z  
          方法：P1.1产生一上升沿，将由P1.0上已移入数据寄存器中的数据 Byk 3`"&EW  
                送入到输出锁存器。 @L>" mi?  v
jw|%I
  说明： 从上可分析：从P1.2产生一上升沿（移入数据）和P1.1产生一上升沿 &~\F8`^-,X  
          （输出数据）是二个独立过程，实际应用时互不干扰。即可输出数据的 k|CDqO
 
          同时移入数据。 jDR =~<_|  
（4）级联的应用 [IOm\>  
        74HC595主要应用于点阵屏，以16*16点阵为例：传送一行共二个字节（16位）， +"v-> ，，，，，如：发送的是06H和3FH。其方法是： %D( p]++  
1.先送数据3FH，后送06H。 Sv4o=ED  
2.通过级联串行输入后，3FH在IC2内，06H在IC1内。应用如图二 o8_9L2n,  
3.接着送锁存时钟，数据被锁存并出现在IC1和IC2的并行输出口上显示。   
（5）电路原理图如下
'#m
fF^W{
4.7 语音部分
为了实现本次设计的机器人最具特色的智能语音功能，经仔细分析论证后最终采用为凌阳公司的专用语音处理16位单片机：SPCE061A，简称61单片机。61单片机能非常容易、快速地处理复杂的数字信号，其16位μ’nSP™ CPU工作电压为2.4-3.6V，I/O口输出电压为2.4-5.5V，CPU时钟频率在0.32MHz到49.152MHz间可调，具备14个中断源、2个16位定时/计数器和串行接口设备，内置了2K的SRAM和32K的FLASH，并具有2个10位DAC(数-模转换)输出通道、7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器，在声音模-数转换器输入通道还内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能，并且相对于其它同类型单片机相比较，还具有一系列特点和优点：
(1) 内部集成了D/A和A/D电路，但价格低廉，耗电量小，运算效率高，速度快
(2) 对IO口操作方便，可以对32个IO口单独进行设置
(3) 利用凌阳公司开发的IDE编译环境，可使用标准C语言和汇编语言进行编程，同时可将C语言和汇编语言相互嵌入编程，并且IDE具有在线仿真和脱机仿真模式，在仿真时可对IO口、中断系统、各寄存器等数值方便的监视
(4) 在语音处理方面有成熟的技术和强大的优势，凌阳公司不但提供有系统的语音开发API，并配套提供了齐全的说明资料供开发者使用
61单片机的封装有PLCC-84和LQFP-80两种封装，其中，80脚封装和它的内部结构图如图3.8。
61单片机作为功能强大的语音处理型芯片，为配合它发挥出好的性能，凌阳公司开
由于控制机器人动作的电机共有7个，将占用单片机的14个IO口，控制ISD2590的IO口为三个，用于重新训练的按键也占用1个IO口，所以一共要用单片机的18个IO口，另外还应考虑机器人可扩展的传感器模块等其它功能模块接口，所以首先对单片机IO口进行分配，在分配过程中要注意以下问题：
(1) 光耦电路输入引脚为每六个脚一组，对应三个电机，因为与单片机IO口引脚为排线相连，所以应考虑连线位置
(2) 检测重新训练键是否按下用到单片机的