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基于单片机的机器人探讨
基于单片机的机器人探讨
论文〔设计〕题目：
基于单片机的机器人探讨
基于单片机的机器人技术的探讨
摘要
机器人技术代表一个国家的综合国力，我国也专门重视，经常派代表参加国外或组织国内的机器人竞赛。
由亚广联〔ABU〕倡导举办的机器人电视大赛在中国赛区的主题是鹊桥相会。
机器人技术对科学技术进展和对人类社会进步的庞大推动作用,在2l世纪必将得到越来越大的进展,专门是将成熟的单片机技术应用于机器人技术以提高机器人智能性方面的研究一直是一个活跃的研究领域，但我国在这方面的研究相对滞后。
本文要紧论述，第一机器人的进展历史、机器人的进展趋势、机器人的核心技术。
第二单片机的进展史、单片机的定义、单片机的用途。
第三单片机技术在机器人中的应用。
关键词：
机器人单片机智能机器人
ProbingintotheRobotTechnologyBasingonSCM
Abstract
Robottechnologystandsforacountry’snationalpower.Ourcountryshowsmuchattentiontothis,andusuallydispatchesdelegationtoattendinternationalrobotcontest.ThemainthemeinChinaofAsia-PacificRobotContestheldbyABUismeetingonthemagpiebridge.Accordingtotheruleofthecontest,thetaskoftherobotisanalyzed,anditmainlyincludeseightitems:
courseidentification,spaceorientation,environmentidentification,errorcorrection,speedcontrol,autodecision,insidedetectionandobjectseizing.Ahardwareschemeoftherobotisdesigned,andfeasibleresearchisdonefromthefollowingfouraspects:
first,thispaperusesthesensortheoryandanexperimentalprogramofsensortoprovethefeasibilityofsingle-chipcontrollingthesensor.Second,itusesanexperimentonmotortocheckthefeasibilityofsingle-chipcontrollingdrivingmotor.Third,itanalyzeswhethertherobotcankeepbalancefromthebalanceviewpoint.Fourth,itdeducesthattherobotcancatchtheobjectfromatmosphericpressure.
Keyword:
AutomaticRobotSingle-chipMotor
基于单片机的机器人探讨
一、前言
机器人工程是一门综合性的学科，它集工程力学、机械制造、电子技术、技术科学、自动操纵等为一体。
机器人技术的进展，是一个科学技术进展的一个综合性的结果，也是对社会经济进展产生重大阻碍的一门科学技术。
机器人技术的进展把我们从危险和枯燥中解脱出来。
机器人技术差不多被开发用于处理核能和放射性化学制品的专门多不同用途，包括核武器、电厂、环境清洁和某些药品的处理。
机器人也用于执行专门多乏味、不愉快但必需的任务，如焊接和看门工作。
另外机器人还可用于干人干不了的活，比方说人们对太空的认识，人上不的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，还有在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，差不多上人们不可达的工作。
其次，进展机器人技术能够提高国防实力。
在海湾战争、波黑战争、科索沃战争中，各种无人机和地面军用机器人系统在战场侦察、探雷排雷、监视、通讯中继、电子对抗、火力导引、战果评估、扰乱、攻击等方面都起了专门的作用。
鉴于高新技术对以后战争的指挥系统、战场环境将产生重大阻碍。
另外，机器人能够形成一个庞大的产业。
尽管目前进展相对成熟的只有工业机器人，但从世界机器人的进展趋势看，服务机器人、个人机器人具有庞大的市场潜力，能够预见，个人机器人将会像个人电脑一样走进千家万户，成为揉社会必不可少的生活用品。
近年来本等开发了多种能够应用于常生活里的机器人。
例如在电视上频频露面的类人型机器人ASIMO〔由日本田开发〕。
2007年8月，ASIMO随日本首相访问捷克，开始了它的〝外交〞之路。
SONY亦不甘落后，先是开发了风靡全球的AIBO机器狗，后来又推出拎人型机器人SDR-4X。
美国一家公司开发了一种iBot自动平稳轮椅，并差不多获得FDA的认证。
这种轮椅能够为残疾人的行动带来更多的便利，将为他们的生活带来革命性的变化。
机器人技术成了科技经济的必争之地，世界各国都专门重视机器人技术的开发与研究。
目前本继前两个机器人打算〝极限作业机器人〞打算和〝微机械技术〞开发打算之后，正在实施第三个〝人型机器人〞打算；美国仅花在无人机上的费用就已达25亿美元。
我国政府也专门重视机器人的研究，早在〝七五〞期间就开始了工业机器人和水下机器人攻关打算，并取得了一定的成绩。
1986年，国家〝863〞打算将智能机器人列入其中。
通过十几年的困难奋斗，从跟踪世界先进水平到自主开发，取得了举世瞩目的成果。
例如，我国在争取公海海域优先开采权的过程中，由国家〝863〞打算研制的6000米水下无缆自治机器人系统先后两次出海，获得了海底锰结核分布的珍资料，使我国成为世界上少数几个具有深海探测能力的国家之一。
我国对培养机器人时代所需要的人才也专门重视。
近几年来，我国举办了多次机器人大赛，也派队伍参加许多国际性的竞赛，比如机器人足球、机器人灭火、机器人走迷宫、机器人相扑等等。
二、机器人
〔一〕机器人的进展
1、机器人的进展史
〝机器人〞一词起源于捷克语，意为强迫劳动力或奴隶。
那个词是由剧作家KarelCapek引入的，他虚构创作的机器人专门象Frankenstein博士的怪物－由化学和生物学方法而不是机械方法制造的生物。
①美国：
美国是机器人的产生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称"机器人王国"的日本起步至少要早五六年。
通过30多年的进展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。
综观它的进展史，道路是曲折的，不平坦的。
尽管美国在机器人进展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，然而美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。
其技术全面、先进，适应性也专门强。
具体表现在：
〔1〕性能可靠，功能全面，精确度高；
〔2〕机器人语言研究进展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；
〔3〕智能技术进展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；
〔4〕高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等进展迅速，要紧用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。
②英国：
早在1966年，美国Unimation公司的尤尼曼特机器人和AMF公司的沃莎特兰机器人就差不多领先进入英国市场。
1967年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。
接着，英国HallAutomation公司研制出自己的机器人RAMP。
70年代初期，由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的Lighthall报告，对工业机器人实行了限制进展的严格措施，因而机器人工业一蹶不振，在西欧差不多居于末位。
然而，国际上机器人蓬勃进展的形势专门快使英政府意识到：
机器人技术的落后，导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。
因此，从70年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人进展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。
③法国：
法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范畴上处于世界先进水平。
这要紧归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，专门是把重点放在开展机器人的应用研究上。
④德国：
德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。
那个地点所说的德国，要紧指的是原联邦德国。
它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。
其因此如此，是因为德国的机器人工业一起步，就遇到了国内经济不景气。
然而德国的社会环境却是有利于机器人工业进展的。
因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，差不多上实现使用机器人的有利条件。
到了70年代中后期，政府采纳行政手段为机器人的推广开创道路；在〝改善劳动条件打算〞中规定，关于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替一般人的劳动。
那个打算为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的进展。
日尔曼民族是一个重实际的民族，他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原那么。
除了像大多数国家一样，将机器人要紧应用在汽车工业之外，突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业，报废了旧机器，购买了现代化自动设备、电子运算机和机器人，使纺织工业成本下降、质量提高，产品的花色品种更加适销对路。
到1984年终于使这一被喻为"快完蛋的行业"重新振兴起来。
与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感受的智能型机器人转移的目标。
通过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。
⑤俄罗斯：
在前苏联，从理论和实践上探讨机器人技术是从50年代后半期开始的。
到了50年代后期开始了机器人样机的研究工作。
1968年成功地试制出一台深水作业机器人。
1971年研制出工厂用的万能机器人。
早在前苏联第九个五年打算〔1970年—1975年〕开始时，就把进展机器人列入国家科学技术进展纲领之中。
到1975年，已研制出30个型号的120台机器人，通过20年的努力，前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。
国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产进展的手段，来安排机器人的研究制造；有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作，都由政府安排，有打算、按步骤地进行。
⑥中国：
有人认为，应用机器人只是为了节约劳动力，而我国劳动力资源丰富，进展机器人不一定符合我国国情。
这是一种误解。
在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。
它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和庞大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的进展做出杰出的奉献。
我国已在〝七五〞打算中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。
十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。
目前，示教再现型机器人技术已差不多成熟，并在工厂中推广应用。
我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。
1986年3月开始的国家863高科技进展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。
就目前来看，我们应从生产和应用的角度动身，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的有用型机器人和某些特种机器人。
⑦日本：
日本在60年代末正处于经济高度进展时期，年增长率达11％。
第二次世界大战后，日本的劳动力本来就紧张，而高速度的经济进展更加剧了劳动力严峻不足的困难。
为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的〝尤尼曼特〞机器人。
日本政府的一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速进展起来，通过短短的十几年，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：
〝日本机器人的进展通过了60年代的摇篮期，70年代的有用期，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。
2、机器人的进展现状
随着运算机技术、微电子技术、网络技术等的快速进展，机器人技术也得到了迅猛进展。
除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了专门大的进展。
①国际上，工业机器人的进展呈以下特点：
（1）通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用,国外机器人操作机已实现了优化设计。
（2）通过采纳并联机器人机构,实现高精度测量及加工,这是机器人技术向数控技术的拓展,为今后实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。
（3）操纵系统性能进一步提高,已由过去操纵标准的6轴机器人进展到现在能够操纵21轴甚至27轴,同时实现了软件伺服和全数字操纵,人机界面更加友好,基于图形操作的界面也已问世,在某些领域的离线编程已实现有用化。
激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用,大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。
（4）许多新产品具有网络通信功能,使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步,也使机器人由过去的专用设备向标准化设备进展了一大步。
（5）由于微电子技术的快速进展和大规模集成电路应用,使机器人系统的可靠性有了专门大提高。
②国内机器人的进展状况：
从80年代开始至今,我国已差不多把握了机器人操作机的设计制造技术、操纵系统硬件、软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出用于喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。
但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离。
3、进展趋势
工业机器人性能不断提高〔高速度、高精度、高可靠性、便于操作和修理〕，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。
机械结构向模块化、可重构化进展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。
工业机器人操纵系统向基于PC机的开放型操纵器方向进展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，操纵柜日见小巧，且采纳模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可修理性。
机器人中的传感器作用日益重要，除采纳传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人那么采纳视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策操纵；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演进展到用于过程操纵，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感受来操纵机器人。
当代遥控机器人系统的进展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互操纵，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入有用化时期。
美国发射到火星上的〝索杰纳〞机器人确实是这种系统成功应用的最闻名实例。
机器人化机械开始兴起。
从94年美国开发出〝虚拟轴机床〞以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探究开拓事实上际应用的领域。
〔二〕机器人的应用领域
〔1〕水下机器人：
美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和爱护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人〔remoteoperatedvehicle〕和无缆水下机器人〔autonomousunderwatervehicle〕两大类。
〔2〕空间机器人：
空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。
目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。
如美国NASA的空间机器人Sojanor等。
Sljanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸630~48mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。
〔3〕核工业用机器人：
国外的研究要紧集中在机构灵活，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与修理的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。
已完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵活手等。
〔4〕地下机器人：
地下机器人要紧包括采掘机器人和地下管道检修机器人两在类。
要紧研究内容为：
机械结构、行走系统、传感器及定位系统、操纵系统、通信及遥控技术。
目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。
〔5〕医用机器人：
医用机器人的要紧研究内容包括：
医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损害外科、临场感外科手术等。
美国已开展临场感外科〔telepresencesurgery〕的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。
法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科〔telematics〕打算、袖珍机器人〔biomed〕打算以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。
〔6〕建筑机器人：
日本已研制出20多种建筑机器人。
如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实际应有和。
美国卡内基梅郑重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。
英、德、法等国也在开展这方面的研究。
〔7〕军用机器人：
近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。
其特点是采纳自主操纵方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和角摸能力，能够自动跟踪地势和选择道路，同时具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。
如美国的Navplab自主导航车、SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车〔DARDS〕，德国MV4爆炸物处理机器人等。
目前美国ORNL正在研制和开发Abrams坦克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。
能够预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲热的伙伴。
〔三〕机器人的核心技术
一个机器人包括两个要紧部分：
机器人的躯体和某种形式的人工智能〔artificialintelligence，AI〕系统。
专门多不同的躯体部分都能够叫做机器人。
关节手臂被用于焊接和上漆；起重机和传送带系统在工厂中运送零件；巨型机器人机器搬运矿井深处的泥土。
一样说来，机器人最有味的一个方面是它们的行为，这需要一种形式的智能。
机器人最简单的行为是移动。
典型地，轮子被作为让机器人从一点移动到下一点的差不多机械装置。
还需要某种力〔如电力〕让轮子在命令时转动。
三、单片机
〔一〕单片机的进展史
单片机产生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大时期。
1.SCM即单片微型运算机〔SingleChipMicrocomputer〕时期，要紧是寻求最正确的单片形状嵌入式系统的最正确体系结构。
〝创新模式〞获得成功，奠定了SCM与通用运算机完全不同的进展道路。
在开创嵌入式系统独立进展道路上，Intel公司功不可没。
2.MCU〔MicroControllerUnit，微操纵器〕时期，要紧的技术进展方向是：
不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化操纵能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，进展MCU的重任不可幸免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看，Intel逐步淡出MCU的进展也有其客观因素。
在进展MCU方面，最闻名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的庞大优势，将MCS-51从单片微型运算机迅速进展到微操纵器。
因此，当我们回忆嵌入式系统进展道路时，不要不记得Intel和Philips的历史功绩。
3.单片机是嵌入式系统的独立进展之路，向MCU时期进展的重要因素，确实是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的进展自然形成了SoC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的进展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的进展。
因此，对单片机的明白得能够从单片微型运算机、单片微操纵器延伸到单片应用系统。
〔二〕单片机的定义
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整运算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，然而它具有一个完整运算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至能够将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微操纵器〔Microcontroller〕，是因为它最早被用在工业操纵领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器进展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使运算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的操纵设备当中。
单片机是微型运算机进展的一个分支，是一种专门面向操纵的微处理器件，故又称之为微操纵器（MicroControllerUnit，MCU）。
单片机通常以单一芯片的形式显现，然而它已具有了微型运算机所包含的差不多组成结构和特有的操纵应用功能，是一种芯片级的微型运算机。
另外，由于单片机的体积、结构和功能特点，在实际应用中能够完全融入应用系统之中，故而也称为嵌入式微操纵器（EmbeddedMicro-Controller）最差不多的单片机系统由单片机芯片和软件程序共同组建而成，是用户为了实现某种操纵用途的需要而设计的实际装置。
在单片机系统中，单片机芯片内部的中央处理单元（CPU）处于核心地位，CPU通过执行软件程序调动硬件电路完成操纵功能。
依照这种工作方式，单片机系统能够划分为硬件和软件两个组成部分。
〔三〕单片机介绍
单片机又称单片微操纵器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个运算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台运算机。
它的体积小、质量轻、价格廉价、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解运算机原理与结构的最正确选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的储备器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱专门多，只是价钱也是低的，一样不超过10元即可......用它来做一些操纵电器一类不是专门复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都能够看到它的身影！
......它要紧是作为操纵部分的核心部件。
它是一种在线式实时操纵运算机，在线式确实是现场操纵，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式运算机的〔比如家用PC〕的要紧区别。
单片机是靠程序的，同时能够修改。
通过不同的程序实现不同的功能，专门是专门的专门的一些
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