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在科技界，科學家會給每一個科技術語一個明確的定義，但機器人問世已有幾十年，機器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統一的意見。原因之一是機器人還在發展，新的機型，新的功能不斷涌現。根本原因主要是因為機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創造空間。
關于機器人如何分類，國際上沒有制定統一的標準，有的按負載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結構分，有的按應用領域分。一般的分類方式見表：
我國的機器人專家從應用環境出發，將機器人分為兩大類，即工業機器人和特種機器人。所謂工業機器人就是面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業機器人之外的、用于非制造業并服務于人類的各種先進機器人，包括：服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學者，從應用環境出發將機器人也分為兩類：制造環境下的工業機器人和非制造環境下的服務與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。
當前各個國家對機器人技術都是非常的重視，人們生活對智能化要求的提高也促進了機器人的發展，在這樣的背景下，機器人技術的發展可以說是一日千里，未來機器人將在以下技術的基礎上飛速發展。
人機交互技術
東芝在本周舉辦的 Cutting-EdgeIT& Electronics Comprehensive Exhibition （CEATEC）展會上發布了一款全新人形交互機器人，而其最大特色就是可以通過手語與人交流。
軟體機器人控制技術
機器人在大部分人眼里一直都是像擎天柱一樣的鋼筋鐵骨，不過事實并不總是這個樣子的。最近，來自美國普渡大學的研究人員就發明了一種由輕質惰性泡沫材料 制成的軟體機器人，為了讓它像機器手臂一樣可以自由彎曲，研究人員還在在泡沫材料的表面覆蓋了一層特殊的“衣服”，而這層聚合物纖維在受熱的情況下可以自 由改變形狀和堅硬度，作用就如同附著在骨骼上的肌肉一般。
液態金屬控制技術
科學家們使用鎵和銦合金合成液態金屬，形成一種固溶合金，在室溫下就可以成為液態，表面張力為每米500毫牛頓。這意味著，在不受外力情況下，當這種合 金被放在平坦桌面上時會保持一個幾乎完美的圓球不變。當通過少量電流刺激后，球體表面張力會降低，金屬會在桌面上伸展。這一過程是可逆的：如果電荷從負轉 正，液態金屬就會重新成為球狀。更改電壓大小還可以調整金屬表面張力和金屬塊粘度，從而令其變為不同結構。
機器人生物行走技術
新一代微型生物機器人能收縮肌肉。美國伊利諾斯大學厄本那香檳分校工程師展示了一類行走“生物機器人”（bio-bots ），由肌肉細胞推動、電脈沖控制，研究人員能對其發號施令。相關論文在線發表于最近的美國《國家科學院學報》上。
“不管你想制造任何種類的生物機器人，由細胞驅動的生物刺激都是一項基本要求。”負責這項研究的伊利諾斯大學厄本那香檳分校生物工程主管拉什德·巴什爾 說，“我們正在把工程原理與生物學整合在一起，設計開發生物機器人和用于環境、醫療方面的系統。生物學非常強大，如果我們能學習利用其優勢，將帶來許多好 東西。”
機器人透視技術
據國外媒體報道，目前，美國加州大學最新研制一款具有“透視眼”能力的機器人，在兩個機器人之間釋放無線信號，通過測量信號強度的變化，將觀察發現墻壁內部的物體。該技術可用于尋找困陷在建筑物中的傷員，或者監控家中的老年人。
敏感觸控技術
不要以為機器人的敏感度很差。美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology， MIT ）視覺科學學科聯合波士頓東北大學研究團隊近日成功研制了一種觸覺傳感器GelSight ，比人類的手指更加靈活敏感。
此次麻省理工學院及東北大學聯合研究團隊開發的“機器人手指傳感器”突破了此前機器人手部關節不靈敏等限制，甚至比人類手指更加靈活敏感，因此受到了各界矚目。該傳感器不是以機器來辨識觸覺，而是以3D視覺實時定位物體的方位，以實現對物體的識別和傳感。
機器人用可伸縮電線
日本綜合型化學企業旭化成將于9月1日發售可以像橡皮筋那樣伸縮的電線。《日本經濟新聞》8月26日報道說，通過在具有彈性的聚氨酯纖維（中國稱：氨 綸） 中以螺旋狀嵌入可通電的導線，使得電線可以伸縮，且不易出現松弛。與容易松弛的以往電線相比，自由自在的變形將成為可能。旭化成力爭將這種電線應用于實現 復雜動作的擬人機器人和穿戴型輔助機器人。
以樹脂材料作為保護的一般電線在用于機器人時，在手腕做彎曲動作等的情形下，容易形成松弛或纏繞。而旭化成開發的這種伸縮性電線將可以依照其實施的擬人動作合理布線。
機器人可自行組隊技術
相信對于有密集恐懼癥的人來說，看到1000只排得密密麻麻的小機器人在桌面上一起移動絕對不會感到好受。不過這仍無法阻礙哈佛大學的工程師們打造這樣 的系統。據悉，研究團隊使用了1000只組裝簡易的小型機器人，每個造價20美元。 據介紹，每組裝一個這樣的機器人需要5分鐘的時間，也就是，他們花費了83多個小時完成了這項艱巨的任務。
造房子機器人：或成為未來主流
一個被稱為Minibuilders的全新3D打印建筑機器人套件，可以像建筑工人那樣3D打印出一間房屋，其快速、低價、安全讓建筑機器人將有可能成為下一代強大的建筑必備工具。
其運作方式基本上和同類型的無人建筑機器人一樣，逐層澆筑流體建筑材料。但是它最大的不同，就是可以打印的建筑體積更大，而且設計方法也與眾不同。
這套系統的核心是一個龐大的主部件，有兩個裝有液化合成大理石的大型圓筒，大理石經獨特的配方制成。氣胎注射筒會通過長長的管子推動材料，那些管子將被 安置在一個建筑工地上，與三個敏捷的專業附屬機器人協同工作。有些研究人員會覺得自己就像是一個建筑師，把自己的建筑構想通過一個巨大的獨立機器變成現 實，而Minibuilders的團隊扮演角色就像是一個“包工頭”，在建設過程中“招募”各相關領域里的建筑專業資源。
????? 更多機器人技術資料，電路圖及DIY設計，可參見本期Designs of week——當中國制造遇上機器人技術，設計思維請跟上！
愛普生機械手簡介
精密組裝機器人： 在高速運動狀態下具備低殘留震動及高精度，應答時間短，動作靈敏 應答時間短，動作靈敏，在3維狀態下仍然保證軌跡平滑精密。
圖象機器人： 通過機械手及攝像裝置的組合可以輕松地滿足多品種生產的需求， 滿足多品種生產的需求。
標準化解決方案簡述
給用戶的可行性分析方案樣例（以食品包裝方案為例）
系統整體描述
? 用戶需求：
– 自動成品包裝，100~120袋/分鐘
– 包裝箱最大尺寸：535*380*287（綜合）
– 湯圓包裝袋最大重量：600克/袋*
– 裝箱方式：頂部裝入，每層4袋
– 系統可以實現人機對話，產品更換時，系統自動切換搬運方式。
? EPSON 設計方案簡述：
– 系統分為3個主要部分：開箱機、成型機、機器人搬運系統。
– 開箱機負責將包裝箱整形輸送到位。
– 成型機負責將流水線包裝袋分隔并固定在回轉臺上。
– 機器人搬運系統負責將包裝袋搬運裝入包裝箱（一次4袋）。
– 其他部分包括必要的輸送線、電控、人機界面、控制軟件等附件。
?
整形和成型機構
機器人搬運系統特性
? 機器人采用水平多關節機器人（SCARA），該機器人的特點是：
– 高速、高穩定性、環境適應性強（對現場環境無特殊要求）
– 機械手剛性參數較高，遇工人誤操作不易損壞。
– 維護成本低（零備件壽命長，價格較便宜）
– 占地面積小，適合緊湊空間的生產。
– 最大載重量為6KG，可適應未來產線湯圓包裝袋容量重量變化，無需重新
設計系統。甚至重新購買機器人。
– 運動范圍大：垂直方向行程330mm，大大降低了未來產品包裝箱變化時
對系統改造的難度和費用。
– 運動范圍大：水平方向有效作業范圍最長可達到650mm半徑的扇形區域，大大降低了未來產品包裝箱和產線位置調整時對系統改造的難度和費用。
? 控制器采用EPSON獨有的小型緊湊型控制器，該控制器的特點是：
– 緊湊型設計，不占過多空間。
– 通訊接口豐富，可取代復雜的PLC系統，提高系統的穩定性。
– 擴展性強，未來系統再升級和改造時預留
主要技術指標
1. 機器人搬運系統工作頻率：
? 取放100袋/分鐘
? 設計余量20%（即，可達到最大120袋/分鐘）
? 搬運距離330mm
? 搬運高度：300mm
? 最大搬運重量6KG（含真空棘爪）
2. 機器人搬運系統抓取成功率
? 10‰（千分數）
? 機器人系統可設計掉袋補償動作
? 輸送線上設計掉袋回收路徑
3. 開箱機工作頻率：（24箱/分鐘）
? 開箱機的工作頻率可供2~3條線同時使用
4. 成型機工作頻率（30組/分鐘）
? 工作頻率匹配機器人搬運系統和上工序頻率。
焊接是工業生產中非常重要的加工方式，同時由于焊接煙塵、弧光和金屬飛濺的存在，焊接的工作環境非常惡劣，隨著人工成本的逐步提升，以及人們對焊接質量的精益求精，焊接機器人得到了越來越廣泛的應用。
機器人在焊裝生產線中運用的特點
焊接機器人在高質、高效的焊接生產中發揮了極其重要的作用，其主要特點如下：
1.性能穩定、焊接質量穩定，保證其均一性
焊接參數如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結果起決定性作用。人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，很難做到質量的均一性；采用 機器人焊接，每條焊縫的焊接參數都是恒定的，焊縫質量受人為因素影響較小，降低了對工人操作技術的要求，焊接質量非常穩定。
2.改善了工人的勞動條件
采用機器人焊接后，工人只需要裝卸工件，遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺等；點焊時，工人不再需要搬運笨重的手工焊鉗，從大強度的體力勞動中解脫出來。
3.提高勞動生產率
機器人可一天24h連續生產，隨著高速、高效焊接技術的應用，使用機器人焊接，效率提高地更加明顯。
4.產品周期明確，容易控制產品產量
機器人的生產節拍是固定的，因此安排生產計劃非常明確。
5.可縮短產品改型換代的周期，降低相應的設備投資
可實現小批量產品的焊接自動化。機器人與專機的最大區別就是它可以通過修改程序以適應不同工件的生產。
一、FANUC控制系統概述
FANUC機器人主要應用在奇瑞公司乘用車一廠和乘用車三廠的焊裝車間，是奇瑞最早引進的焊接機器人，也是奇瑞公司最先用到具有附加軸的焊接機器人。
其控制系統采用32位CPU控制，以提高機器人運動插補運算和坐標變換的運算速度。采用64位數字伺服驅動單元，同步控制6軸運動，運動精度大大提高， 最多可控制到21軸，進一步改善了機器人動態特性。支持離線編程技術，技術人員可通過離線編程軟件設置參數，優化機器人運動程序。控制器內部結構相對集成 化，這種集成方式具有結構簡單、整機價格便宜、易維護保養等特點。
圖1 控制原理圖
二、FANUC控制系統內部結構分析
控制器是機器人的核心部分，實現對機器人的動作操作、信號通訊、狀態監控等功能。下面以FANUC—F-200iB為例，對其控制系統內部結構和各部分的功能進行分析：
1)電源供給單元
變壓器向電源分配單元輸入230V交流電，通過該單元的系統電源分配功能對控制箱內部各工作板卡輸出210V交流電及±15V、+24V直流電。
2)安全保護回路
由變壓器直接向急停單元供電，并接入內部各控制板卡形成保護回路，對整個系統進行電路保護。
3)伺服放大器
不僅提供伺服電機驅動和抱閘電源，并且與絕對值編碼器實現實時數據轉換，與主控機間采用光纖傳輸數據，進行實時信號循環反饋。
4)輸入/輸出模塊
標配為ModuleA/B，另外也可通過在擴展槽安裝Profibus板、過程控制板與PLC及外圍設備進行通訊。
5)主控單元
整個控制系統的中樞部分，包括主板、CPU、FROM/SRAM組件及伺服卡，負責控制器內部及外圍設備的信號處理和交換。
6)急停電路板
用來對緊急停止系統、伺服放大器的電磁接觸器以及預備充電進行控制。
7)示教器
包括機器人編程在內的所有操作都能由該設備完成，控制器狀態和數據都顯示在示教盒的顯示器上。
圖2 控制內部結構
三、 故障案例分析
機器人控制器斷電檢修后，對控制器送電，機器人報伺服故障，故障代碼為SERVO-062。對此故障進行復位：按MENUS→SYSTEM→F1，［TYPE］→找 master/cal→F3，RES_PCA →F4，YES 后，機器人仍然報伺服故障。
1、故障分析和檢查：故障代碼SERVO-062的解釋為SERVO2 BZAL alarm（Group：%d Axis：%d），故障可能原因分析如下：
1） 機器人編碼器上數據存儲的電池無電或者已經損壞：拆卸編碼器脈沖數據存儲的電池安裝盒，電池盒內裝有4節普通1.5V的1號干電池，對每節電池的電壓進行 測量，均在1.4V以下，電池電壓明顯偏低，于是更換新電池，再次對故障進行復位，機器人仍然報SERVO-062故障。
2） 控制器內伺服放大器控制板壞：檢查伺服放大器LED“D7”上方的2個DC鏈路電壓檢測螺絲，確認DC鏈路電壓。如果檢測到的DC鏈路電壓高于50V，就 可判斷伺服放大器控制板處于異常狀態。實際檢測發現DC鏈路電壓低于50V，所以初步判斷伺服放大器控制板處于正常狀態。 進一步對伺服放大器控制板上P5V、P3.3V、SVEMG、OPEN的LED顏色進行觀察，確認電源電壓輸出正常，沒有外部緊急停止信號輸入，與機器人 主板通訊也正常，排除伺服放大器控制板損壞。
3） 線路損壞：對機器人控制器與機器人本體的外部電纜連線RM1、RP1進行檢查，RM1為機器人伺服電機電源、抱閘控制線，RP1為機器人伺服電機編碼器信 號以及控制電源線路、末端執行器線路、編碼器上數據存儲的電池線路等線路。拔掉插頭RP1，對端子5、6、18 用萬用表測量+5V、+24V控制電源均正常。接下來對編碼器上數據存儲的電池線路進行檢查。機器人每個軸的伺服電機脈沖編碼器控制端由1-10個端子組 成，端子8、9、10為+5V電源，端子4、7為數據保持電池電源，端子5、6為反饋信號，端子3為接地，端子1、2空。拔掉M1電機的脈沖控制插頭 M1P，萬用表測量端子4、7，電壓為0，同樣的方法檢查M2~M7電機全部為0，由此可以判斷編碼器上數據存儲的電池線路損壞。順著線路，發現正負電源 雙絞線的一端插頭長期埋在積水中，線路已腐蝕嚴重。
2、故障處理：更換線路后復位，對機器人進行全軸零點復歸“ZERO POSITION MASTER”，導入備份程序后恢復正常，故障排除。
結論
做為日系機器人的主要品牌之一，其在控制原理上與其它品牌機器人大致相同，但其控制部分組成結構有著自己的風格，體現亞洲人的使用習慣，比較適合國內使 用。我國焊接機器人技術的研究應用雖然較晚，但借鑒于國外的成熟技術，得到了迅速的發展。09年我公司與哈工大合作開發的奇哈機器人誕生，似乎看到了企業 與科研合作的力量，覺得當企業進入的時候，特別是這種應用型企業開始參與設備的研究的時候，門就慢慢打開了。但焊接機器人是個機電一體化的高技術產品，單 靠企業的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產企業及使用國產機器人系統的企業給予一定的政策和資金支持，加速我國國產機器人的發展。
1 引言
在信息技術的飛速發展，計算機，通訊、消費電子三種技術合一的后PC的 時代，雖然計算機和網絡已經全面滲透到日常生活的每一個角落，但各種各樣的新型嵌入式接入設備已經成為當前的主流產品。任何一個普通人都可能擁有幾十種嵌 入式技術的電子產品，小到手表、手機、mp3播放器、PDA等微型數字化產品，大到智能家電、網絡家電、車載電子設備等都離不開嵌入式技術。作為嵌入式技 術的一個重要的研究分支——機器人技術，目前在國內外研究的如火如荼，各種各樣的工業機器人和服務機器人已經開始應用到人們的生產和生活當中，使用機器人 的優勢已經被人們廣泛認可，并正在成為我們日常工作和生活的一部分。本文利用AT89S52設計了一種嵌入式智能尋跡機器人，在傳感器、電機驅動和軟件的 控制下，能夠智能地完成迷宮行走路線探測的任務，與傳統的遙控玩具車相比，具有一定的獨立性和智能性，是未來智能玩具車的一種雛形。
嵌入式智能尋跡機器人的硬件架構如圖1。以單片機AT89S52為核心，外圍由電機驅動模塊、電機電源模塊、主板電源模塊、通訊模塊、回避障礙模塊以及 在線編程模塊等組成。紅外光電傳感器通過主板的P8、P9、P10接口連接到 AT89S52的P0.5、P0.6和P0.7端口，其中P0.5 = 0，表示前方有障礙；P0.6 = 0 ，表示左方有障礙； P0.7=0，表示右方有障礙。左右電機通過主板的P5接口，連接到主板電機驅動模塊。
上電后，通過傳感器采集迷宮擋板的信號來控制端口P0的低五位，實現左右電機的正/反轉，從而使機器人做左轉、右轉、直線前進等動作，完成在迷宮中從入口到出口的行進過程。
3 系統接口電路設計
3.1 微控制器模塊
AT89S52是一個低功耗、高性能CMOS 8位單片機，片內有8KB ISP的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構， 芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。
AT89S52有40個引腳，片內有8KB Flash程序存儲器，256B的RAM，32個外部雙向輸入/輸出口，5個中斷優先級，2層中斷嵌套，2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器等。
在開發過程中使用開發板，以方便程序的調試和整機的測試，待系統調試完成后，將單片機從開發板上取下，安裝在機器人系統板的單片機座中，由于設計中的機 器人需要完成的任務比較簡單，因此只在機器人系統板的單片機系統中保留了晶振和復位電路，取消了JTAG編程口等冗余電路。
3.2 傳感器模塊
光電傳感器的工作原理是傳感器紅外發射管發射出紅外光，接收管根據反射回來的紅外光強度大小來計數的，故被檢測的部件或物體表面必須有黑白相間的部位用 于吸收和反射紅外光，這樣接收管才能處于有效的截止和飽和區以達到計數的目的。傳感器的檢測與調節電路如圖2所示。圖中的R3用于調節比較器的門限電壓， 經示波器觀察，輸出波形相當規則，可以直接供單片機查詢使用，而且經驗證給此電路供電的電池壓降較小。紅外光電傳感器通過主板P8、P9、P10接口連接 到AT89S52的P0.5、P0.6和P0.7端口。其中P0.5 = 0，表示前方有障礙；P0.6 = 0 ，表示左方有障礙； P0.7=0，表示右方有障礙。
3.3 直流電機驅動電路與電源模塊
直流電機通過主板的P5接口連接到主板的驅動模塊上。本文采用L298作為電機的驅動芯片，L298的5、7、10、12四個引腳連接到單片機上，通過 對單片機的編程就可以實現兩組直流電機的正反轉等功能。由于單片機的電壓在4.8V左右，故采用VFM升壓型電源芯片，為單片機及外圍電路提供5V左右的 電壓。
4 軟件設計模塊
4.1 軟件開發環境與搜索算法
本文采用Keil U Version2 作為系統的開發環境，在程序設計中采用C語言和匯編語言混合編程。在軟件算法上，考慮到深度優先搜索算法的時空效率和迷宮地形的復雜程度成正比，即迷宮越 復雜，搜索出口的時間就越長。本文采用了一種稱為左手（或右手）法則的迷宮路徑搜索策略，即在迷宮中一直沿著左側（或右側）的墻尋找，就可以找到出口。
相對于深度優先搜索法，左手（或右手）法則的空間占用與迷宮復雜程度無關，機器人搜索路徑的選擇只與當前結點有關，不需要回溯。同時，硬件的制造精度要求不高，不需要精確的控制機器人的移動距離和移動方向，方便了驅動設計。為便于算法的實現，本文設定了如下約束條件：
1.在算法中不管迷宮地形有多么復雜，均由直線、死路、丁字形、十字形、轉角形和終點七個基本地形構成。
2.按分岔的多少將分岔口分為二岔口和三岔口（一般沒有四岔口），而將分岔口前面的岔路按從右到左的順序分別稱為第一岔路、第二岔路、第三岔路（十字型 才有）。二岔路有三種不同的形式，第一種是前進的路線右邊出現一條岔路（右邊的岔路稱為第一岔路、前方稱為第二岔路）；第二種是在前進的路線左邊出現一條 岔路（前方稱為第一岔路、左邊的岔路稱為第二岔路）；第三種是丁字路口（右邊的岔路稱為第一岔路、左邊的岔路稱為第二岔路）。對于這三種情況，算法對應的 程序由主程序、走直線子程序、左轉子程序、右轉子程序和校正子程序組成。主程序起到導向和決策的功能，決定機器人什么時候該做什么。機器人的其他功能通過 調用具體的子程序來實現。
4.2 算法流程圖描述
本文所采用的迷宮搜索算法流程 如圖3所示。接通電機和傳感器電源后，單片機在程序的控制下，根據傳感器檢測到的值，決定電機的正轉和反轉。當 P0.7=1時，表示左方沒有障礙物，依據“右手”遍歷算法，機器人將調用右轉子程序；當P0.7=0并且P0.5=0時，機器人將調用左轉子程序；否則 機器人直線前進，如此反復檢測并調整機器人的動作，直至機器人走出迷宮為止。
5 結論及其創新點
本文對基于AT89S52的嵌入式智能尋跡機器人的硬件架構進行了探討，將左手（或右手）法則用于尋跡機器人行走路線搜索，重點討論了基于 AT89S52的光電傳感器模塊、直流電機驅動模塊、電源模塊等的電路實現技術，經過反復測試，機器人能夠在軟件的控制下，無需任何外界力量就可以智能地 完成從迷宮入口走到出口的尋跡任務。創新點在于通過光電傳感器自動感知障礙物，并利用軟件控制機器人左/右轉以及直線行走，對復雜路徑探測是一種嘗試，特 別適合人無法到達的環境路徑探測，系統成本低，可靠性高，反應靈敏，對智能玩具的設計與開發也具有一定的參考價值。
一、項目設計背景及概述
清潔機器人是服務機器人的一種，所謂服務機器人是指自主 或半自主的、從事非生產活動、能完成有益于人類健康的服務工作的機器人。家庭清潔機器人集機械、電子、傳感器、計算機、控制、機器入技術、人工智能等諸多 學科為一體，能夠自動進行房間地面的家庭衛生服務。在一些發達國家的很多公共場合已經開始使用清潔機器人，隨著清潔機器人性價比的提高，清潔機器人進入家 庭成為可能。
二、項目設計原理
2.1、原理概述
清潔機器人需要完成的任務是能夠在房間中自動清潔地面。工作時，利用各種傳感器測得環境信息，并做出決策，實現邊行走邊打掃，完成預定的任務。典型的清潔機器人主要由以下幾個模塊組成：
（1）信息采集模塊
（2）決策模塊
（3）運動控制模塊
（4）清掃模塊
這四個部分構成了完整的清潔機器人系統，如圖2-1所示。信息采集模塊返回當前清潔機器人的位置信息，如是否碰到障礙物、是否遇到樓梯等，然后把這些信 息送給決策模塊進行決策，控制運動控制模塊，使機器人轉彎或者后退等，在機器人運動的同時讓清掃模塊進行清掃，完成打掃地面的任務。
圖2-1清潔機器人系統典型組成示意圖
2.2、硬件設計原理
機械結構設計
機器人本體的良好設計是實現其他各功能模塊的基礎。本文設計的清潔機器人采用三輪機構的車體，兩個動力輪，一個萬向輪，具有運動靈活，控制簡單的優點。
機器人在地面上移動的方式通常有三種：輪式、履帶式和步行式。步行移動方式模仿人類或動物的行走機理，用腿腳走路，對環境適應性好，智能程度也相對較 高，但步行移動方式在機構和控制上比較復雜：履帶移動方式將環狀循環軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸，履帶式的的優點是著地面積比車輪 式大，所以著地壓強小，適于爬坡或者不平的地面；輪式移動方式是最常見的一種地面行進方式，其特點是：能高速穩定的移動，能量利用效率高，機構和控制簡 單，但不能爬坡。本設計中清潔機器人只需在室內打掃，工作環境較好，所以采用輪式移動方式。
超聲波傳感器需要安裝在底盤上，且需要安裝在合適的位置并牢固可靠。本設計中將超聲波模塊直插在固定的電路板上，進而固定在底盤上。機器人行進時，主要是對要前行的路探測是否有障礙物，因此將超聲波模塊安裝在車身的最前端。
本系統選用雙軸HC02-48強磁電機，電機運行穩定，無抖動。扭力強勁130強磁直流減速電機，扭力為普通電機的2至5倍，電壓3-9V，變速箱1：48比速，小車最佳比速，速度與力量完美組合。
清掃機器人的吸塵技術有兩類：真空吸塵器和氣流濾塵器。真空吸塵器是由高速旋轉的風扇在機體內形成真空從而產生強大的氣流，將塵埃和臟物通過吸口吸入機 體內的濾塵袋內。氣流濾塵器是一個全封閉系統，既無外部氣體吸入，也無機內氣體排除，其原理是利用附壁效應去形成低壓渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵器內 的渦流腔內。
硬件電路設計
根據清潔機器人功能要求，清潔機器人硬件系統包括單片機最小系統、電源模塊、電機驅動模塊、超聲波模塊、藍牙模塊。
本系統采用SLH89F5162作為核心控制芯片。采用了多種防破解技術。SLH89F5162單片機是一款功能比較強大的單片機，它擁有兩個全雙工串 行通信接口，串口1的功能及操作與傳統51單片機串行口相同：特殊的是SLH89F5162單片機內部有一個獨立波特率發生器，串口1可以使用定時器1作 為波特率發生器，也可以使用獨立波特率發生器作為波特率發生器；而串口2只能使用獨立波特率發生器作為波特率發生器。SLH89F5162是高速/低功耗 /超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。內部集成3路PWM，8路高速10位A/D轉換，針對電機控 制，強干擾場合。SLH89F5162單片機為整個控制系統核心，考慮各模塊的功能需求以及單片機各個I/O口的特性后。
硬件系統由以下幾個模塊構成：電源部分，負責提供穩定的5V電源；晶振電路，為系統提供時鐘；復位電路，按鍵后對系統進行復位：藍牙模塊，接收手機發送的控制信號；超聲波模塊，進行實時測距以躲避障礙物；驅動模塊，驅動電機工作，實現機器人的行走。
軟件設計原理
本章主要進行了系統軟件設計，完成了底層軟件的編寫；同時，研究了清潔機器人路徑規劃算法，實現了三種清掃模式的選擇；進一步，研究了智能手機遙控在清潔機器人中的應用。
清潔機器人在實現自動清潔任務時，需要完成如下幾個任務：（1）接收手機發出的控制命令；（2）手機控制行走；（3）自動避障；（4）控制驅動輪行走； （5）自動清潔區域。其中接收手機發出的控制命令，對實時性要求比較高，需要中斷程序處理，其他傳感器信息采用查詢方式進行處理。
本系 統將軟件分成以下幾個模塊進行實現：手機遙控模塊，用戶可以通過手機遙控的方式使機器人進行清掃，方便使用，采用中斷服務子程序進行處理；自動避障模塊， 機器人在運行過程中能自動避障，同時完場清掃任務：自動區域清掃模塊，機器人可以完成對某一區域的自動清掃；電機控制模塊，對電機進行控制實現機器人的行 走；這些模塊各自封裝好，將封裝好函數接口留給主函數進行調用。
程序初始化模塊主要包括：初始化串口、初始化定時器、開串口中斷、開定時器中斷、配置獨立波特率發生器等。工作過程可以分成兩個主要部分：檢測控制命令和實現清掃。
對于檢測控制命令，要求單片機能夠實時響應手機發出的命令，由于是通過藍牙通訊，則需響應藍牙通過串口接收到的數據，只需打開串口中斷即可。
對于實現清掃，首先要選擇清潔模式，再根據不同的清潔的模式，對電機及超聲波模塊經行相應的控制。
三、項目設計框圖
硬件設計框圖
圖3-1硬件設計框圖
軟件設計框圖
圖3-2主程序流程圖
圖3-3藍牙模塊流程圖
圖3-4模式選擇流程圖
??????? 硬件電路圖
文章詳情：基于SLH89F5162的智能清潔機器人
老人關懷照護系統設計有居家的監控功能及和家人互動功能，透過網路服務，當老人有照顧需求時，可利用手勢辨識功能呼叫機器人至身邊；當想觀看親 友在臉書（Facebook）上的消息及圖片時，可利用臉書動態服務，即時得知親友最新動態訊息，也可透過網路通話與遠方的家人進行視頻聊天；同時也可隨 時監控，當意外發生時可即時通知家人及醫護人員進行處理。
該系統利用主系統芯片將Kinect所感測的骨架追蹤、手勢辨識及網路攝影的視頻通話等感測后存取數值，再利用串列傳輸（USART）傳送數值于主系統芯片，并做出距離等識別模式，進行跟隨老人、控制馬達與老人互動。
Kinect感測功能襄助 照護機器人創新應用擴大
該系統創新性功能為跟隨看護模式--Kinect骨架追蹤和超音波定位、骨架判斷--跌倒偵測、緊急通知--簡訊傳送，以及互動功能--手勢辨識和網路視頻（圖1）。
圖1 照護機器人理想互動功能
在跟隨看護服務部分，該系統利用骨架追蹤及超音波定位，當老人移動時，機器人便會跟隨至后方進行照護，可隨時判定老人是否跌倒，操作起來也十分方便。現 有的跌倒偵測系統大都依賴攝影機或是使用者身上配戴的器材來辨別跌倒，該系統的跌倒偵測只須透過Kinect骨架追蹤，即可判定是否跌倒。
至于緊急簡訊傳送部分，當老人判定為跌倒時，機器人會自動由主系統芯片發布簡訊至指定家人手機中，親人接收到消息后可立即做出反應或視頻觀看。而臉書動 態及互動視頻服務部分，該系統加裝臉書動態服務及網路視頻，老人即可關心在外子女的圖片，并讓親友利用視頻互動看見老人在家的狀況，能有效拉近老人與家人 的距離。
．跟隨看護服務
照護機器人主系統利用芯片與Kinect進行老人互動與 看護服務。智能型看護機器人可透過Kinect跟隨于老人后方隨時看護，利用Kinect本身的骨架識別，以判別正常狀況時的骨架數量與動作。當老人不慎 跌倒時，依骨架瞬間降下或消失為判別，再回傳數值訊號給主系統，可即時透過緊急簡訊功能送至子女的手機進行通知，家人則可透過網路視頻進行查看老人在家中 的狀況，以免錯過時間就醫。
為即時反應與傳送數值來跟隨與保障老人的安危，看護系統透過主系統芯片提供USART，即可直接利用 USART而不須再以串列周邊介面（SPI）進行轉換動作。跟隨方面，則運用產生脈衝寬度調變（PWM）脈波來控制HB-25馬達驅動器來驅動直流馬達， 由于控制波形即可正反轉，就能在主芯片應用與結合出讓機器人前后左右的動作與功能。
該系統還須使用PING超音波距離感應器（圖2）來偵測距離，除應用PWM來進行聲波傳送與接收，也使用通用輸入/輸出來接收數值距離判斷與Kinect骨架等數值。
圖2 PING超音波距離感應器
利用芯片使機器人進行追蹤，由超音波偵測距離，讓主系統判斷老人的位置，并命令馬達動作，使機器人能進行跟隨，可隨時跟在老人的身邊，注意是否有突發狀況發生，揮揮手就能與家人視頻通話等功能。
PING超音波距離感應器用于測量與物體間的距離，範圍介于3cm？3.3m，容易裝置于機器人或自動設備上。超音波感測器利用脈波產生，透過聲波喇叭 進行一發一收的動作來得到訊號的時間長短，也就是感測器發送訊號至物體而反射后所經過的時間，在經過運算后即能得到精準的距離。為實現追蹤功能，超音波定 位追蹤方法利用主系統芯片產生脈波與判斷，使超音波能自動追隨物體，也更加穩定照護功能。
為可負載生活必需品，因此行走動力來源選擇扭 力較大的馬達（IG-30GM）做為驅動，搭配耐高電流的12伏特（V）馬達驅動芯片（HB-25）來控制直流馬達，控制方式為脈波的寬度調變，控制兩顆 馬達的正反轉、時間差和轉動速度等參數，芯片扮演重要的行動控制機能，車體的前進、后煺、轉彎等動作。
．Kinect骨架判斷
Kinect透過鏡頭即時擷取使用者的動作，之后并會接著解析相對應的指令。透過內建的紅外線VGA鏡頭發出主動式雷射，在Kinect可掃描的範圍內 藉由雷射反射過程判斷使用者位置，當使用者的身體部位識別完畢后，Kinect會將所擷取到的資料整理成一組骨架圖，藉此對應于相關應用。
使用Kinect本身的骨架辨識功能，能模擬出老人的骨架，讓主系統監控骨架與動作，判斷骨架是否出現或是下降；判斷特定動作，啟動特定的功能，如圖3為人體進入Kinect範圍時會出現骨架識別，進而做出不同指令動作。
圖3 機器人動作流程圖
．緊急簡訊傳送
當老人發生跌倒時，主系統接受跌倒指令數值判斷出Kinect所勾勒出的骨架是否下降或消失，并透過緊急簡訊功能，立即發送簡訊至子女的手機進行通知，家人在查看到簡訊后能立即開啟網路視頻服務，可于第一時間了解家中老人的狀況，并與老人進行對話。
此外，簡訊功能可指定手機號碼，且更改緊急聯絡人十分方便。
．臉書動態/互動視頻服務
當老人需要照護機器人進行觀看在外子女的動態或聯絡時，可透過手勢辨識，呼叫照護機器人過來至身旁，機器人可透過手勢動作判別進行臉書動態服務，可觀看子女在外打卡或上傳照片，也可利用網路攝影機及網路視頻功能與在遠方子女進行視頻對話，隨時知道彼此的消息。
執行完整測試項目 機器人實現更安全老人照護
圖3為該系統的動作流程圖，以微控制器（MCU）做為核心控制（圖4），進行數值運算與即時反應，利用微控制器的高運算處理速度來即時完成所有數值接收與指令，讓機器人不會因延遲而導致行動不順暢。
圖4 微控制器動作方塊圖
主系統芯片還須與其他硬件結構說明，以主系統芯片出發，達到所有模組相互結合的應用，進而完成智能型照護機器人的設計與實現。在實作過程中須進行仔細調整與測試的項目，包括直流馬達驅動控制、超音波定位角度追蹤、Kinect指令動作方向和機器人追隨安全距離。
．直流馬達驅動控制
為讓本系統達到行動照護，所以直流馬達是必定需要的，并使用馬達驅動器，控制起來只須調整脈衝寬度調變（PWM），以及馬達的正反轉、時間差和轉動速度等參數，就能讓照護機器人行動起來更加順暢（圖5）。
圖5 直流馬達測試及建置
利用測試方法讓馬達得以進行正反轉動作，再將完成的馬達驅動置于該作品底座，裡頭包含自行設計的電路板、配置電源及最重要的馬達驅動器等。
．超音波定位角度追蹤
為能讓機器人能自動追蹤人體，自行簡易設計出應用叁個超音波判斷距離與方向，再與伺服器馬達結合而形成的角度追蹤，透過偵測叁種方向，馬達就能精準追隨并停止。
．Kinect指令動作方向
該系統結合Kinect進行骨架與動作偵測，手勢動作則應用于開啟臉書動態服務于網路視頻功能，為方便開啟功能，進而測試手勢不同方向與動作。
．機器人追隨安全距離
為能讓跟隨老人并維持距離追蹤，以及Kinect角度偵判範圍，測試不同距離來決定能最精準且偵測到數值的車身與老人間距，分別測試50cm、80cm、100cm叁種不同距離。
圖6為該系統的正面擺設，其中包含筆記型電腦的放置，用來觀看視頻及骨架偵測觀察畫面。Kinect置于上方處，方便擷取整個骨架，并結合超音波進行人體追蹤，置放叁顆以擴大測量範圍。
圖6 照護系統正面硬件裝置配置
藉由跟隨功能達到即時監控，讓老人在家中能降低危險發生，并利用本身置物柜以放取老人日常生活用品，達到即時拿取的便利性，以最人性化且智能的方式照顧好老人，未來也將會增加更多功能，來讓服務更加完善。
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工商網監
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