基于闭环控制策略的智能机器人模块化设计与制作

摘要

我们提出了一种智能机器人模块化设计与制造的方案，旨在帮助科研与技术人员根据个人需求及个性化设计，开发适用于特定生产任务的智能机器人。

摘要

智能机器人是新一代机器人的组成部分，能够感知周围环境、自主规划行动，并最终实现目标。近年来，机器人在日常生活和工业中的应用日益增加。本文提出的方案描述了一种具备智能搜索算法和自主识别功能的搬运机器人的设计与制作过程。

首先，将各个工作模块进行机械组装，完成工作平台的构建及机械臂的安装。然后，在调试软件的辅助下，设计闭环控制系统和四象限电机控制策略，并设置舵机身份（ID）、波特率及其他工作参数，以确保机器人达到预期的动态性能和低能耗。接下来，调试传感器以实现多传感器融合，准确获取环境信息。最后，实现相关算法，以识别机器人在特定应用中功能执行的成功与否。

该方法的优势在于其可靠性和灵活性，用户可开发多种硬件构建程序，并利用全面的调试器来实施智能控制策略。这使得用户能够根据自身需求高效且稳健地设定个性化要求。

引言

机器人是融合了机械学、电子学、控制学、计算机、传感器和人工智能等多个学科知识的复杂智能设备^1,4。由于机器人在执行重复性或危险性任务方面具有优势，其在工作场所中正越来越多地辅助甚至取代人类，尤其是在工业生产领域。本研究中智能机器人方案的设计基于闭环控制策略，具体采用遗传算法进行路径规划。此外，功能模块已进行了严格划分^3,4，这可能为未来的优化工作提供坚实基础，使机器人具备较强的升级能力。

机器人平台的模块化实现主要基于以下方法：电机控制模块中的多维组合控制策略^5,6，以及优化算法模块中基于遗传算法的智能探索。

我们在电机控制模块中采用直流电机的双闭环控制和四象限电机运行。双闭环速度控制是指速度调节器的输出作为电流调节器的输入，从而实现对电机电流和转矩的控制。该系统的优点是能够根据给定速度与实际速度之间的偏差实时调节电机转矩。当给定速度与实际速度的偏差较大时，电机转矩增大，使转速更快地变化，从而迅速趋近于给定值，实现快速调速⁷<....

方案

1. 机器的构建

1. 按照图示组装底盘，使用合适的紧固件固定机械部件。（图1）
   注意：底盘包含底板、电机、车轮等，是机器人实现运动的主要部件。因此，在组装过程中，应保持支架平直。
2. 对导线引线以及正负电极进行镀锡处理。将两根导线分别焊接到电机的两端，红色导线连接正极，黑色导线连接负极。
3. 组装轴套、电机和车轮。
   1. 将电机与轴套连接，并用螺丝固定。
   2. 将轴套插入轮毂中心。
   3. 将组装完成的结构安装到底盘上。
4. 在底盘中心钻两个直径为 3 mm 的孔，用于安装电机驱动模块。将电机连接至电机驱动模块。
5. 在底盘左右两侧边缘各 1 cm 处钻一个孔，用于在底部安装红外传感器支架。
6. 在底盘两侧中心位置安装两个紧固件。
   注意：为确保红外传感器正常工作，应保证连接件与底盘垂直。
7. 在两个结构件上分别钻一个直径为 18 mm 的孔，用于安装传感器。（图2A）
8. 将电机驱动器安装在底盘下方。（图2B）在底盘的四个方向分别安装一个朝向对应方向的红外传感器。（....

结果

在双闭环运动控制程序的示意图中，紫色表示给定的速度信号，黄色表示控制系统的输出值。图17 明确显示，双闭环控制系统明显优于开环系统。双闭环系统输出的实际超调量相对较小，系统的动态性能更优。（图17）

图18 显示了机器人在不同波长反射光影响下的颜色识别准确率。在实际应用中，由于光照条件的不同，目标物体反射光的波长会在一定范围内波动。为了检测机器的颜色识别准确性，在黄光（565–595 nm）和红光（625–740 nm）波长范围内进行了测试。若相机返回值为1，则表示颜色识别准确。在585–593 nm范围内，相机对黄光的识别准确率超过90%，而在此范围之外，准确率迅速下降。类似地，在660–700 nm范围内，红光识别准确率超过90%，而在该范围之外，准确率也迅速下降。测试结.......

讨论

本文设计了一种可自主构建的智能机器人。通过将多个软件程序与硬件集成，实现了所提出的智能搜索算法和自主识别功能。在本方案中，我们介绍了配置硬件和调试智能机器人的基本方法，这些方法可帮助用户设计出适合自己需求的机械结构。然而，在实际操作过程中，必须注意结构的稳定性、工作范围、自由度以及空间利用率，以确保这些参数满足要求。合理的机械结构能够保证机器人具有高精度、高灵活性和高鲁棒性。对于复杂机械结构的设计，用户可结合 Adams 等软件建立仿真模型，并应用虚拟样机技术，从而排除不符合技术要求或在机械上不可行的设计方案。

一个潜在的问题是机器人无法准确实现其预期功能。这主要可能源于两个原因。第一个原因是传感器无法满足要求。例如，在首次测试中，本研究中的清洁机器人无法成功将障碍物推出工作区域，这是因为设备上的红外传感器探测范围较窄，导致机器人在检测到障碍物时无法实现所需的加速度。该问题可通过增加红外传感器的探测范围来解决。为解决此类问题，可能需要根据具体情境或应用对传感器进行更深入的调试。第二个原因是所选电机无法满足性能要求。在选择电机时，必须在预算范围内优先考虑具有合适启动性能、运行稳定且噪.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
结构部件	UPTECMONYH HAR	L1-1
结构部件	UPTECMONYH HAR	L2-1
结构部件	UPTECMONYH HAR	L3-1
结构部件	UPTECMONYH HAR	L4-1
结构部件	UPTECMONYH HAR	L5-1
结构部件	UPTECMONYH HAR	L5-2
结构部件	UPTECMONYH HAR	U3A
结构部件	UPTECMONYH HAR	U3B
结构部件	UPTECMONYH HAR	U3C
结构部件	UPTECMONYH HAR	U3F
结构部件	UPTECMONYH HAR	U3G
结构部件	UPTECMONYH HAR	U3H
结构部件	UPTECMONYH HAR	U3J
结构部件	UPTECMONYH HAR	I3
结构部件	UPTECMONYH HAR	I5
结构部件	UPTECMONYH HAR	I7
结构部件	UPTECMONYH HAR	CGJ
连接组件	UPTECMONYH HAR	LM1
连接组件	UPTECMONYH HAR	LM2
连接组件	UPTECMONYH HAR	LM3
连接组件	UPTECMONYH HAR	LM4
连接组件	UPTECMONYH HAR	LX1
连接组件	UPTECMONYH HAR	LX2
连接组件	UPTECMONYH HAR	LX3
连接组件	UPTECMONYH HAR	LX4
舵机结构组件	UPTECMONYH HAR	KD
舵机结构组件	UPTECMONYH HAR	DP
红外传感器	UPTECMONYH HAR	E18-B0	数字传感器
红外 测距 模块	SHARP	GP2D12
灰度传感器	SHARP	GP2Y0A02YK0F
proMOTION CDS	SHARP	CDS 5516	机器人舵机
电机驱动模块	Risym	HG7881
焊锡丝	ELECALL	63A
端子	Bright wire	5264
电机	BX motor	60JX
摄像头	Logitech	C270
钻孔机	XIN XIANG	16MM	请注意安全
焊接台	YIHUA	8786D	小心 烫伤 风险 ， 注意防护
螺丝刀	EXPLOIT	043003
镊子	R`DEER	RST-12