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1、第二章 智能机器人构成原理,主讲：张涛Email:电话：办公室：1#实验楼1505,河南理工大学电工电子实验中心,第二章 智能机器人构成原理,物理学家来告诉我们,一、怎样制造智能机器人？,第二章 智能机器人构成原理,物理学家来告诉我们,一、怎样制造智能机器人？,Primary Objectives（基本目标）（一）Recognize the Environment（识别环境）（二）Learn on its own（自主学习）（三）Super-fast brain（超快大脑）（四）Versatile Body（多功能本体）,Primary Objectives（基本目标）（一）Recognize
2、 the Environment（识别环境）（二）Learn on its own（自主学习）（三）Super-fast brain（超快大脑）（四）Versatile Body（多功能本体）,第二章 智能机器人构成原理,一般可以分为硬件和软件两部分构成,二、智能机器人的构成,硬件,软件,第二章 智能机器人构成原理,从结构和功能上来分：,三、智能机器人的硬件构成,（一）Recognize the Environment（识别环境）（三）Super-fast brain（超快大脑）（四）Versatile Body（多功能本体）,第二章 智能机器人构成原理,（一）Recognize the En
3、vironment（识别环境）各种传感器来实现（机器感觉）,三、智能机器人的硬件构成,我们人类是通过眼睛来观察事物、耳朵来辨别声音、手脚来触摸事物、鼻子来辨别气味、舌头来感觉味道等，那机器人用什么来感世界呢？,第二章 智能机器人构成原理,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现（机器感觉）,三、智能机器人的硬件构成,1、碰撞传感器 碰撞传感器是使智能机器人有感知碰撞信息能力的传感器。也叫“限位开关”。,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,2、远红外传感器 远红外传感器将外界红外光的变化转化为电流的变化，在电阻上产生电压，通过A/D
4、转换器反映为01023 范围内的数值。外界红外光越强，数值越小。因此越靠近热源，机器人显示读数越小。根据函数返回值的变化能判断红外光线的强弱,从而能大致判别出热源的远近。,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,3、光敏传感器 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。大学版机器人智能机器人所用的光敏电阻的阻值在很暗的环境下为75，室内照度下几千，阳光或强光下几十。,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现,第二章 智能机器
5、人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,4、麦克风 麦克风(microphone)是能够识别声音声强大小的声音传感器。,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,5、光电编码器 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。,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,6、热释电传感器 热释电传感器对移动的人体热源敏感，可以探测几米外的人体。机器人装上1个或几个热释电传感器后，你可
6、以让他一看见你，就向你迎过来，让他跟着你走。,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,7、超声传感器 超声传感器是机器人测距的专业传感器，测量距离一般为20cm-6m，测量精度为1%，是测量声波发射与收到回波之间的时间差来测量距离的。,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,8、连续测距红外传感器 SHARP公司推出了创新的GP2D02/GP2D12连续测距红外传感器，测量范围为10cm-80cm
7、，参加灭火比赛时，用它来找房间门非常棒。,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,9、数字指南针 自主机器人的导航至今仍是世界性难题，借助数字指南针，可以使大学版机器人辨别方向。,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,10、温度传感器 想让机器人动态告诉你气温吗？加一个温度传感器是个好方法。,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现,第二章 智能机器人
8、构成原理,三、智能机器人的硬件构成,11、无线视觉传感器 用智能机器人来作移动的监视平台。你可以在上安装无线摄像头，把视频信号发射出来，用PC机接收后进行图象处理。,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,11、红外避障传感器 用来探测的不同方向的障碍物，可以使机器人有效的避开障碍物。,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现,第二章 智能机器人构成原理,三、智能机器人的硬件构成,还有各种各样的传感器，如火星车上的矿物质传感器，用来探测火星上的岩石的元
9、素，从而来推测火星上是否有水的存在；湿度传感器、烟雾传感器等等。总之，随着电子技术、纳米技术、控制技术、机械加工等科技的发展，传感器技术进一步发展，能够为智能机器人提供更多的先进的传感器，使其“感觉”更加丰富。,（一）Recognize the Environment（识别环境）各种传感器来实现,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）,三、智能机器人的硬件构成,我们人类是通过眼睛来观察事物、耳朵来辨别声音、手脚来触摸事物、鼻子来辨别气味、舌头来感觉味道等，把这些信息送到大脑里，进行判断处理，指挥我们的肢体进行相应的动作，那机器人用什么来进行思考呢？各种处理器,智
10、能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,处理器通常指微处理器、微控制器和数字信号处理器这三种类型的芯片。1、微处理器（MPU）通常代表一个功能强大的CPU,但不是为任何已有的特定计算目的而设计的芯片。这种芯片往往是个人计算机和高端工作站的核心CPU。微处理器在电路板上必须包含ROM、RAM、总线接口及这种外设器件，从而降低了系统的可靠性。ARM9以上和INTEL X86等。,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,2、微控制器（MCU）微控制器一般以某一种内核为
11、核心，芯片内部集成ROM、E2ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时、计数器、看门狗、GPIO、PWM、AD、DA、FLASH等各种必要功能和外设，实现嵌入式应用,故称单片机(single chip microcomputer)。为了更好满足控制领域的嵌入式应用,单片机中不断扩展满足控制要求的电路单元。目前,单片机已广泛称作微控制器（MCU）。ARM7、ARM CortexM3内核组成的芯片等。,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,3、数字信号处理器（DSPs）数字信号处理器（DSPs）里的CPU是专门设计用来极快地进行离散
12、时间信号处理计算的,比如那些需要进行音频和视频通信的场合。DSPs内含乘加器,能比其它处理器更快地进行这类运算。最常见的是TI的TMS320CXX系列和Motorola的5600X系列。,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,4、可编程控制器（PLC）可编程控制器(Programmable logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。说明的是PLC其实也是单片机做的，只是特殊的单片机专用的一类芯片），主要特点；稳定性高。缺点：价格高。,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brai
13、n（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,5、PC机计算机 直接用我们的计算机，来做为机器人的大脑进行复杂的数据处理，来控制机器人相应的动作。,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,目前我们常用的处理器有哪些呢？1、8051 单片机 最早有Intel公司推出8051/31类单片机,也是世界上使用量最大的几种单片机之一.由于Intel公司将重点放在186,386,奔腾等与PC类兼容的高档芯片开发上,8051类单片机主要有Philips,三星,华帮等公司接手.这些公司在保持与8051单片机兼容基础改善了8051的许多特
14、点.提高了速度,降低了时钟频率,放宽了电源电压的动态范围,降低了产品价格.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,2、Atmel 单片机 ATMEL 公司最令人注目的是它的EEPROM 电可擦除技术、闪速存储器技术。其生产的AT90系列是增强型RISC内载FLASH单片机,通常称为AVR系列.AT91M系列是基于ARM7TDMI 嵌入式处理器的ATMEL 16/32 微处理器系列中的一个新成员该处理器用高密度的16 位指令集实现了高效的32 位 RISC 结构且功耗很低.另外ATMAL的增强型51系列单片机目前在市场上仍然十
15、分流行,其中AT89S51/52十分活跃.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,3、Microchip 单片机 Microchip 单片机是市场份额增长最快的单片机.他的主要产品是 16C 系列 8 位单片机,CPU采用 RISC 结构,仅 33 条指令,运行速度快,且以低价位著称,一般单片机价格都在 1 美元以下.Microchip 单片机没有掩膜产品,全部都是 OTP 器件(现已推出 FLASH 型单片机).Microchip 强调节约成本的最优化设计,是使用量大,档次低,价格敏感的产品.,智能机器人构成原理,（三）S
16、uper-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,4、TI 公司的 MSP430 系列单片机 MSP430 系列单片机是由 TI公司开发的 16 位单片机。其突出特点是超低功耗，非常适合于各种功率要求低的场合。有多个系列和型号，分别由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。典型应用是流量计、智能仪表、医疗设备和保安系统等方面。由于其较高的性能价格比，应用已日趋广泛。,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,5、凌阳单片机 中国台湾凌阳科技股份有限公司(Sunplus Technology CO.
17、LTD)至力于8位和16位机的开发.SPMC65 广泛应用于家用电器、工业控制、仪器仪表、安防报警、计算机外围等领域。SPMC75 系列单片机自主知识产权的MSP（Microcontroller and Signal Processor）16 位微处理器SPMC75 系列单片机集成了多种功能模块：多功能 I/O 口、串行口、ADC、定时计数器等，以及 能产生电机驱动波形的 PWM 发生器、多功能的捕获比较模块、BLDC 电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口等特殊硬设，主要用于变频马达驱动控制。,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机
18、器人的硬件构成,6、Motorola 单片机 Motorola是世界上最大的单片机厂商,品种全,选择余地大,新产品多,在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08,8位增强型单片机68HC11,升级产品有68HC12.16位单片机68HC16也有十多个品种.32位单片机683XX系列也有几十个品种.近年来以PowerPC,Codfire,M.CORE等作为 CPU,用 DSP 作为辅助模块集成的单片机也纷纷推出,目前仍是单片机的首选品牌.Motorola 8 位单片机过去策略是掩膜为主,最近推出OTP计划以适应单片机的发展,在32位机上,M.CORE在性能和功耗上都胜过 ARM7.,智能机
19、器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,7、Zilog 单片机 Z8 单片机是该公司的产品,采用多累加器结构,有较强中断处理能力.产品为 OTP 型,Z8 单片机的开发工具可以说是物美价廉.Z8 单片机以低价位的优势面向低端应用,以18引脚封装位主,ROM 位 0.52KB.最近 Zilog 公司又推出了 Z86 系列单片机,该系列内部集成廉价的 DSP单元.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,8、Scenix单片机 Scenix单片机(Ubicom公司)的I
20、/O模块最有创意.I/O模块的集成与组合技术是单片机技术不可缺少的重要方面.除传统的I/O功能模块如并行I/O,URT,SPI,I2C,A/D,PWM,PLL,DTMF等,新的I/O模块不断出现,如USB,CAN,J1850,最具代表的是Motorola 32 位单片机,它集成了包括各种通信协议在内的I/O模块,而Scenix单片机在I/O模块的处理上引入了虚拟I/O的概念.Scenix单片机采用了RISC结构的 50MHz CPU.单片机的封装采用 20/28 引脚.公司提供各种I/O的库函数,如多路UART,多种A/D,PWM,SPI,DTMF,FSK,LCD驱动等,这些都是通常用硬件实现
21、起来相当复杂的模块.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,9、NEC单片机 NEC 单片机自成体系,以 8 位机 78K 系列产量最高,也有 16 位,32 位单片机.16 位单片机采用内部倍频技术,以降低外时钟频率.有的单片机采用内置操作系统.NEC 的销售策略注重服务大客户,并投入相当大的技术力量帮助大客户开发新产品.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,10、东芝单片机 东芝单片机从 4 位倒 64 位,门类齐全.4 位机在家电领域仍有较大市场.
22、8 位机主要有 870 系列,90 系列等.该类单片机允许使用慢模式,采用 32KHz 时钟功耗低至 10uA数量级.CPU 内部多组寄存器的使用,使得中断响应与处理更加快捷.东芝公司的32位机采用MIPS3000 ARISC的 CPU结构,面向 VCD,数字相机,图象处理市场.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,11、富士通单片机 富士通也有 8 位,16 位和 32 位单片机,但是 8 位机使用的是 16 位的 CPU 内核.也就是说 8 位机与16位机指令相同,使得开发比较容易.8位机有名是MB8900系列,16位
23、机有MB90系列。富士通注重服务大公司,大客户,帮助大客户开发产品.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,12、Epson 单片机 Epson(日本爱普生)公司以擅长制造液晶显示器著称,故Epson单片机主要为该公司生产的LCD配套.其单片机的LCD驱动做的特别好.在低电压,低功耗方面也很有特色.目前0.9V供电的单片机已经上市,不久 LCD显示手表将使用 0.5V供电.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,13、NS单片机 COP8 单片机是美国国家
24、半导体公司的产品,该公司以生产先进的模拟电路著称,能生产高水平的数字模拟混合电路.COP8 单片机内部集成了 16 位 A/D,这在单片机中是不多见的.COP8单片机内部使用了 EMI 电路,在”看门狗”电路以及 STOP 方式下的唤醒方式都有独到之处.此外,COP8 的程序加密也做的非常好.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,14、STC 单片机 STC单片机完全兼容51单片机,并有其独到之处,其抗干扰性强,加密性强,超低功耗,可以远程升级,内部有 MAX810 专用复位电路,价格也较便宜,由于这些特点使得 STC 系
25、列单片机的应用日趋广泛.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,15、三星单片机 三星单片机有 KS51 和 KS57 系列 4 位单片机,KS86 和 KS88 系列 8 位单片机,KS17 系列 16位单片机和KS32系列32位单片机,三星还为ARM公司生产ARM单片机,常见的S344b0等.三星单片机为 OTP型 ISP 在片编程功能.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,16、华帮单片机 华帮单片机属于8051类单片机,它们的W78系列与标准的8
26、051兼容,W77系列为增强型51,对8051的时序做了改进.同样时钟下速度快了不少.在4位机上华帮有921系列,带LCD驱动的 741 系列.在 32 位机方面,华帮使用了惠普公司 PA-RISC 单片机技术,生产低位 32 位 RISC单片机.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,17、SST 单片机 美国 SST 公司推出的 SST89 系列单片机为标准的 51 系列单片机,包括 SST89E/V52RD2,SST89E/V54RD2,SST89E/V58RD2,SST89E/V554RC,SST89E/V564RD
27、等.它与8052系列单片机兼容.提供系统在线编程(ISP 功能).内部 flash 擦写次数 1 万次以上,程序保存时间可达 100年.,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,单片机应用领域汇总 1.用图象传感器测量线才系统 2.卫星电视的串口模拟SPI、I2C的应用，如雷达录取的数据传送。3.直接与AD芯片配合进行各种数据传感器配合。4.利用单片机与PC机的232通讯进行控制，单片机为控制对象。5.通过IC卡、单片机、PC机构成的各种收费系统。6.通过单片机控制各种步进电机完成工控任务系统 7.通过单片机控制各种电慈设备完
28、成工控任务系统（如程控交换系统）8.可应用在电机的变频技术上的控制领域中。9.各种测量工具如水位尺，它在水文上的应用很普及。,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,单片机应用领域汇总 10.大型指针钟控制器，主要根据时间控制电机带动指针。11.电子配料控制仪，基于小型生产的自动或半自动控制，如控制上料、搅拌等 12.用定时器和捕获功能进行某一系统的检测。可提供报警、控制等。如水位控制、温度控制，全自动洗衣机等。13.电子称重计 14.教学用仪器、医疗仪器。15.由单片机构成的霓虹灯控制器。16.在刚的热处理中采用热磁仪测量。
29、,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,单片机应用领域汇总 17.各种金属探伤仪器。18.矿山生产智能监测仪。19.煤矿的产煤计数器 20.汽车安全系统 21.智能玩具 22.用超声波测量江河水位 23.交流电监测仪 24.消防系统报警监测仪 25.各类水表、电表,智能机器人构成原理,（三）Super-fast brain（超快大脑）各种处理器,三、智能机器人的硬件构成,总之，单片机技术使用范围广，在各种仪器仪表生产单位、石油、化工，纺织、机械的加工等各个行业中都有广泛的应用。随着机器人的技术的发展，单片机也就用到机器人中，
30、为它们提供“强大的大脑”。,智能机器人构成原理,（四）Versatile Body（多功能本体）,三、智能机器人的硬件构成,机器人通过各种传感器把外部信息传给它的大脑（各种处理器），进行判断处理，对应的输出给它的各个执行机构（器件）等。本体包括有什么呢？机器人的外形，内部支撑（骨骼），执行机构（肌肉）。机器人的应用场合各不相同，所以它的本体结构也不同。,智能机器人构成原理,（四）Versatile Body（多功能本体）,三、智能机器人的硬件构成,救援机器人,智能机器人构成原理,（四）Versatile Body（多功能本体）,三、智能机器人的硬件构成,智能机器人构成原理,（四）Versati
31、le Body（多功能本体）,三、智能机器人的硬件构成,军用昆虫机器人,智能机器人构成原理,（四）Versatile Body（多功能本体）,三、智能机器人的硬件构成,水下6000米无缆自治机器人,智能机器人构成原理,（四）Versatile Body（多功能本体）,三、智能机器人的硬件构成,爬缆索机器人,智能机器人构成原理,（四）Versatile Body（多功能本体）,三、智能机器人的硬件构成,蛇形机器人,智能机器人构成原理,（四）Versatile Body（多功能本体）,三、智能机器人的硬件构成,还有飞鸟、鱼形等的机器人，根据其功能的不同，要设计出不同的本体。未来可能还会有也细胞大小
32、的本体，可以灵活的构成不同形态的机器人。,智能机器人构成原理,机器人从结构和功能上来分：,四、智能机器人的软件构成,（一）Recognize the Environment（识别环境）（二）Learn on its own（自主学习）（三）Super-fast brain（超快大脑）（四）Versatile Body（多功能本体）,智能机器人构成原理,Learn on its own（自主学习）,四、智能机器人的软件,各种机器人都有自己的“大脑”处理器，那么每种处理器，都有其对应的编程软件。它的“自主学习”，其实是算法，也就是程序。现代的控制理论有很多，比如“人工神经网络”，“模糊控制”，“专家系统”等等。可以自学习的主要是“人工神经网络”。,
