【原创】漫话机器人

文/简浩

机器人的技术含量显示一个国家的工业设计水平，透视着工业高新技术装备水平和自动化、智能化、信息化、电子化、机械化的综合制造水平，我们的高端智能机器人和产业机器人的应用还薄弱。

机器人按用途可分为：玩具机器人、实验机器人、工业机器人、救援机器人、探险机器人、反恐机器人、服务机器人、无人驾驶汽车机器人、无人驾驶飞机机器人、无人驾驶战车机器人、高端智能机器人和军事机器人等，另外还分为：有线机器人与无线机器人，移动机器人与固定机器人。机器人大致以下几部分或几个系统：

1.微处理器（CPU）部分。包括：微处理器、微控制器单片机（PC）、电子存储器。（核心技术）

1.1.微处理器适用于无人驾驶汽车机器人、无人驾驶飞机机器人、无人驾驶战车机器人，便于处理大数据、扩展功能接口和提高处理速度。玩具机器人不用单片机。

1.2.单片机适用于较复杂的工业机器人，根据执行动作指令的多少选择低功耗、功能强大的单片机芯片，实验机器人可选择ATmega48即可，工业机器人选择MSP430-48引脚、msp430f1471-64引脚、msp430f1491-64引脚、msp 430-64 引脚、msp430U5x100等。

1.3.电子存储器，存储和读取速度快，选择非易失静态存储器（SRAM）和闪速存储器（FLASH），用于软件程序庞大需要外部存储读取。与微处理器联接的系统运转存储器也可选择“只读存储器”，比如24AA02，避免数据丢失或误写入，确保微处理系统运行安全。

1.4.高端智能机器人使用很多CPU微处理器，用作逻辑运算和逻辑判断的延伸控制。据说“阿尔法狗”（AlphaGo）目前使用了约170个图形处理器（GPU）和1200个中央处理器（CPU），这些设备可能需要占用一个机房，还要配备大功率的空调，以及多名专家进行系统维护。中国的科学家宣称，AlphaGo将来如果换成中国研制的深度学习模式的“寒武纪”架构芯片，只有一个小盒子那么大，将人工智能提高到新的水平。

2.软件程序部分。机器人的核心，控制、执行与智能的灵魂。（核心技术）

2.1.根据功能与执行运算编写程序，一般有软件循环部分，也可随时修改和重新烧写微控制器芯片内的操作、执行数据设置，也可通过串口通讯或扩展操作面板进行编程设置。

2.2.特殊用途的机器人，系统软件还要滚动加密，比如汽车机器人、飞机机器人。

2.3. 高端智能机器人的神经网络编程，深度学习编程实际就是使用了大量的逻辑电路与排列组合的神经网络逻辑判断程序，甚至把三千万以上的排列组合的逻辑判断，通过神经网络软件进行自动择优选通。人虽然聪明编制了逻辑软件，但人会有瞬间模误，而智能机器人则不会失误，那是因为事先已由人编程很多的择优排列组合供享用，如果使用量子计算机，择优排列组合更为巨大，人真的就更不能跟机器人相比了，但人永远比机器人聪明，而机器人的聪明是人事先预料编程好的，然而，一个人单位时间内的择优排列组合却没有机器人那么巨大。

3.界面操作或面板操作控制部分。

无人驾驶汽车机器人、无人驾驶飞机机器人、无人驾驶战车机器人和复杂工业机器人需要电脑软件操作界面，便于复杂精确的操控，而一般工业机器人只需面板操作控制就够了。

4.执行部分。包括：电子负载开关执行、中间继电器执行、交流接触器执行。

4.1.电子负载执行，体积小、简易可靠，单片机定义某脚输出高电平即驱动电子“负载开关”的ON脚，Vout输出就可驱动工业机器人用小型中间继电器和实验机器人马达，比如：tps22960双路负载开关、tps22924b单路负载、LM4570电动机驱动、tpl9201八路驱动。

4.2.中间继电器执行，选用电子“负载开关”导通小型、低功率、低电压的中间继电器线圈吸合，使继电器的常开触点接通高压220V，然后接通动作部分的气动需要电控的电源，或接通交流接触器的高电压线圈，驱动高电压、大电流的负载电器。比如宝马汽车自动化生产线的工业机器人自动电焊、气焊点火系统（flc01工业点火电极）或大功率数控马达。

4.3.假如中间继电器吸合抖动不稳定，可选用比如MOC3020光耦晶闸管、ACST6交流开关ACS102-6T、x02可控硅、NGB8202N-D绝缘门双极晶体管，替代继电器驱动电控。

4.4.交流接触器执行，利于连接大功率的负载执行，完成以小控大的平安过度控制。由单片机驱动→电子负载开关→中间继电器执行→交流接触器执行→大功率的负载。

5.行走与运动部分。包括：数控几轴联动运动部分、导轨运动部分、自由运动部分。

5.1.数控联动，数控电机运动驱动，稳定精确、可靠平稳， X轴前后运行，Y轴左右运行，Z轴上下运行，还可以5轴联动,步进电机由专用单片机负责数控驱动。数控联动适用重工业自动化生产线、大抓力、大型机械臂或有导轨行走和运动的机器人，步进电机运行速度在工作前已设定。最好按功能采用航空插头件连接模块化电路板（PCB），便于检测修换。

5.2.导轨运动部分，导轨一般采用工字钢(小火车轨)，负荷机器人及机械臂的行走，作往返重复运动，行走速度要付合机械工作完成时间而定。

5.3.自由运动，主要是不确定路线行走，采用辐射轮（根据环境选择轻质、抗腐蚀、宽温度的材料，比如钛合金）、橡胶轮或履带轮，根据用途、自身重量、工作环境而定。

6.无线发射与接收部分。大多数采用ASK/OOK调制收发电路，发射与接收使用转换开关。

6.1.一般实验机器人遥控距离短（100米），采用nRF905现成的收发模块,收发模块留有双排14脚插针，与单片机电路板焊接即可，模块各引脚定义可参看资料。这种收发模块的工作频率在无线电管理允许的业余波段，不会引起有害干扰。nRF905收发模块还可编码四位数据地址，既使很多同类收发器机器人同时工作，互不干扰。

6.2.无线遥控距离长的比如无人飞机机器人，①.扩展发射功率；②.采用高线性度、低噪声系数、输入输出匹配和带有缓冲器的上下变频器及混频器；③.最好发射与接收分开，避免射频干扰（RFI），提高数据收发速度和抗干扰性能（EMS）。

7.无线比例遥控部分。玩具机器人使用本电路，工业机器人也可使用其中部分比例遥控。

8.通讯（SPI）部分。包括：RS232通讯、通用串行总线（USB）通讯。

8.1.机器人与计算机之间的往来通讯都以ASCⅡ码实现，意味着计算机能以任何高级语言编程。所有机器人的命令与执行设置数据单元，都能通过不同的命令与计算机进行数据传送，计算机也能通过工号解密进入控制权转移的方法，直接操作执行设置数据单元。

8.2.定义串行RS232通信输入/输出口，编写通用识别的双向通讯协议（DE）软件部分。

8.3.串行数据输入/输出（I/O口）最好有抗干扰屏蔽接公共地(GND)保护。

8.4.工业机器人和无人驾驶机器人需要多个串行通讯接口，便于通讯设置。工业机器人最好有接收授时电台的“秒表授时”通讯接口，利于多台机器人统一时间，防止时间误差，使生产流水线上下工位的各机器人机械臂联动的动作时间始终确保衔接准确协调。

9.软件编程操作部分。液晶屏显示，数字键盘和命令按键。1s（秒）=1000 ms（毫秒)

9.1.软件编程操作的键盘命令需要密码设置，打开密码才能编程操作设置或修改动作设置数据，操作程序：解密→进入某动作频道→显示现在动作时间（ms毫秒）→删除→写入→保存→操作完毕命令“确认”。还可实现机械臂或操作杆多动作自动化顺序联动编程。

9.2.软件编程操作仅适用生产流水线的工业机器人多以固定为主，也可适用短距轨道往返行走，由机械臂执行几个重复动作。宝马汽车生产线机器人的动作联动机械臂设置就如此。

10.电源部分。包括：锂电池电源、直流（DC）电源、交流(AC)电源。

10.1.实验机器人和野外移动机器人需要锂电池电源，多用手机电池和电脑电池电瓶车电源，便于通用充电器和统一接口。工业机器人使用24VDC开关电源模块，方便测试修换。

10.2.直流电源和交流AC电源多用于工业机器人，国际规定工业电源统一使用24VDC。

11.电机部分。包括：直流电机、交流电机、数控电机、变速部分。

11.1.实验机器人用直流电机行走或驱动，工业机器人用数控电机（马达）。

11.2.使用步进电机最好单独再用一个单片机（从机）设置数显、键盘。可与单片机（主机）对话通讯设置。可使用drv8811步进电机控制器芯片与单片机（从机）通讯联接。

12.动作部分。包括：气动部分、电动部分、油压导杆动作部分。

12.1.气动部分适用动作力度轻的可联续各种动作的工业机器人机械臂，动作速度稍慢，柔性好，没有撞击震动，但需电控导通气动阀门才能动作执行，由小型高压气泵供气。

12.2.电动部分有24VDC或市电220VAC供电，看气动电控阀说明。上述4.2.节有描述。

12.3.油压导杆动作系统适用无人飞机和无人运动车的操作杆和无人飞机起落架导杆。计算重力选择高压油泵机提供油压。动作抓点要有瞬变电压抑制(TVS)和静电保护（ESD）。

12.4.还有智能变频调速器用于机器人的行走运动部分。

13.摄像部分。可选用全景相机或红外夜视摄像机。

可以是固定的摄像，也可选择小型步进电机（小型打印机里有）带动旋转的摄像头。

14.传感器检测与GPS定位部分。选用低功耗的模/数转换ADC，主机PC也有自带ADC。

传感器比如测距超声雷达、有害气体传感、核辐射传感探测、LSM303DLH数字罗盘等。

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