摘要：伴随着我国社会经济的不断进步，传统制造技术已经跟不上时代发展的步伐，尤其是工业制造产业在当前阶段面临着巨大的挑战，而人工智能技术的发展和创新，则给传统制造行业带来了新的发展机遇。工业机器人作为智能制造技术的代表，其有着占地面积小、利用效率高的优势，受到了人们的青睐，也越来越多的被应用到各行各业之中。下面小编整理了一些《家居服务机器人工业设计论文(精选3篇)》，仅供参考，希望能够帮助到大家。
家居服务机器人工业设计论文 篇1：
智能制造时代的工业机器人发展新趋势探索
摘要：现阶段我国智能创造时代下的工业机器人发展，为工业行业的长远健康发展做出了巨大的贡献，显著提高了工业作业能力及效率，而且环境适应性强，极大的減少了以往依赖人力进行工业生产所致的各类安全事故，所以工业行业需要对于工业机器人的发展新趋势加强研究，促使相关的专家学者可以对工业机器人使用功能作以提升，使得工业机器人未来可以更好地为工业生产提供服务。基于此本文对工业机器人的相关内容进行了概述，并对智能制造环境下的工业机器人发展新趋势从两个方面作以了深入分析，希望可以为我国未来的智能制造业发展、工业机器人研发利用工作的高质量开展提供指导。
关键词：智能;制造;工业;机器人;发展;趋势
近年来在社会经济的快速发展之下，我国的制造能力也随之获得了很大的提升，结合各行各业生产活动开展的需要，生产制造出了大批产品，其中工业机器人便是重要的一种，融合有多项先进技术，在多类型的工业企业生产作业中有应用，促使工业生产质量、效率和之前相比较有着质的飞跃，因此工业机器人需要在后续的工业生产作业中大力进行应用和推广，与此同时研究人员还要对工业机器人应用成效及缺陷不足作以调查分析，之后对于工业机器人做好优化改进研究，最终使得工业机器人的利用有效性逐步增加，良好的为工业产业发展作贡献。
一、工业机器人的构成与类型
对于工业机器人构成情况进行研究分析，可知主要包括三方面，即操作机、驱动装置、控制系统，这几个部分组成后且在共同发挥作用之下，便可以确保工业机器人有效发挥使用价值，其中操作机在使用时可以发挥出与人的手臂相类似的功能，驱动装置在利用时主要发挥着供给动力的作用，和操作机相连接之后确保操作机工作期间的动力充足，控制系统在工作过程中主要对设备动作加以控制，促使机器人可以依照指令直接发出需要的动作。工业机器人类型可采用下列方法进行分类，其一为控制方式分类法，依据该法可将工业机器人分为连续轨迹控制、点位控制两类，前者使用时可完成检测或者焊接等工业生产活动，后者机器人应用时可完成搬运、点焊等生产工作;其二为驱动方式分类法，可将工业机器人划分为电力驱动机器人、气压驱动机器人、液压驱动机器人，电力驱动机器人使用时可通过交流或直流伺服电动机开展工作，气压驱动机器人工作期间具备构造简单、成本低廉及工作效率高等优势，液压驱动机器人应用在工业生产当中具有较强的抓取能力、防爆性能;因此基于上述工业机器人的分类情况，需要工业行业的企业在具体利用工业机器人可以结合生产活动开展需要做出合理的机器人选择。
二、智能制造时代的工业机器人发展新趋势
当前我国的制造业在发展期间，充分吸取以往进行该产业发展的经验教训与当前最新的发展理念、技术，作以了智能制造业的发展，促使我国制造业的现代化发展水平显著提升，所以在此种制造业发展背景之下，需要工业行业对于工业机器人加强未来发展趋势的研究，从而引导工业机器人研发制造企业能够设计制造出相应的机器人，未来为工业行业发展提供更加优质的服务。
1.更加智能的机器人
工业机器人更加智能为相关机器人未来发展的一大主要趋势，具体而言为常规情况下工业生产当中使用的工业机器人可以在固定设置的地方通过计算机控制，结合程序指令进行特定生产作业任务的有效完成，有着极高的工作效率，相关工业产品的加工制造精度高，但是结合未来工业生产的需要，可以了解到当前使用的机器人在感知作业环境、人机互动等方面，还有着较多的欠缺，因此在未来进行工业机器人研发制造时，需要科研人员做好下列工作：对于工业机器人的特性做进一步的提升优化，也就是需要工业机器人在利用过程中除了可以在工业领域内利用外，还可以在其他行业内进行有效的利用，并且机器人工作期间自身可以与其他的智能设备作以连接，之后进行相关智能作业信息的有效共享，还需要研发人员对其作以智能人机交互界面的设置，促使机器人在作业时人们可以直接在交互界面之上进行操作， 确保机器人能够更加高效的开展活动;对于工业机器人进行更加智能化的设计研发期间，需要工作人员对于工业机器人拾检不同物品的能力进行优化设计，以往工业机器人进行物品拾检时主要通过设置的程序来完成工作，而且仅可以对单一物品进行拾检，作业效率相对而言还有待提升，因此提示设计人员可以对工业机器人在不作以专门拾检物品程序设计的基础上进行机器人捡取不同物品能力的提升，例如目前谷歌集团便在大力进行六轴机器人捡起多种物体的研发。
2.与人类协作、互动的机器人
工业机器人在现阶段的使用中与人们的协作互动较少，这就要求研究人员能够在之后朝着与人类协作互动机器人有效研发的目标不断进行探索，做好此种新型机器人的研发工作。新型工业机器人在研发时需要对机器人智能化的了解工作环境能力进行提升，并且要强化机器人与人类互动的能力，从而使得机器人在工业行业利用时的安全性大大提升，操作便捷性提升，而且机器人可以灵活的在作业环境中穿梭，最大化的节省空间。总结与人类协作互动能力强机器人的市场需求情况，可知当前在工业、医疗、农业、家居、物流等多个方面均对该种新型的智能机器人有着极大的需求，其中在家居领域内，借助于新型的机器人，可以帮助人们更好地开展家庭劳动，提升人们的生活质量，促使人们有着充足的时间从事更感兴趣的生产生活活动;在农业领域，由于目前我国正在大力进行现代化农业发展，在此期间使用了较多的机械化设备，那么为了进一步提升农业发展成效，则需要采用更加智能、能够和人类进行协作互动的机器人进行农业生产，促使现代化农业生产活动取得满意的结果;在物流方面，由于我国当前的物流业发展迅猛，相关货物运输、装卸时需要使用大量的人力资源，由此产生的成本非常高，所以借助于智能机器人可以良好的开展物流运输工作，尤其是一些难以利用人力进行装卸的货物，直接采用机器人便可以方便快捷且低成本进行作业，显著降低物流行业发展的成本，不断增加盈利;在医疗行业，可以通过智能机器人完成一些精细化的手术，促使手术成功率大大提升，还可以在医院收治传染病患者时或者是对环境洁净度要求较高的重症监护室收治患者时，同样可以采用具备较强与人协作互动能力的机器人，便可以保质保量的完成患者疾病诊治工作，患者最终的疾病治疗结果好，可以尽快康复出院，发生院内感染的风险小;在工业领域，在工业生产作业期间，部分企业加工制造的产品属于精密仪器，或者部分产品的加工制造环境危险性高，如果一直使用人工手段进行加工制造，那么容易出现产品生产质量不高、作业人员伤亡事故，所以可以利用与人类协作互动强的机器人便可以良好的规避这些生产作业风险，确保工业生产活动有效进行。
结语
工业机器人在当前我国的社会经济发展中有着较多的应用，而且取得了理想的应用效果，所以需要工业领域当中的诸多企业在未来的经营发展中，坚持创新发展的眼光，充分利用多种先进的科学技术，不断加强工业机器人及其应用的研究，结合工业机器人在智能制造大环境之下的发展趋势，有效提升机器人的各方面水平，确保智能机器人在行业应用过程中发挥出最大的价值，促使企业相关企业的经营发展实力得到极大的提升。
参考文献：
[1]谢桥. 智能制造时代工业机器人的应用前景研究[J]. 科技经济导刊， 2019， 27（03）：42-43.
[2]董鹏. 智能制造已是制造业的主流趋势[J]. 电器工业， 2015（04）：45-46.
作者：陆宏飞
家居服务机器人工业设计论文 篇2：
工业机器人在智能制造中的应用浅析
摘要： 伴随着我国社会经济的不断进步，传统制造技术已经跟不上时代发展的步伐，尤其是工业制造产业在当前阶段面临着巨大的挑战，而人工智能技术的发展和创新，则给传统制造行业带来了新的发展机遇。工业机器人作为智能制造技术的代表，其有着占地面积小、利用效率高的优势，受到了人们的青睐，也越来越多的被应用到各行各业之中。本文研究和探讨了工业机器人在智能制造中的实际应用，并对未来工业机器人的发展趋势做了一些展望。
關键词： 工业机器人;智能制造;工业制造
Key words： industrial robot;intelligent manufacturing;industrial manufacturing
0 引言
工业机器人具有安全高效、自动化程度高等诸多优点，其出现彻底突破了我国传统工业制造行业的局限性，为智能制造在制造业当中的应用开辟了一条新的路径。由于我国对工业机器人的研究起步较晚，相比于西方发达国家还有着不小的差距，但对于我国工业机器人技术的不断完善和创新将会为传统制造业带来颠覆性的变化，使得“中国制造”向着“中国智造”的方向转变。因此只有不断加强对人才的培养和技术的研发，才能够为智能制造的快速发展打下良好的基础。
1 工业机器人相关概念
机器人是工业智能化发展的产物，它能够模仿人类的动作和思维模式，并通过接收到人类设定的相关指令来完成各种高难度、高风险、高精度的操作任务，从而提高了人们工作的效率和安全性[1]。随着我国经济的不断发展，机器人应用的范围和领域也在不断的扩大，从最开始的工业生产发展到现在已经涉及到家居智能、物流仓储以及交通运输等各个行业。以工业生产为例，工业机器人相比于人类具有以下几个特点：首先是大脑，它是人类的神经中枢和司令部，发挥着调节和支配身体各项技能的重要作用，对于机器人来讲，它的大脑指的是自动控制程序，并通过设定相关参数和发送具体指令来指示机器人完成任务。其次是身体，机器人的身体指的是其所具有的结构形态，根据行业不同和功能的不同，机器人所具有的形态结构也会存在着很大的差异。最后是机器人的动作效率，这也是工业机器人能够进行工作的关键，在现阶段工业领域中，对于机器人应用最多的是机械手臂和机械装置，例如：运输机器人、焊接机器人等。焊接机器人主要应用在汽车制造行业中，其能够高标准的完成人工操作的电弧焊和氩弧焊等，且具有工作效率高和焊接质量好等优点;而运输机器人则主要应用于仓储物流领域，在货物搬运以及分拣等方面有着广泛的应用，也可以被应用到一些偏远以及人工操作困难的工作当中，以代替人类的工作。
2 工业机器人的优势
随着对工业机器人技术的不断创新和研究，再加上对控制系统和感知系统的完善和优化，使得以机器人和智能制造系统为主的无人操作过程有了实现的可能，通过工业机器人代替一线工人，可以在很大程度上提升我国制造业的自动化和智能化生产水平。
2.1 降低生产成本
在当今社会，企业用工成本呈现出连年上涨的趋势，这为企业的经济效益带来了很重的负担，在科学技术不断发展的背景下，由机器人代替一线工人已是未来发展的必然趋势。传统的人力用工往往存在着很多的问题，企业不仅要为他们支付较高的薪资报酬，而且还要在安全、环境等方面提供有力的保证，且工人还具有流动性高的特点，一旦出现用工荒，将会给企业的正常运营带来很大影响。而相对来说，机器人则不存在以上缺点，机器人的使用成本也只包括制造成本和维修成本，相比于人工成本则少了很多。另外机器人还具有工作效率高、工作时间长等优点，只要日常维护保养得当，机器人可以保持长时间的高效工作。例如：在汽车制造行业，大力推广使用工业机器人可以降低人工成本的支出，还可以提高工作的精度和质量，大幅度增加企业的经济效益。
2.2 提高工作效率及对环境适应能力
在工业生产中，可以利用机器人来代替人工完成难度较高的工作。比如工人在工作期间容易出现心理烦躁、走神等现象，从而影响到了操作的精度，而工业机器人则可以保证持续性的工作，不仅比人工工作效率高，而且还能够保证工作的质量。此外，工业机器人还具有更为广泛的工作范围，比如一些具有一定风险的工作，利用机器人来代替工人就可以实现降低工作风险的目的;还有部分工作由于环境较为恶劣，工人长期在这种环境中工作有可能会引发健康问题，这时利用机器人来代替工人，只需为机器人编制一套程序就可以解决环境恶劣的问题[2]。
3 工业机器人在智能制造中的应用
工业机器人在我国企业中的应用主要体现在以下两个大的方面。一方面是机器人能够在恶劣环境中正常工作，比如：真空焊接、高温热处理、锻造冲压等。机器人能够胜任一些精密度要求比较高的工作，比如：微米级或者原子级的加工工艺。另一方面随着企业数量不断的增加，对于工人的需求量也在不断增加，而相对的人力劳动力是有限的，因此很多生产线上的工作就可以使用机器人来代替，从而大大减少了人力、物力方面的成本。根据相关调查显示，在我国目前智能制造中对于工业机器人的应用依据功能不同可以划分为自动拆捆、自动贴签、自动取样以及无人行车等四个角度，并且还在不断的扩大，已覆盖了智能制造的大部分领域。
3.1 工業机器人在数控机床中的应用
在现代工业生产中，机器人可以应用在各种生产活动中，既可以是不相同的单品生产线，也可以是不同生产规模的柔性生产线。在这些生产线上广泛应用工业机器人可以提升工作效率、改善工作环境，减少对原材料的浪费，降低工业生产的成本。例如：机器人可以实现和不同类型数控机床的连接，从而可以按照不同要求来进行生产，为打造柔性生产线打下良好的基础。在一些制造企业中，加工工件的生产线主要包括卧式加工中心和机器人两大部分，而工业机器人则主要负责工件的搬运任务，通过扫描系统，控制器可以根据机器人的扫描结果来判断何时运输工件[3]。工业机器人还可以使用视觉传感器来进行精确定件，实现工件的运输任务。在整个过程当中，不需要人员的参与，实现了完全的智能化制造，体现出了工业机器人工作高效率、高精度以及高度一致性的优点。
3.2 工业机器人在汽车制造中的应用
工业机器人在汽车制造业中的应用十分广泛，主要应用于搬运、焊接、喷涂以及整车装配等方面。首先是搬运，在自动化机床进行工件装卸过程中，机器人可以做到准确、快速的抓取到所需零部件，并在不损坏零部件的情况下进行精准的移动。在汽车生产过程中可以根据工件形态和重量的不同来对机器人输入不同的搬运指令，从而可以保证搬运工作的质量和效率。其次是机器人焊接，在现代汽车制造中应用机器人最多的就是弧焊和点焊，在每台汽车的制造过程中大约有4000个焊点，而这些焊点中的大部分都是由机器人完成的，点焊机器人在控制精度和作业质量以及效率方面有着巨大的优势。而弧焊机器人主要是由液压驱动的，可以通过工作路径以及速度的设定来辅助机器人完成工作。此外还有机器人喷涂，在汽车制造领域喷涂工作一般分为涂胶和喷漆两种。机器人涂胶指的是在车身材料物理和化学特性基础上对所需喷涂部位根据工艺要求进行快速喷涂的工作;而机器人喷漆指的是根据喷漆指令对车身表面进行快速、匀称的喷涂工作。最后是机器人检测，汽车在被生产出来之后要经过各种严格的检测才能够下线进行销售[4]。机器人检测系统包括视觉传感器和测量控制模板两个部分，其工作原理为，通过视觉传感器获取所需的图像信息，然后在利用计算机将实际尺寸和标准进行对比，以确定是否存在误差。机器人检测不仅能够准确、快捷的计算出实际误差，还可以为改进成产工艺提供一些思路和方法。
4 工业机器人在智能制造中应用策略
4.1 加强科技创新、提升技术水平
由于我国工业机器人的研发和应用起步相对较晚，和西方发达国家相比还存在着不小的差距，生产机器人所用的一些关键零部件还需要从国外进口。针对这些问题，相关部门还应加强对工业机器人研发的技术投入以及资金投入，以提高国产机器人的整体集成化水平，满足企业智能制造的需求，不断缩短和世界先进水平的差距。例如：智能制造企业可以自主研发关于机器人服务平台和工业云平台，组建起专业的工业机器人技术研发和维护保养团队，并结合企业自身智能制造的需求来进行机器人的研发，从而完成企业柔性智能装配系统以及自动化生产系统。
4.2 注重专业人才培养
工业机器人属于高新技术产业，专业门槛相对较高，专业人才相对较少，因而要想加强对于工业机器人的研发，就需要不断的培养出具有高素质的专业人才。首先来讲，相关部门应完善对于自动化、机器人等相关专业人才的培养机制，并增加相关领域科研经费的投入，从而为高校以及专业机构进行工业机器人研发设计提供有力保证[5]。与此同时，对于智能制造的企业来讲，也应加强对于专业人才的培养，可以定期组织企业内技术人员到先进企业或者科研机构进行参观学习，增加对于工业机器人应用技术的了解，从而提高工业机器人的工作效率和质量。此外，技术人员还应了解工业机器人研发的先进理念和思想，并掌握工业机器人和自动化生产线进行协调配合的关键点，从而为国产工业机器人的研发和使用打下良好的基础。
5 结语
综上所述，对于工业机器人技术的研发和应用已成为全世界自动化技术发展的大趋势，随着越来越多的企业把工业机器人技术引入到生产线，以工业机器人未来为代表的智能制造技术在未来将会应用到人们工作和生活的各个领域之中。加强对于工业机器人的应用不仅可以提高生产的效率和质量，打造出柔性生产线，还能够实现企业制造的智能化发展，因此只有加强工业机器人在智能制造中的探索和创新才能够充分发挥出工业机器人的优势，不断推动智能制造向前发展。
参考文献：
[1]孙红英.工业机器人在智能制造中的应用研究[J].电子测试，2020（12）：129-130.
[2]王德兰.工业机器人在智能制造中的应用[J].河北农机，2020（06）：39-40.
[3]宋欢，刘丰洋.工业机器人在智能制造中的应用研究[J].科技风，2020（14）：29.
[4]陈怡竹.工业机器人在汽车智能制造生产线中的应用[J].内燃机与配件，2019（21）：255-256.
[5]关鹏.工业机器人在智能制造中的运用[J].冶金与材料，2019，39（03）：163-164.
作者：高昕葳
家居服务机器人工业设计论文 篇3：
基于Robei EDA工具的多功能可重构机器人设计
摘 要：通过分析智能家居行业发现，机器人可分为家务功能型、娱乐家用型和助理管家型等，种类繁多但功能较为单一。市面上基于单片机的智能搬运机器人不具有可重构性和良好的实时性，不能够满足灵活多变的机器人需求。本团队研究一款采用Robei？EDA设计的基于FPGA的多功能可重构机器人，具有人为遥控控制与语音控制、自动搬运物体、感测周围环境、发射电磁炮等功能，可以实现环境检测及火灾预警、智能搬运及安保防御等作用，在提供便利服务的同时，有效保障居家安全。
关键词：Robei；机器人；EDA；FPGA
*本项目获得“2021全国大学生集成电路创新创业大赛”华东赛区一等奖，全国总决赛二等奖。
0 引言
随着自动化技术以及计算机技术的发展，机器人技术正从传统的工业制造领域向医疗服务、教育娱乐、勘探勘测等领域迅速扩展，适应不同领域需求的机器人系统不断深入研究和开发。通过对智能家居的分析发现，市面上的机器人可分为代替人类完成家务的功能机器人、具有娱乐性的陪伴机器人和管理智能家电的助理机器人，种类繁多但是功能较为单一；多基于单片机或基于集成系统设计，不具有可重构性和良好的实时性，不能够满足灵活多样的机器人需求且成本过高，而可重构机器人则可以根据任务需求更新其硬件构型[1]。
本团队旨在通过一款机器人实现环境监测及灾难预警、安保防御及智能搬运等多种功能，有效保障居家安全，并提供便利服务。随着中国老龄化的到来，独居老人人数增多，以及当今社会独居青年比例越来越高，对能保证基本生活环境的机器人的需求也会越来越多。相比上述市面上的功能型、娱乐型、助理型的非必需高档奢侈类机器人，所设计的机器人有更高的市场潜力。
1 架构设计
本设计的架构基于Robei EDA工具设计（注：Robei EDA是一款可视化的跨平台EDA设计工具[2]，能够大大提高FPGA的开发效率），分为中心处理部分、传感感知部分、电源电路部分、机械运动部分、网络传输部分、上位机部分、显示器部分及遥控控制部分。架构框图如图1所示。
逻辑流程图如图2所示，设计的机器人运行时可以进入两种模式（自动和遥控）。进入系统前首先进行指纹识别，如果指纹正确则进入系统，如果指纹未录入指纹传感器的存储器则无法进入系统，在进入系统后可以通过刷未录入指纹的手指对系统上锁，此时全机除显示屏和指纹以外的模块全部复位，待按上正确的指纹时才进行解锁。
整机原理图如图2所示。
2 控制电路
2.1 遥控部分
遥控部分分为手柄遥控和语音控制两个部分，分别通过手柄和语音对机器人进行实时控制。
2.1.1 手柄遥控
本模块与外部指纹模块与LCD HMI串口显示屏模块相连，当指纹输入正确时，手柄遥控模块复位解除，机器人所有传感器均开始工作，同时显示屏显示开机动画进入主程序。PS2手柄以SPI的通信协议与FPGA通信，使用者可以通过手柄按键和摇杆控制机器人移动、机械臂抓取运动以及对电磁炮超级电容进行充放电、放电发射金属炮弹，其工作流程图如图3所示。
2.1.2 语音控制
语音控制部分包括串口模块、电机驱动模块、舵机驱动模块和电磁炮驱动模块；该部分的核心传感器件是LD3320语音传感器，通过SPI协议与FPGA通信。其工作流程如图4所示。
2.2 自動部分
2.2.1 自主避障模块
该模块由4个超声波传感器控制和8路PWM波直流电机驱动控制组成，4个超声波传感器分别位于机器人的前后左右部分，通过测量判断机器人各个方向障碍物相对于机器人的距离来控制电机运动，实现机器人的自主避障。
2.2.2 自动循迹模块
该部分由FPGA对时序驱动CCD传感器进行曝光采集赛道信息，经计算得到赛道中点相对于机器人的位置坐标，将该位置与像素中点相减得到赛道的偏移值，将偏移值代入PID模块作为误差进行运算，为机器人输出PWM波，控制机器人的闭环循迹。
3 机械结构
本作品的机械结构主要由以下部分组成：机械臂部分、机器人运动部分、机器人轮胎和电磁炮部分。
3.1 机械臂部分
本作品采用三自由度机械臂，由机械部件和三个舵机组成，舵机的选型是MG996R，它是一种180°的数字舵机。其特点是便宜、大扭力（最大扭力可达20千克力），工作电压为4.8～6 V。
舵机的主要控制原理是：输入1个周期为20 ms的矩形脉冲，根据其占空比的大小来决定舵机输出的转轴角。
3.2 机器人运动部分
该部分由直流电机、轮胎、电机驱动模块组成，其中直流电机采用4个370直流减速电机，控制电压为12 V。电机选取的转速为中等的170转/min。电机驱动部分由2个电机驱动模块组成，其型号为L298N，是一种H桥MOS管驱动电路，输出电流大、隔离性强、频带宽，能够输出4路信号控制2个电机。
3.3 机器人底盘部分
机器人轮胎选用麦克纳姆轮。由于独特的机械结构，4个麦克纳姆轮通过矢量相加可实现机器人平移、原地旋转等特殊运动。
3.4 电磁炮部分
该部分主要包含逆变升压模块、继电器模块、超级电容模块和电磁线圈模块。
首先從继电器模块中引出两根信号线给FPGA，FPGA可根据手柄和语音控制继电器模块闭合张开以控制12 V电源，通过逆变升压模块给超级电容充电，然后控制继电器将12 V电源断开，此时电能被存储在超级电容之中。然后再次由FPGA控制电磁线圈闭合，使电能从电容中释放，此时变化的电流通过线圈生成磁场。根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，线圈中将产生排斥方向的洛伦兹力带动炮管中的金属弹射出。为了保护电路和隔离，使用可控硅和续流二极管等器件。
4 算法系统
4.1 机器人运动算法
本作品设计的机器人运动部分采用4WD的麦克纳姆轮，每个麦克纳姆轮上有若干倾斜45°的小轮子，在转动时产生相比机器人倾斜45°的摩擦力，4个轮胎转动配合即可实现平移、原地旋转等运动。其运动原理如图5所示，其中红色代表轮子向前转，蓝色代表轮子向后转。
4.2 自主避障算法
该部分在机器人周围设计4个超声波传感器，当一方检测到障碍物的距离小于15 cm时，机器人向逆时针90°方向平移，即左手定则，如前方检测到障碍就向左平移，左边检测到障碍向后平移，以此类推。
4.3 自主循迹算法
本作品使用128路线性CCD传感器进行循迹，当标记线位置偏向任意一侧，控制机器人向另一侧偏转，使标记线始终保持在小车的中线附近。本作品还设计了循迹PID算法，可实现平滑转弯。
4.4 滤波算法
机器人传感器进行数据采集可能发生意外的抖动，数据现在误差，进而影响机器人的判断。因此，采用均值滤波和中值滤波算法对部分传感器，如超声波传感器、角度传感器、温度传感器进行一定的滤波，以改善传感器效果。
5 图像处理
图像处理功能由CCD基于FPGA实现，主要有两种功能：轨迹识别及显示、复杂循迹。以下将详细介绍各个功能的实现。
5.1 轨迹识别及显示
传感系统中的CCD模块使用FPGA实现，本功能基于FPGA驱动TS1401线性CCD采集轨迹信息二值化后输出至上位机，以显示轨迹。
5.1.1 灰度值采集
首先，FPGA驱动CCD输出其感光元件采集的线性128个像素的模拟电压，模拟电压经过AD9226模块转换成12位数字信号给FPGA。考虑到AD模块采集信号时有一定的随机误差，因此在采集时对其进行均值滤波，即采集7次AD，然后对采集的值求平均。由于本作品的AD转换频率高达50 MHz，因此采集更多的次数也是可以实现的，通过多次试验且考虑到毛刺的影响，设置7次AD转换比较合理。
5.1.2 二值化
可知CCD采集的灰度值越大，FPGA收到的12位数字值就越小，因此轨迹越黑数字值越大。根据设置阈值则可将轨迹和轨迹外的灰度二值化为0或1。本作品将黑色轨迹设置为0，其中阈值的大小由当次灰度采样值的平均值、场地光强和调试经验共同决定[3]。
5.1.3 平滑滤波
随后单次采样的128位像素均变为0和1的二值化量。考虑到在采集灰度时存在一定的毛刺，使采集的数据有0到1或1到0的错误跳变，本作品对采集的轨迹进行平滑滤波处理。由于轨迹的连续性灰度信号不存在突然的跳变，因此在图像采集时采集的1个、2个或3个孤点都是毛刺产生的，该影响表现效果如图6所示。
测试发现，控制一定的曝光时间基本上可以将CCD产生的毛刺信号控制在3个以内。通过平滑滤波和调整曝光时间，CCD的采集得到较为完美的图像，测试结果如图7所示。
5.2 复杂循迹
基础红外光电传感器有很大的缺点，如由于线路较少，其偏移值过于离散且数量小（仅左右2个），其测量的偏差范围是（-2～2）。该数据基本无法进行PID闭环控制，由于开环操作使得机器人循迹时抖动很大，效果不好，而且由于线路少，一路出故障就会对整个系统功能产生很大的影响。为了确保机器人的性能和稳定性，按上一节采用图像处理方法实现机器人的复杂循迹，包含基础连续轨迹、间断轨迹和交叉环岛，基于CCD图像识别完成机器人对其复杂循迹。
5.2.1连续轨迹
首先是实现机器人的连续循迹，由上一节CCD识别轨迹可以发现，黑色的轨迹在FPGA上表现为0，通过1次采集的128个像素所构成的二值化数组，即可得到轨迹两边的边缘坐标，根据边缘坐标即可计算出轨迹中点坐标，然后将中心坐标与128的1/2（取整数63）做差，即可得到机器人相对轨迹的偏差。如CCD得到黑线左边坐标为68，右边坐标为97，经计算得到黑线的中心坐标为82，说明此时黑线中点位于小车右边19个坐标位置，小车则需要左移19个坐标才能实现轨迹的跟踪即循迹。为了实现这一点，基于Verilog实现的PID制器将轨迹中点和小车的偏差作为输入，输出为小车左边电机和右边电机的PWM波占空比之差，以此闭环实现机器人的循迹功能。
5.2.2 间断轨迹
对于间断的轨迹而言，机器人若采取连续循迹方案很容易冲出赛道，因此在需要一定的判断，在CCD采样前首先存储一次机器人上一次采样的数据，如果判断到错误的轨迹，如左边坐标等于最小值、右边坐标等于最大值以及左边坐标大于右边坐标的情况，即让上一次正确的采样值完全替代这次的采样值。该方法相当于一种特殊的卡尔曼滤波法。
5.2.3 交叉环岛
在（2）所提到的算法既可以修正CCD采集到全0或者是全1的情况，其中全1代表间断轨迹，全0则代表环岛的交叉点，显然在此算法下机器人将根据之前的采样正确地通过环岛。
6 系统整合与调试
6.1 串口模块
本部分采用UART协议结合蓝牙模块形成无线串口，实现机器人与PC端的上位机的无线通信，波特率为9 600 bit/s。
6.2 上位机设计
该部分基于PyQt设计和机器人配套的上位机软件，在实现串口收发的基础上，针对机器人的移动和机械臂的抓取设计了独立按键，用户可以通过点击鼠标按键或者绑定的键盘来控制机器人运动和抓取，该部分主要用于调试机器人。
6.3 HMI串口屏设计
本部分基于FPGA结合触摸电阻屏和串口设计一款机器人显示端，具有丰富的按键和人性化的GUI。用户需要解锁才能使用，可以通过点击按键来获取各类信息，当触发灾难事件时会预警。本部分是机器人主要的人机交互模块，传感器的测试均可在显示屏的显示中得到验证。
7 结束语
目前市面上少有纯粹基于FPGA设计的机器人，本设计的机器人完全采用FPGA实现控制，由于其现场可编程特性以及并列运行指令结构，具有很好的可重构性和实时性。因此，基于FPGA的多功能可重构机器人能够很好地弥补市场缺口，具有更低的成本。除此以外，随着FPGA性能的提升以及集成电路产业与自动控制、计算机产业的互相促进融合，基于FPGA实现的机器人不仅能够作为市场产品的替代，而且能够实现更为复杂的算法和功能。
参考文献：
[1]李斌，吴镇炜，谈大龙，等.可重构机器人技术的探讨[J].信息与控制，2001，30（0S1）：684-688.
[2]吴国盛.7天搞定FPGA：Robei与Xilinx实战[M].北京：电子工业出版社，2016.
[3]赵万欣，陈思屹.基于TSL1401线性CCD的智能巡线小车[J].工业控制计算机，2014，27（2）：121-122.
作者：钟杭 孙浩 龚蓓蕾