编号：2013-S41
机电工程学院大二年度
基于项目学习的机械创新设计大赛
结题报告书
项目名称：多功能收作业机器人
项目负责人：学号：
联系电话：电子邮箱：
院系及专业：机电学院工业工程专业
指导教师：职称：
联系电话：电子邮箱：
院系及专业：机电学院机械电子工程专业
哈尔滨工业大学机电工程学院制表
填表日期：2013年10月26日
项目名称：多功能收作业机器人
一、课题组成员：（包括项目负责人、按顺序）
姓名性别专业方向班级学号本人签字二、指导教师意见：
签名：
年月日三、院评审委员会意见：
评审主任签名（或盖章）：
年月日
四、项目研究结题报告
1、课题背景
第六届全国大学生机械创新设计大赛的主题为“幻·梦课堂”，内容为“教室用设备和教具的设计与制作”。
我们根据对日常课堂教学和学习情况的观察，和对未来若干年以后课堂教学环境和状态的设想，鉴于平常老师收取作业工作量大，以及考试收发试卷时监考教师注意力难以集中（在收发试卷的同时，需要监控考场秩序）的问题，设计制作了多功能收作业机器人（以下简称收作业机器人），实现收取作业或试卷和清点数目两大基本功能。
其中收取物品并搬运的功能是现代生产技术中的重要组成部分，被应用于生产生活中的各个领域。
清点数目功能参照光电开关计数的工作原理，在现实生活中也已得到广泛应用。
本项目便是将这两部分巧妙组合起来，以实现自动收取作业、试卷及清点数目的功能，最终达到减轻教师工作量的目的。
2、课题研究内容与方法
1.市场调研与产品用途
在平时上课过程中我们发现老师收取作业工作量大，以及考试收发试卷时监考教师注意力难以集中（在收发试卷的同时，需要监控考场秩序）的问题，为解决这一问题设计制作了多功能收作业机器人（以下简称机器人），实现收取作业或试卷和清点数目两大基本功能。
相信该机器人的出现定能成为未来智能教室的一大亮点。
该机器人的使用范围为教室、实验室等课堂教学环境。
2.产品设计方案(1)功能设计
机器人功能设计思路框图如下：
概述：运动部分：通过单片机设计程序，利用光电开关可以实现让小车巡线运动及在固定位置停下的功能。
计数部分：投放作业时，作业遮挡光电开关，光电开关对其作出反应，实现计数的功能。
两种功能相组合最终实现收作业机器人巡线运动和计数的综合功能。
电机
电机驱动
51单片机
光电传感器
循迹、定位计数
电源
显示屏
电路设计原理图如下：
电源模块：由于小车电机使用8.2V供电，其他模块都在5V电压下工作，所以整个系统采用一块8.2V电池供电。
将8.2V电压经过LM2940稳压后得到5V电压。
模块中电容用于滤波，排针接口用于方便临时添加的需要和便于用万用表检查BUG。
传感器模块：首先由红外发光管发射红外光照射地面，红外接收管根据地面吸收红外光的程度而体现出不同的阻值，从而获取地面黑线信息。
得到的模拟信号经过LM393比较器做二值化处理，其比较电压阀值由从电位器得到的电压设置和调节（比如传感器返回电压3.3V大于比较器比较电压2.5V则比较器输出其供电电压5V，反之则输出0V）。
电机驱动模块：外部由单片机送过来的信号IN1、IN2（PWM信号）控制电机A的方向和转速，同理IN3、IN4控制电机B。
后端续流二极管1N5819用于防止电机反向电动势对芯片造成破坏。
单片机模块：作为中心控制器，用11.0592MHz晶振提供时钟频率，通过I/O口P0口检测测传感器数值，记录所收作业份数，并提供两个电机的控制PWM信号，以此控制机器人的行走。
(2)结构设计
①底盘部分：三轮车，其中二轮驱动，另外一个为万向轮，可以有效的实现收作业机器人寻线行走及定位的功能，其中在底盘上安装红外线传感器，同时电路板上装载程序，红外线传感器接收地面光强信息并将其反馈给单片机，单片机按预定程序输出高低电压，控制电机转动，实现收作业机器人巡线行走以及在固定位置停下等功能。
等待学生将作业投放到箱子中。
②箱体部分：箱体部分与邮筒的结构相似，可以将作业本平稳的放入，箱体外部投放口处安装一个平台，方便试卷的投放。
因为箱体尺寸大小适当所以作业本在滑下后会整齐的落在架上。
箱体结构设有门体结构，老师可以在收作业机器人收完作业后，打开箱子的门，从箱体结构中取出作业。
投掷作业的箱体口同时有感光装置，实现计数的功能。
3、实物制作
机器人制作所需的零件由两部分组成：一类是自己加工的零件，另一类是按规格购买的零件各零件明细如图所示：
结构名称型号数目规格制备方式
底盘5mm亚克力板1个360*310(mm)自制
箱体2mm亚克力板2个360*400(mm)自制2个310*400(mm)自制2个360*310(mm)自制
车轮
驱动轮2个
直径65mm;宽度25mm 购买万向轮1个直径50mm;宽度20mm 购买电机
-
2个6V150转,直流减速电机
购买电池
BD8V100001个5000mAh 购买开关-1个-购买显示屏-1个-购买方铝-4根15*15*400(mm)
购买螺钉、螺母-若干-购买合页-2个-购买
4、实物组装、调试(1)机器人组装
机器人设计模型如图：
小车底部有三个车轮：前方两个为驱动轮，后方一个为万向轮，车轮由联轴器连接在底板上。
4块2mm 亚克力板用强力胶粘连在方铝支架上并固定于底板上。
在360*400(mm)板上开出一个开口用于投放试卷。
在其中一个310*400(mm)侧板上安装显示屏和开关。
将另一个310*400(mm)用合页连接在方铝框架上做成一个可开关的门。
将各控制电路板、电源置于底板上并在上方用360*310(mm)亚克力板将其与盛放试卷的空间分开。
(2)机器人调试
机器人要实现巡线行走、定点定位和准确计数的功能。
故测试机器人定位精度和计数准确度。
①定位精度
多次试验测量机器人在指定位置定位的偏差，实际测量结果如图:
从实验结果可见机器人定位误差均小于10mm，对于实际需求来说基本上没有影响。
故小车定位精度满足使用要求。
②计数准确度
向箱体内投放试卷验证显示屏显示数目与实际数目是否一致。
实测数据如图：从实验结果我们可以看出机器人计数功能准确。
实验序号1234567误差(mm)5743634试验序号123456投放试卷数目(张)202025253030显示屏显示数目(张)20202525
30
30
3、研究结果
图1
图2图3
图1为小车车门部分；图2为小车计数显示屏以及开关；图3为小车投放试卷的投放口。
参数指标：
项目参数
小车几何尺寸（长*宽*高)(mm）360*310*450
小车重量（kg） 2.0
小车轴距/轮距(mm)210/280
电源容量(mAh)/电压(V)10000/8
运动速度(m/s)0.3
4、创新点
收作业机器人利用巡线技术可以实现指定轨道运动，并准确定位的功能。
同时实现收取作业并整理整齐，以及精确清点数目并显示等综合功能。
5、结束语
从本次创新创业活动开题至今，我们从中受益良多，总结起来有以下几点：
（1）小组成员要默契合作，发挥大家的想象力和创造力。
机器人的功能之一便
是计数功能。
我们最开始的设计思路是将作业收取到一个平台上，再通过分离才
能实现计数。
然而由于作业纸张比较软而且很薄，所以要想实现分离其实是比较
困难的。
后来经过我们小组的共同讨论，我们发现仿照邮箱的设计来实现这一功能。
取得了满意的结果。
（2）设计方案时要整体设计，考虑周全。
我们最开始只是加工了整块的亚克力板，并没有为安装车轮、布线等打孔，导致后期多次去加工室加工，耽误的大量
时间。
（3）项目进展要按计划进行，合理控制时间。
此次科创项目我们的实际进度与
原计划相差很大，基本上都是在项目结题后期完成的，导致最后时间非常紧张，
很多地方都做的不是很完美。
这让我们意识到了项目按计划进行的重要性。
6、参考文献
[1]刘莹，艾红主编.创新设计恩维与技法.机械工业出版社，2004.
[2]柏林主编.设计的构思与想象.湖北工学院，2004.
[3](美)斯克莱特，(美)奇罗尼斯主编.机械设计实用机构与装置图册.机械工业
出版社，2007.
7、项目经费使用
序号项目名称数量规格型号单价（元）合计（元）用途备注1车轮电机套件4套-70280装配-2电池组1组BD8V10000100172装配-3万用表1台VC890D9090测量-4亚克力板7块2mm1073装配-5万向轮1组-66装配-6U转串组--1515调试-7工具组1套-2525装配-8螺钉螺母角铝零件---10装配-9电子器件---151控制-1051开发板---172控制-总计994。