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2022年全國職業院校技能大賽高職組

“GZ-2022XXX電子產品設計及制作”賽項賽卷一

題目：智能機器人控制器設計及制作

1 競賽任務

按賽題要求，利用所發的技術資料、元器件及器材完成智能機器人控制器的設計和裝調任務，進行Cortex-M3系列STM32F103ZET6（LQFP144）處理器或51系列STC單片機IAP15W4K61S4（LQFP64S）的軟件設計，完成該控制器的設計及制作。

1.1 根據本賽題及所給U盤中的技術資料分析智能機器人控制器的工作原理和功能要求；

1.2 根據賽題所給的智能機器人控制器原理圖和印刷線路板約束條件，利用Altium Designer軟件繪制印刷線路板圖；

1.3 完成賽項所提供印刷線路板的焊接任務；

1.4 利用賽項提供的智能機器人控制器機箱及套件完成結構設計和整機安裝，包括開關、電源、電路板、插座的安裝及機箱內走線的規劃；

1.5 完成某一成品線路板的故障排除任務，該線路板將用于機器人控制器中；

1.6 完成智能機器人控制器的功能調試，使其達到規定的技術指標，實現智能機器人的正常工作；

1.7 完成STM32F103或 IAP15W4K61S4處理器軟件的編寫，使智能機器人達到規定的功能要求。

2 競賽時間

競賽時間為8小時（9:00-17:00）。

3 功能要求與技術指標

3.1 原理說明

智能機器人為三自由度機器人，在Z軸安裝有攝像頭和機械手，可以對攝像頭的圖像識別，實現對特定工件的抓取或放置。

智能機器人由三個直線導軌分別控制機械手的左右、上下和前后運動，實現對工件布置板上不同工件的抓取或放置。X軸左右運動導軌的驅動電機有三種，分別為帶編碼器的直流減速電機、直流無刷電機和步進電機，可根據賽題要求更換，并安裝有電容式位移傳感器和MEMS類距離測量傳感器，在導軌的兩端安裝防撞的行程開關；Y軸上下運動導軌的驅動為帶編碼器的直流減速電機，在導軌的兩端安裝防撞的行程開關；Z軸前后運動導軌的驅動為直流減速電機，在導軌的兩端安裝防撞的行程開關；安裝在Z軸上機械手的驅動源為舵機；在機械手夾持板的一邊內側安裝力傳感器，可以檢測夾持工件的力度，在機械手的下方安裝攝像頭，用于識別工件的形狀或顏色。智能機器人還配有搖桿電位器控制板，與控制器有線連接，可手動控制智能機器人的各種動作。

3.2 功能實現

智能機器人要求能實現對工件布置板上不同工件的識別和操作，操作模式有手動操作和自動操作兩種。智能機器人控制器由微處理器(STM32或51)電路、顯示與鍵盤電路、傳感器測量電路、A/D轉換電路、電機驅動電路和電源電路等部分組成。

????參賽隊需完成智能機器人控制器的印刷線路板繪制、線路板的焊接與調試、某一線路板的故障排除、控制器的安裝與調試、控制器指定功能的軟件編程與調試等多項競賽任務。

3.2.1 印刷線路板的繪制

根據賽題所指定的智能機器人控制器原理圖和印刷線路板約束條件，利用Altium Designer軟件繪制該控制器的印刷線路板圖。要求所用元器件均采用3D模型，其中某一個元器件需要參數隊自行建模，所繪制的印刷線路板可以進行三維展示。

控制器原理圖由CPU電路單元、人機接口電路單元、傳感器測量電路單元、A/D電路單元、功率輸出電路單元、電源電路單元等幾部分組成，每一單元電路都有若干種選擇，印刷線路板的外形結構也有若干種選擇。根據不同的組合組成1號賽卷的線路板繪制抽取方案，由裁判長指定相關人員在比賽前三天內按該方案隨機抽取各單元電路和外形結構，組成完整的控制器原理圖和外形結構。

線路板約束規則要求：雙層印刷線路板，最小間距10mil（集成電路引腳間距不受此約束），最小線寬10mil，過孔最小孔徑15mil，過孔最小直徑30mil，敷銅最小間距10mil。

????參賽隊所繪制的智能機器人控制器原理圖和印刷線路板圖電子稿采用U盤形式上交。

3.2.2 印刷線路板焊接與調試

微處理器核心板二，ADS7950串行A/D轉換電路板為散件，需參賽隊自己焊接和調試。若焊接的線路板不能正常工作，可以采用成品線路板替代，但將扣除線路板調試部分任務的分數。

3.2.3 某一線路板的故障排除

根據現場選定的比賽用故障板及已公開賽題的技術信息完成對該線路板的故障診斷與排除。

3.2.4 智能機器人控制器的安裝與調試

智能機器人控制器的裝調工作要求在機箱中完成。安裝套件包括機箱、開關電源、前面板、后面板、安裝底板、微處理器核心板（STM32或51單片機）、人機接口電路板、傳感器測量電路板、A/D轉換電路板、功率輸出電路板以及必要的電氣附件。

其中左右運動導軌的驅動電機采用直流減速電機，位置測量采用電容式位移傳感器測量，不采用直流減速電機上的編碼器和MEMS類距離測量傳感器測量。

????智能機器人控制器的具體線路板構成如下：

1）微處理器核心板二；

2）ADS7950串行A/D轉換電路板；

3）功率運放輸出電路板；

4）功率H橋PWM輸出電路板；

5）多功能萬用板。

參賽隊需自行完成智能機器人控制器機箱內的結構設計和裝調工作。以上線路板的原理圖、印刷線路板元件布置圖、元件清單均在電子文件“智能機器人控制器裝調”文件夾中。以上線路板中某一塊線路板含有故障，需要參賽隊獨立維修排除，若不能排除故障，可以采用成品線路板替代，但將扣除故障維修部分任務的分數。

智能機器人控制器的前面板安裝微處理器核心板二（STM32或51單片機、液晶顯示模塊、鍵盤電路）、搖桿電位器接口和電源開關。前面板的布置如圖1所示：

圖1 智能機器人控制器前面板圖

智能機器人控制器的后面板的布置如圖2所示，安裝有三個接線插座和帶保險絲的電源插座。其中端口1連接左右運動導軌電機及編碼器、電容式位

圖2 智能機器人控制器后面板圖

移傳感器的信號，端口2連接上下運動導軌電機及編碼器、前后運動導軌電機的信號，端口3連接機械手舵機、攝像頭和力傳感器的信號。

控制器整機的安裝工藝評分和印刷線路板的焊接工藝評分將在比賽結束、整機功能測試后集中進行，比賽過程中不對印刷線路板的焊接工藝單獨評分。

3.2.5 智能機器人的功能要求

智能機器人控制器前面板的按鍵功能定義如圖3所示：

圖3 控制器按鍵定義圖

通過控制器前面板的液晶顯示屏和按鍵，可以實現智能機器人的參數設定、手動模式操作和自動模式操作。

• 要求系統通電后顯示界面一如圖4所示，顯示參賽隊自己的工位號，核心板上蜂鳴器鳴叫1秒，界面底部“按E鍵進入主界面”每隔1秒閃爍一次，按下面板上的E鍵，進入主界面。

?????????圖4 界面一 ???????????????????????圖5?主界面

◎ 主界面如圖5所示，通過前面板的按鍵上相應的數字鍵選擇進入對應的子功能界面。

◎?區域設定子功能界面如圖6所示，通過前面板的按鍵設定自動操作時機械手工作的區域。區域設定為長方形，其左下角為起點坐標，右上角為終點坐標，在工件布置板的平面上繪有坐標刻度，坐標值的單位為mm。自動操作時只對設定區域內的工件進行操作，該界面退出后返回主界面。

????圖6??區域設定功能界面 ???????????圖7?手動操作子功能界面

• 手動操作子功能界面如圖7所示，機械手坐標實時顯示機械手的坐標值；數量顯示操作工件的個數，進入界面時清零；壓力實時顯示機械手上力傳感器的輸出電壓。手動操作由搖桿電位器控制板控制，兩個電位器控制機械手的左右運動和上下運動，按鍵按下時機械手往前運動，到位后機械手夾緊工件，按鍵放開后機械手退后，到位后機械手放開工件落下，操作工件數量累加1。工件的數量及位置為隨機放置。該界面退出后返回主界面。
• 自動操作的功能要求將在競賽時下發。
• 在手動和自動操作時，若機械手的夾持力過大，會觸發機械手下方線路板上蜂鳴器，提示工件受力過大損壞，判定為操作失敗。

4 技術文件要求

各隊完成的全部文件存放在“2022QG××”（××為2位數字，即競賽隊工位號）文件夾中，提交的電子文件采用統一命名規則（類型名＋工位號），不得以其它名稱命名電子文件。因保密要求，在電路原理圖和線路板圖文件中不得出現學校名稱、參賽選手姓名、工位號等信息；電子文件名稱如不符合命名規則，體現參賽隊信息的，該隊該項競賽成績將被取消。

4.1提交的技術文件

參賽隊提交的電子文件均采用U盤保存后提交，技術文件包括：

1、電子設計工藝所繪制的印刷線路板原理圖和線路板圖；

2、智能機器人任務與功能驗證所編寫的源程序；

4.2文件命名要求

電子文件列表如下：

2022QG×× ????????電路原理圖××.SchDoc

線路板圖××.PcbDoc

源程序××（文件夾）

4.3技術文件上交方式

原理圖、線路板圖及源程序均需提交電子文檔，采用U盤保存，一式貳份上交，上交時間為比賽結束時（17:00）。

5 評分標準

序號	評分項目	知識、技能點	分值
1	安全操作規范	操作規范、環境清潔、安全用電團隊合作、符合職業崗位的要求和企業生產“5S”原則。	8
2	電子設計工藝	按賽卷要求完成印刷線路板繪制	17
3	電子裝調工藝	印刷線路板焊接、機器人控制器安裝布局與接線工藝及故障診斷與維修。	45
4	任務與功能驗證	根據競賽任務書要求，完成某一特定功能機器人的任務與功能實現。	30
5	扣分項	超過規定時間補領元器件、更換功能電路板競、賽平臺故障及其他違紀扣分項。
6	總計	100

總結

以上是生活随笔為你收集整理的2022年高职院校技能大赛电子产品设计及制作赛项国赛交流的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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