机器人设计与制作报告

1中国矿业大学徐海学院双足竞步机器人设计与制作技术报告队名：班级：成员：题目：双足竞步机器人的设计与制作（交叉足）任课教师：2015年1月2双足竞步机器人设计与制作任务书班级学号学生姓名任务下达日期：2014年11月24日设计日期：2014年11月24日至2015年1月8日设计题目：双足竞步机器人设计与制作（交叉足）设计主要内容和完成功能：1、双足竞步机器人机械图设计；2、双足竞步机器人结构件加工；3、双足竞步机器人组装；4、双足竞步机器人电气图设计；5、双足竞步机器人控制板安装；6、整机调试7、完成6米的马拉松比赛。教师签字：3摘要文章介绍了一个六个自由度的小型双足机器人的设计加工、调试与最后实现。设计过程包括机械结构设计、电路设计与制作，机器人步态规划算法研究，利用Atmega8芯片实现了对六个舵机的分时控制，编写VC上位机软件,通过串口通信对双足竞步机器人进行调试，通过人体仿生学调试出机器人的步态规划。实现了双足竞步机器人稳定向前行走、立正、向前翻跟头、向后翻跟头。关键词：机器人，串口通信，步态规划，舵机4目录一、系统概述..................................................................................................................................51.1机器人的简述..................................................................................................................51.2机器人的组成..................................................................................................................51.2.1执行机构...................................................................................................................51.2.2驱动装置...................................................................................................................51.2.3检测装置...................................................................................................................51.2.4控制系统.....................................................................................................................5二、硬件设计..................................................................................................................................62.1硬件设计的整体分析........................................................................................................62.2舵机的介绍..........................................................................................................................6三、软件设计..................................................................................................................................7四、系统调试..................................................................................................................................84.1步态的规划..........................................................................................................................84.2软件调试................................................................................................................................8五、结束语........................................................................................................................................8六、参考文献..................................................................................................................................8七、附录.............................................................................................................................................9程序代码..................................................................................................................................95一、系统概述1.1机器人的概述机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的各个领域，并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。在研究和开发及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。机器人技术是一门综合了传感与检测、运动控制、图形图像处理等技术的新型学科，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当前许多前沿领域的技术。随着电子技术的飞速发展，智能机器人在越来越多的领域发挥着人类无法代替的作用。机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的三维空间坐标机器。1.2机器人的组成机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。1.2.1执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。1.2.2驱动装置其按其动力源的形式，分为电动、气压驱动、液压驱动或其组合形式的驱动，其运动过程可由行程、转矩或轴向推力的大小来控制。具体的实现形式，可以是轮式，履带式或者是关节式。1.2.3检测装置6其作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。1.2.4控制系统其一般有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。二、硬件设计2.1硬件设计的整体分析使机器人能够平稳的行走，首先要设计好机械机构。我们选用六个舵机作为机器人的六个关节，因为舵机理论旋转角度是180度，所以我们把六个舵机竖直放置，已达到步行和前翻后翻的效果，在选材方面，我们主要用铝板作为主要的框架结构，也用了一些塑料板作为机器人的手和脚，以保证机器人行走时的稳定。2.2舵机的介绍舵机是一种最早应用在航模运动中的动力装置，是一种微型伺服马达，它的控制信号是一个宽度可调的方波脉冲信号，所以很方便和模拟系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的模拟设备都可以用来控制舵机，比如PLC、单片机和DSP等。而且舵机体积紧凑、便于安装、输出力矩大、稳定性好、控制简单。舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进7而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。舵机为求转速快、耗电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达。本设计需要使用6个舵机，一个舵机内部包括了一个小型直流马达、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器和一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比