武术擂台机器人设计报告说明书Word文件下载.docx

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Keywords:

ringrobotcontrolsystem,CreativeStar,MultiFlex

第一章绪论……………………………………………………………6

1.1课题背景…………………………………………………………6

1.2国内外武术擂台机器人发展现状………………………………6

1.3武术擂台比赛规则简介…………………………………………8

1.4本文研究的主要内容……………………………………………9

第二章擂台机器人总体设计方案…………………………………11

2.1基本内容和问题…………………………………………………11

2.2总体的设计方案及步骤…………………………………………11

第三章擂台机器人机械结构设计…………………………………13

3.1直流电机选型分析………………………………………………13

3.2机器人驱动芯片的选择…………………………………………14

3.3机器人检测结构的设计…………………………………………15

3.4机器人控制卡及电池设计………………………………………18

3.5机器人整体结构的设计…………………………………………18

第四章擂台机器人控制系统………………………………………22

4.1机器人控制卡的选择……………………………………………22

4.2流程图……………………………………………………………25

4.3控制程序源代码…………………………………………………25

第五章Adams仿真…………………………………………………33

5.1Adams主要模块…………………………………………………33

5.2UG与ADAMS的接口………………………………………………33

5.3Adams运动仿真结果……………………………………………33

第六章总结与展望…………………………………………………35

6.1总结………………………………………………………………35

6.2对进一步的展望…………………………………………………35

参考文献………………………………………………………………36

第一章绪论

1.1课题背景

机器人技术集机械、电子、材料、计算机、传感器、控制等多门学科于一体，是国家高科技实力和发展水平的重要标志。

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40年的发展已取得长足的进步。

工业机器人在经历了诞生——成长——成熟期后，已成为制造业中不可少的核心装备，世界上有约75万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。

特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。

1.2国内外武术擂台机器人发展现状

机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。

机器人综合的多科学的发展成果，代表的高技术的发展前沿，他在人类的应用领域的不断扩大引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。

它有三个特点：

一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作的对象，和工作的一些要求它是人造的机器或机械电子装置。

随着机器人技术的飞速发展，机器人竞技运动在世界各地蓬勃兴起，目前我国正掀起一股机器人竞赛的热潮。

创新是我国大学生的精髓，参赛机器人都要从概念设计入手，经历设计、制作、调试，改进等过程最终选出最优方案参加比赛，通过此项赛事􀒃

大学生的创造热情得到充分发挥􀒃

创造思维和动手能力得到锻炼的培养。

1.2.1国外武术擂台机器人发展现状

《机器人大擂台》是由英国TNN电视台发起组织的世界上规模最大的科普类游戏节目11年前在英国电视台首次公演。

目前他的搏斗系列已经覆盖了全球27个国家：

包括英国、美国、瑞典、意大利、荷兰。

至今已经举办了4届。

参赛者设计并制造无线电控制的战斗机器以角斗士的方式进行战斗，看谁的机器人更胜一筹。

竞争者以来于他们闪电般快速的反应和驱动能力，以及他们对于机器人充满想象力和有效性的设计来击败对手。

机器人之间不仅相互之间战斗，并且他们还要与主机器人周旋。

这些主机器人在场上巡逻，摧毁并分解任何已无行为能力或不幸迷失在绝境中的机器人。

在最终比赛中机器人在格斗场上相互格斗，直到其中一个机器人被击败，如果出现平局，专家委员会将根据以下四条标准，决定哪个机器人取得胜利。

四个标准分别为：

1破坏程度2战斗风格3攻击性4.控制。

从1954年美国人Devol颁布工业机器人专利至今已经半个世纪了。

它的成长历程印证了这样的论断，机器人是20世纪人类的伟大发明。

机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化。

机器人技术将筑起21世纪人类新的“长城”。

1.2.2国内武术擂台机器人机竞赛发展现状

中国机器人大赛暨RoboCup公开赛是中国最具影响力，最权威的机器人技术大赛、学术大会和展览，大赛从1999年开始已举办了九届北京、上海、广州、合肥、苏州、济南等地成功举办了历届大赛。

中国的武术机器人擂台赛是从2008年12月在广东中山市举办的2008中国机器人大赛暨RoboCup公开赛开始举行的新比赛项目，而第一次举办就吸引了全国高校的13个队伍的激烈竞争。

在比赛中机器人的稳定性是实施各种策略的前提，倘若自身存在如出界，犯规等隐患，那么有效的策略组合便无从谈起了。

纵观赛场，成绩好的队伍稳定性都是过硬的。

机器人的稳定性可以从如下几个方面进行阐述。

传感器的稳定，精准稳定的传感器系统是正确决策的前提。

在武术擂台赛中传感器是机器人获取外部信息的唯一途径其重要性好比是人的五官。

常用的传感器有：

陀螺仪、光电码盘、接近开关、接触开关、超声波测距仪、反射式红外传感器等、红度、灰度传感器等。

巧妙的传感器设计能极大提高机器人的性能。

比如灰度、红度传感器可以告诉机器人它与中心位置的相对位置，再如用接近开关检测敌人相对自己的位置，进而做出不同的后续动作，可以使机器人拥有更高的智能性。

内部通讯的稳定性，电路系统按照功能划分为多个模块，各模块之间内部通信的稳定性便成了一个不可忽略的问题。

所以首当其冲的要求是低出错率甚至零出错率，尤其在是关键数据的传

本项大赛吸引了中国现有最顶级的机器人专家和日本、美国、德国众多知名机器人学者参与是当今中国、乃至亚洲机器人尖端技术产业竞赛和国际顶尖人才汇集的活动之一。

国家科技部、科协、科学院、工程院、教育部、中国高等教育学会、中国自动化学会、国家863机器人专家组、国家863先进制造与自动化技术领域等7武术擂台攻击型机器人机械结构设计众多权威专家、院士和领导参会。

本届大会有来自美英德日、新加坡等和港澳台地区的416支队伍参赛。

图1-1各种机器人

1.3武术擂台机器人比赛规则简介

1.3.1比赛场地

图1-2比赛场地

1.3.2竞赛方式

1）机器人出发地点：

比赛开始前，各方参赛机器人应该位于比赛场地旁边各自的出发区。

2）先采用淘汰赛方式，四支队抽签分为两组，胜出两组进入第二轮比赛；

第二轮采用单循环比赛方式。

（每场比赛一局决胜负，每局时间两分钟）

3）比赛前双方队员需举手示意机器人已经准备好。

开始后不能再触碰机器人，否则将被判本局负。

4）每局比赛时间不超过2分钟。

比赛时间结束后，裁判员发出比赛结束指令。

双方参赛队员在听到比赛结束指令后停止机器人。

5）在比赛过程中，一方的机器人出现无法自动恢复的故障、无法继续行动（例如翻倒后无法继续行动）、起火或者其它裁判员认为可能有危险的行为的，裁判员可以宣布中止本局比赛，并判本局比赛对方获胜。

6）在比赛过程中，双方机器人交缠在一起或处于僵持状态超过10秒钟，裁判员可以自由裁定，选择让双方机器人重新开始比赛，也可以让比赛继续。

7）比赛过程不允许暂停，除非裁判员认为不停止比赛将会危害现场安全或者造成事故。

1.3.3胜负判定

1）获胜：

a）一方机器人离开擂台区域或者机器人的任意部分接触擂台外区域，则另一方获胜，本局比赛结束。

b）一方机器人翻倒、损坏或者由于其他原因无法继续行动，裁判员将开始读秒。

10秒钟内无法恢复的，则另一方获胜，本局比赛结束。

c）比赛时间结束后双方均未离开擂台且都能正常行动，离中心近的获胜，本局比赛结束。

2）平局：

a）双方在推挤过程中纠缠地离开擂台，则双方计为平局。

1.4本文研究的主要内容

本文主要研究武术擂台机器人的整体结构.在理论上和实际应用上尽可能的使机器人实现高灵活的运动状态。

根据比赛规则和以往的经验.提出结构设计方案.设计武术擂台机器人的结构。

机器人各部分设计包括攻击部分、驱动部分、检测部分.三部分对机器人设计都是至关重要的。

设计碉堡外壳的结构.以致能使机器人的防御力加强。

选择合适电机.使机器人的运行状态良好.比较灵敏的传感器是机器人运行起来比较灵活。

对机器人进行结构设计.确定了机器人的整体布局.设计了机器人的主要活动部件、外壳、电机和轮子。

针对距离、位置及黑心等的测试.选择了红外传感器。

选择由博创科技公司提供的各种零件.对机器人进行搭建.并且对机器人运动状态进行测试和分析.以及为了达到更好的状态.对机器人测试中的不足之处进行改进。

第二章擂台机器人总体设计方案

2.1基本内容和问题

根据机器人武术擂台的竞赛规则，以博创公司生产的创意之星机器人控制卡为基础设计可应用于RoboCup机器人大赛——机器人武术擂台赛的攻击型机器人的行为策略。

设计具有竞争力的总体比赛方案。

在比赛时在进攻、防守、找中心时机器人用何种速度和方式行进设计控制系统和比赛程序。

在用“创意之星”模块化教学机器人套件搭建的机器人上进行调试根据问题进行进一步的完善以提高其竞争力,使它能真正用在机器人武术擂台赛。

2.2总体的设计方案及步骤

（1）阅读相关的机器人、传感器等文献，提出要研究的问题，并对要设计对象进行分析。

（2）研究设计，构建研究课题的理论模型，研究现有武术擂台机器人的机械结构特性、控制系统特性的理论及有关技术。

（3）在理论成熟的基础上选择设计运动机构和控制方法。

（4）把知识进行整理和汇总，对各个设计中遇到的问题进行分析解答，初步的完成整体设计。

（5）通过实验调试过程，对设计结果进行讨论和分析，找出设计方案不足。

根据比赛规则“每台机器人的参赛质量不得超过2.0kg，在场地上的投影尺

寸不超过300mm×

300mm的正方形或者直径50mm的圆形，高度不超过400mm。

比赛开始后机器人可以自主变形，不再受尺寸限制。

变形过程不得由人工遥控。

机器人行走装置、攻击防守装置所采用的结构形式不限，但是不允许使用带有‘发射’或者爆炸性质的装置，比赛时间是2min。

根据此我们提出了如下设计思路和策略。

我们准备实施自卫防御型设计方案，主要是在黑圆附近展开对碰，在2分钟

完成时尽量占领黑圆圈。

为此我们的防御型机器人在硬件上采取3条策略。

第1条：

质量尽可能接近所要求的最大值，加强了防御性；

第二条：

重心尽可能地低，以此来增加稳定性。

第三条：

机器人壳体全部涂染成黑色，扰乱敌人对黑圆的探测。

要在比赛结束前首先抢得中心区或离中心区域最近，机器人应轻巧灵活，前进、后退、转动动作应自如流畅，并具有较快的行进速度。

同时，双方由于双方机器人在攻防过程中将发生激烈的冲撞，进行制约与反制约的较量，因此还要求机器人稳定性好，结构有一定的刚度，其他一些连接或固定用的小构件也是自己根据需要进行专门加工制作，其他一些采用了创意之星的机器人套件。

我们的机器人在结构设计上引用了四轮四驱结构设计，由于四轮驱动有较强的牵引附着性能，同时还有较好的操作性和灵活机动性能。

利用四轮速度差协调控制转弯和运动的方案，根据灰度传感器实时检测到的参数探索黑圆决定随后的驱动走向，用红外传感器检测离敌方的距离及其边沿，控制程序依此来决定攻击或是向中心区域的黑圆逼近。

主板芯片及传感器部分采用DC5V电源供电，电机驱动部分采用DC12V电源供电，以此来增大电机的转速和对敌方的攻击力度。

第三章擂台机器人的结构设计

3.1直流电机选择

有刷直流电机选型计算：

（1）估算电枢电阻Ra:

Σ△Pn=输入功率-输出功率（2-1）

=UnIn-Pn=UnIn-ηUnIn=（1-η）UnIn

Ra=（0.5~0.75）（1-Pn/UnIn）Un/In

（2）求KeΨn,额定运行条件下的反电势等于KΨn=U−Ira

Keψn=（Un-InRa）/nN（2-2）

Keψn=0.34

（3）求理想空载转速:

n0=Un/（Keψn）=14.7r/s=140rpm（2-3）

（4）求工作时转矩

｛TN1｝=9.55｛PN｝/nN=0.17N·

M（2-4）

（5）计算电机额定转矩

由于额定电压U=12V额定电流I=1.5A，根据

（1）中的公式,求得Ra值，根

据

（2）中公式求出KeΨn=0.81，根据（3）中公式求出理想空载转速n0=140rpm，根

据（4）中公式求出理想转矩为

｛TN2｝=9.55｛PN｝/nN=0.98N·

M（2-5）

由于N1T<

N2T，工作时其他各项数据都比电机的额定值小，不超出电机的

额定工作范围，并且各项数据都接近电机的参数。

故选用“创意之星”套件中的直流电机额定电压是DC12V额定电流1.5A额定功率20W空载转速为60r/min。

该电机功率大其结构为空心杯直流电机运转平稳。

配套的减速器也具有良好的机械性能非常适合作为轮子驱动。

由于比赛时间是2min电源选用3节3.7V锂电池作为电机的驱动电源。

“创意之星”标准配备的直流电机FAULHABER234212CR带行星齿轮减速器参数图3-1所示。

图3-1电机参数

直流有刷电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属或石墨较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。

因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机、无刷电机的性能，并且大量代替直流有刷电机。

但是在移动机器人等场合，直流有刷电机由于其功率密度大、尺寸小、控制相对简单、不需要交流电等优点，仍然被大量使用。

3.2机器人驱动芯片的选择

擂台武术机器人的电机需要正反转控制：

为此这里采用L298双通道直流电机驱动芯片来驱动，选用20脚SMT贴片封装（PowerSO20）。

L298是双H桥高电压大电流功率集成电路,可靠性高,可以方便地控制电机的正反转,既可以用来驱动4个直流电机,也可以用来驱动感性负载.如继电器、电磁阀、步进电机等。

L298每一路输出正常可以提供2A的直流电流,峰值电流可达4A。

3.3机器人检测结构的设计

机器人的“眼睛”“鼻子”和“耳朵”其实就是各种传感器，机器人要自主地运动，必须依赖与传感器对外界环境的感知才可以做出判断。

机器人通过各种传感器采集回来的信息传回控制中心，再进行分析判断。

最后变成控制系统能够识别和处理的信号作为控制机器人行为的依据。

为了使机器人在行走的时候绕开障碍物，可以采用一个红外测距传感器不断感知机器人与障碍物的距离，并把这一距离信息以电信号（0-5V的电压信号或4mA-20mA）的电流信号，的形式传给控制系统，控制系统根据距离的远近做出抉择。

当这个距离很近时，控制其行走装置停止动作或改变运动方向，避免发生碰撞。

系统通过将各类传感器进行合理配置和布局，利用多传感器提供的综合信息，通过软件对外界环境进行判断和分析，决定攻防策略、路线规划和动作调整。

（1）借用机器人外围的红外测距传感器，检索擂台边缘。

基本原理：

测距声纳为非接触式的物位传感器，应用领域十分广泛。

其工作原理是，工作时向液面或固体表面发射一束超声波，被其反射后，传感器再接收此反射波。

设声速一定，根据声波往返的时间就可以计算出传吸器到液面（固体表面）的距离，即测量出液面（固体表面）位置。

具体应用原理为：

传感器首先等待，接收到MCU的“开始”脉冲信号后发射一定时间的50KHz的超声波并等待回波；

在换能器接收到来自障碍物的反射声波后，给MCU反馈脉冲信号，MCU即可以发射和接收之间的时间长度和声速计算出机器人与障碍物之间的距离。

使用声纳的时候要注意的是，所有超声波原理的声纳传感器均有近距离盲区，600系列传感器的近距离盲区为0-15cm，即在距离传感器15cm以内的障碍物，该传感器无法探测到，或者探测精度很差。

这是由传感器的响应频率决定的。

其原因是距离太近，传感器无法分辨发射波束与反射波束。

如下图3-2所示。

图3-2红外测距传感器

目前民用领域性能最好的、适合机器人使用的测距声纳。

发散角15度，有效距离10米，精度1%.

检测原理：

当发现机器人已经靠近边沿立刻转弯或者掉头。

擂台和地面存在比较大的高度差，我们通过测距传感器很容易发现这个高度落差，从而判断出擂台的边沿。

如下图所示，在机器人上安装一个测距传感器，斜向下测量地面和机器人的距离，机器人到达擂台边沿时，传感器的测量值会突然间变得很小，距离值很大，距离和测量值呈反相关关系。

如下图3-3所示。

图3-3边沿探测示意图

（2）用安装在机器人周围隐蔽的红外线光电传感器来检测敌人。

光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。

物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。

使光电传感器贴地放置，在场内时光电传感器触发，当光电传感器到达边缘时，光电传感器离开擂台，此时机器人到达边缘所以必须进行紧急后退离开边缘，以免掉落擂台。

默认光电传感器触发时输出为高。

如下图3-4所示。

图3-4红外光电传感器

通过红外测距传感器发现敌人，因为红外测距传感器的测距范围在10~80cm，然后与其碰撞。

我们将传感器布置在机器人两侧，这样可以最大限度发现敌人。

如下图3-5所示：

图3-5敌人探测示意图

（3）利用碰撞传感器检测是否与敌人发生碰撞：

机器人在行进过程中,当遇与敌方机器人