机器人设计与制作报告Word文档下载推荐.docx

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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：

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

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

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，齿轮组的变速比愈大，舵机的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，单转动的速度也愈低。

图4-5舵机的工作原理示意图

减速齿轮组由马达驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制单元，控制单元将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，从而达到舵机精确定位的目的。

三、软件设计

本次调试所用控制板为Arduino舵机控制板，步骤如下：

1.将USB数据线连接电脑和舵机控制板，连接之后靠近USB的一个绿色LED会亮，表示芯片供电正常。

2.安装驱动，驱动安装好之后会在电脑上虚拟一个COM口，可以在设备管理器的COM端口里面查看具体的COM端口号。

3.在电脑上打开软件，选择正确的COM端口号。

4.给舵机接上电源，连接方式：

将电源的正极接到VS处，负极接到GND处，连接正常之后，靠近接线端的一个绿色的灯会亮起来，表示电源连接正常。

5.将舵机插在舵机控制板上，注意正负极，然后在电脑上操作软件，拖到对应的舵机面板里面的滑条，这个时候如果舵机跟着滑条的移动而旋转，则表示舵机控制器完全没问题了。

四、系统调试

4.1步态的规划

双足竞步机器人的步态规划，是指机器人行走过程中其各组成部分运动轨迹的规划，比如说，脚掌何时离开地面、摆动相中整个脚掌在空中的轨迹、何时落地等。

步态规划的目标是产生期望步态，即产生在某个步行周期中实现某种步态的各关节运动轨迹（期望运动轨迹）。

步态规划是双足机器人稳定步行的基础，要实现和提高机器人的行走性能，必须研究实用而有效的步态规划方法，以实现机器人的稳定步行。

1.保证机器人本体不和环境或者自身发生干涉,从而导致无法实现预定的轨迹。

在调试时出现过机器人的两足缠在一起的情况，要及时纠正，以防止烧坏舵机。

2.保证机器人的稳定性。

机器人的稳定性问题一直是困扰两足步行机器人发展的重要问题，如果是硬件原因，要及时纠正，以便更好完成任务。

4.2软件调试

舵机控制板系统是为了实现多舵机协调控制而研制开发的舵机控制系统。

该系统以一块AVR-32单片机，实现了系统同步协调最多10台舵机的运动状态。

在该系统中，用户不需要过多关心舵机控制信号的实现细节，而只需对舵机下达宏观的转动信息，舵机便可以在控制板的协调控制下保证按时完成动作要求，为关节型机器人等基于舵机结构的机械系统控制提供了巨大的便利。

PC机与舵机控制板的单片机通过串口进行通信，PC上位机的调试软件可以实时调试机器人上各个舵机，从而达到调试机器人动作的目的。

调试软件调试完机器人动作后，可以保存动作程序，并将动作程序编译成单片机可执行的代码，将代码下载到单片机中，机器人就可以自主运行

五结束语

此双足竞步机器人是按比赛要求设计的，其中机械结构是机器人能否稳定运行的基础，硬件电路决定了机器人实现的功能，而软件部分则是控制的灵魂。

整个设计过程中，通过对机器人机械结构的设计，和软件的调试，完成了机器人的规定动作，在此过程中也出现了不小问题，比如调试过程中会发生舵机抖动的问题，要及时检查以确定是软件问题还是硬件问题，调试过程中也会出现机器人不按规定动作执行的情况，首先要确定是不是电源电量不足，如不是，再检查舵机是否出现问题，总之，在调试过程中要格外小心，稍不小心就会损坏控制板和舵机。

通过此次双足竞步机器人的设计我们小组学到了许多东西，彼此间的配合更加默契。

真正的收获很大。

最后，感谢指导老师给予我们的技术和硬件支持。

六参考文献

[1]陈立新,两足步行机器人步态及运动稳定性分析[D].现代机械,1995（3）:

30-35

[2]谢涛,徐建峰.仿人机器人的研究历史、现状及展望[J].机器人,2002（7）:

26-35

[3]张学允,双足步行机器人动态步行研究[D].哈尔滨工业大学,2001:

34-45

[4]刘志远,两足机器人的动态行走研究[D].哈尔滨工业大学,1991:

37-56

七附录

程序代码

#1P1572#2P1678#3P1403#4P1426#5P1300#6P1456T1000

#1P2255#2P2487#3P1975#4P833#5P542#6P922T500

#1P2255#2P2487#3P1975#4P2233#5P1944#6P2100T500

#1P967#2P767#3P944#4P2133#5P2177#6P1974T500

#1P967#2P1140#3P944#4P2133#5P1794#6P1974T500

#1P1633#2P1140#3P1389#4P1478#5P1794#6P1456T500

#1P1633#2P1678#3P1389#4P1478#5P1300#6P1456T500

#1P1572#2P1678#3P1403#4P944#5P1700#6P1456T800

#1P1344#2P2033#3P1517#6P1456T800

#2P1967#3P1517#4P1256#5P1344T800

#1P1611#2P2100#3P1189#4P1256#5P1344T800

#1P1611#2P1967#3P1189#4P1256#5P1611#6P1256T800

#1P1026#2P656#3P989#4P2137#5P2167#6P1967T500

#1P2254#2P2448#3P2006T500

#4P789#5P500#6P967T500

#1P1678#2P1678#3P1395#4P1500#5P1300#6P1490T1000