手动机器人平台使用说明手册.docx

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手动机器人平台使用说明手册

2011年全国职业院校技能大赛高职组机器人赛项

手动机器人平台说明

目录

第一章手动机器人平台概述3

1.1手动机器人平台的总体构成3

1.2手动机器人平台按键部分3

1.3机器人平台的充电3

第二章手动机器人平台系统结构4

2.1手动机器人平台机械部分4

2.1.1机器人平台机械部分组成4

2.1.2机器人平台运动详解4

2.2手动机器人平台控制系统5

2.2.1概述5

2.2.2主控制板5

2.2.3操作按键板9

2.2.4电机驱动板9

2.3机器人平台控制程序12

2.3.1控制程序流程图12

2.3.2软件函数说明13

第三章手动机器人平台的装配和调试14

3.1机器人装配过程14

3.1.1主动轮电机装配14

3.1.2电机安装至铝合金架板14

3.1.3从动轮安装15

3.1.4电路板的安装15

3.2机器人平台的调试17

第一章手动机器人平台概述

手动机器人平台是专门为高职类机器人大赛提供的一个统一的机器人底盘，由操作手利用各种操作手柄控制机器人的各种运动；并提供了充足的I/O接口，参赛队可以根据大赛任务的要求，在此平台上进一步设计制作各种抓取、投放机构，利用机器人平台提供的主控制板和编程算法实现整体机器人的控制。

1.1手动机器人平台的总体构成

机器人平台的总体构成参见图1-1所示，由包括主动车轮、从动车轮、铝合金框架、直流电机、电池以及电路板组成。

图1-1手动机器人平台的总体构成

1.2手动机器人平台按键部分

自动机器人平台上共有三个按键，12V电源开关、24V电源开关以及启动按钮。

在开机时，注意先打开12V电源开关，再打开24V电源开关，通过操作手柄控制机器人的运行；关机时，先关闭24V电源开关，再关闭12V电源开关。

1.3机器人平台的充电

机器人平台的电源为三节铅酸电池。

电池充满电压可以达到13V，额定工作电压12V。

其中一节电池专门给主控制板和传感器信号处理板供电，另2节电池串联成24V，给电机驱动板供电，用于驱动机器人上的各种电机，为了提高整体的抗干扰性能，12V和24V的电池不要共地。

电池可重复充电1000次以上。

充电时需先取出电池。

我们可按下面步骤进行：

1.关闭机器人平台的电源；

2.拔掉连接线，将电池依次取出，充电。

3．重新装上充好的电池。

每个平台配备了一个充电器，可以给一个电池充电，充电时，充电器上面的指示灯呈蓝色，充电完毕呈红色。

第二章手动机器人平台系统结构

2.1手动机器人平台机械部分

2.1.1机器人平台机械部分组成

机器人平台的机械部分是指机器人执行具体功能时所要用到的机械部件，共有以下几个部分：

1.主动轮

机器人平台的主动轮有两只，金属铝芯，外包三根O型圈，能够完成向前直走，向后转弯，左转，右转等这些平地上的技术动作。

2.从动轮

机器人平台有1只从动轮，和两只主动轮形成三角支撑着机器人的身体。

从动轮随着主动轮的方向改变自己的方向。

众所周知，三点支撑结构是最稳定的结构，从动轮和两个主动轮形成了一个稳定的支撑结构。

3.直流电机

机器人平台上有两个2台额定电压24VDC、150转/分、70W功率直流减速电机。

4．铝合金框架

机器人平台的框架使用了铝合金型材制成，参赛队可以很方便地利用配备的专用螺母将设计的上部机构安装在平台上。

5．铝板

机器人平台上铺设了5块4mm厚的铝板，参赛队可以根据自己的需要在这些铝板上打孔，用于固定安装上部机构，若需要这些铝板，参赛队可以自行卸下，以减轻整体重量。

2.1.2机器人平台运动详解

1．机器人的动作

机器人一共有三种动作：

1）前进

两个电机等速正转时，机器人前进。

2）后退

两个电机等速反转时，机器人后退。

3）转弯

两个电机按一定比例不等速正转时，机器人转弯。

2．机器人运动原理

机器人运动时，通过直流电机的轴转动来驱动两个主动轮的运动，利用两个主动轮来控制底盘的各种运动（前进，后退或者转弯）。

底盘前端的从动轮前端有一个传感器，用于探测地面白条的位置。

探测后把相关数据传给控制装置（单片机），控制装置分析计算后把相应运动指令转化为PWM脉宽调速信号来控制电机的转速，从而使机器人能够沿着白条运行。

2.2手动机器人平台控制系统

2.2.1概述

手动机器人平台控制系统包括操作按键板、主控制板、电机驱动板和其他待开发扩展部件组成。

组成框图如图2.1所示。

图2-1手动机器人平台控制系统组成框图

图2-1中，虚线框中的部分是机器人平台已经配备的部分，其他部分需要参赛队在设计中根据所设计的上部机构的动作情况自行开发，并用主控制板统一控制。

2.2.2主控制板

1.概述

主控制板是机器人的大脑，承担着信息接收、处理、外部设备控制的重要任务，主控制板中处理器选用了STC12C5A60S2芯片为主控芯片，控制板支持两大类输入，既操作手柄信号输入，和8通道传感器输入；输出也是支持2大类，即可调速行走电机控制输出和不可调速行走电机控制输出；具有一个可扩展接口。

STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,抗干扰能力强，适合应用在强干扰场合。

具体功能和参数可以参考STC12C5A60S2数据手册。

主控制板使用的是40个引脚的单片机，共有35个I/O接口，其中，P0、P2和P4.6口用于输入，共17个端口，P1和P3部分接口用于输出，共12个端口。

主控制板实物如图2-2所示。

图中，12V电源输入插座连接12V电源，12V电源输出插座连接传感器信号处理板的12V电源插座，手柄输入接口用于连接操作按键板，启动按钮输入插座连接面板上启动按钮，左右车轮电机接口连接驱动板上的电机信号控制插座，程序下载接口用于程序的在线下载，8通道传感器输入接口可以用于连接8个NPN型传感器，非调速电机输出接口用于上部机构各种电机的控制。

图2-2主控制板外形图

主控制板的信号流程图如图2-3所示。

图2-3主控制板信号流程图

2.操作手柄输入接口

操作手柄输入接口主要是用于接收操作手柄信号信号，电路图如图2-4所示。

图2-4操作手柄输入接口

图中，为了减少对单片机端口的占用，使用了2片74HC245总线驱动电路构成对单片机P2口的复用，用单片机P4.4口的信号加以控制。

当P4.4为低电平时，P2口接收到的是QQ0-QQ7信号——代表按键SW1-SW8的输出信号；当P4.4为高电平时，P2口接收到的是QQ8-QQ15信号——代表按键SW9-SW16的输出信号。

需要注意，当操作按键板上的某个按键没有按下时，对应的输出信号为低电平信号，按下后，输出信号为高电平信号。

3．8通道传感器输入接口

8通道传感器输入接口用于连接光电、接近或者超声传感器等，可以让参赛队在整体设计机器人时，充分利用各种传感器探测外部信息，其中4通道输入接口电路图如图2-5所示。

图2-54通道传感器输入接口

图中，展示了4路传感器输入接口，输入信号使用了单片机的P0.0-P0.3口，插座J8-J11分别接4个不同传感器，传感器直接使用市场现有的成熟产品，主要有：

图2-6所示的红外传感器，在机器人中，主要用来探测四周是否存在障碍或者是否到达预定物体附近，其最大探测距离根据所用型号的不同，有30cm、1m、2m多种；图2-7所示为接近开关，主要用在机器人上探测一些运动部件是否到位，探测距离一般在5mm以下。

传感器上有3根引线，分别接J8-J11的3个引脚。

需要注意的是：

使用的传感器必须是NPN型，工作电压在6V-36V之间。

图2-5所示的的电路均为低电平有效，即传感器探测到目标时，反相器输出端即单片机的P0-P3脚为低电平信号，否则为高电平。

图2-6红外传感器图2-7接近开关

4．PWM和电机方向控制电路

PWM和电机方向控制电路如图2-8所示，STC12C5A60S2本身具有2路PWM输出，即P1.3和P1.4为PWM输出端口，分别控制左（P1.4控制）右（P1.3控制）电机的转速，单片机PWM的设置请详见STC12C5A60S2数据手册。

图2-8PWM和电机方向控制电路

图2-8中，P15和P12分别是左（P1.5控制）右（P1.2控制）电机的方向控制信号，需要注意的是，P1.5和P1.2是低电平有效，即P1.5和P1.2是低电平时，电机驱动板上的继电器常开触点闭合，电机反转。

5．非调速电机输出接口

本电路板上设置了8个非调速电机输出接口，可以用来控制4个正反转直流电机或者8个单向运转直流电机，电路图如图2-9所示。

图2-9非调速电机输出接口

图2-9中，P16、P17，P32-P37为8个控制信号，使用了单片机的P1.6、P1.7和P3.2-P3.7口，同样需要注意，这些信号均是低电平有效。

6．扩展接口

主控制板中，P1.0和P4.5两个接口没有使用，用插座对外引出，参赛队可以根据自己机器人的设计情况加以使用。

7．下载接口

本电路板上有一个DB9串口接口，可以用来实现程序的在线下载。

在线下载的主要步骤为：

1）首先关闭本电路板的12V电源，取出串口连接线。

一头接本电路板的DB9下载口，另一头接PC机箱后的9针串口。

如果你的电脑后面没有空余9针串口，可以使用USB转串口转接头。

2）打开STC-ISP在线下载软件，进行程序的下载，具体操作方法见STC12C5A60S2数据手册；下载完毕，从电路板上取下串口下载线。

8．A/D转换口

单片机的P1.1口既可以作为通用I/O口，也可以作为A/D转换输入口，在手动平台中，将此作为A/D转换输入口，通过调节操作按键板上的电位器改变此端口的输入电压，通过程序控制实现机器人的调速运行。

具体设置方法见STC12C5A60S2数据手册。

2.2.3操作按键板

1．概述

操作按键板仅手动机器人平台使用，电路板实物如图2-10所示。

图中，操作手柄输出接口连接单片机控制板。

图2-10操作按键板外形图

图中，分别按下左转、前进、右转、后退按键（代号是SW1、SW3、SW5、SW7）就可以实现机器人平台的左转、前进、右转、后退；旋转调节电位器，可以改变机器人平台的运行速度。

操作按键板上的其余按键可以用来控制上部机构各种电机的运行。

2.2.4电机驱动板

1．概述

电机驱动板接受主控制板发来的电机PWM脉宽调制信号和方向信号，驱动机器人平台上的2个24V直流减速电机。

利用PWM信号占空比的不同，来控制电机的不同转速；利用方向信号，控制直流电机的正反转，从而实现机器人平台的前进、后退和转弯。

电路板实物如图2-11所示，控制信号插座连接主控制板，24V电源插座接24V电源（注意板子上的电源正极标志，不要插反），左右电机输出插座接左右电机。

原理框图如图2-12所示。

图2-11驱动板外形图

图2-12电机驱动板原理框图

2．MOS管驱动电路

本电路板设置了2路MOS管驱动电路，分别用来驱动左轮和右轮电机，左轮电机驱动电路如图2-13所示。

本电路采用了IR2110功率驱动集成芯片，该芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块，可靠性很高，具体参数可以参考IR2110数据手册。

IR2210输入信号为主控制器送出的PWM脉宽信号，其输出直接控制75N75MOS管的通断。

图2-13左轮电机MOS管驱动电路

3.继电器输出电路

继电器输出电路如图2-14所示。

图2-14继电器输出电路

图中，LO1和LO2接直流电机，LDIR为主控制板发出的左电机方向控制信号，通过三极管控制继电器的常开触点是否动作，当LDIR为低电平时，继电器常开触点未动作，直流电机正转；当LDIR为高电平时，继电器常开触点闭合，直流电机反转；使用了继电器电路而不是采用一般的MOS管桥式电路作为电机正反转控制电路，主要是在实际比赛中，对于频繁进行启动、停止以、正反转运行、与对方发生冲撞的机器人来说，继电器电路更加可靠安全。

2.3机器人平台控制程序

2.3.1控制程序流程图

手动机器人平台附带了一个平台运行程序，将机器人放在场地上，打开电源，分别按下操作按键板的左转、前进、后退或者右转按键，控制机器人完成相应的动作，旋转电位器可以改变运行速度。

此程序的流程图如图2-15所示。

图2-15手动参赛机器人程序设计流程图

机器人平台所提供的程序可以实现图2-15中虚线框内的功能，虚线框外部的功能实现需要参赛队自己编写程序。

2.3.2软件函数说明

平台提供了一些常用的函数，用户可以直接使用这些函数，也可以自己定义和扩展函数。

☆ST_B（）----程序初始化设置

【功能】此函数为初始化程序设置。

【说明】ST_B（）函数包括端口设置、PCA时钟源、控制寄存器、计数初值、启动按键等设置，该函数只需在主程序开始时调用一次即可。

☆S_S（s）----加速启动

【功能】此函数为加速启动函数，实现平台从静止状态加速启动运行。

【说明】参数s:

加速启动时的最大值设置，占空比为s的十倍，s最大为10，输出占空比由0%增加到100%。

如：

S_S（40）；表示平台从静止状态加速启动运行至速度为40时。

☆delay_ms（T）----延时

【功能】此函数为毫秒级延时函数。

【说明】参数T用于调用时的延时时间设置，T的取值范围是1—60000。

如：

delay_ms（1000）;表示延时时间为1秒。

☆motor（m,z,n）----电机运行

【功能】此函数为电机运行函数。

【说明】参数m：

选择电机，l代表左电机，r代表右电机。

参数z：

设置电机的正反转，f代表正转，b代表反转。

参数n：

电机的占空比设置（转速）。

如：

motor（l,f,50）;表示左电机以50%的占空比正转。

☆stop（m）----电机停止

【功能】此函数为电机停止函数。

【说明】参数m：

选择电机，l代表左电机，r代表右电机，rl代表同时选择左右电机。

如：

stop（rl）；表示左右电机同时停止。

☆FOLL_FINE（ti）----巡线计数

【功能】此函数为16位巡线传感器巡线计数函数。

【说明】参数ti：

巡线条数设置（即寻到设定条数时会跳出此函数），范围1—255。

如：

FOLL_FINE（3）;表示平台沿引导线前进检测到3条交叉引导线。

☆TURN90（e）----旋转90度

【功能】此函数为平台人旋转90度（即寻找与前进方向90度交叉的白条）。

【说明】参数e：

选择机器人左转或右转，l左转90度，r右转90度。

如：

TURN90（r）;表示平台右转90度。

☆BACK（ms）----延时后退

【功能】此函数为平台延时后退。

【说明】参数ms：

设定后退时间，ms级延时，范围是1—60000。

如：

BAKE（200）;表示平台后退0.2秒。

第三章手动机器人平台的装配和调试

3.1机器人装配过程

机器人底盘安装即把主动轮，电机，从动轮依次安装至底盘铝合金框架上以及完成线路板之间的连接。

在出厂时，这些部件均已经安装完毕，轻易不要去拆卸。

3.1.1主动轮电机装配

主动轮及电机爆炸图如图3-1所示

图3-1底盘局部爆炸图

安装步骤：

从左至右，依次结合螺栓，主动轮，连接钢板，以及电机，并且旋紧，把三个轮套套在主动轮上。

3.1.2电机安装至铝合金架板

底盘局部如图3-2所示，直流电机直接对准相应钢板部位，螺丝旋紧即可。

图3-2底盘局部图

3.1.3从动轮安装

从动轮安装在底盘反面，直接对准相应部位，螺丝旋紧即可，手动机器人平台底盘反面没有巡线传感器。

3.1.4电路板的安装

1．将三个电池固定在平台上。

2．将电机驱动板、主控制板从下至上叠加在一起，固定了平台上。

3．连接信号线：

用20芯排线连接操作按键板的输出和主控制板的操作手柄输入接口；用10芯排线连接主控制板的左右车轮电机接口与电机驱动板的控制信号接口；左右车轮电机连接电机驱动板的左右电机输出插座。

连接示意图如图3-3所示。

4．连接电源线：

12V电源线连接主控制板的12V电源输入插座；24V电源连接电机驱动板的24V电源插座。

连接电源时，务必确认主板上电源插座的正负极，切勿插反。

连接示意图如图3-4所示。

20芯排线连接

12V电源

标号12、13

蓝色线为正极

左右电机

10芯排线连接

24V电源

标号03、04

蓝色线为正极

图3-3线路板之间连接示意图

图3-4面板与线路板之间的连接

注意:

在发货时,为了安全,12V电源和24V电源插头已经拔除，首次使用时，请将标号12、13的12V电源插头接入主控制板的12V电压插座；将标号03、04的24V电压插头接入驱动板的24V电源插座。

3.2机器人平台的调试

在机器人平台全部安装完毕，初步检查无误后，下一步就进行必要的调试，主要的调试步骤如下：

1．将程序下载到单片机中。

2．将机器人平台放到场地上。

3．先后打开12V电源和24V电源，分别按下操作按键板上的左转、前进、后退、右转按键，旋转电位器，观察机器人平台运行情况。