課程設計（論文）-少林銅人陣機電系統(tǒng)設計.doc

湖南工程學院課程設計說明書名稱：少林銅人陣機電系統(tǒng)設計院系機械工程學院班級機械電子工程0801姓名學號10指導老師2011年12月5日至2011年12月23日共3周-1-目錄一、緒論.21.1概述.21.2機器人的技術組成.21.3課程設計的目的及要求.2二、總體設計.42.1總體模塊劃分.42.2自由度的分配.4三、機械部分設計.53.1彎腰機構(gòu)的設計.53.2轉(zhuǎn)身機構(gòu)的設計.63.3手臂和頭部機構(gòu)的設計.63.4聯(lián)結(jié)方式的選擇.73.5手臂和雙足的運動學分析式的選擇.7四、電氣部分設計.94.1電路總體結(jié)構(gòu).94.2主要部件的選擇.104.2.1驅(qū)動電機的擇.104.2.2繼電器.114.2.3光電編碼器.124.2.4傳感器.134.2.5開關.144.2.6電源.144.3控制系統(tǒng)設計.14五、軟件部分設計.155.1軟件控制流程.155.2主程序設計.165.3任務子程序設計.185.4關節(jié)歸零子程序現(xiàn).185.5其它子程序.205.6武術動作的編輯.20設計總結(jié).22參考文獻.23-2-一、緒論1.1概述隨著機器人技術的不斷發(fā)展，機器人已經(jīng)大量應用于社會的各個行業(yè)。如今，機器人已經(jīng)進入娛樂領域，國內(nèi)外很多公司正在發(fā)展娛樂型機器人。武術機器人就是在這樣的大背景下產(chǎn)生的。作為機器人的一個分支，武術機器人將會是21世紀機器人主要民用用途之一。武術機器人的設計涉及了機電一體化技術、檢測和傳感技術、精密加工和機械密封技術、現(xiàn)代化控制和管理技術、光電感應技術、計算機程序控制技術等多個方面。因此，武術機器人既具有極強的觀賞和趣味性，更是一個系統(tǒng)化的工程設計。人形機器人是機器人研究中的重要分支，它涉及到機器人制造中的各個領域，如自主行為控制、人工智能、動態(tài)管理、機械設計等，在一定程度上代表著機器人研究的尖端水平，與其它機器人（工業(yè)機器人、蛇形機器人、輪式移動機器人等）相比，具有三個基本特征：（1）能在人們所處的現(xiàn)實環(huán)境中工作；（2）能使用人們所用的工具；（3）具有人的形狀。此外，還有攝像處理、語音處理以及一系列傳感器信號的處理，可見，人形機器人對各項技術領域提出了更高的要求。1.2機器人的技術組成機器人由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成這三大部分可分成驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)。1.3課程設計的目的和要求1、機器人設計的內(nèi)容舉手投足、轉(zhuǎn)圈、頭部動作靈活、并具備的語音功能。通過語音識別技術，可以對小機器人進隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機器人技術已廣泛應用于人類社會生活的各個領域，特別是機器人具有人類外觀特征、可愛的外貌、又兼有技術含量，極受青少年的喜愛。本課題要求設計一具有簡單人體功能的、模擬十八銅人動作的類人-3-型機器人，完成簡單人體的基本動作：可以前進后退，左右側(cè)行，左右轉(zhuǎn)彎和前后擺動手臂，行走頻率為每秒兩步，行語音控制，通過發(fā)出語音命令，控制機器人的。機器人包括底座、頭部、上身、下肢、以及電路控制板，分別控制手臂、頭部和底盤運動的電機及傳動機構(gòu)等。通過電路控制和機械傳動，可使機器人動作。知識范圍涉及機構(gòu)學、力學、電子學、自動控制、計算機、人工智能等。2、具體任務：1、了解機電一體化系統(tǒng)設計原理，機器人設計原理及基礎知識，熟悉機器人基本機構(gòu)設計及控制原理；2、通過分9組，分別完成8個機器人武術動作設計（要求每個機器人能單獨完成34個武打動作，動作要流暢，不能有運動干涉及自鎖現(xiàn)象）；3、其中1組進行機器人系統(tǒng)的整體布局和陣法變換設計，完成8個機器人的布陣、陣形變換和收陣的機電系統(tǒng)及控制設計；其中要考慮機器人動平衡、路徑控制、干涉、互鎖、自鎖等。4、通過設計說明書的編寫訓練使學生掌握工程技術文件的編寫。3、進度安排:1、下達設計任務，查資料，分析課題，確定系統(tǒng)的總體方案3天2、分組課題設計方案的選擇與擬定，詳細機械設計及控制設計方案的設計、計算與驗算7天3、根據(jù)分工，進行各自部分的設計、調(diào)試、運行，直至正確無誤2天4、按格式編寫設計說明書（12頁以上）、制作存儲介質(zhì)（分組刻盤）資料匯總，答辯3天4、時間安排：劉紅波（07）負責總體設計；張?。?2）負責機械部分設計；李蕓（20）負責電氣部分設計；蔡楷賓（10）負責軟件部分設計。-4-二、總體設計2.1總體模塊機器人的設計首先需作總體方案設計，包括機械和電氣兩部分。根據(jù)機械基礎知識，從整體上來講，機械結(jié)構(gòu)設計必須與機器人所要完成的功能相適應。機械部分設計主要包括底盤設計、尺寸選擇、驅(qū)動方式設計、電機選擇等；電氣是機器人最重要的部分，直接影響著機器人功能的實現(xiàn)于否。銅人機器人要求完全自動控制，必須采用單片機為控制核心，它類似于機器人的大腦，接收和處理所有外界信息，指揮并控制機器人的所有動作。語音識別等功能是制作機器人硬件的難點，它要求機器人具有一定的感覺系統(tǒng)。目前，機器人技術已日趨成熟，機器人感覺系統(tǒng)可通過各種各樣相應的傳感器技術即可實現(xiàn)。傳感器把接收到的外部信息輸入到單片機，再通過軟件進行控制，從而單片機發(fā)出命令指揮機器人動作。軟件編程可以豐富機器人的功能，使機器人動作更加完善。2.2自由度配置機器人要實現(xiàn)機器人的雙足行走動作，對機器人的自由度的分布和自由度的安裝位置，都有一定的要求。基于通過盡量少的自由度，來實現(xiàn)盡量多的基本運動，同時又要使這些運動盡量柔順美觀的出發(fā)點，配置機器人自由度。下肢行走機構(gòu)是雙足機器人最關鍵的部分，關系著機器人能否穩(wěn)定的行走。所以，對機器人下肢自由度的配置就成了機構(gòu)設計中最為重要的部分。通過對人體腿部關節(jié)運動方式的研究，發(fā)現(xiàn)可以利用12個自由度來近似實現(xiàn)人腿全部的運動功能本課題設計的機器人也具有12個自由度，其中2X3=6個自由度負責前行運動，22=4個自由度負責側(cè)向擺動，2X1=2個自由度負責轉(zhuǎn)向。上肢是機器人的執(zhí)行部件，同時在機器人行走時維持身體平衡和在機器人倒地時配合機器人下肢使機器人站起立，本課題設計的機器人上肢有2X4=8個自由度。另外，頭部配置1個轉(zhuǎn)動的自由度。這樣機器人共具有21個自由度，自由度分布及其正方向如圖所示。關節(jié)標號y1y8為繞平行于Y軸轉(zhuǎn)動的關節(jié)，關節(jié)標號xlx8為繞平行于X軸轉(zhuǎn)動的關節(jié)，關節(jié)標號z1z8為繞平行于Z軸轉(zhuǎn)動的關節(jié)。-5-軸手臂與頭部機構(gòu)搖桿零件可前后搖動正視圖側(cè)視效果固定用軸孔長方形槽三、機械部分機械部分包括：彎腰機構(gòu)的設計、轉(zhuǎn)身機構(gòu)的設計、手臂機構(gòu)的設計、轉(zhuǎn)頭機構(gòu)的設計、材料與型材選擇及聯(lián)結(jié)方式的選擇。3.1彎腰機構(gòu)的設計腰部的設計思路是，作為人形機器人的腰部，主要做要是承接了上部的重量，設計的時候腰部能做到水平的轉(zhuǎn)動最好，如果不能將會極大地影響整個機器人的平衡；所以盡量減少可變的環(huán)節(jié)，故在腰部轉(zhuǎn)動的設計中不采用電機再經(jīng)傳動其他機構(gòu)最后帶動腰部的轉(zhuǎn)動方式，而是直接使用電機實現(xiàn)彎腰。具體實現(xiàn)方式如下：先通過一根軸穿過鞠躬機構(gòu)與機器人上半身的兩只手臂固定，然后電機通過一個搖桿連接到彎腰機構(gòu)的一個長方形槽中，在電機轉(zhuǎn)動的過程中，帶動鞠躬機構(gòu)做以與手臂固定軸為中心的前后彎腰鞠躬動作，所需的零件包括一根軸，一個帶有與軸相同大小的孔和在孔同一側(cè)的開有長方形槽的鋁條。并且考慮在這個機構(gòu)上，能夠與手臂機構(gòu)相固定。圖3.1機器人彎腰機構(gòu)彎腰機構(gòu)的裝配順序如下：取適當長度的鋁條打軸孔和磨長方形槽，在上身支架兩端打相同的孔，軸穿過該鋁條后穿過兩個支架并固定好。-6-加工可固定于電機軸上的搖桿，一端可固定住電機，另一端固定搖桿的軸并與加工好的鋁條的長方形槽相結(jié)合。將電機固定在上身左邊支架的一側(cè)。為了防止彎腰機構(gòu)前傾，用兩根橡膠帶做一定的固定，以使電機拉住機構(gòu)向下彎腰時更加穩(wěn)定在彎腰機構(gòu)中，如果將機構(gòu)的位置和方向調(diào)換過來，動作就可變?yōu)榧绲淖笥覔u擺，因為設計水平有限，沒有將兩種動作結(jié)合在一起的機構(gòu)設計出來。3.2轉(zhuǎn)身機構(gòu)的設計轉(zhuǎn)身機構(gòu)的設計原理和彎腰機構(gòu)的設計原理差不多，在此就不做多的比較論證了。我們還是采用連桿機構(gòu)，但具體的設計又和前面稍微不同。機器人的腰部機構(gòu)用于實現(xiàn)機器人左右轉(zhuǎn)身的動作，主要部件包括一個滾動軸承、一個自行加工的可固定滾動軸承內(nèi)部圓的零件，以及必備的其它固定零件。滾動軸承的特點在于當內(nèi)圓固定時，外圓可以轉(zhuǎn)動，反之亦然。機器人的腰部機構(gòu)正是從這個特點出發(fā)制作的，要實現(xiàn)機器人腰部左右轉(zhuǎn)動，就讓滾動軸承內(nèi)部圓與可固定電機軸的傳動零件固定，同時該零件與機器人下身機構(gòu)固定，滾動軸承與機器人上身機構(gòu)固定，再將電機與傳動零件固定后又與上身機構(gòu)固定，這樣，在電機轉(zhuǎn)動的過程中，利用軸承的作用，機器人下身機構(gòu)不動時，由于上身機構(gòu)與軸承外圓固定，電機旋轉(zhuǎn)帶動了軸承外圓的旋轉(zhuǎn)，于是，機器人上身就繞著軸承中心作轉(zhuǎn)身運動。3.3手臂和頭部機構(gòu)的設計手臂機構(gòu)就是機器人的兩只手臂，在本次設計中將機器人的手部的