機(jī)器人課程設(shè)計(jì)(蘇州市職業(yè)大學(xué))

1、蘇蘇 州州 市市 職職 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 課課程程設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)任任務(wù)務(wù)書書 課程名稱： 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 起訖時(shí)間： 2012.12.312013.01.05 院 系： 電子信息工程系 班級(jí)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 系 主 任： 0 目錄目錄 第一章第一章 緒論緒論.1 1.1 概述.1 1.2 機(jī)器人的技術(shù)組成.1 1.3 課程設(shè)計(jì)的目的和要求.1 1.3.1 目的.1 1.3.2 要求.1 第二章第二章 方案和規(guī)劃方案和規(guī)劃.2 2.1 設(shè)計(jì)方案.2 2.1.1 傳感器系統(tǒng).2 2.1.2 控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng).2 2.1.3 機(jī)器人結(jié)構(gòu).2 2.1.4 控制方法.2 2.2 任務(wù)規(guī)劃.2 第三

2、章第三章 搭建機(jī)器人搭建機(jī)器人.3 3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).3 3.2 驅(qū)動(dòng)方案.4 3.3 傳感器.5 3.3.1 光強(qiáng)傳感器.5 第四章第四章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì).8 4.1 控制算法流程.8 4.2 程序編寫.9 第五章第五章 結(jié)論結(jié)論.12 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).13 0 第一章第一章 緒論緒論 1.1 概述 人形機(jī)器人是機(jī)器人研究中的重要分支， 它涉及到機(jī)器人制造中的各個(gè)領(lǐng) 域，如自主行為控制、人工智能、動(dòng)態(tài)管理、機(jī)械設(shè)計(jì)等，在一定程度上代表 著機(jī)器人研究的尖端水平，與其它機(jī)器人（工業(yè)機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、輪式移 動(dòng)機(jī)器人等）相比，具有三個(gè)基本特征：（1）能在人們所處的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中工作； （2）能使

3、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(hào)的處理，可見，人形機(jī)器人對(duì)各項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域提出 了更高的要求。 1.2機(jī)器人的技術(shù)組成 機(jī)器人由機(jī)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(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系 統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個(gè)子系統(tǒng)。 1.3課程設(shè)計(jì)的目的和要求 1.3.1目的 （1）進(jìn)一步了解“創(chuàng)意之星”標(biāo)準(zhǔn)版套件； （2）初步學(xué)習(xí)人形機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃； （3）深入學(xué)習(xí) AVR 控制器的使用方法； （4）深入學(xué)習(xí)模擬量傳感器的使用方法。 1.3.2要求 （1）設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的雙足機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人

4、能夠模仿人類行走方式 邁步行進(jìn)，能感知光源，并能轉(zhuǎn)向光源，朝光源前進(jìn)； （2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)足要包括腕、膝、胯三個(gè)關(guān)節(jié)，畫出機(jī)器人的 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖； （3）進(jìn)行步態(tài)分析，并編寫前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的步態(tài)流程； （4）用設(shè)計(jì)完整的雙足機(jī)器人追光程序；NorthStar 1 第二章第二章 方案和規(guī)劃方案和規(guī)劃 2.1 設(shè)計(jì)方案 2.1.1傳感器系統(tǒng) 我們需要測(cè)量機(jī)器人的的姿態(tài)，但不需要像 Segawy 一樣測(cè)量那么多的姿 態(tài)信息，只需要獲得機(jī)器人前后俯仰的角度信息即可。獲取機(jī)器人的前后傾斜 角度后，可通過可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，反向補(bǔ)償這個(gè)傾斜角度，合理的補(bǔ)償方式 就能夠讓機(jī)器人保持動(dòng)態(tài)平衡。 2.1.

5、2控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng) 控制系統(tǒng)選擇 MultiFLEX2-AVR 控制器。相對(duì)于 MultiFLEX2- PXA270，MultiFLEX2-AVR 控制器的編程更簡(jiǎn)單，更容易實(shí)現(xiàn) Segawy 要求的對(duì) 傳感器的高速采集和高速響應(yīng)。 CDS55xx 舵機(jī)既可以用舵機(jī)模式，也可以要做電機(jī)模式，這里用其作為 Segawy 的推進(jìn)系統(tǒng)。 2.1.3機(jī)器人結(jié)構(gòu) 我們需要搭建一個(gè)雙輪機(jī)器人，需要有兩個(gè)懸臂用于安裝紅外測(cè)距傳感器 機(jī)器人傾斜角度的測(cè)量。 2.1.4控制方法 整個(gè)結(jié)構(gòu)方案、傳感器方案都確定好了，可以得到機(jī)器人的傾斜角度，能 夠有效控制機(jī)器人輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)了。 2.2任務(wù)規(guī)劃 前面已經(jīng)對(duì)自平衡機(jī)

6、器人如何設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的介紹。接下來具體實(shí)施 環(huán)節(jié)： 搭建出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)必須必須符合上述理論分析。 熟悉需要用到的部件，如 CDS5500 和紅外測(cè)距傳感器。 在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。 2 第三章第三章 搭建機(jī)器人搭建機(jī)器人 3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1) MultiFLEX2-AVR 控制器，1 塊； 2) 多功能調(diào)試器和線，1 套； 3) 光強(qiáng)傳感器，2 個(gè)； 4) 舵機(jī)，8 個(gè)； 5) 連接件，若干。 舵機(jī)： 控制器： 3 四足機(jī)器人: 3.2 驅(qū)動(dòng)方案 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供動(dòng)力的裝置。采用的動(dòng)力源不同，驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)的傳動(dòng)方式也就不同。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式主要有四種：液壓式、氣

7、壓式、 電氣式和機(jī)械式。電力驅(qū)動(dòng)是目前使用最多的一種驅(qū)動(dòng)方式，其特點(diǎn)是電源取 用方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力大，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈 活的控制方式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，目前也有采用直接驅(qū) 動(dòng)電機(jī)，但是造價(jià)較高，控制也較為復(fù)雜。 電動(dòng)機(jī)也稱電機(jī)（俗稱馬達(dá)），在電路中用字母“M”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“D”） 表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。電動(dòng) 機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為直流電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng) 機(jī)還可分為永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)和磁滯同布電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī) 可分為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和交流換向器電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可

8、分為 無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)。 舵機(jī)是遙控模型控制動(dòng)作的動(dòng)力來源，不同類型的遙控模型所需的舵機(jī)種 類也隨之不同。 4 舵機(jī)主要是由外殼、電路板、無核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測(cè)器所構(gòu)成。其 工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)IC 動(dòng)無核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送 回訊號(hào)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。位置檢測(cè)器其實(shí)就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 時(shí)電阻值也會(huì)隨之改變，藉由檢測(cè)電阻值便可知轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。一般的伺服馬達(dá) 是將細(xì)銅線纏繞在三極轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電流流經(jīng)線圈時(shí)便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子外圍 的磁鐵產(chǎn)生排斥作用，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的作用力。 伺服電動(dòng)機(jī)又

9、稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收 到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電 動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的 增加而勻速下降，伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的三相WVU/ 電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào) 給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服 電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。 3.3 傳感器 傳感器是自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu) 組成，其重要性變得越來越明顯。傳感器技術(shù)它綜合了多方面的知識(shí)，在近幾 年體

10、現(xiàn)尤為突出。人類具有五種感覺(視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺)。機(jī)器 人需要通過傳感器得到這些感覺信息。目前機(jī)器人只具有視覺、聽覺和觸覺， 這些感覺是通過相應(yīng)傳感器得到的。 機(jī)器人傳感器根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。 a.內(nèi)部傳感器：用來檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多 為檢測(cè)位置和角度的傳感器。 b.外部傳感器：用來檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離 有多遠(yuǎn)等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。具體有物體識(shí)別傳感 器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器 等。 3.3.1 光強(qiáng)傳感器 5 光強(qiáng)傳感器是一種感應(yīng)光的強(qiáng)弱

11、并進(jìn)行顯示、處理的測(cè)量裝置。使它可以 完成多種光學(xué)實(shí)驗(yàn)，諸如比較光強(qiáng)和距離的關(guān)系；研究光的干涉、衍射、偏振； 在不同光源下測(cè)量光的相對(duì)強(qiáng)弱；研究不同光源的明、暗變化等。常用于生物、 化學(xué)實(shí)驗(yàn)中。 光強(qiáng)傳感器結(jié)構(gòu) 光強(qiáng)傳感器結(jié)構(gòu)圖如下：為降低光敏元件的工作環(huán)境溫度而在傳感器外殼 上裝有兩個(gè)引入冷卻水的導(dǎo)管。 壓蓋是壓緊透光的石英玻璃窗，防止漏氣，并與外殼相連，密封冷卻水。 銅套筒的作用是密封水，以免冷卻水進(jìn)入光敏元件與石英玻璃組成的空間。 圖上的軟套管能是光敏元件在軸向固定，不因振動(dòng)而變化，套筒作安裝光敏元 件之用。此外，圖上的光電池，絕緣薄膜，內(nèi)套筒可用光敏二極管代替。這種 結(jié)構(gòu)的有點(diǎn)是拆卸方

12、便。 1- 光強(qiáng)傳感器原理 利用光敏元件可將光信號(hào)的特點(diǎn)，將柴油機(jī)燃燒室內(nèi)著火燃燒時(shí)火焰光輻 射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)而反映出柴油機(jī)的燃燒情況。下圖為光強(qiáng)傳感器的原理圖。 6 光強(qiáng)傳感器應(yīng)用 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象環(huán)保等工作中，光照強(qiáng)度是環(huán)境監(jiān)測(cè)中的重要參數(shù)。尤 其是在溫室大棚中，光強(qiáng)對(duì)作物有著決定性的作用。所以光強(qiáng)傳感器應(yīng)用于室 內(nèi)光照度的測(cè)定，光源強(qiáng)度與距離間關(guān)系的研究。 7 第四章第四章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 4.1 控制算法流程 模仿人類的行走方式，兩條腿交替前進(jìn)；利用傳感器感知光源，并能轉(zhuǎn)向 光源，朝光源前進(jìn)， 根據(jù)光強(qiáng)傳感器接受到的信號(hào)進(jìn)行控制： 1) 當(dāng)兩邊都有信號(hào)時(shí)，機(jī)器人按照設(shè)置的步伐前進(jìn)。

13、 2) 當(dāng)左邊沒有信號(hào)時(shí)，機(jī)器人的右腳做出左轉(zhuǎn)的動(dòng)作。 3) 當(dāng)右邊沒有信號(hào)時(shí)，機(jī)器人的右腳做出右轉(zhuǎn)的動(dòng)作。 8 4.2 程序編寫 程序?qū)?yīng)的源碼如下： #include Apps/SystemTask.h uint8 SERVO_MAPPING6 = 1,2,3,4,5,6; int main() int Diff = 0; int Left = 0; int Right = 0; MFInit(); MFInitServoMapping( MFSetPortDirect(0 x00000FFF); MFSetServoMode(1,0); MFSetServoMode(2,0); MFSe

14、tServoMode(3,0); MFSetServoMode(4,0); MFSetServoMode(5,0); MFSetServoMode(6,0); while (1) /左側(cè) Left = MFGetAD(0); /右側(cè) Right = MFGetAD(1); 9 Diff = Left - Right; /左側(cè)值大于右側(cè) if (Diff50) /左轉(zhuǎn) MFSetServoPos(1,315,512); MFSetServoPos(2,460,512); MFSetServoPos(3,396,512); MFSetServoPos(4,872,512); MFSetServoP

15、os(5,512,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFServoAction(); DelayMS(1000); MFSetServoPos(1,331,512); MFSetServoPos(2,422,512); MFSetServoPos(3,441,512); MFSetServoPos(4,921,512); MFSetServoPos(5,512,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFServoAction(); DelayMS(1000); MFSetServoPos(1,240,512); MFSetServoPos

16、(2,430,512); MFSetServoPos(3,441,512); MFSetServoPos(4,921,512); MFSetServoPos(5,512,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFServoAction(); DelayMS(1000); /左側(cè)值小于右側(cè) if (Diff=-50) MFSetServoPos(2,460,512); MFSetServoPos(3,396,512); MFSetServoPos(4,872,512); MFSetServoPos(5,512,512); MFSetServoPos(6,512,512)

17、; MFServoAction(); DelayMS(1000); MFSetServoPos(1,240,512); MFSetServoPos(2,530,512); MFSetServoPos(3,396,512); MFSetServoPos(4,872,512); MFSetServoPos(5,512,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFServoAction(); DelayMS(1000); MFSetServoPos(1,331,512); MFSetServoPos(2,422,512); MFSetServoPos(3,396,512);

18、MFSetServoPos(4,872,512); MFSetServoPos(5,512,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFServoAction(); DelayMS(1000); 11 第五章第五章 結(jié)論結(jié)論 隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用也越來越普遍了。所以在當(dāng)今對(duì)機(jī)器人的 了解也是必須的。 在沒接觸這門課的時(shí)候，我對(duì)機(jī)器人并不是很了解，慢慢的接觸之后，我 明白了機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn) 行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任 務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的。 在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，從組裝到調(diào)試我們都花了很長的時(shí)間，特別是組裝。 在組裝之前必須得想好先裝哪個(gè)部件，如果安裝的順序錯(cuò)了。那后面的就進(jìn)行 不下去了。至于編程，因?yàn)橐郧拔覀冏鲞^類似的機(jī)器人，所以下手比較容易， 只要對(duì)幾個(gè)舵機(jī)進(jìn)行正確的調(diào)試就可以了。機(jī)器人需要靈活掌握，靈活運(yùn)用， 需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬕约翱b密的編程，這次設(shè)計(jì)讓我受益匪。