機(jī)器人技術(shù)結(jié)課論文

1、Word 文檔 機(jī)器人技術(shù) 學(xué)號： 班級：機(jī)械工程 二一七年六月 Word 文檔 獲獎證書是通過學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)，制作十自由度機(jī)器人在2017中國工程機(jī)器人大賽暨 國際公開賽上獲得的，我很慶幸能夠選機(jī)器人技術(shù)這門課，這門課使我對機(jī)器人有了 一個更加清晰的認(rèn)識，同時也激起了我對此方面的研究的興趣。 之前就對機(jī)器人頗感興趣， 并對此進(jìn)行了深入的了解，通過這門課，我認(rèn)識到，機(jī)器人作為這些學(xué)科的交叉產(chǎn)物，是 個綜合應(yīng)用這些知識的最好的平臺。通過這門課，我們制作的十自由度機(jī)器人，參加了 2017 中國工程機(jī)器人大賽暨國際公開賽(RoboWork )，競技體操項目，獲得理想的成績，在 這個過程中我也從新認(rèn)識

2、了機(jī)器人制作的艱辛和困難性，使我認(rèn)識到之前對此不以為然， 眼高手低態(tài)度得幼稚。同時也教育我，任何一個項目本身所呈現(xiàn)的問題只是完成該項目所 需工作的冰山一角，做任何事，都必須以謙恭，認(rèn)真的態(tài)度對待。同時也是我懂得了，再 將事情坐完之前不可輕易對此做出評價。 競技體操機(jī)器人 摘要 體操機(jī)器人是仿人型機(jī)器人里的一種，也是研究仿人型機(jī)器人的基礎(chǔ)。體操機(jī)器人 不僅能夠提高我們的動手能力和實踐能力，還能增強(qiáng)我們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實踐能力， 鍛煉我們的綜合素質(zhì)，讓我們更熱衷于科學(xué)技術(shù)的研究。本體操機(jī)器人以十自由度為基 礎(chǔ)，能夠完成擺手、滾翻、俯臥撐、側(cè)翻、倒立等多項高難度動作。它具有多自由度并 集成了現(xiàn)代化控

3、制技術(shù)、人Word 文檔 機(jī)交換技術(shù)等機(jī)電一體化技術(shù)。目前體操機(jī)器人主要用來供 人們娛樂欣賞使用，它在人們的生活扮演著越來越重要的角色。 此次設(shè)計的體操機(jī)器人主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，首先機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù) 制作材料、舵機(jī)型號初步設(shè)計出體操機(jī)器人的機(jī)械外形，然后在SolidWorks下對機(jī)器人 進(jìn)行虛擬三維建模，對存在的問題進(jìn)行修改。最后對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真和運(yùn)動學(xué)分析。 檢查是否能夠完成指定的動作，對速度、加速度、位置能問題進(jìn)行分析。再次是控制系 統(tǒng)設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)的硬件以飛思卡爾公司的 MK60DN512ZVLQ10芯片為核心，在 Altiu m Designer Winter 09軟件中

4、開始設(shè)計體操機(jī)器人的控制電路。 經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，通過上 位機(jī)軟件實現(xiàn)對機(jī)器人的控制。采用嵌入式 C語言，設(shè)計和調(diào)試程序，最終使機(jī)器人能 過自主完成體操動作。此次比賽的創(chuàng)新之處在于不僅能夠完成指定動作，還能完成打排 球能高難度動作。 關(guān)鍵詞： 體操機(jī)器人；舵機(jī)；十自由度； SolidWorks ； Altium DesignerWord 文檔 Gymnastics robot Abstract Gymnastics robot is a kind of humanoid robot, which is the basis for the study of humanoid robot .Gymna

5、stics robot can not only improve our manipulative ability and practice ability, but also can enh ance our innovation consciousness and innovation ability, which exercise our comprehensive quality a nd let us more in terest in the study of scie nee and tech no logy. On the basis of 10 degrees of free

6、dom, the robot can accomplish a number of difficult moves such as motioning with his hand, rolls, push-up s and side turn. It has more degrees of freedom and mecha ni cal and electrical in tegrati on tech no logy such as the moder n con trol tech no logy and man-mach ine excha nge tech no logy. Nowa

7、days gymn asti cs robots are mainly used for people to appreciate the use entertainment, and it will play a more and more important role in peoples lives. The design of the gymnastics robot is mainly composed of mechanical structure and control system .First of all, the mechanical structure design i

8、s the most important part, according to production mate rials, steering gear model, gymnastics robots mechanical shape is designed. Then, under the SolidWo rks the virtual 3D modeli ng is desig ned, the exist ing problems of the robot is modified. Fin ally, the k in ematics simulation and kinematic

9、analysis are carried. Besides, we check whether it can complete the s pecified action and an alyze the problems of the speed, accelerati on, positi on. Aga in, the con trol syste m is designed. Hardware of the control system is Freescale companys MK60DN512ZVLQ10 chip, in Al tium Desig ner in Win ter

10、 09 software, we bega n to dance robot con trol circuit desig n. After the system debugg ing, through the PC software we c on trol the robot. Usin g embedded Clan guage, program de sign and debugging, we eventually make robots independently complete the gymnastics movements. Innovation is not only a

11、ble to complete this match specified action, but also to complete difficult mov es, such as playing volleyball. Keywords : Gymnastics robot;Steering gear;Ten degrees of freedom; SolidWorks ; Altium Desi gnerWord 文檔 1. 2. 3. 4. 5. 6. 綜述 . 1.1課題的研究目的及意義 . 1.2機(jī)器人研究發(fā)展現(xiàn)狀 . 1.3比賽相關(guān)容及分析 . 系統(tǒng)整體設(shè)計 . 2.1競技體操機(jī)

12、器人機(jī)械部分材料分析 2.2動力元件分析 . 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 3.1體操機(jī)器人的整體設(shè)計 . 3.2機(jī)器人的零件尺寸形狀設(shè)計 . 競技體操機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件介紹. 4.1 K60核心板圖 . 4.1.1 K60核心板圖 . 4.1.2晶振模塊 . 4.1.3復(fù)位模塊電路圖 . 4.1.4 JTAG接口電路 . 4.2舵機(jī)控制電路 . 4.2.1核心板控制舵機(jī)的接口布局圖 4.2.2舵機(jī)驅(qū)動電路 . 系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試 . 5.1機(jī)器人調(diào)試模式 . 5.2機(jī)器人動作運(yùn)行模式 . 結(jié)論 . . .1. .1 .2 .3 .3 .4. .5 .5 .7 .8 .8 .8 .9 .9 .10. .10.

13、1.0 11 12 12 13 14 參考文獻(xiàn) . 15 . Word 文檔 1. 綜述 1.1 課題的研究目的及意義 當(dāng)今21世紀(jì)是科技快速發(fā)展的時期，機(jī)器人研發(fā)面臨著各種困難。它是計算機(jī)工 程、機(jī)械電子工程、控制工程、電氣工程和材料工程等多學(xué)科相互交匯融合的綜合性技 術(shù)，它在人類的生產(chǎn)和生活活動中發(fā)揮的巨大的作用，是人類生活中的必需品。它代表 著當(dāng)代最新科技水平。但是機(jī)器人學(xué)無疑是當(dāng)代最具影響力的產(chǎn)業(yè)之一。它集中了多門 學(xué)科的技術(shù)核心，代表著機(jī)械與電子行業(yè)的最高成就。自上個世紀(jì)七八十年代以來，機(jī) 器人被應(yīng)用到工業(yè)發(fā)展中已經(jīng)有著不可替代的意義。機(jī)器人可分為仿人機(jī)器人、工業(yè)機(jī) 器人等，其中仿人

14、機(jī)器人又分為體操機(jī)器人、 競速機(jī)器人等。如今的機(jī)器人類型多樣化， 被應(yīng)用于不同領(lǐng)域的不同工作。機(jī)器人代替人類工作，不但提高了工作效率，還可以應(yīng) 用到一些人類無法接觸的危險工作環(huán)境中以保護(hù)類安全。而今，全球有近一百萬臺各種 類型的機(jī)器人正在運(yùn)行，并成為了一個具有強(qiáng)大活力的新興產(chǎn)業(yè)。大量的機(jī)器人從事著 人類生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域的工作，體操機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。 體操機(jī)器人的課題研究是近代衍生的一門學(xué)科，有接近四十年的研究歷史。在這四 十年來，體操機(jī)器人的課題研究經(jīng)歷了一個跌宕起伏的過程。 在國的很多機(jī)器人大賽中， 都可以看見它的身影。它的功能是能夠模仿人類完成一系列動作，包括翻滾、倒立、側(cè) 翻等。體操

15、機(jī)器人自由度高、精度高、能耗低、裝配容易、控制方法多樣。主要參考人 類的身體結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。與其它品種機(jī)器人相比，這種機(jī)器人有很多特點。它 有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，很高的靈活性，可以應(yīng)用于服務(wù)業(yè)等。研究體操機(jī)器人，這有 利于普及機(jī)器人技術(shù)、提高學(xué)生的科技素質(zhì)。 1.2 機(jī)器人研究發(fā)展現(xiàn)狀 目前體操機(jī)器人的研究主要有欠驅(qū)動單杠體操機(jī)器人的研究，國外很多采用 Acrobot的欠驅(qū)動兩桿體操機(jī)器人模型。Acrobot是一種具有2自由度和1主動關(guān)節(jié)的二 連桿機(jī)器人，它能簡單粗略的模擬體操運(yùn)動員在單桿上的擺起、倒立、大回環(huán)等動作。 國主要為各種類型的復(fù)雜人形機(jī)器人的研究，可以實現(xiàn)體操動作。各大高校通

16、過各 類機(jī)器人比賽來展示自己的研究成果，同時交流技術(shù)，促進(jìn)體操機(jī)器人的發(fā)展。 在國外，制造業(yè)機(jī)器人取得了輝煌的發(fā)展，在工業(yè)界里得到了普遍應(yīng)用并廣受好評， 因此形成了許多有著非常影響力的企業(yè)。如德國的庫卡、奧地利的威猛、瑞士的 ABB、 日本的安川和車樂美等。這方面的權(quán)威人士說，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機(jī)產(chǎn)業(yè)之后 又一個重大的，新興的高科技產(chǎn)業(yè)，并一定會像汽車、計算機(jī)一樣普及大眾。但是目前 無論在生產(chǎn)、使用還是出口方面，日本始終Word 文檔 占據(jù)著第一位，當(dāng)今日本具備擁有一百三十 多家專業(yè)的機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)的能力，并且這些機(jī)器人強(qiáng)國發(fā)展的勢頭依然沒有減弱。 我國機(jī)器人行業(yè)起步較晚，與那些機(jī)器

17、人發(fā)展大國的差距還是較大的。二十世紀(jì)七 十年代國家才開始有自己的機(jī)器人工業(yè)，七五期間我國政府開始扶植機(jī)器人行業(yè)，實現(xiàn) 了自己國家的工業(yè)機(jī)器人的整套技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)，出現(xiàn)了許多類型的機(jī)器人，比如：爬 坡、噴涂、電焊等。近年，國家在制造業(yè)的機(jī)器人和機(jī)器人機(jī)械化生產(chǎn)線以及與機(jī)器人 相關(guān)的工程項目、還有與其附加產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值達(dá)到了五億元。體操機(jī)器人在機(jī)器人領(lǐng)域 是重要的一部分，黨和政府在體操機(jī)器人方向加大了發(fā)展力度。每年，國舉辦很多相關(guān) 競賽來促進(jìn)國高校對體操機(jī)器人的研究和發(fā)展，如 FIRA和RoboCup等。這些比賽帶給 每個人的不只是個人、學(xué)校的榮譽(yù)，更是代表著中國對機(jī)器人的喜愛，代表著中國年輕 一代

18、對機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展與期望。但是我國體操機(jī)器人還是存在著一些問題，比如： 1） 體操機(jī)器人設(shè)計及開發(fā)隨著經(jīng)濟(jì)及科技的發(fā)展，這些年來得到了巨大發(fā)展，但機(jī)器人設(shè) 計還是停留在簡單的加工和調(diào)試上，真正的智能控制沒能充分融入其中。 2 ）我國基礎(chǔ) 零部件制造能力差。即使目前來說國家在有機(jī)器人有關(guān)的零部件方面有了一些的基礎(chǔ)， 卻不管從質(zhì)量、類型， 還是效率等方面都與那些老牌機(jī)器人生產(chǎn)國有著明顯的實力懸殊， 影響了我國機(jī)器人的價格競爭力。3）中國的機(jī)器人還沒有屬于自己品牌的體操機(jī)器人， 雖然好多高校正在研究體操機(jī)器人，但沒有推廣到市場，不能把機(jī)器人應(yīng)用到社會上去。 4）國家對于機(jī)器人的政策雖然有一些但是和國

19、外相比還是有一些差距，機(jī)器人競賽相 對而言還是太少，以至于不能激發(fā)出人們學(xué)習(xí)機(jī)器人計數(shù)的熱情。 1.3 比賽相關(guān)容及分析 根據(jù)比賽任務(wù)的要求，機(jī)器人不僅要完成競技體操機(jī)器規(guī)定動作，同時還要自編有 創(chuàng)意、有舞美效果的動作。因此本款機(jī)器人以原有體操機(jī)器人為模板，在保證能完成準(zhǔn) 備動作、翻滾動作、俯臥撐、側(cè)翻動作、倒立動作、自編動作等規(guī)定動作的基礎(chǔ)上，增 加兩臺類人機(jī)器人，重新設(shè)計其整體尺寸并改進(jìn)部分機(jī)械結(jié)構(gòu)件，以適應(yīng)自主設(shè)計的其 他創(chuàng)意動作，滿足創(chuàng)新創(chuàng)意及良Word 文檔 好的觀賞性的需要。 除了要滿足比賽動作要求，本款機(jī)器人的重難點在于機(jī)器人動作的流暢性，以及各 機(jī)器人間地協(xié)調(diào)配合。初步考慮通過

20、調(diào)試控制程序中動作持續(xù)時間，改進(jìn)代碼運(yùn)行算法 等方法，以較好地實現(xiàn)各機(jī)器人動作之間的同步，從而使其具有良好的觀賞性。另外， 本款機(jī)器人要具有新奇的外觀，突破性的創(chuàng)意動作等，從而完全滿足比賽創(chuàng)新創(chuàng)意的要 求，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。 2. 系統(tǒng)整體設(shè)計 2.1 競技體操機(jī)器人機(jī)械部分材料分析 本次參賽的競技體操機(jī)器人機(jī)械部分主要有手臂、軀干和雙腿。這些部分可以用的 材料目前主要有金屬、木材、塑料和復(fù)合材料。現(xiàn)在大部分機(jī)器人制作的材料是金屬， 因為金屬具有良好的硬度、好看的色澤并且不易磨損。在有專業(yè)加工工具時，金屬材料 也比較容易加工。目前用于制作機(jī)器人的金屬材料主要鋁合金和各種碳鋼 。因為它們 具有足夠的

21、強(qiáng)度和硬度，滿足大部分機(jī)器人的強(qiáng)度要求。鋁合金是機(jī)器人制作最常用的 材料，它質(zhì)量輕，有足夠的強(qiáng)度且易于加工。其中 5052鋁板是目前應(yīng)用最廣泛的防銹 鋁，它屬于Al-Mg合金鋁板。這種合金鋁板的強(qiáng)度高，在加入鎂元素時能夠增強(qiáng)鋁板的 抗腐蝕性和強(qiáng)度并且可塑性好以及良好的焊接性。 在制作機(jī)器人中，木材有時也會大量被利用。主要因為木材相對于金屬和塑料的質(zhì) 地要輕，不易發(fā)生彎曲，而且割斷和加工都比較容易。當(dāng)制作機(jī)器人支柱類零部件時， 木質(zhì)材料比金屬材料更便于組裝，因此木材更適合于制作輕型機(jī)器人。除此之外由于干 燥的木材不導(dǎo)電的性質(zhì)，可以很好地避免由于機(jī)身而引起電路的短路或者機(jī)身漏電等。 雖然由金屬制造

22、的機(jī)器人給人的感覺更像機(jī)器人，但是用木材來制作機(jī)器人也是一個不 錯的選擇。 塑料也是制作機(jī)器人經(jīng)常被采用的材料，相比金屬材料它的優(yōu)勢就是便于加工，可 以很容易制作出復(fù)雜的零件。但是它的缺點也很明確，就是硬度比較低。目前常用的塑 料主要有ABS PVC、尼龍以及有機(jī)玻璃等。ABS是五大合成樹脂之一，其用途十分廣 泛，它具有很好的抗沖擊性、耐熱性和耐腐蝕性等優(yōu)良特點，并且易于加工、零件尺寸 穩(wěn)定、好的表面光澤性等特點。它還可以在表面進(jìn)行噴鍍金屬、 粘接和焊接等二次加工。 由于這些優(yōu)良特點，這種材料被廣泛用于機(jī)械、汽車、電子電器和建筑等許多工業(yè)領(lǐng)域。 PVC的主要成分是聚氯乙烯。它的特性是不易燃燒、

23、具有高強(qiáng)度、不易因溫度而發(fā)生尺 寸變化等特點。PVC有兩類，即軟PVC和硬PVC。其中軟PVC由于添加了柔軟劑，容 易變脆且不易保存，所以應(yīng)用圍不廣。硬 PVC不含柔軟劑，所以具有良好的韌性、容易 成型、不易變脆以及保存時間長等特點，它的應(yīng)用開發(fā)很有價值。尼龍是一種高分子化 合物，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫、表面摩擦系數(shù)低、軟化點高、耐腐蝕、電絕緣性 好以及五毒無臭等優(yōu)良特點，但是吸水性打，從而影響尺寸穩(wěn)定性和電性能。該材料常 被用于制作成梳子、牙刷盒扇骨等。有機(jī)玻璃也叫亞克力，它的化學(xué)名稱是聚甲基丙烯 酸甲酯，Word 文檔 它具有較大的強(qiáng)度、質(zhì)量輕、表面光滑、耐化學(xué)品腐蝕以及絕緣性好等特點

24、。 考慮到各個材料各方面的性能，該競技體操機(jī)器人機(jī)身材料主要是使用的是 5052 鋁合金，它強(qiáng)度高，易加工，能夠滿足要求。下表 2-1是5052鋁合金的參數(shù)： 表2-1鋁合金參數(shù) 化學(xué)成分 鋁Al 硅Si 銅Cu 鎂Mg 鋅Zn 錳Mn 鉻Cr 鐵Fe 余量 0.25 0.10 2.2 2.8 0.10 0.10 0.15 0.35 0.40 力學(xué)性能 抗拉強(qiáng)度（ob） 條件屈服強(qiáng)度（0.2 彈性模量（E） 退火溫度 170 305MPa 為5MPa 69.3 70.7Gpa 345 C 2.2 動力元件分析 動力元件顧名思義就是為機(jī)器人提供動力的元件，競技體操機(jī)器人之所以能完成各 個競技體操

25、動作，都是由它身體中各個運(yùn)動部位的動力源（驅(qū)動電機(jī)）提供動力的。該 競技體操機(jī)器人只是通過轉(zhuǎn)動副完成各個動作，因此只需要電動機(jī)作為動力源就能滿足 要求。目前被用作機(jī)器人的動力源常用電機(jī)有三類，即直流電機(jī)、舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。它 們具有各自的優(yōu)點和缺點。其中直流電機(jī)耗能較低，提供的力矩大，常用于閉環(huán)控制系 統(tǒng)中；舵機(jī)控制精度準(zhǔn)確但產(chǎn)生的力矩小， 可用于開環(huán)系統(tǒng)；步進(jìn)電機(jī)的控制精度精確， 可是功耗較大并且力矩相對于其他種類電機(jī)較小，常用于開環(huán)控制系統(tǒng) 9。下表2-2為 這三種電機(jī)特點的對比： 表2-2不同類型電機(jī)特種比較表 電機(jī)類型 優(yōu)點 不足 應(yīng)用圍 轉(zhuǎn)速太快，一般需要 市場上廣泛存在，種 配有減速

26、裝置，電流 用于比較大的機(jī)器 直流電機(jī) 類多，功率大，力矩 比較大，控制復(fù)雜 人 大，連接電路簡單 （PWM）,價格較貴Word 文檔 舵機(jī) 部有減速齒輪，接口 簡單，價格便宜，控 制方便，易于裝配， 型號多 功率小，速度調(diào)節(jié)圍 較小 常用于小型機(jī)器人 和步行機(jī)器人 功率低，比較難裝 控制精度高，種類 配，提價大，負(fù)載能 用于小型和輕型機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 多，適合室機(jī)器人速 力低，自重比較小， 器人 度 控制復(fù)雜 通過上表的比較以及該競技體操機(jī)器人設(shè)計要求，舵機(jī)完全能夠滿足要求。使用的舵 機(jī)型號是春天舵機(jī)SR403P。在表2-3中列出了該種舵機(jī)的參數(shù): 表2-3 SR403P舵機(jī)參數(shù) 產(chǎn)品規(guī)格 技術(shù)

27、參數(shù) 尺寸（mm） 重量 線 長 6.0V 7.4V 速度 扭力 速度 扭力 轉(zhuǎn)動角 kg kg 度 長 寬 咼 g oz cm s/60 oz in s/60 oz in cm cm 40.8 20.7 42.8 67 2.37 30 0.21 13.2 183.63 0.19 15. 3 212.8 180 3. 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 體操機(jī)器人的整體設(shè)計 Solidworks是由美國SolidWorks公司推出的功能強(qiáng)大的三維設(shè)計軟件系統(tǒng)， 自1995 年問世以來，以其優(yōu)越的性能、易用性和創(chuàng)新性，極大的提高了機(jī)械工程師的設(shè)計效率， 其應(yīng)用圍涉及航空航天、汽車、機(jī)械、造船、通用機(jī)械、醫(yī)療器

28、械和電子等領(lǐng)域 4。設(shè) 計師使用它能快速地按照其設(shè)計思想繪制草圖，嘗試運(yùn)用各種特征與不同尺寸，生成模 型和制作詳細(xì)的工程圖。 設(shè)計裝配主要包括手部、雙腿、雙足、頭部、肩部以及胯部的設(shè)計，在對機(jī)器人的虛Word 文檔 擬裝配過程中，需要對機(jī)器人的各個零部件間的運(yùn)動關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，得出每個運(yùn)動副 的約束形式，即約束副。然后將各零部件配合為手臂、腿等裝配體單元，配合過程中主要 用到同軸、重合、平行等配合關(guān)系。然后再將機(jī)器人的各裝配體單元配合，從而實現(xiàn)機(jī)器 人整體模型中頭部、大臂和小臂的轉(zhuǎn)動以及小腿大腿彎曲等動作。 根據(jù)第二章機(jī)器人材料的選擇和舵機(jī)的選擇，開始設(shè)計機(jī)器人各個零件的形狀和尺 寸?？梢韵?/p>

29、通過SolidWorks進(jìn)行三維零件設(shè)計和三維虛擬裝配。目前 SolidWorks是一 款被廣泛使用的三維造型軟件，可以進(jìn)行三維動畫模擬，功能十分強(qiáng)大。它能夠造型出 復(fù)雜的曲面，設(shè)置零部件的材料外觀等，使虛擬的三維零部件看起來更像現(xiàn)實的零部件。 除此之外還能夠進(jìn)行受力分析，檢驗結(jié)構(gòu)設(shè)計中部分應(yīng)力過于集中和過大的問題。前期 通過SolidWorks進(jìn)行零部件的設(shè)計和裝配，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題和不合理之處， 及時解決 問題，從而縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。 在SolidWorks中畫出各個三維零件和三維裝配。以下分別是競技體操機(jī)器人各個部 分的三維圖和裝配圖： 圖3-1 機(jī)器

30、人手臂圖3-2 機(jī)器人腿 Word 文檔 圖 3-3 機(jī)器人裝配圖 3.2 機(jī)器人的零件尺寸形狀設(shè)計 體操機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是體操機(jī)器人設(shè)計中最基礎(chǔ)的一部分，是進(jìn)驅(qū)動執(zhí)行和 動作規(guī)劃等的前提要求。一個完整的體操機(jī)器人必須是一個機(jī)械結(jié)構(gòu)合理、自由度分配 正確、重心設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)、尺寸大小符合設(shè)計要求的機(jī)械結(jié)構(gòu) 。 本款機(jī)器人由三臺機(jī)器人組成，其中一號和二號機(jī)器人結(jié)構(gòu)相似，均為十七自由度 機(jī)器人；三號機(jī)器人為標(biāo)準(zhǔn)十自由度體操機(jī)器人。 一號機(jī)器人和二號機(jī)器人身高 38CM,肩寬20 CM,臂長18 CM，整體重量為1.75KG。 采用17個數(shù)字伺服舵機(jī)馬達(dá)，擁有17個自由度（活動關(guān)節(jié)），雙腿十個，雙手六

31、個， 頭部一個。采用的數(shù)字舵機(jī)有標(biāo)準(zhǔn)的180度運(yùn)動圍，PWM脈寬控制模式，15公斤力矩， 馬達(dá)部自主反饋保證輸出角度準(zhǔn)確。型材材質(zhì)采用 1MM高強(qiáng)度鋁鎂合金，連接件，緊 固件采用凸臺攻絲緊固。表演時機(jī)器人隨音樂翩翩起舞，動作協(xié)調(diào)、靈活。 三號機(jī)器人為比賽要求的參加規(guī)定動作賽的體操機(jī)器人， 身高24CM，肩寬8.5CM， 臂長13.5CM，整體重量1.5KG。機(jī)器人的外觀結(jié)構(gòu)由三類結(jié)構(gòu)件組成。一類是手臂、身 體、腿部結(jié)構(gòu)件，為矩形直條夾持構(gòu)件；二類是手掌、腳掌結(jié)構(gòu)件，一端連接舵盤，另 一端為手部腳部造型；三類是肩部、跨步結(jié)構(gòu)件，為多次彎折的 U型結(jié)構(gòu)件。設(shè)計的尺 寸依據(jù)力學(xué)平衡原理，保證能夠充分

32、完成動作。 4. 競技體操機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件介紹 本次參賽的競技體操機(jī)器人使用的是飛思卡爾公司的 Kinetis系列微處理器，具體的 型號為MK60DN512ZVLQ10。 該芯片有512KB的flash儲存器以及128KB的RAM,共有 144個引腳，采用的封裝是LQFP。它的功能十分強(qiáng)大，能夠提供10種低功耗操作模式， 提供電源盒時鐘的門控，可以實現(xiàn)最佳的外設(shè)活動和恢復(fù)時間。它的停止電流 2吩, Word 文檔 運(yùn)行電流350 uA/MHz，停止模式喚醒時間為4冷它的硬件加密協(xié)處理器用于確保數(shù) 據(jù)傳輸和儲存的安全， 它比軟件的實施速度更快， 而且CPU負(fù)載最低， 還支持各種算法， 例如 D

33、ES 3DES AES MD5 和 SHA-1 等。在 Altium Designer Winter 09 軟件中進(jìn)行原 理圖的設(shè)計以及硬刷電路板。 4.1 K60 核心板圖 4.1.1 K60核心板圖 K60核心板圖如圖4-1所示 圖4-1 K60核心板圖 整個芯片所需的電壓為3.3V，可以由鋰電池或USB接口供電，由于芯片的引腳過多, 故將芯片放置于PCB板中間位置，方便布線與連接。Word 文檔 4.1.2晶振模塊 該芯片電路中同時使用了有源晶振和無緣晶振。電路圖分別如下所示: 圖4-2無源晶振模塊 圖4-3有源晶振模塊系統(tǒng)主時鐘信號 K60芯片含有32.768KHZ的無緣晶振和50MH

34、z的有源晶振， 其中無源晶振是為MCU 部的RTC模塊提供時鐘信號。有源晶振是為系統(tǒng)工作時提供時鐘信號。 4.1.3復(fù)位模塊電路圖 復(fù)位模塊電路圖如圖4-4所示。 圖4-4復(fù)位模塊 K60芯片的正常工作狀態(tài)時 RESET處于高電平，復(fù)位時復(fù)位 RST按下，RESET引腳 接地，Word 文檔 K60芯片復(fù)位。并且在復(fù)位引腳并聯(lián)了 0.1尸電容，提高了復(fù)位信號的穩(wěn)定性。 除此之外復(fù)位引腳RESET還加上了拉電阻，可以有效地防止外界信號的干擾。Word 文檔 4.1.4 JTAG 接 口電路 JTAG接口電路如圖4-5所示 圖4-5 JTAG模塊 JTAG是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，它是下載和調(diào)試接口

35、。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG接口是4線， 即TMS測試模式選擇，用來設(shè)計JATG 口處于某種特定的測試模式；TDO測試數(shù)據(jù)輸出， 數(shù)據(jù)通過TDO從JATG輸出；TCK測試時鐘輸入；TDI測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI輸 入 JATG 口。 4.2 舵機(jī)控制電路 4.2.1核心板控制舵機(jī)的接口布局圖 核心板控制舵機(jī)的接口布局圖如圖 4-6所示 圖4-6核心板控制舵機(jī)的接口布局圖 圖道0到通道11為各個舵機(jī)與核心板相連的接口，每個通道控制一個舵機(jī)，但是 其中T4和T5通道Word 文檔 不需要連接舵機(jī)，因為該機(jī)器人只有 10個舵機(jī)需要控制，這兩個通 道多余了。每個舵機(jī)與哪個通道相連接需要記住，這樣方便后續(xù)的編

36、程，控制一個通道 相應(yīng)的舵機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 422舵機(jī)驅(qū)動電路 舵機(jī)驅(qū)動電路如圖4-7所示。 圖4-7舵機(jī)驅(qū)動電路 通道2舵機(jī)有三個接線口，分別是電源，地和控制信號。核心板通過控制 PWM波 的輸出，舵機(jī)接受信號，旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。相比 2舵機(jī)電路圖，其他舵機(jī)電路圖只有控 制信號線不同，每個舵機(jī)都有它相應(yīng)的控制信號線，不可都連接在一個控制信號線上。Word 文檔 5. 系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試 5.1 機(jī)器人調(diào)試模式 調(diào)試模式時下接受兩種形式的調(diào)試指令，一種為單次位置調(diào)試指令，一種為連續(xù)動 作調(diào)試指令。以下是上位機(jī)軟件界面： 圖 5-1 上位機(jī)軟件界面 1 下圖是上位機(jī)軟件命令調(diào)試界面： 圖 5-2 上位機(jī)軟件

37、界面 2 上位機(jī)軟件界面上，菜單欄中“操作-復(fù)位”用來加載和保存機(jī)器人的復(fù)位值、計時器 功能和串口調(diào)試功能。在線調(diào)試區(qū)中，可以看到 TO到T11的控制條，它們可以控制核 心板通道0到11所連接的舵機(jī)，通過拖動控制條，核心板接收到信號，控制PWM波的 占空比，來控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。在線調(diào)試區(qū)中還有速度和延時控制條，分別用來控制舵 機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度和運(yùn)行下個動作前的延時。復(fù)位可以讓機(jī)器人恢復(fù)到初始動作。生成代碼 Word 文檔 功能鍵能夠?qū)C(jī)器人運(yùn)動的代碼在代碼運(yùn)行區(qū)生成，以供下載使用。代碼運(yùn)行區(qū)，可以 顯示運(yùn)行的代碼。將調(diào)試好的運(yùn)動代碼生成 C代碼，供后續(xù)的程序運(yùn)行使用。 運(yùn)動代碼格式為“200#-2

38、*-20&-2% ”第一段為舵機(jī)通道，“# ”表示通道號, 圍是0011” ；第二段為舵機(jī)PWM波，“* ”表示當(dāng)前值，圍是0750 ”；第三段為舵機(jī) 執(zhí)行速度，& ”表示速度大小，圍是000255 ”；第四段為舵機(jī)延時，%表示此次 動作完成后延時多少毫秒，若本行此段為“ 20000 ”則表示直到下次本段出現(xiàn)一個大于 20000 ”時，同時執(zhí)行這兩段之間的所有動作。 以下以具體代碼解釋運(yùn)動原理： 20007-20406-20202-20000 20009-20196-20202-20001 該動作為7號舵機(jī)PWM波運(yùn)行至406”、速度為202 ”，同時9號舵機(jī)PWM波運(yùn)行 至196”、速度為2

39、02”，這兩個舵機(jī)同時動作，執(zhí)行后延時1ms。 調(diào)試模式時，核心板接收上位機(jī)調(diào)試軟件的動作代碼，若直接拉動圖 4-2的舵機(jī)狀 態(tài)拖動條或修改狀態(tài)值編輯框中的數(shù)字，上位機(jī)將發(fā)送單次位置指令，此時核心板執(zhí)行 指令完畢后無反饋，若調(diào)試多條動作指令，則點擊下載命令后，上位機(jī)依次發(fā)送相應(yīng)指 令，待下位機(jī)執(zhí)行完畢反饋后發(fā)送下一條指令。 該階段主要完成的是將設(shè)計的體操用程序來表達(dá)，并且完成程序的調(diào)試，直到?jīng)]有 錯誤就可以進(jìn)行下個階段。 5.2 機(jī)器人動作運(yùn)行模式 該階段只需將調(diào)試好的程序通過 J-link下載到核心板中，打開機(jī)器人電源，機(jī)器人 就能按照程序執(zhí)行體操動作，執(zhí)行完后機(jī)器人處于停機(jī)狀態(tài)。Word

40、文檔 6. 結(jié)論 首先主要對競技體操機(jī)器人的機(jī)械部分材料的分析、 舵機(jī)的分析、在SolidWorks下 三維建模，并且對機(jī)器人的一個動作進(jìn)行了運(yùn)動分析。為后期競技體操機(jī)器人的硬件和 軟件設(shè)計奠定基礎(chǔ)，接下來的任務(wù)就是控制系統(tǒng)，解決如何使機(jī)器人跳出優(yōu)美的競技體 操以及控制機(jī)器人動作等問題。再次講述了 K60核心板以及其周邊電路和舵機(jī)接口電路， 按照官方提供的技術(shù)手冊安裝到機(jī)器人上，將各個元器件連接起來，就可以進(jìn)行最后的 軟件和程序設(shè)計，讓機(jī)器人按照程序跳起競技體操。最后講述了通過 J-link將調(diào)試程序 或者運(yùn)行程序下載到核心板中和如何用上位機(jī)設(shè)計機(jī)器人體操以及生成運(yùn)行代碼和 C代 碼，最后將調(diào)試好的程序下載到機(jī)器人中完成了機(jī)器人的軟件部分的設(shè)計。另外由于該 機(jī)器人的控制系統(tǒng)是開環(huán)，如果體操出現(xiàn)問題不會自我進(jìn)行調(diào)整，只能重新調(diào)試程序或 下載程序。 本課程機(jī)器人技術(shù)，讓我受益匪淺，運(yùn)用所學(xué)的機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計十軸體操機(jī)器人， 在2017中國工程機(jī)器人大賽暨國際公開賽(RoboWork )上獲得理想的成績，非常感王 老師的這門課，也在此向王老師致以真誠的感和敬意。Word 文檔 參考文獻(xiàn) 1 顧永恒，