自由體操機器人3技術(shù)報告

1、. . . . 2010年中國機器人大賽自由體操機器人技術(shù)報告指導(dǎo)老師：明、王軍項目名稱：自由體操機器人隊伍名稱：碩碩體操三隊參賽人員：林江 徐雍 瀚霖目錄一、 引言二、方案設(shè)計1、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計2、控制原理設(shè)計3、驅(qū)動與電源設(shè)計三、技術(shù)支持1、伺服電機控制方法2、單片機使用方法3、控制電路板原理4、串口通訊原理四、控制模塊1、單片機控制原理2、舵機控制原理五、電源模塊六、程序模塊 1、程序設(shè)計 2、代碼分析七、未來展望引言為拓展大學(xué)生的動手與實踐能力，創(chuàng)建一流校風(fēng)、學(xué)風(fēng)，讓學(xué)生更熱衷于科學(xué)技術(shù)的研究;同時進一步推進大學(xué)生創(chuàng)新教育，提高大學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實踐能力，鍛煉青年學(xué)生綜合素質(zhì)，ROB

2、CUP全國機器人大賽暨2010中國機器人大賽將于七月十八號舉行，這次大賽是對廣學(xué)創(chuàng)新素質(zhì)的綜合考驗，也受到了廣學(xué)的積極反應(yīng)。中國機器人大賽暨RoboCup公開賽是中國最具影響力，最權(quán)威的機器人技術(shù)大賽，基本覆蓋了中國現(xiàn)有最頂級的機器人專家和眾多知名機器人學(xué)者，成為當(dāng)今中國機器人尖端技術(shù)產(chǎn)業(yè)競賽和人才匯集的活動之一，廣泛涉與電子信息、通訊網(wǎng)絡(luò)、裝備制造、工控、人機交互、傳感與視覺、定位導(dǎo)航、人工智能、航天航空等前沿技術(shù)領(lǐng)域。大賽從1999年開始已成功舉辦了十一屆，、等地成功舉辦了歷屆大賽。本次中國機器人大賽是由中國自動化學(xué)會機器人競賽工作委員會、RoboCup中國委員會、科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心

3、、鄂爾多斯市人民政府共同主辦。今年大賽在我國鄂爾多斯康巴什新區(qū)舉行，參賽情況盛況空前，參賽隊伍遠(yuǎn)超于往屆，達(dá)到1021支隊，參賽大學(xué)171所，參賽人員接近3000人，參賽賽種65項，由此看出，機器人運動在國的影響日漸擴大，機器人熱潮開始興起。 機器人時代將要來臨。我校高度重視在大學(xué)生力開展創(chuàng)新實踐教育，鼓勵學(xué)生參與各類科技創(chuàng)新活動，其中機器人制作水平高，特點突出，比賽開展得如火如荼，學(xué)生在參加全國、行業(yè)協(xié)會等各項機器人賽事中，取得了不俗成績：2003 年參加“馬斯特杯”中國機器人大賽的舞蹈機器人和機器人游項目，獲得二等獎1 項、三等獎2項；在第四屆全國智能機器人大賽中獲得 2項二等獎；在“動感

4、地帶杯”2 004年省大學(xué)生機器人大賽中，獲冠軍1項，鼓勵獎2項；在“新科導(dǎo)航杯”2 005年中國機器人大賽中，我校參賽的5 個機器人全部獲獎，奪得舞蹈組冠軍、類人組季軍，獲得舞蹈組一、二、三等獎各 1 項，類人組三等獎 2 項。2005 年 5 月中央電視臺異想天開欄目以我校機器人大賽為背景，攝制了五集專題節(jié)目。在2007“銀泉杯”中國機器人大賽中，我校26 支代表隊在比賽中再獲佳績，共獲得一等獎5 項、二等獎 4 項、三等獎 9 項。方案設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、軟件模塊、電源模塊、舵機驅(qū)動等模塊構(gòu)成。一、 體操機器人整體設(shè)計1、機器人概述：此次設(shè)計的體操機器人主要由機械結(jié)

5、構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，如果認(rèn)為機械結(jié)構(gòu)是人的骨架，那么控制系統(tǒng)就被認(rèn)為是人的大腦，所以機器人的先進程度與功能強弱通常都直接與其控制系統(tǒng)的性能密切相關(guān)。機器人控制系統(tǒng)是根據(jù)指令與傳感信息控制機器人完成一定的動作或作業(yè)任務(wù)的裝置，它是機器人的心臟，決定了機器人性能的優(yōu)劣。作為機器人的核心部分，機器人控制系統(tǒng)是影響機器人性能的關(guān)鍵部分之一，它從一定程度上影響著機器人的發(fā)展。機器人技術(shù)的實現(xiàn)不僅取決于其機械機構(gòu)的優(yōu)化，在很大程度上還依賴于一個性能優(yōu)良的智能控制系統(tǒng);而一個工作穩(wěn)定、精度可靠的、實時性強的控制系統(tǒng)不僅需要高級的控制算法，還需要實現(xiàn)控制算法的手段。很長時間以來國外的學(xué)者提出了諸多的控制算法，也

6、設(shè)計出實現(xiàn)某些算法的控制器，但整個技術(shù)還處在實驗階段，沒有進入市場，特別是一些高級控制方法在實際中效果根本不理想，所以機器人控制系統(tǒng)有待進一步研究。2、制作目標(biāo)：設(shè)計并制作一種能夠完成指定動作的體操機器人?？梢愿鶕?jù)預(yù)先設(shè)計的動作，以與定制的指令程序完成一系列高難度的體操動作，包括俯臥撐、前滾翻、后滾翻、側(cè)翻與其他高難度動作。其研究領(lǐng)域涉與到3D模型繪制與動力學(xué)仿真、單片機、電路理論、自動控制、電機原理與拖動、接口技術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、電子工藝等多方面的容，以實現(xiàn)其智能控制。3、 方案設(shè)計對機器人進行具體的設(shè)計。首先對機器人的自由度安排進行考慮，以使其可以完成預(yù)先設(shè)想的動作。其次是考慮各個連接部件如舵

7、機，卡口，電池和控制板的尺寸具體設(shè)計各卡口的形狀尺寸以與電池和電路板的尺寸等。整體設(shè)計：我們設(shè)計的自由體操機器人主要由金屬鋁條構(gòu)成，身高約為21cm，結(jié)構(gòu)尺寸比例是在研究體操運動員大量圖片、視頻，最終確定一個原始模型后，跟據(jù)比例縮放得到的，在制作前進行了大量的仿真與實驗。其中，主要運動部位包括：頭部、腹部、肩部、手部、腿部和腳部。運動關(guān)節(jié)由伺服電機控制。實物圖：零件設(shè)計CAD圖舵盤卡口設(shè)計圖舵機底部卡口腳板1腳板2手部頭部卡口自由度設(shè)計： 設(shè)計含有十個自由度的自由體操機器人，各個自由度分布如下：頭部一個（控制前肢）；腹部一個（控制軀干動作）；肩部、手部、腿部和腳各兩個。通過伺服電機的控制，可以

8、完成一些基本并帶有一定難度的動作。動作設(shè)計：首先，機器人向所有裁判與觀眾鞠躬致意，然后進行雙手俯臥撐，在雙手俯臥撐之后，分別進行兩個難度較高的單手俯臥撐，當(dāng)動作完成后，起身直立。接下來機器人進行前滾翻接后滾翻，然后進行倒立，并劈叉，緊接著機器人進行向左、向右的單手側(cè)翻各一次，完成動作后起身直立。最后進行自選動作，即倒立式撐起，當(dāng)這些動作全部完成，機器人直立，向評委與觀眾致意。技術(shù)支持串口調(diào)試1.1 設(shè)置串口參數(shù)：串口號：1-16波特率：600-256000，>115200 時需要硬件支持。2 接收區(qū)鍵盤發(fā)送區(qū)2.1 接收數(shù)據(jù)a) 設(shè)置串口參數(shù) b) 如果要按十六進制形式顯示接收數(shù)據(jù)，將十

9、六進制顯示選項選中。c) 點擊打開/關(guān)閉串口區(qū)中的打開串口按鈕。2.2 顯示接收數(shù)據(jù)的長度因某些限制，顯示接收數(shù)據(jù)的文本不能太長，所以當(dāng)顯示文本長度快達(dá)到 62K 時會自動將顯示文本刪減到 32K，此時文本可保留 32K 的字符或約 10K 的十六進制數(shù)據(jù)顯示。2.3 在鍵盤上發(fā)送英文字符 a)在接收區(qū)/鍵盤發(fā)送區(qū)的輸入框中用鼠標(biāo)點一下。 b)在鍵盤按下按鍵立刻發(fā)送。在這里不能發(fā)送回車換行，也不能發(fā)送漢字，若要發(fā)送請在單字符串發(fā)送區(qū)發(fā)送。3 發(fā)送數(shù)據(jù)可以發(fā)送單字符串,多字符串(字符串序列)或直接在鍵盤上發(fā)送英文字符。有兩種發(fā)送數(shù)據(jù)格式，一種是普通的字符串,另外一種是十六進制數(shù)據(jù)即 HEX 格式

10、數(shù)據(jù)。發(fā)送 HEX 格式數(shù)據(jù)時要在字符串輸入?yún)^(qū)中輸入 HEX 格式字符串，并且要將相應(yīng)區(qū)的十六進制發(fā)送選項選中。例：HEX 格式數(shù)據(jù)字符串12 34 AB CD FF3.1 單字符串發(fā)送區(qū)3.1.1自動發(fā)送，自動發(fā)送周期：此項功能可以每隔一段時間反復(fù)地自動發(fā)送輸入框中的數(shù)據(jù)，點擊自動發(fā)送按鈕后即啟動自動發(fā)送功能。自動發(fā)送周期最大為 65535mS。3.2 多字符串發(fā)送區(qū)在多字符串發(fā)送區(qū)可以發(fā)送一個字符串，或者自動地、依次發(fā)送所有的字符串。請把鼠標(biāo)移到“接收區(qū)鍵盤發(fā)送區(qū)”和“多字符串發(fā)送區(qū)”之間，當(dāng)鼠標(biāo)形狀發(fā)生變化時按下鼠標(biāo)器的左鍵不松開，然后移動鼠標(biāo)，將“多字符串發(fā)送區(qū)”的寬度調(diào)寬一些，讓“間

11、隔時間”顯露出來。3.2.1發(fā)送一個字符串 a) 輸入字符串。 b) 如果要發(fā)送 16 進制數(shù)據(jù), 要先在字符串后的 HEX 選項框中打上對勾。 c) 點擊發(fā)送按鈕。發(fā)送后，按鈕上的數(shù)字作為當(dāng)前字符串序號保存起來，此序號在自動循環(huán)發(fā)送中要用到它。3.2.2發(fā)送多個字符串(字符串序列) a) 輸入多個字符串。 b) 如果要發(fā)送 16 進制數(shù)據(jù), 將相應(yīng)的 HEX 選項打上對勾。 c) 輸入間隔時間，最大為 65535mS。 d) 點擊自動循環(huán)發(fā)送按鈕。延時時間到達(dá)后發(fā)送當(dāng)前字符串( 見3.2.1的步驟 c) )的下一個字符串，間隔一段時間后再發(fā)送下一個。發(fā)送完畢自動從頭開始繼續(xù)發(fā)送。4 打開/關(guān)

12、閉串口區(qū)其他技術(shù)：1、伺服電機與普通直流電機的性能與控制方法2、Amega16單片機的使用方法與控制電路板的制作3、結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些規(guī)律與裝置設(shè)計的經(jīng)驗4、動作調(diào)試軟件的編寫思想與源代碼5、舵機原理與加工方法基本控制模塊電路控制模塊采用Atmel公司的Atmaga16L單片機作為主控制器。Atmage16有如下特點：16K字節(jié)的系統(tǒng)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C),片/外中斷，可編程串行

13、USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以與六個可以通過軟件進行選擇的省電模式電源模塊采用鋰電池供電，因為鋰電池易于安裝固定且供電效果較穩(wěn)定，因此選用8V鋰電池為舵機供電。通過一個1117芯片的降壓穩(wěn)壓后得到5V電壓給單片機供電。產(chǎn)品規(guī)格技術(shù)參數(shù)尺寸 (mm)重量線長6.0V7.4V轉(zhuǎn)動角度速度扭力速度扭力ABCDEgozcmsec/60okg-cmoz-insec/60okg-cmoz-in40.220.441.5  572.0無0.21121

14、66.60.1913.6188.9180°適用圍：機器人 采用Servo(航模用伺服電機，也稱“舵機”)為主要驅(qū)動手段，此外在部分部位也可以使用直流電機。Servo伺服電機主要靠脈沖來定位，伺服電機每接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移伺服電機,通過發(fā)送脈沖的頻率就可以控制轉(zhuǎn)動的速度。Servo伺服電機可控速度,位置精度非常準(zhǔn)確,且成本低廉，控制簡便，較其他電機有著很大的優(yōu)勢。舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬

15、度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。程序模塊在軟件方面，在機器人的關(guān)節(jié)舵機控制方面，采用由中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院機器人創(chuàng)新實驗室自主研發(fā)的用Visual Basic開發(fā)的機器人動作調(diào)試軟件編寫代碼；對單片機剩余端口進行定義，使之根據(jù)需要控制自由體操機器人的各個關(guān)節(jié)部位。/*主函數(shù)*void main(void) unsigned int indexm;unsigned char shuru;/*初始化* CLI();

16、/disable all interruptsport_init();timer1_init(); fuwei();MCUCR = 0x00;GICR = 0x00;TIMSK = 0x04; /timer interrupt sourcesSEI(); /re-enable interrupts/*dongzuo(); while(1);#include <iom16v.h>#include <macros.h>#include <MATH.H>unsigned int dataa,datab;signed int a24,b24,c24,d24;unsi

17、gned char flag=0;unsigned int i=0;void dongzuo();/*void port_init(void)/端口初始化 DDRA = 0xFF; DDRB = 0xFF; DDRC = 0xFF; DDRD = 0x00;/*T1初始化void timer1_init(void) TCCR1B = 0x00; /stop TCNT1H = 0xFF; /setup 初值 TCNT1L = 0x30; TCCR1A = 0x00;/tart Timer TCCR1B = 0x04; /*T1中斷*#pragma interrupt_handler timer1

18、_ovf_isr:9void timer1_ovf_isr(void) /TIMER1 has overflowed TCNT1H = 0xFF; /reload counter high value TCNT1L = 0x30; /reload counter low value flag+; flag%=9; switch(flag) case 0: PORTA|=0x0f; for(i=0;i<465;i+); for(i=0;i<451;i+) if(i=a0) PORTA&=BIT(0);if(i=a1) PORTA&=BIT(1); if(i=a2) P

19、ORTA&=BIT(2);if(i=a3) PORTA&=BIT(3); ;break;case 1: PORTA|=0xf0; for(i=0;i<465;i+); for(i=0;i<451;i+) if(i=a4) PORTA&=BIT(4);if(i=a5) PORTA&=BIT(5); if(i=a6) PORTA&=BIT(6);if(i=a7) PORTA&=BIT(7); ;break; case 3: PORTB|=0x0f; for(i=0;i<465;i+); for(i=0;i<451;i+) if

20、(i=a8) PORTB&=BIT(0);if(i=a9) PORTB&=BIT(1); if(i=a10) PORTB&=BIT(2);if(i=a11) PORTB&=BIT(3); ;break;case 4: PORTB|=0xf0; for(i=0;i<465;i+); for(i=0;i<451;i+) if(i=a12) PORTB&=BIT(4);if(i=a13) PORTB&=BIT(5); if(i=a14) PORTB&=BIT(6);if(i=a15) PORTB&=BIT(7); ;brea

21、k;case 6: PORTC|=0x0f; for(i=0;i<465;i+); for(i=0;i<451;i+) if(i=a16) PORTC&=BIT(0);if(i=a17) PORTC&=BIT(1); if(i=a18) PORTC&=BIT(2);if(i=a19) PORTC&=BIT(3); ;break;case 7: PORTC|=0xf0; for(i=0;i<465;i+); for(i=0;i<451;i+) if(i=a20) PORTC&=BIT(4);if(i=a21) PORTC&=

22、BIT(5); if(i=a22) PORTC&=BIT(6);if(i=a23) PORTC&=BIT(7); ;break; /自定義函數(shù)*void delay(unsigned int time) /0.1s unsigned int m,k; for(m=0;m<time;m+) for(k=0;k<45000;k+);void moveto(unsigned int vel) signed int k,m,tem=0,temp=0; signed char j; for(j=0;j<24;j+) cj=bj-aj;/求出期望值與實際值之差 if(fa

23、bs(ctem)<fabs(cj) /找出最大的差 tem=j; temp=fabs(ctem); /暫存最大差的絕對值 for(j=0;j<24;j+) /把所有的差值都擴大70倍 cj=(cj*70)/temp;/每個的步長，最大的為70 dj=aj*70; for(k=0;k<temp;k+) /分temp 步完成這個動作 for(j=0;j<24;j+) dj=dj+cj; aj=(dj/70); for(m=0;m<vel;m+)/每步中間的延時，產(chǎn)生速度 for(j=0;j<100;j+); for(j=0;j<24;j+)/消去誤差，絕對定