基于3M人形機器人系統(tǒng)說明

1、3M機器人系統(tǒng)說明書系統(tǒng)說明書基于3M人形機器人工程部北京科創(chuàng)機器人技術有限公司 目 錄一機器人機械系統(tǒng)11外觀1（1）前視圖2（2）后試圖3（2）后試圖4（3）機器人尺寸5（4）機器人自由度分配6（5）機器人自由度編號62機器人動作介紹7二機器人電子系統(tǒng)111電路結構112電路板外形尺寸123專用串口線134舵機連接線14三機器人軟件系統(tǒng)151.KEIL C152.STC_ISP_V3.516四科創(chuàng)品牌機器人專用舵機介紹181伺服舵機5大特點18五電池介紹19一機器人機械系統(tǒng)小型雙足機器人對機械系統(tǒng)的要求很高，其最大的特點是小巧玲瓏。它主要包含1個頭部、1個軀干、2個手臂、2條腿。這些精密零

2、件由上百個連接件緊固而成，而且絕不采用膠水粘接；另外還要為其裝配全套的控制系統(tǒng)，如此堪稱小型機器人中的技術之冠。1外觀北京科創(chuàng)機器人有限公司生產的3M型人形機器人，在舵機連接中大量采用“U形件”與“十字件”。該方案能夠緊固所有舵機。 此外，還專門配有強勁的硬質鋁合金胸、背、肩結構件和腰部復合結構件，使強度達到最高值，而且盡可能地減輕機器人質量。小型雙足機器人的結構設計關鍵在于如何排布數(shù)量繁多的伺服舵機。（1）前視圖踝關節(jié)轉動角度較小，注意調試過程中的舵機位置，盡量避免燒毀舵機的現(xiàn)象。跨部關節(jié)的活動角度很大，對表現(xiàn)高難度動作有利。如劈叉等。 膝蓋關節(jié)轉動角度大，對表現(xiàn)高難度動作有利。如前、后滾翻

3、等。這些為相同型號的帶絲舵盤。這些舵盤都，能傳遞動力。動作范例這4個關節(jié)可以構成4桿機構，完成身體側傾。（2）后試圖背腔內包含24路伺服電路板，屬于單片機控制系統(tǒng)。CPU型號：STC12C5410AD這些為不同型號的雙端支撐舵盤。這些舵盤都不帶絲，不能傳遞動力。電子系統(tǒng)主要為機器人后背的計算機控制系統(tǒng)，其為總控器；另外，每個舵機內部包含1個分立的舵機控制電路板，用以采集舵機位置，驅動舵機轉動和接受來自CPU的電信號。 （3）機器人尺寸 機器人身高-358毫米機器人肩寬-194毫米機器人身厚-120毫米（4）機器人自由度分配圖為RB-3人形機器人除去胸部件的示意圖手臂-3×2 = 6

4、腿部-5×2 = 10頭部-1×1 = 1總計自由度 = 17圖中機器人的17個自由度，已經(jīng)用矢量法標出。手臂舵機-金屬齒輪腿部舵機-金屬齒輪頭部舵機-塑料齒輪（5）機器人自由度編號一般的，我們進行雙足機器人研究時總是先從雙腿入手，所以將腿部關節(jié)自由Z 7Z 817度定為110。 科創(chuàng)公司機器人出廠自由度設置如下：P 5P 7P 6注意：機械系統(tǒng)中的自由度編號與電子系統(tǒng)中的編號統(tǒng)一，并能夠與機器人操作軟件相對應。P 8P 3P 1Z 1Z 4Z 5Z 2Z 6Z 3P 4P 22機器人動作介紹初始站立姿勢手臂自然下垂腿部自然下垂腿部完全彎曲手臂自然下垂下蹲姿勢小幅劈叉姿勢手

5、臂伸平胯部小幅展開腿部完全彎曲仰望天空姿勢手臂上傾腿部適當彎曲踝部適當彎曲雙胯均小幅展開拋擲壘球姿勢右手下垂雙胯均適當展開右腿完全彎曲單手、單腳朝天側劈神功單手、單腳著地二機器人電子系統(tǒng)1電路結構由于3M人形機器人的結構比較復雜，采用17個伺服電機（也稱舵機）構成。所以需要控制的對象比較多。我們在此采用分布式集總控制方式，將每個伺服電機作為獨立的被控對象，用1個主CPU對它們進行控制。通信方式：由于每個舵機采用PWM的控制格式，詳細參見“舵機詳解”，所以主CUP也采用PWM的通信格式。主CPU通過17根信號線分別連接17個舵機，向每個舵機發(fā)送控制信息。信息采用角度格式，即PWM信號的寬窄表示舵

6、機的角度，通過實時向舵機發(fā)送位置數(shù)據(jù)進行速度空制。機器人的舵機分布：舵機在機器人中的安裝位置不同，所發(fā)揮的用處也不同。根據(jù)加藤一郎的結構劃分，身體的16個舵分布在2個平面內。即Z平面和P平面內，那么我們就如下劃分。P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8CPUP平面舵機：P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8Z平面舵機：Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z82電路板外形尺寸小型雙足機器人對電子系統(tǒng)的要求很高，其最大的特點是小巧玲瓏。它包含一個CPU、一個FLASHROM、一個串口芯片、若干各小型插頭，還要安裝24個伺服電機的數(shù)

7、據(jù)插頭。我們采用單片機主控系統(tǒng)，用以盡量減小體積。串口通訊芯片名詞解釋：CPU-中央處理器。目前采用美國“艾特美爾”公司生產的型號為ATMEL89C52-24PC單片機。性能參數(shù)請查閱艾特美爾產品手冊。串口通訊芯片-負責將TTL電平信號轉變成232電平信號。電源開關-電路板電源輸入端。連接電池或電源適配器，輸入DC 6V7.4V。 RS232接口-連接個人PC。有3根線纜，分別為GND、TX、RX。GND為最上邊一根，通過電路板的走線層可以清楚看出，其與地線的覆銅相連。接線端子-2.54級插針。用于連接舵機，最多容納24個軸，距離CPU近的一排是信號線，另外2根是正極和地線，可以明顯看出地線連

8、接覆銅。 第13頁附加連接線小型轉接插頭3專用串口線延長線附加過渡處串口9針插頭串口線增加“大轉小”連接線，目的在于減小機器人的自重，和插拔方便。工廠標配的機器人不帶附加過渡處，用戶可以自行購買加裝。工廠標配的機器人不帶延長線，用戶可以自行購買加裝。USB轉串口線普通串口線2種串口線均可以方便使用，目前工廠標準配置為普通串口線。3M型機器人介紹正確錯誤4舵機連接線紅色-電源正極黑色-電源負極 白色或其他顏色-控制信號線國際標準中規(guī)定紅色線“+”在中間，目的在于避免插頭反接造成電子器件燒毀。如右圖所示的接法，將紅線至中，黑線至右即可。舵機線轉接法將插頭連線拔出將塑料片輕微撬開將插頭連線插入三機器

9、人軟件系統(tǒng) STC單片機是基于51控制核的高速單片機。對于程序的編譯和鏈接，我們可以使用KEIL C 幫助完成。在對芯片進行編程時，我們使用STC公司提供的燒錄軟件STC_ISP_V3.5。1.KEIL C我們使用的單片機是STC12C5410D，是51的內核。指令周期都優(yōu)大幅度的縮減，運行速度自然提高。由于我們使用的是51內核，所以我們可以使用支持C51的開發(fā)軟件幫助編輯程序和編譯鏈接程序。KEIL C就是這樣一款軟件。KEIL C的軟件界面如下：功能菜單系統(tǒng)信息區(qū)編輯區(qū)項目文件列表圖3-1在項目中我們可以建立自己的工程，根據(jù)工程添加編輯程序文件。最終使用“完全編譯”功能完成編譯。在燒錄單片

10、機之前還應該生成對應的“.HEX”INTEL 二進制文件。有了這個文件，我們才能使用STC提供的軟件進行燒寫單片機的操作。2.STC_ISP_V3.5STC _ISP_V3.5是由STC開發(fā)的程序燒寫測試綜合軟件。它可以通過普通的串口（COM）燒寫單片機的程序。軟件運行穩(wěn)定。操作相對方便。軟件的操作界面如下：4321111111 111111111111111圖3-2下面給出操作的具體步驟：1. 選擇芯片類型；2. 選擇要燒寫的HEX文件；3. 設置串行端口和波特率，這里要注意端口號，波特率的選擇比較任意一般為38400；4. 選擇外部晶振；與下載無關；清FLASH區(qū)；5. 點擊下載按鈕后，打

11、開單片機供電電源。在上電后單片機會自動進入編程狀態(tài)。通過提示可以判斷是否下載完成。14325圖3-3注意：1. 在選擇芯片時一定要看清型號，很容易選錯。2. 應選擇外部晶振，如果選擇內部晶振，單片可以工作，但是舵機的控制會出現(xiàn)問題。3. 一定要先點編程按鈕，然后在開控制板上的電源，要不下載不會成功。由于中國的人形機器人還處于發(fā)展初期階段，所以使用者的技術積累較少，因此北京科創(chuàng)科技出售的該款機器人產品隨即提供“片內程序源代碼”。而且附有“基于微分方程的步伐函數(shù)解析”。所以，軟件采用完全開放式，如上面圖示：提供片內源程序，上面的事例中采用的是基于STC12C5410AD型CPU的匯編語言和C語言。

12、用戶可以在其中進行指令編輯、子程序構建、操作系統(tǒng)程序編制等工作。右面的區(qū)域可以實時顯示CPU的工作狀態(tài)。并可以劃分出許多存儲器區(qū)域，進行大量且多樣化的數(shù)學運算。 四KJ品牌機器人專用舵機介紹小型雙足機器人的技術關鍵主要包括3部分：其一是數(shù)控系統(tǒng)，也指電子部分，其二是伺服舵機，其三是機械結構件。由于機器人的結構十分復雜，所以要將機器人的零件盡量減輕。盡管如此，為了保證機器人動作靈敏、行動有力，一般的舵機不能達到要求。根據(jù)目前國際的研究經(jīng)驗數(shù)據(jù)，小型雙足機器人腿部大多需要10公斤·厘米以上的伺服舵機，然而一般的航模伺服舵機只需要39公斤·厘米的伺服舵機。在2003年以前，這些大

13、扭矩舵機國產不了，要依賴于日本進口，直至2004年底，北京科創(chuàng)科技有限公司開始自己生產。這款型號為KJ12-M伺服舵機，是小型雙足機器人專用伺服舵機，其重量輕、扭矩大、反應速度快。它還有一個最突出的特點，是有“電子自鎖”功能，這樣就可以降低控制系統(tǒng)的實時響應需求，為后續(xù)功能騰出足夠空間。1伺服舵機5大特點1 力矩大：科創(chuàng)機器人專用舵機可達到1415kg·cm；市面上的一般舵機，力矩普遍只有34kg·cm。機器人，尤其是人型機器人的腿部關節(jié)力矩均需9kg·cm以上，因此一般舵機性能不能滿足。2 電子鎖位功能：市面上一般的舵機每時每刻需要為其發(fā)出PWM控制指令，否則舵

14、機位置會亂蹦，因此會占用大量CPU資源?？苿?chuàng)專用舵機不用為其時時發(fā)出PWM控制指令，舵機收到一組PWM控制指令后會自動執(zhí)行至該位置，此時如果CPU停止為其發(fā)送控制指令，科創(chuàng)舵機會保持該位置，并抵抗來自外界的一切干擾信號。3使用壽命長：市面上一般的舵機普遍采用塑料齒輪，科創(chuàng)機器人專用舵機全部精選銅合金、高碳鋼等貴金屬為原料，精加工而成，齒輪加工精度高達5級。4 配件齊全：市面上一般的舵機只配有1種圓形舵盤，而科創(chuàng)機器人專用舵機外圍包括多種帶絲舵盤和不帶絲舵盤，另外配有多種專門為機器人設計的“雙端輸出結構件”，“U形件”，“十字件”等，方便DIY時使用。5 互換性強：科創(chuàng)機器人專用舵機采用國際統(tǒng)一尺寸標準，可以直接替換國外高端舵機，使得其應用更加廣泛。五電池介紹小型雙足機器人要求關節(jié)力量大，動作靈敏，所以所需的電量和瞬間放電電流均較大。可以說，沒有現(xiàn)代的電池技術作為強大的后備動力，該類機器人將無法發(fā)展。目前的電池主要分5類：（1）鉛酸電池-優(yōu)點：價格低 缺點：體積大、質量大；（2）鎳鎘電池-優(yōu)點：電流大 缺點：有明顯記憶性，壽命低；（3）鎳氫電池-優(yōu)點：電量大 缺點：瞬間電流小，壽命低；（4