機(jī)器人技術(shù)結(jié)課論文

1、機(jī)器人技術(shù)學(xué)號：姓名：班級：機(jī)械工程二一七年六月獲獎證書是通過學(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

2、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)代化控制技術(shù)、人機(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

3、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)行運動學(xué)仿真和運動學(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Altium Designer Winter 09軟件中開始設(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

4、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 DesignerGymnastics robot AbstractGymnasticsrobotisakindofhumanoidrobot,whichisthebasisforthestudyofhumanoidrobot.Gymnasticsrobotcannotonlyimproveourmanipulativeabilityandpracticeability,butalsocanenhanceouri

5、nnovationconsciousnessandinnovationability,whichexerciseourcomprehensivequalityandletusmoreinterestinthestudyofscienceandtechnology.Onthebasisof10degreesoffreedom,therobotcanaccomplishanumberofdifficultmovessuchasmotioningwithhishand,rolls,push-upsandsideturn.Ithasmoredegreesoffreedomandmechanicalan

6、delectricalintegrationtechnologysuchasthemoderncontroltechnologyandman-machineexchangetechnology.Nowadaysgymnasticsrobotsaremainlyusedforpeopletoappreciatetheuseentertainment,anditwillplayamoreandmoreimportantroleinpeopleslives.Thedesignofthegymnasticsrobotismainlycomposedofmechanicalstructureandcon

7、trolsystem.Firstofall,themechanicalstructuredesignisthemostimportantpart,accordingtoproductionmaterials,steeringgearmodel,gymnasticsrobotsmechanicalshapeisdesigned.Then,undertheSolidWorksthevirtual3Dmodelingisdesigned,theexistingproblemsoftherobotismodified.Finally,thekinematicssimulationandkinemati

8、canalysisarecarried.Besides,wecheckwhetheritcancompletethespecifiedactionandanalyzetheproblemsofthespeed,acceleration,position.Again,thecontrolsystemisdesigned.HardwareofthecontrolsystemisFreescalecompanysMK60DN512ZVLQ10chip,inAltiumDesignerinWinter09software,webegantodancerobotcontrolcircuitdesign.

9、Afterthesystemdebugging,throughthePCsoftwarewecontroltherobot.UsingembeddedClanguage,programdesignanddebugging,weeventuallymakerobotsindependentlycompletethegymnasticsmovements.Innovationisnotonlyabletocompletethismatchspecifiedaction,butalsotocompletedifficultmoves,suchasplayingvolleyball.Keywords：

10、Gymnastics robot;Steering gear;Ten degrees of freedom; SolidWorks；Altium Designer目 錄1.綜述11.1 課題的研究目的及意義11.2 機(jī)器人研究發(fā)展現(xiàn)狀11.3 比賽相關(guān)內(nèi)容及分析22.系統(tǒng)整體設(shè)計22.1 競技體操機(jī)器人機(jī)械部分材料分析22.2 動力元件分析33.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計43.1 體操機(jī)器人的整體設(shè)計43.2 機(jī)器人的零件尺寸形狀設(shè)計54.競技體操機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件介紹74.1 K60核心板圖74.1.1 K60核心板圖74.1.2 晶振模塊74.1.3 復(fù)位模塊電路圖84.1.4 JTAG接口電路84.2

11、 舵機(jī)控制電路94.2.1 核心板控制舵機(jī)的接口布局圖94.2.2 舵機(jī)驅(qū)動電路105.系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試115.1 機(jī)器人調(diào)試模式115.2 機(jī)器人動作運行模式126.結(jié)論13參考文獻(xiàn)141. 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

12、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。在國內(nèi)的很多機(jī)器人大賽中，都可以看見它的

13、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動員在單桿上的擺起、倒立、大回環(huán)等動作。國內(nèi)主要為各

14、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

15、行業(yè)起步較晚，與那些機(jī)器人發(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，國內(nèi)舉辦很多相關(guān)競賽來促進(jìn)國內(nèi)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，更是代表著中國對機(jī)器人的喜愛，代表著中

16、國年輕一代對機(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外相比還是有

17、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)內(nèi)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。初步考慮通過調(diào)試控制程序中動作持續(xù)時間，改進(jìn)代碼運行算法

18、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?，F(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8。因為它們具有足夠的強(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

19、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

20、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、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

21、了柔軟劑，容易變脆且不易保存，所以應(yīng)用范圍不廣。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，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?？紤]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5

22、052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0.250.102.22.80.100.100.150.350.40力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度（b）條件屈服強(qiáng)度0.2彈性模量（E）退火溫度170305MPa65MPa69.370.7Gpa3452.2 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動作，都是由它身體中各個運動部位的動力源（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

23、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)用范圍直流電機(jī)市場上廣泛存在，種類多，功率大，力矩大，連接電路簡單轉(zhuǎn)速太快，一般需要配有減速裝置，電流比較大，控制復(fù)雜（PWM）,價格較貴用于比較大的機(jī)器人舵機(jī)內(nèi)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)范圍較小常用于小型機(jī)器人和步行機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)控制精度

24、高，種類多，適合室內(nèi)機(jī)器人速度功率低，比較難裝配，提價大，負(fù)載能力低，自重比較小，控制復(fù)雜用于小型和輕型機(jī)器人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)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長寬高gozcms/60kgcmozins/60kgcmozin40.820.742.8672.37300.2113.2183.630.19153212.81803. 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Solid

25、Works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)用范圍涉及航空航天、汽車、機(jī)械、造船、通用機(jī)械、醫(yī)療器械和電子等領(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)器人的虛擬裝配過程中，需要對機(jī)器人的各個零部件間的運動關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，得出每個運動副的約束形式，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

26、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?？梢韵韧ㄟ^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

27、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)器人手臂 圖3-2 機(jī)器人腿圖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)3。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

28、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，雙手六個，頭部一個。采用的數(shù)字舵機(jī)有標(biāo)準(zhǔn)的180度運動范圍，PWM脈寬控制模式，15公斤力矩，馬達(dá)內(nèi)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

29、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，保證能夠充分完成動作。第15頁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 A,運行電流350 uA/MHz，停止模式喚醒時間為4s。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

30、施速度更快，而且CPU負(fù)載最低，還支持各種算法，例如DES、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。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

31、振和50MHz的有源晶振，其中無源晶振是為MCU內(nèi)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，K60芯片復(fù)位。并且在復(fù)位引腳并聯(lián)了0.1F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。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。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線，即TMS測試模式

32、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)的接口布局圖圖中通道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)的編程，控制一個通道相應(yīng)的舵機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。4.2.2 舵機(jī)驅(qū)動電路舵機(jī)驅(qū)動電路如圖4-7

33、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。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T0

34、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。生成代碼功能鍵能夠?qū)C(jī)器人運動的代碼在代碼運行區(qū)生成，以供下載使用。代碼運行區(qū)，可以顯示運行的代碼。將調(diào)試好的運動代碼生成C代碼，供后續(xù)的程序運行使用。運動代碼格式為“200#-2*-20&-2%”，第一段為舵機(jī)通道，“#”表示通道號，范圍是“0011”；第二段為舵機(jī)PWM波，“*”表示當(dāng)前值，范圍是“0750”；第三段為舵機(jī)執(zhí)行速度，“&”表

35、示速度大小，范圍是“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動原理：20007-20406-20202-2000020009-20196-20202-20001該動作為7號舵機(jī)PWM波運行至“406”、速度為“202”，同時9號舵機(jī)PWM波運行至“196”、速度為“202”，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

36、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)。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