十自由度體操機(jī)器人

十自由度體操機(jī)器人設(shè)計與實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)老師：MT答辯人：周夢華專業(yè)班級：自動化11-11.體操機(jī)器人研究意義與背景2.體操機(jī)器人初步結(jié)構(gòu)3.體操機(jī)器人方案選型與設(shè)計4.機(jī)器人核心控制系統(tǒng)的設(shè)計5.體操機(jī)器人軟件的設(shè)計與調(diào)試整體內(nèi)容自由體操機(jī)器人簡介1.自由體操機(jī)器人設(shè)計背景:十自由度體操機(jī)器人屬于多關(guān)節(jié)類人機(jī)器人范疇；它是中國機(jī)器人大賽雙足競步組的一個重要比賽項(xiàng)目；該機(jī)器人主要的目的在于表演功能；它要實(shí)現(xiàn)倒立、劈叉、側(cè)翻、前后滾翻和俯臥撐等高難度的體操動作。2.體操機(jī)器人研究的意義：體操機(jī)器人精度高、能耗小、控制簡單、裝配容易，它參考人體結(jié)構(gòu)比例特征，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計；與其它工業(yè)機(jī)器人相比，類人體操機(jī)器人有更強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境的能力與高度的靈活性。這類機(jī)器人未來將是家庭服務(wù)、娛樂開發(fā)的主要方向。研究本課題可以提高我們本科生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。自由體操機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成與要求一、整個體操機(jī)器人的外殼大致是由這幾個部分組成的：1）能轉(zhuǎn)動任意角度【0，180】的舵機(jī)。

2）一塊核心的舵機(jī)控制板

3）各舵機(jī)之間連接的結(jié)構(gòu)件因?yàn)楸敬窝芯康臋C(jī)器人擁有十個自由度，換句話說是擁有十個運(yùn)動的關(guān)節(jié)；因此體操機(jī)器人應(yīng)該配備十個舵機(jī)。二、因?yàn)槭杂啥润w操機(jī)器人屬于仿人形機(jī)器人，所以對它的要求必須是能明顯區(qū)分機(jī)器人的手部、腳部、腹部等。因此要對機(jī)器人進(jìn)行自由度的配置，也就是每個關(guān)節(jié)由一個舵機(jī)控制。最終十個舵機(jī)分布如下：頭部一個（控制前肢）；腹部一個（控制軀干動作）；肩部、手部各兩個；腿部和腳各兩個完成舵機(jī)配置的機(jī)器人外觀實(shí)物圖如下體操機(jī)器人的整體方案設(shè)計

1.硬件設(shè)計機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)器人硬件控制模塊的設(shè)計2.軟件設(shè)計機(jī)器人的關(guān)節(jié)動作調(diào)試程序一、前期的硬件設(shè)計前期的硬件設(shè)計主要是機(jī)器人整體連接件的設(shè)計。包含：舵盤卡口的設(shè)計、肩膀與手臂相連部分的設(shè)計、腳板、手部、以及頭部卡口的設(shè)計等上述各個連接件的設(shè)計都是通過CAD/PROE等輔助設(shè)計軟件，先繪制出各部件加工圖，然后用大塊鋁片等金屬材料放在加工臺上制作而成鋁片作為硬件加工材料，優(yōu)點(diǎn)是：易于加工，可以減輕機(jī)器人本體的重量；保證體操機(jī)器人的穩(wěn)定性與機(jī)動性。1.Cad結(jié)構(gòu)件圖例

2.制作完成的結(jié)構(gòu)件二、機(jī)器人控制模塊設(shè)計機(jī)器人主控制器的選擇

本機(jī)器人選取的是ATMEL公司開發(fā)的ATmega16L單片機(jī)。動力模塊舵機(jī)的選型與設(shè)計舵機(jī)介紹：它是由直流伺服電機(jī)、減速齒輪組、位置傳感器和控制電路構(gòu)成的一套完整的自動控制系統(tǒng)。通過發(fā)送信號，指定輸出軸旋轉(zhuǎn)角度。舵機(jī)一般而言都有最大旋轉(zhuǎn)角度（比如180度。）三條線：控制線、電源線、地線體操機(jī)器人所用舵機(jī)型號：SR—403PSR-403P舵機(jī)的控制原理以及技術(shù)參數(shù)舵機(jī)工作原理：控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為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(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。舵機(jī)技術(shù)參數(shù)（SR-403P)體操機(jī)器人系統(tǒng)模塊聯(lián)系圖本系統(tǒng)硬件主要有串口調(diào)試電路連接、舵機(jī)控制電路板的設(shè)計等，軟件主要完成機(jī)器人體操動作程序的編輯調(diào)試與下載等功能。通過核心控制器ATmega16單片機(jī)控制輸出PWM信號來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動形成一系列動作。體操機(jī)器人的電源模塊選型與設(shè)計十自由度體操機(jī)器人要控制十個舵機(jī)，還要做一系列體操動作，因此耗電多是難免的。鋰電池?fù)碛幸子诎惭b固定、充電效率高且供電效果穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，最終選用7.4V鋰電池作為體操機(jī)器人的供電模塊。鋰電池作為供電能源，要為單片機(jī)控制板、舵機(jī)這兩部分供電；因?yàn)閱纹瑱C(jī)芯片的標(biāo)準(zhǔn)供電電壓是5V，當(dāng)用鋰電池供電時，系統(tǒng)會使用一個1117芯片進(jìn)行降壓穩(wěn)壓的過程，然后才能為單片機(jī)主控板供電。

基于單片機(jī)的舵機(jī)驅(qū)動原理及原理圖介紹單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號，本設(shè)計是產(chǎn)生20ms的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比。

可見機(jī)器人各關(guān)節(jié)的不斷變化，是由單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角慢慢實(shí)現(xiàn)的。下圖是舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與接收到的脈沖關(guān)系基于單片機(jī)的舵機(jī)驅(qū)動板原理圖體操機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為主程序和子程序兩部分。主程序的主要任務(wù)是完成系統(tǒng)硬件的初始化以及調(diào)用子程序里舵機(jī)的指令來進(jìn)行機(jī)器人動作的控制。主程序流程圖如下動作子程序里面包含的內(nèi)容主要有舵機(jī)驅(qū)動程序設(shè)計以及每個舵機(jī)動作完成后的銜接指令。動作子程序的操作流程圖大致如下所示

動作子程序流程體操機(jī)器人的動作調(diào)試機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動的調(diào)試原理：PC機(jī)上的調(diào)試軟件（上位機(jī)軟件）通過向單片機(jī)（下位機(jī)）傳遞伺服電機(jī)的角度狀態(tài)值，以此來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動作的調(diào)試。調(diào)試流程如下。機(jī)器人動作調(diào)試軟件課題設(shè)計的工作總結(jié)1.前期查閱了很多相關(guān)的機(jī)器人方面的資料，逐漸認(rèn)識到整個機(jī)