兩足機器人課程設計報告

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1、兩足機器人課程設計報告 目錄 目錄 1 第一章 緒論 2 第二章：硬件設計 3 2.1硬件介紹 3 2.1.1傳感器介紹 3 2.1.2舵機介紹 5 2.2結構設計 6 2.2.1 機器人結構示意圖 6 2.3 驅動器的選擇 7 2.3.1驅動方式 7 2.3.2電動機驅動 8 第三章 軟件設計 9 3.1步態(tài)設計 10 3.2控制策略 16 第四章 設計總結 17 參考文獻： 18 第一章 緒論 隨著社會的不斷發(fā)展，各行各業(yè)的分工越來越明細，尤其是在現(xiàn)代化的大產業(yè)中，有的人每天就只管擰一批產品的同一個部位上的一個螺母，有的人整天就

2、是接一個線頭，就像電影《摩登時代》中演示的那樣，人們感到自己在不斷異化，各種職業(yè)病逐漸產生，于是人們強烈希望用某種機器代替自己工作，因此人們研制出了機器人，用以代替人們去完成那些單調、枯燥或是危險的工作。由于機器人的問世，使一部分工人失去了原來的工作，于是有人對機器人產生了敵意?！皺C器人上崗，人將下崗。”不僅在我國，即使在一些發(fā)達國家如美國，也有人持這種觀念。其實這種擔心是多余的，任何先進的機器設備，都會提高勞動生產率和產品質量，創(chuàng)造出更多的社會財富，也就必然提供更多的就業(yè)機會，這已被人類生產發(fā)展史所證明。任何新事物的出現(xiàn)都有利有弊，只不過利大于弊，很快就得到了人們的認可。比如汽車的出現(xiàn)，它不

3、僅奪了一部分人力車夫、挑夫的生意，還常常出車禍，給人類生命財產帶來威脅。雖然人們都看到了汽車的這些弊端，但它還是成了人們日常生活中必不可少的交通工具。英國一位著名的政治家針對關于工業(yè)機器人的這一問題說過這樣一段話：“日本機器人的數(shù)量居世界首位，而失業(yè)人口最少，英國機器人數(shù)量在發(fā)達國家中最少，而失業(yè)人口居高不下”，這也從另一個側面說明了機器人是不會搶人飯碗的。 機器人技術建立在多學科發(fā)展的基礎上，具有應用領域廣，技術新，學科綜合與交叉性強等特點。傳統(tǒng)的機器人技術涉及機械，電子，自動控制等學科；現(xiàn)代機器人技術則綜合了更加廣泛的學科和技術領域，如計算機技術，仿生學，生物工程，人工智能，材料，結構，

4、微機械，信息工程，遙感等。各種各樣的機器人不但已經成為現(xiàn)代高科技的應用載體，而且自身也發(fā)展成為一個相對獨立的研究與交叉應用領域，形成了特有的理論研究和學術發(fā)展方向，具有鮮明的學科特色。 可以預見，機器人技術將會滲透到未來生活的方方面面，而且從瞬息萬變的社會發(fā)展中已經可以切身的感受到----機器人的時代已經悄悄來臨。 第二章：硬件設計 2.1硬件介紹 2.1.1傳感器介紹 根據(jù)檢測對象的不同可分為內部傳感器和外部傳感器。 　　 a. 內部傳感器：用來檢測機器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為檢測位置和角度的傳感器。 　　 b.外部傳感器：用來檢測機器人所處環(huán)境（如

5、是什么物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。具體有物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。 本課題外部僅應用到了紅外接近傳感器，所以這里只對它進行介紹。紅外接近傳感器俗稱光電開關。它是利用被檢測無對光線的遮擋或反射有同步回路選通電路，從而選擇物體有無的。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉換為光信號射出，接受其再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無目標物體進行探測。工作原理如下圖所示。多數(shù)光電開關選用的是波長接近可見光的紅外線光波型，因此也稱為紅外開關。 由于紅外線是不可見光，紅外探頭體積小巧，隱蔽性非常高，所以各種規(guī)格的紅外開

6、關，紅外測距傳感器廠常用于安放保衛(wèi)領域。在好萊塢電影里，我們常?？吹浇饚?，博物館里有一條條紅色的光線，達到門應用各種手段避開這些光線，最終盜得各種財寶。實際上紅外線是不可見的，電影里采用了普通紅色光線冒充紅外線，以烘托緊張的故事情節(jié)，我們對此大可以笑而過，不可收到她的誤導。 圖2.1.1（a）紅外接近傳感器工作原理 光電開關可以分類如下： 1.漫反射是光電開關：它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體被檢測物體經過時，物體將光電開關發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關便產生了開關信號。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關是首選的檢測模

7、式。 2.經反射式的光電開關：它集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關發(fā)射器發(fā)出的光線經過反射鏡反射回接收器，當被檢測物體經過且完全阻斷光線時，光電開關就產生了檢測開關信號。 3.對射式光電開關：它包含了在結構上相互分離且光軸相對放置的接收器和發(fā)射器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器，當被檢測物體進入發(fā)射器與接收器之間且阻斷光線時，光電開關就產生可開關信號。當檢測物體為不透明時，對射式開關是最可靠的檢測裝置。 4.槽式光電開關：它通常采用標準的U字型結構，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經過U型槽且阻斷光軸時，光電開關就產生了開關量信號。槽式光電開關比較適合檢測高

8、速運動的物體，并且它能分辨透明與半透明物體，使用安全可靠。 5.光纖式光電開關：它采用塑料或玻璃光線傳感器來引導光線，可以對距離遠的被檢測物體進行檢測，通常光線傳感器分為對射式和漫反射式。 本設計所使用的紅外光電開關型號為E18-B0，規(guī)格數(shù)據(jù)為： VCC：5V。 工作電流：小于100mA。 輸出形式：NPN三極管OC輸出。 封裝形式：工程塑料。 圖2.1.1（b）紅外接近傳感器 紅外接近傳感器是開關量傳感器，接IO0~IO11的任意一個接口都可以通過NorthSTAR進行疏枝讀取和編程。由于輸出是開關量，只能判斷在測量距離內有無障礙物，不能給出障礙物的實際距離。但是該傳感

9、器帶有一個靈敏度調節(jié)旋鈕，可以調節(jié)傳感觸發(fā)的距離。 2.1.2舵機介紹 舵機，顧名思義，是控制多面的電機。舵機的出現(xiàn)最早是作為遙控模型控制多面、油門等機構的動力來源，但是由于舵機具有很多優(yōu)秀的特性，在制作機器人時也時常能看到它的應用。舵機最早出現(xiàn)在航模運動中。在航空模型中，飛行機的飛行姿態(tài)是通過調節(jié)發(fā)動機和各個控制舵面來實現(xiàn)的。不僅在航模飛機中，在其他的模型運動中都可以看到它的應用，如船模上用它來控制舵，車磨重用他來轉向等。 一般來講，多極主要由舵盤、減速齒輪組、位置反饋點危機、直流電機、控制電路板等幾部分組成。 舵機是一種位置伺服的驅動器，轉動范圍一般不能超過1800，適用于那些角

10、度不斷變化并可以保持的驅動當中，如機器人的關節(jié)、飛機的舵面等。不過也有一些特殊的舵機，轉動范圍可達到5圈之多，主要用于模型帆船的收帆，俗稱帆舵。 2.2結構設計 機器人的機械、電氣和控制結構千差萬別。這次的雙足追光機器人有眼利用的是紅外接近傳感器，手臂利用兩個舵機來驅動，雙足用四個舵機驅動。把手臂、雙足、和眼睛固定在控制器上。 2.2.1 機器人結構示意圖 圖2.2.1 機器人結構示意圖 2.2.2 完成的機器人 圖2.2.2 完整機器人 2.3 驅動器的選擇 2.3.1驅動方式 驅動方式有三種：液壓式、氣動式、電動式。 液壓驅動方式的輸出力和功率更大，

11、能構成伺服機構，常用于大型機器人關節(jié)的驅動。氣動式驅動多用于開關控制和順序控制的機器人。本次課程設計采用的是電動機驅動。 2.3.2電動機驅動 電動機驅動可分為普通交流電動機驅動，交直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。中型或重型機器人。伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。 直流伺服電動機結構和原理與普通直流電動機的結構和原理沒有根本區(qū)別。按照勵磁方式的不同，直流伺服電動機分為永磁式直流伺服電動機和電磁式直流

12、伺服電動機。永磁式直流伺服電動機的磁極由永久磁鐵制成，不需要勵磁繞組和勵磁電源。電磁式直流伺服電動機一般采用他勵結構，磁極由勵磁繞組構成，通過單獨的勵磁電源供電。 按照轉子結構的不同，直流伺服電動機分為空心杯形轉子直流伺服電動機和無槽電樞直流伺服電動機?？招谋无D子直流伺服電動機由于其力能指標較低，現(xiàn)在已很少采用。無槽電樞直流伺服電動機的轉子是直徑較小的細長型圓柱鐵芯，通過耐熱樹脂將電樞繞組固定在鐵芯上，具有散熱好、力能指標高、快速性好的特點。 控制方式： 直流電動機的控制方式有兩種：一種稱為電樞控制，在電動機的勵磁繞組上加上恒壓勵磁，將控制電壓作用于電樞繞組來進行控制；一種稱為磁場

13、控制，在電動機的電樞繞組上施加恒壓，將控制電壓作用于勵磁繞組來進行控制。交流伺服電機的結構 交流伺服的電動機結構主要可分為兩部分，即定子部分和轉子部分。其中定子的結構與旋轉變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動機一種兩相的交流電動機。 交流伺服電動機使用時，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當定子繞組加上電壓后，伺服電動機很快就會轉動起來。 通入勵磁繞組及控制繞組的電流在電機內產生一個旋轉磁場，旋轉磁場的轉向決定了電機的轉向，當任意一個繞組上所加的電壓反相時，旋轉磁場的方向就

14、發(fā)生改變，電機的方向也發(fā)生改變。 為了在電機內形成一個圓形旋轉磁場，要求激磁電壓Uj和控制電壓UK之間應有90度的相位差，常用的方法有： 　　 1） 利用三相電源的相電壓和線電壓構成90度的移相 　　 2） 利用三相電源的任意線電壓 3） 采用移相網(wǎng)絡 　 4） 在激磁相中串聯(lián)電容器 （二）交流伺服電機的優(yōu)良特性 1 控制精度高 　　 步進電機 步進的步距角一般為1．8。(兩相)或0．72。(五相)，而交流伺服電機的精度取決于電機編碼器的精度。以伺服電機為例，其編碼器為l6位，驅動器每接收2 =65 536個脈沖，電機轉一圈，其脈沖當量為360‘/65 536=0，0055 ；

15、并實現(xiàn)了位置的閉環(huán)控制．從根本上克服了步進電機的失步問題。 　　 2 矩頻特性好 　　 步進電機的輸出力矩隨轉速的升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，其工作轉速一般在每分鐘幾十轉到幾百轉。而交流伺服電機在其額定轉速(一般為2000r/min或3000r/rain)以內為恒轉矩輸出，在額定轉速以E為恒功率輸出。 　　 　　 3 加速性能好 　　步進電機空載時從靜止加速到每分鐘幾百轉，需要200—400ms：交流伺服電機的加速性能較好． 由于電樞控制的特性好，電樞控制中回路電感小，響應快，在自動控制系統(tǒng)中多采用電樞控制。 在會追光的

16、雙足機器人中，我們選用的是，電動機驅動。 第三章 軟件設計 3.1步態(tài)設計 雙足機器人前進分為五步，第一步，左足前進，右手臂朝后； 第二步，左足恢復中位狀態(tài)，手臂也恢復中位狀態(tài)； 第三步，右足朝前，左手臂朝后； 第四步，右足和左手臂恢復中位； 第五步，重復第一步，實現(xiàn)循環(huán)。 追光的步態(tài)設計： 在獲取了兩側的光強數(shù)值后，便可以開始設計程序的邏輯框架。將情況分為3種： 狀況一，左側光比右側光強；狀況二，左側光比右側弱，狀況三，左右側光強近似相等。這三種情況在邏輯上較好區(qū)分，并且覆蓋了所有可能出現(xiàn)的狀態(tài)。在程序的主程序里，用三個條件來區(qū)分這三種情

17、況。 作為左右光強比較的中間變量，對兩側光強的差值Diff進行計算：Diff=Left-Right, 三種狀況的區(qū)分將圍繞差值Diff進行： 狀況一，左側光強比右側光強：Diff>50 狀況二，左側光強比右側光弱：Diff<50 狀況三，左側光強與右側光接近相等：Diff<=50且Diff>=50 在判斷條件里，使用50這個數(shù)值，是考慮到不同的光強傳感器采集同樣的光照強度數(shù)據(jù)可能存在著差異，因此給出一個區(qū)間而不是一個數(shù)據(jù) 在控制器運行的過程中，如果在短時間內向多個舵機發(fā)送大量的控制指令，會造成總線的擁堵，導致舵機收到新指令的時間延后，最直觀的表現(xiàn)就是指令發(fā)送和舵機運動之間存在一個

18、延時。為了保持舵機數(shù)據(jù)總線的流暢，讓舵機有時間執(zhí)行接收到的指令，同常在兩次發(fā)送指令之間添加延時 追光機器人的程序邏輯如下圖： While(1) 獲取光強傳感AD值 執(zhí)行一個左轉完整動作 左邊比較亮 執(zhí)行一個右轉完整動作 右邊比較亮 執(zhí)行一個前進完整動作 左右亮度接近 圖3.1（a）程序邏輯 由程序流程圖得出的程序如下： 圖3.1（b）程序流程圖 - 17 - 程序代碼如下： #inclu

19、de "Apps/SystemTask.h" uint8 SERVO_MAPPING[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}; int main() { int Diff = 0; int Left = 0; int Right = 0; MFInit(); MFInitServoMapping(&SERVO_MAPPING[0],10); MFSetPortDirect(0x00000FFF); MFSetServoMode(1,0); MFSetServoMode(2,0);

20、 MFSetServoMode(3,0); MFSetServoMode(4,0); MFSetServoMode(5,0); MFSetServoMode(6,0); MFSetServoMode(7,0); MFSetServoMode(8,0); MFSetServoMode(9,0); MFSetServoMode(10,0); while (1) { Left = MFGetAD(0); Right = MFGetAD(1); Diff

21、 = Left - Right; if ((Diff>=-50)&&(Diff<=50)) { //forward 1 MFSetServoPos(1,512,512); MFSetServoPos(2,512,512); MFSetServoPos(3,512,512); MFSetServoPos(4,512,512); MFSetServoPos(5,480,512); M

22、FSetServoPos(6,512,512); MFSetServoPos(7,512,512); MFSetServoPos(8,512,512); MFSetServoPos(9,512,512); MFSetServoPos(10,512,512); MFServoAction(); DelayMS(2000); //2 MFSetServoPos(1,512,512);

23、 MFSetServoPos(2,480,512); MFSetServoPos(3,512,512); MFSetServoPos(4,512,512); MFSetServoPos(5,520,512); MFSetServoPos(6,650,512); MFSetServoPos(7,512,512); MFSetServoPos(8,512,512); MFSetServoPos(9,51

24、2,512); MFSetServoPos(10,512,512); MFServoAction(); DelayMS(2000); //3 MFSetServoPos(1,512,512); MFSetServoPos(2,480,512); MFSetServoPos(3,600,512); MFSetServoPos(4,512,512); MFSetSer

25、voPos(5,520,512); MFSetServoPos(6,650,512); MFSetServoPos(7,512,512); MFSetServoPos(8,512,512); MFSetServoPos(9,512,512); MFSetServoPos(10,512,512); MFServoAction(); DelayMS(2000); //4

26、 MFSetServoPos(1,512,512); MFSetServoPos(2,512,512); MFSetServoPos(3,512,512); MFSetServoPos(4,512,512); MFSetServoPos(5,480,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFSetServoPos(7,512,512); MFSetServoPos(8,512,512);

27、 MFSetServoPos(9,512,512); MFSetServoPos(10,512,512); MFServoAction(); DelayMS(2000); } if (Diff>50) { MFSetServoPos(1,512,512); MFSetServoPos(2,512,512); MFSetServoPos(3,512,512);

28、 MFSetServoPos(4,512,512); MFSetServoPos(5,480,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFSetServoPos(7,512,512); MFSetServoPos(8,512,512); MFSetServoPos(9,512,512); MFSetServoPos(10,512,512); MFServoAction(

29、); DelayMS(2000); MFSetServoPos(1,512,512); MFSetServoPos(2,480,512); MFSetServoPos(3,512,512); MFSetServoPos(4,512,512); MFSetServoPos(5,520,512); MFSetServoPos(6,650,512); MFSetServoPos(7,512,51

30、2); MFSetServoPos(8,512,512); MFSetServoPos(9,512,512); MFSetServoPos(10,512,512); MFServoAction(); DelayMS(2000); //forward 1 MFSetServoPos(1,512,512); MFSetServoPos(2,480,512); MFSe

31、tServoPos(3,600,512); MFSetServoPos(4,512,512); MFSetServoPos(5,520,512); MFSetServoPos(6,650,512); MFSetServoPos(7,512,512); MFSetServoPos(8,512,512); MFSetServoPos(9,512,512); MFSetServoPos(10,512,512);

32、 MFServoAction(); DelayMS(2000); //2 MFSetServoPos(1,512,512); MFSetServoPos(2,512,512); MFSetServoPos(3,512,512); MFSetServoPos(4,512,512); MFSetServoPos(5,480,512); MFSetServoPos(6,512,5

33、12); MFSetServoPos(7,512,512); MFSetServoPos(8,512,512); MFSetServoPos(9,512,512); MFSetServoPos(10,512,512); MFServoAction(); DelayMS(2000); } if (Diff<-50) { MFSetServoPos(1,512,51

34、2); MFSetServoPos(2,512,512); MFSetServoPos(3,512,512); MFSetServoPos(4,512,512); MFSetServoPos(5,480,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFSetServoPos(7,512,512); MFSetServoPos(8,512,512); MFSetServo

35、Pos(9,512,512); MFSetServoPos(10,512,512); MFServoAction(); DelayMS(2000); MFSetServoPos(1,512,512); MFSetServoPos(2,480,512); MFSetServoPos(3,512,512); MFSetServoPos(4,512,512); MFSetServoPos(5,5

36、20,512); MFSetServoPos(6,650,512); MFSetServoPos(7,512,512); MFSetServoPos(8,512,512); MFSetServoPos(9,512,512); MFSetServoPos(10,512,512); MFServoAction(); DelayMS(2000); //forward 1

37、 MFSetServoPos(1,512,512); MFSetServoPos(2,480,512); MFSetServoPos(3,600,512); MFSetServoPos(4,512,512); MFSetServoPos(5,520,512); MFSetServoPos(6,650,512); MFSetServoPos(7,512,512); MFSetServoPos(8,512,512);

38、 MFSetServoPos(9,512,512); MFSetServoPos(10,512,512); MFServoAction(); DelayMS(2000); //2 MFSetServoPos(1,512,512); MFSetServoPos(2,512,512); MFSetServoPos(3,512,512); MFSetServoPos(4,

39、512,512); MFSetServoPos(5,480,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFSetServoPos(7,512,512); MFSetServoPos(8,512,512); MFSetServoPos(9,512,512); MFSetServoPos(10,512,512); MFServoAction(); DelayMS(2000

40、); } } } 3.2控制策略 雙足追光機器人的控制，先在NorthStar中對各個步態(tài)進行ID設置，先設置中位，調節(jié)角度的變化，記下雙足向前邁進的時候所在的位置，再設計雙臂向前和向后的位置。在Servo中，對每一個步態(tài)中，各個舵機的位置進行設計，角度用先前在ID設置中所記下的數(shù)據(jù)。 先進行編譯，編譯成功后，有下載器下到控制器中，打開電源，進行下載，成功之后用導線連到控制器上。 第四章 設計總結 通過這次兩足機器人課程設計，我們學會了如何去分析問題和解決問題。通過這個項目任務，現(xiàn)在已經了解了兩足機器人的控制方法和工作原理。但目前只

41、能按照事先編好的程序去運行，進一步熟悉了機器人的安裝過程。在實驗過程中我們也曾遇到許許多多的問題，比如：無法修改舵機ID編號、程序無法下載到控制器中去等等。出現(xiàn)這種情況時，我們必須先檢查下載器的連接是否有問題，若連接沒問題，下載器可能壞掉了需要換一個新的從新試一下。 本設計主要對基于AVR開發(fā)的兩足機器人進行了研究，實現(xiàn)了兩足機器人的最基本功能。 機器人的基本系統(tǒng)主要包括避障傳感器部分，電機控制部分，速度反饋部分以及AVR嵌入式系統(tǒng)核心控制部分。首先，是設計出了避障傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用紅外線技術，主要完成對障礙物的感應；其次，是設計出了兩足機器人的電機控制轉速部分，該系統(tǒng)采用步進電機作為

42、電機。 該系統(tǒng)目前完成的主要功能就是：兩足機器人前進，轉彎，后退行使，若系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，那么運動控制系統(tǒng)內的電機就轉彎；若系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)前方沒有障礙物，那么電機就繼續(xù)前進。 參考文獻： [1]張福學 智能機器人傳感技術[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1997 [2]中國電子學會 傳感器與執(zhí)行器大全（年卷）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004 [3]徐俊輝 “創(chuàng)意之星”機器人套件實驗指導書[M] 北京：博創(chuàng)科技，2008 [4]郭巧 現(xiàn)代機器人學：仿生系統(tǒng)的運動感知與控制[M] 北京：北京理工大學出版社，1999 [5]朱金剛，系列單片機C語言編程入門 ，電子制手2003年第一期。