课程设计（论文）-少林铜人阵机电系统设计.doc

湖南工程学院课程设计说明书名称：少林铜人阵机电系统设计院系机械工程学院班级机械电子工程0801姓名学号10指导老师2011年12月5日至2011年12月23日共3周-1-目录一、绪论.21.1概述.21.2机器人的技术组成.21.3课程设计的目的及要求.2二、总体设计.42.1总体模块划分.42.2自由度的分配.4三、机械部分设计.53.1弯腰机构的设计.53.2转身机构的设计.63.3手臂和头部机构的设计.63.4联结方式的选择.73.5手臂和双足的运动学分析式的选择.7四、电气部分设计.94.1电路总体结构.94.2主要部件的选择.104.2.1驱动电机的择.104.2.2继电器.114.2.3光电编码器.124.2.4传感器.134.2.5开关.144.2.6电源.144.3控制系统设计.14五、软件部分设计.155.1软件控制流程.155.2主程序设计.165.3任务子程序设计.185.4关节归零子程序现.185.5其它子程序.205.6武术动作的编辑.20设计总结.22参考文献.23-2-一、绪论1.1概述随着机器人技术的不断发展，机器人已经大量应用于社会的各个行业。如今，机器人已经进入娱乐领域，国内外很多公司正在发展娱乐型机器人。武术机器人就是在这样的大背景下产生的。作为机器人的一个分支，武术机器人将会是21世纪机器人主要民用用途之一。武术机器人的设计涉及了机电一体化技术、检测和传感技术、精密加工和机械密封技术、现代化控制和管理技术、光电感应技术、计算机程序控制技术等多个方面。因此，武术机器人既具有极强的观赏和趣味性，更是一个系统化的工程设计。人形机器人是机器人研究中的重要分支，它涉及到机器人制造中的各个领域，如自主行为控制、人工智能、动态管理、机械设计等，在一定程度上代表着机器人研究的尖端水平，与其它机器人（工业机器人、蛇形机器人、轮式移动机器人等）相比，具有三个基本特征：（1）能在人们所处的现实环境中工作；（2）能使用人们所用的工具；（3）具有人的形状。此外，还有摄像处理、语音处理以及一系列传感器信号的处理，可见，人形机器人对各项技术领域提出了更高的要求。1.2机器人的技术组成机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统。1.3课程设计的目的和要求1、机器人设计的内容举手投足、转圈、头部动作灵活、并具备的语音功能。通过语音识别技术，可以对小机器人进随着现代科技的发展，机器人技术已广泛应用于人类社会生活的各个领域，特别是机器人具有人类外观特征、可爱的外貌、又兼有技术含量，极受青少年的喜爱。本课题要求设计一具有简单人体功能的、模拟十八铜人动作的类人-3-型机器人，完成简单人体的基本动作：可以前进后退，左右侧行，左右转弯和前后摆动手臂，行走频率为每秒两步，行语音控制，通过发出语音命令，控制机器人的。机器人包括底座、头部、上身、下肢、以及电路控制板，分别控制手臂、头部和底盘运动的电机及传动机构等。通过电路控制和机械传动，可使机器人动作。知识范围涉及机构学、力学、电子学、自动控制、计算机、人工智能等。2、具体任务：1、了解机电一体化系统设计原理，机器人设计原理及基础知识，熟悉机器人基本机构设计及控制原理；2、通过分9组，分别完成8个机器人武术动作设计（要求每个机器人能单独完成34个武打动作，动作要流畅，不能有运动干涉及自锁现象）；3、其中1组进行机器人系统的整体布局和阵法变换设计，完成8个机器人的布阵、阵形变换和收阵的机电系统及控制设计；其中要考虑机器人动平衡、路径控制、干涉、互锁、自锁等。4、通过设计说明书的编写训练使学生掌握工程技术文件的编写。3、进度安排:1、下达设计任务，查资料，分析课题，确定系统的总体方案3天2、分组课题设计方案的选择与拟定，详细机械设计及控制设计方案的设计、计算与验算7天3、根据分工，进行各自部分的设计、调试、运行，直至正确无误2天4、按格式编写设计说明书（12页以上）、制作存储介质（分组刻盘）资料汇总，答辩3天4、时间安排：刘红波（07）负责总体设计；张俊（22）负责机械部分设计；李芸（20）负责电气部分设计；蔡楷宾（10）负责软件部分设计。-4-二、总体设计2.1总体模块机器人的设计首先需作总体方案设计，包括机械和电气两部分。根据机械基础知识，从整体上来讲，机械结构设计必须与机器人所要完成的功能相适应。机械部分设计主要包括底盘设计、尺寸选择、驱动方式设计、电机选择等；电气是机器人最重要的部分，直接影响着机器人功能的实现于否。铜人机器人要求完全自动控制，必须采用单片机为控制核心，它类似于机器人的大脑，接收和处理所有外界信息，指挥并控制机器人的所有动作。语音识别等功能是制作机器人硬件的难点，它要求机器人具有一定的感觉系统。目前，机器人技术已日趋成熟，机器人感觉系统可通过各种各样相应的传感器技术即可实现。传感器把接收到的外部信息输入到单片机，再通过软件进行控制，从而单片机发出命令指挥机器人动作。软件编程可以丰富机器人的功能，使机器人动作更加完善。2.2自由度配置机器人要实现机器人的双足行走动作，对机器人的自由度的分布和自由度的安装位置，都有一定的要求。基于通过尽量少的自由度，来实现尽量多的基本运动，同时又要使这些运动尽量柔顺美观的出发点，配置机器人自由度。下肢行走机构是双足机器人最关键的部分，关系着机器人能否稳定的行走。所以，对机器人下肢自由度的配置就成了机构设计中最为重要的部分。通过对人体腿部关节运动方式的研究，发现可以利用12个自由度来近似实现人腿全部的运动功能本课题设计的机器人也具有12个自由度，其中2X3=6个自由度负责前行运动，2×2=4个自由度负责侧向摆动，2X1=2个自由度负责转向。上肢是机器人的执行部件，同时在机器人行走时维持身体平衡和在机器人倒地时配合机器人下肢使机器人站起立，本课题设计的机器人上肢有2X4=8个自由度。另外，头部配置1个转动的自由度。这样机器人共具有21个自由度，自由度分布及其正方向如图所示。关节标号y1y8为绕平行于Y轴转动的关节，关节标号xlx8为绕平行于X轴转动的关节，关节标号z1z8为绕平行于Z轴转动的关节。-5-轴手臂与头部机构摇杆零件可前后摇动正视图侧视效果固定用轴孔长方形槽三、机械部分机械部分包括：弯腰机构的设计、转身机构的设计、手臂机构的设计、转头机构的设计、材料与型材选择及联结方式的选择。3.1弯腰机构的设计腰部的设计思路是，作为人形机器人的腰部，主要做要是承接了上部的重量，设计的时候腰部能做到水平的转动最好，如果不能将会极大地影响整个机器人的平衡；所以尽量减少可变的环节，故在腰部转动的设计中不采用电机再经传动其他机构最后带动腰部的转动方式，而是直接使用电机实现弯腰。具体实现方式如下：先通过一根轴穿过鞠躬机构与机器人上半身的两只手臂固定，然后电机通过一个摇杆连接到弯腰机构的一个长方形槽中，在电机转动的过程中，带动鞠躬机构做以与手臂固定轴为中心的前后弯腰鞠躬动作，所需的零件包括一根轴，一个带有与轴相同大小的孔和在孔同一侧的开有长方形槽的铝条。并且考虑在这个机构上，能够与手臂机构相固定。图3.1机器人弯腰机构弯腰机构的装配顺序如下：取适当长度的铝条打轴孔和磨长方形槽，在上身支架两端打相同的孔，轴穿过该铝条后穿过两个支架并固定好。-6-加工可固定于电机轴上的摇杆，一端可固定住电机，另一端固定摇杆的轴并与加工好的铝条的长方形槽相结合。将电机固定在上身左边支架的一侧。为了防止弯腰机构前倾，用两根橡胶带做一定的固定，以使电机拉住机构向下弯腰时更加稳定在弯腰机构中，如果将机构的位置和方向调换过来，动作就可变为肩的左右摇摆，因为设计水平有限，没有将两种动作结合在一起的机构设计出来。3.2转身机构的设计转身机构的设计原理和弯腰机构的设计原理差不多，在此就不做多的比较论证了。我们还是采用连杆机构，但具体的设计又和前面稍微不同。机器人的腰部机构用于实现机器人左右转身的动作，主要部件包括一个滚动轴承、一个自行加工的可固定滚动轴承内部圆的零件，以及必备的其它固定零件。滚动轴承的特点在于当内圆固定时，外圆可以转动，反之亦然。机器人的腰部机构正是从这个特点出发制作的，要实现机器人腰部左右转动，就让滚动轴承内部圆与可固定电机轴的传动零件固定，同时该零件与机器人下身机构固定，滚动轴承与机器人上身机构固定，再将电机与传动零件固定后又与上身机构固定，这样，在电机转动的过程中，利用轴承的作用，机器人下身机构不动时，由于上身机构与轴承外圆固定，电机旋转带动了轴承外圆的旋转，于是，机器人上身就绕着轴承中心作转身运动。3.3手臂和头部机构的设计手臂机构就是机器人的两只手臂，在本次设计中将机器人的手部的两个电机与带动机器人头部转动的电机固定在了同一个机构上，同时，将该手臂与前后弯腰的机构相固定，构成机器人的上半身机构的一部分，然后该整体又与机器人的左右支架和腰部机构相结合，一起构成机器人的上半身机构。参看做的很好的机器人的例子，机器人的手臂是机器人复杂程度的重要标志之一。手臂所具有的自由度越多，动作时活动的空间就越大，所做的动作就越精细，完成的任务就越复杂。3.4联结方式的选择