机器人课程设计说明书.doc

Xxxx 说说明明书书 名称 三自由度球坐标型机器人 院 系 班 级 姓 名 系 主 任 教研室主任 指导教师 0 目录目录 第一章绪论第一章绪论.1 1.1 概述.1 1.2 机器人的技术组成.1 1.3 课程设计的目的和要求.1 1.3.1 目的.1 1.3.2 要求.1 第二章硬件设计第二章硬件设计.2 2.1 结构设计.2 2.2 驱动方案.3 2.3 传感器.4 2.3.1 光强传感器.4 第三章软件设计第三章软件设计.7 3.1 步态设计.7 3.2 控制策略.7 第四章第四章 设计总结设计总结.9 参考文献参考文献.10 0 第一章绪论第一章绪论 1.1 概述 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 1.3.1目的 （1）进一步了解“创意之星”标准版套件； （2）初步学习人形机器人的步态规划； （3）深入学习 AVR 控制器的使用方法； （4）深入学习模拟量传感器的使用方法。 1.3.2要求 （1）设计一个简单的双足机器人系统，该机器人能够模仿人类行走方式 迈步行进，能感知光源，并能转向光源，朝光源前进； （2）进行结构设计，每个足要包括腕、膝、胯三个关节，画出机器人的 机构运动简图； （3）进行步态分析，并编写前进、左转、右转的步态流程； （4）用设计完整的双足机器人追光程序；NorthStar 1 第二章硬件设计第二章硬件设计 机器人的硬件主要包括主控板、电机以及传感器。 2.1 结构设计 1) MultiFLEX2-AVR 控制器，1 块； 2) 多功能调试器和线，1 套； 3) 光强传感器，2 个； 4) 舵机，8 个； 5) 连接件，若干。 舵机： 控制器： 2 人形机器人 2.2 驱动方案 驱动系统是向机械结构系统提供动力的装置。采用的动力源不同，驱动系 统的传动方式也就不同。驱动系统的传动方式主要有四种：液压式、气压式、 电气式和机械式。电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式，其特点是电源取 用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵 活的控制方式，驱动电机一般采用步进电机或伺服电机，目前也有采用直接驱 动电机，但是造价较高，控制也较为复杂。 电动机也称电机（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”） 表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。电动 机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。同步电动 机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同布电动机。异步电动机 可分为感应电动机和交流换向器电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为 无刷直流电动机和有刷直流电动机。 舵机是遥控模型控制动作的动力来源，不同类型的遥控模型所需的舵机种 类也随之不同。 3 舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其 工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的判断转动方向，再驱IC 动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送 回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动 时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达 是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围 的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收 到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电 动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的 增加而匀速下降，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的三相WVU/ 电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号 给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服 电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 2.3 传感器 传感器是自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构 组成，其重要性变得越来越明显。传感器技术它综合了多方面的知识，在近几 年体现尤为突出。人类具有五种感觉(视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉)。机器 人需要通过传感器得到这些感觉信息。目前机器人只具有视觉、听觉和触觉， 这些感觉是通过相应传感器得到的。 机器人传感器根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。 a.内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多 为检测位置和角度的传感器。 b.外部传感器：用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离 有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。具体有物体识别传感 器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器 等。 2.3.1 光强传感器 4 光强传感器是一种感应光的强弱并进行显示、处理的测量装置。使它可以 完成多种光学实验，诸如比较光强和距离的关系；研究光的干涉、衍射、偏振； 在不同光源下测量光的相对强弱；研究不同光源的明、暗变化等。常用于生物、 化学实验中。 光强传感器结构 光强传感器结构图如下：为降低光敏元件的工作环境温度而在传感器外壳 上装有两个引入冷却水的导管。 压盖是压紧透光的石英玻璃窗，防止漏气，并与外壳相连，密封冷却水。 铜套筒的作用是密封水，以免冷却水进入光敏元件与石英玻璃组成的空间。 图上的软套管能是光敏元件在轴向固定，不因振动而变化，套筒作安装光敏元 件之用。此外，图上的光电池，绝缘薄膜，内套筒可用光敏二极管代替。这种 结构的有点是拆卸方便。 1- 光强传感器原理 利用光敏元件可将光信号的特点，将柴油机燃烧室内着火燃烧时火焰光辐 射信号转换为电信号而反映出柴油机的燃烧情况。下图为光强传感器的原理图。 5 光强传感器应用 在农业生产、气象环保等工作中，光照强度是环境监测中的重要参数。尤 其是在温室大棚中，光强对作物有着决定性的作用。所以光强传感器应用于室 内光照度的测定，光源强度与距离间关系的研究。 6 第三章软件设计第三章软件设计 3.1 步态设计 模仿人类的行走方式，两条腿交替前进；利用传感器感知光源，并能转向 光源，朝光源前进， 根据光强传感器接受到的信号进行控制： 1) 当两边都有信号时，机器人按照设置的步伐前进。 2) 当左边没有信号时，机器人的右脚做出左转的动作。 3) 当右边没有信号时，机器人的右脚做出右转的动作。 3.2 控制策略 7 8 第四章第四章 设计总结设计总结 本次课程让我学到了很多东西，不仅是知识方面，还有动手方面等。随着 科技的发展，机器人的应用也越来越普遍了。所以在当今对机器人的了解也是 必须的。 在没接触这门课的时候，我对机器人并不是很了解，慢慢的接触之后，我 明白了机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运 行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任 务是协助或取代人类工作的。 在整个设计过程中，从组装到调试我们都花了很长的时间，特别是组装。 在组装之前必须得想好先装哪个部件，如果安装的顺序错了。那后面的就进行 不下去了。在我们一组人员的同心协力下，我们幸好没走多少弯路。至于编程， 因为以前我们做过类似的机器人，所以下手比较容易，只要对几个舵机进行正 确的调试就可以了。这次设计让我受益匪浅。 我想无论做什么，只要有了兴趣，并付诸于行动，付出了汗水，就会得到 回报，只要努力了，就一定能学会！ 9 参考文献参考文献 1、吴毅君，陈健先，郑捷，郑之. 人形机器人避障模块研究与设计J. 福建 电脑, 2011,(03) . 2、周玉林,高峰. 仿人机器人构型J. 机械工程学报, 2006,(11) . 3、冷建军. 传感器在生活中的应用