（机械设计及理论专业论文）投球机器人的研制.pdf

投球机器人的研制 摘要 机器人的出现及发展，已经使传统工业生产的面貌发生了根本性 的变化，使人类的生产方式从手工作业、机械化、自动化跨入了智能 化的薪时代。为了提高全民科技素质，展示全国大学生机器人制作的 高新技术水平，中央电视台特举办了一年一度的机器人大赛。本论文 来源于北京邮电大学机器人实验室的一个科研项目。本项目为参加 2 0 0 3 年中央电视台“太空征服者”机器人大赛而设计和制作投篮机 器人。 本论文按照机器人系统的各组成部分分别介绍了基于比赛的投 球机器人的总体机构、控制系统和驱动系统。重点研究了机器人的控 制系统以及机器人快速直线行走的控制。 全文共五章，第章是绪论，对课题研究的国内外背景、机器人 及计算机控制的一般研究内容、课题来源、课题研究的目标方法及主 要任务进行了介绍。 第二章是投球机器人的总体规划，介绍了用于参赛的机器人制作 原则及目的，进行了手动机器人和自动机器人的总体机械设计，控制 设计，进行了运动学和动力学分析。在手动机器人设计中，采用了四 杆机构实现瞄准的新方法，经过校验计算，满足要求。在自动机器人 设计中，采用了独特的连锁反应式的机构来设计机器人手臂、手爪， 效果很好。 第三章是控制系统及硬件实现，对控制系统的设计及具体硬件的 选取和设计作了较为详细的叙述，并设计出了控制系统的电路板。 第四章是程序设计及系统调试结果分析，对系统调试结果进行了 分析并提出了相应的解决措施。 第五章是以直流电机取代步进电机的思考与研究，在已研制的机 器人利用步进电机开环控制所存在问题的基础上，进一步研究了如何 让机器人以最快的速度定位比赛场地中心，如何走好选定的线路。 关键词：机器人；c 8 0 5 1 f 0 2 0 型单片机；步进电机；直流电机 r e s e r c h l n ga n dd e s l g n n l n go f r o b o tf o rb a s k e t b a l ls h o t t i n g a b s t r a c t t h eo c c u r r e n c ea n dd e v e l o p m e n to fr o b o t i c sh a s e s s e n t i a l l y c h a n g e dt h es t a t u so f t h et y p i c a li n d u s t r yp r o d u c t i o n ，a n dt h eh u m a n p r o d u c t i o nl n a n n e r h a sd e v e l o p e di n t oa ni n t e l l i g e n t i z e da g ef r o mt h e a g eo fh a n d c r a f ti n d u s t r y , m e c h a n i z e a u t o m a t i z a t i o n i no r d e rt o i m p r o v e t h el e v e lo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya b i l i t yi no u r c o u n t r ya n d t os h o wt h eh i g ht e c ho f m a k i n gr o b o ta tt h ec o l l e g e si no u rc o u n t r y c c t vh a sh o l dt h em a n u a lr o b o tg a m e t h i sp a p e ri so r i g i n a t e df r o m ap r o j e c to ft h er o b o tl a bo fb u p t t h ep r o i e c th a sd e s i g n e da n d m a d er o b o t sf o rt h ec c t vr o b o tg a m e “t oc o n q u e rt h es p a c e h e l d i n2 0 0 3 t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h r e ed a r t so ft h er o b o ts y s t e m ：t h er o b o t c o n t r o l l e r & s o f t w a r ea n dd r i v e r s y s t e m f o c u s i n go nt h e l a s tt w o p a r t s t h ep a p e rf a l l si n t os i xc h a p t e r s t h ef i r s t c h a p t e r i sa ni n t r o d u c t i o no ft h e b a c k g r o u n do ft h e p l o j e c t ，a n de x p l a i n st h ef e a s i b i l i t ya n dg o a lo f t h ep r o j e c t t h es e c o n dc h a p t e ri sa l lo v e r a l ld e s i g no ft h er o b o t i c s jw i l l d e m o n s t r a t et h ed e s i g n i n go ft h ep a n so fm a c h i n ea n dt h ep a r t so f c o n t r o l l i n g u s e di no u r p r o j e c t ，a n dp r e s e n t i t sk i n e m a t i c sa n d d y n a m i c sa n a l y s i s i nt h ed e s i g no fm a n u a lr o b o t - iu s eaf r a m e w o r k w i t hf o a rp o l e st ot a k ea i mi nan e wm e a s u r e ，a n dt h ef r a m e w o r k w o r k sw e l l i nt h e d e s i g n o fa u t o m a t i cr o b o t ju s ea l i n k a g e f r a m e w o r kt or e a l i z et h ea r mo fr o b o ti nas p e c i a lw a y , a n dt h el i n k a g e 行a m e w o r kw o r k sw e l l t h et h i r dc h a p t e ri sn a m e d “c o n t r o ls y s t e ma n dr e a l i z a t i o nw i t h h a r d w a r e ”1w i l ld e s c r i b eh o wt of u l f i l lt h e d e s i g n i n g o fc o n t r o l s y s t e m w i t hh a r d w a r e ，t h e n ，h o wt oa c c o m p l i s ht h ec i r c u i td i a g r a m t h ef o u r t hc h a p t e ri sa b o u tp r o g r a m m i n ga n da n a l y z i n gr e s u l t s ， a n di tw i l lp r e s e n th o wt op r o g r a ma n ds e a l et h ep r o b l e mt h a tm i g h t o c c h fi nt h ep r o j e c t t h ef i f t hc h a p t e ri st or e s e a l c h1 1 0 t os u b s t i t u t es t e p p i n gm o t o r w i t hd cm o t o r 1w il ll e s e a l c hh o wt om o v et h er o b o tw i t hf a s ts p e e d m a di nl i n e a rw a y k e y w o r d ：r o b o t i c s ；m c uc 8 0 5 1f 0 2 0 ； s t e p p i n gm o t o r ；d cm o t o r 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 簇豪孽 日期：五垃生，生。2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 夏重垦 鱼：丛丝 f i 期：圣筮垒：生! z 日期：兰! ! ! ：! ：z 北京邮i 乜大学i i ! j ! 卜研究生论史2 0 0 4 第一章绪论 。1 枧器人发展爨疆殛发瀑趋势 撬器天羧零终戈2 9 蓬纪入类曩稼太豹发筏之一，宅懿研究拜始予2 0 整纪中麓。 第一代遥控机械手1 9 4 8 年诞生于美国原子能豢员会的阿尔贾研究，当时用- 泶对放射 牲耪粒进行运距裹操撵，醚爨护添予憝王传者惫受藏辩线照鸯孛。第一螽工鲎撬器天产 生于1 9 5 6 年，是英格尔博格( j e n g e l b e r g e r ) 将数字控制技术与机械臂相结合的产物。 当时主要是为了克服串联壤椽黍积熬蘩绞误蓑，爨便达裂较豢戆空耀定位耩瘦，提窭 了示教再现的编程方式，从而使重复定位精度凝不多比绝对定位精度掇高了一个数量 毁。 1 9 6 8 年，日本j n 崎重工弓j 进美国u n i m a t i o n 公司的u n i m a t e 机器人制造技 术，开始了日本机器入时代。1 9 7 0 年，在美爨疆拜了第一瘸豳际工渡极器人学术会 议，此后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。1 9 7 9 年u n i m a t i o n 公司推出了p u m a 系列工业机器人，它的关节由瞧动机驱秘，可配置视擞、触觉、力觉传感器。是技术 较为先进的机器人。到1 9 9 0 年已有3 0 万台的机器人猩全世界使用。其中高性能的机 器人所占比例不断增加，特别是各种装配机器人的产爨增加较恢，和桃器人配套使用 的的机器视觉技术和装备也得到迅速笈展。进入2 0 世纪9 0 年代后，装配机器人及柔 性装配技术进入了大发展时期。日本一直拥有众世界机器人总数的6 0 左右。剿1 9 9 8 年，美国拥有枫器入8 万台，德国为7 万多台，分剐占_ 睦界机器人总数的1 5 和1 3 左右。副2 0 0 0 年，服役的机器人总数约1 0 0 刀台【2 “一4 3 1 。 誉魏国际辊器久赛都在魏大科研力度，进行机器人共性技术的磷究，并朝蓿智能 化和多样化方向发展，概括如下“剐： 固工焦瓠瑟久操作辊结构豹优纯蔽诗技术。( 2 ) 机器久控翻技术。( 3 ) 多倍感系统。 ( 4 ) 机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，_ = 者正朝着一体化方向发展。( 5 ) 机器人 遥控及蕴控技零，辊瓣久半是童囊蠡羡技术。 6 ) 虚瓤梳器入技术。( 7 ) 多智能俸耱调 控制技术。( 8 ) 微型和微小机器人技术。( 9 ) 软机器人技术。( 1 0 ) 仿人和仿生技术了。 撬器天技术鑫瓣教豁来，经历拳令毽纪戆发震已取褥了长筵豹逶疹，已经完全渗 毙客船电火警艘i 一磺毵篷沦支瞄 透剑社会生活中，其范畴也越来越广泛，发展智能化机器人和机器人智能融成为一个 重鼗貔疆窕方自。为了键辫桩器夫技零魏发展，擦璜度霜，溺酵碾孳l 更多鹣久柬关注 机器人，也为我国的大学生们提供搬好的削新与实践的机会，让他们有一个展示自己 聪筏l 才智鼹实嚣裁乎能力戆舞台，为选拔澈军酞代表孛鬣参魏一零一度数“亚太魏送 大举生机器人大赛”，c c t v 从2 0 0 2 年开始将举办簿年一度的全国大学生机器人大赛。 1 2 课题来源、装求及参赛意义 本课蹶来源于参加c c t v 第二届机器人大赛“太空征服者”投簏机器人的设计和 制终1 5 t 。 此次比赛的意胬是将球射入9 个篮筐内，每一个篮筐甑含3 个排列成三角形的髓 袋，按照褥分情况划定比赛豹辕赢。如一个参赛队将球射入包括中心篮譬3 个网袋在 内的所有熊筐，或者它的褥分比对手高时，该队将被视为获胜。每场比赛的时间为3 分钟。针对比赛的这转情况需求，鬻求本顼嚣研制鹚可以凌比赛场地移动瓣能够投射 球的机器入代表本梭参赛。 c c t v 举办大学生机器人大赛，为我翻的大学生提供了个充分展示剞造力的舞 台，有乖予激发青少年开发、研铺高科技的兴趣与爱好，有利于培养学生的创造力， 激艘学生的想象力，锻炼学生的实际动手熊力。在竞赛中，学生们把自己的一些想法 逶过努力变成现实，这是谦堂教育做不到的。 3 移动撬器入凌获与技术承平 祝器入豹最初彤式是王盈视器入，它髓有效遣挺高产晶鲍质薰莘鼙改善人们的势动 条件，在焊接、装两己、浇铸、喷漆簿方面得到了广泛应用。工业机器人通常为多关节 静糕藏手篱，零俸不其寿霹移动毪，因嚣工作环境裙对来说是霞定瓣，萁瑟活性只表 现在可以按照人们的要求反复编稷实现不间的运动。 是了获褥受大豹独立链，久 】对辊器入戆灵活毪帮餐施撵警了更高酶戮求，要求 机器人能够在一定的范围内安全越幼，完成特定的任务，媳有较强的环境适应能力。 毽熬，近零泉，移动爨器人豹磷究残尧飘撰久骧城麓硬究藏熹之一。 移动机器人狭义上指的是地面可移动机器人，燕要包括军事领域和民用服务领域 埂嚣夫蘧秘。军事麓戆规器入趣括簇察鞔。捺久、爆炸携处璞税器入秘多兵支援辊嚣久 2 北京邮i 乜犬学峨j 。究生论且= 2 t ) 0 4 等，种类繁多、功能强大、用途广泛，发展潜力巨大。在民用移动服务机器人方面， 日本和美国处于遥遥领先的地位。机器人被广泛用于扫除、割草、室内传送、导亩、 导游、导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。在国内，上海大学研制出导购机器 人，哈尔滨工业大学研制出导游机器人和清扫机器人等。从广义上讲，移动机器人也 包括空问机器人( 如美国的火星探路者) 和水下机器人( 如我国研制的海下6 0 0 0 米探测 机器人) ，它对机器人的控制技术、传感技术和材料等方面提出了更高的要求。 目 前在欧美、日本等西方发达国家，移动式机器人己广泛应用于五大领域：医疗福利服 务、商场超市服务、餐厅旅馆服务、维修清洗服务。 1 31 移动机器人机构研究概况 能在工作环境内移动和执行任务是移动式机器人的两大特点。下面着重介绍一下 机器人移动机构方面的研究情况。由于本文所研究机器人的工作环境是在地面上，下 面的介绍就仅限于在平面环境中机器人的移动机构。 能够在平面环境中移动的机构形式主要有履带式移动机构、腿足式移动机构和车 轮式移动机构。此外，还有适用于特定场合的步进式移动机构、蠕动式移动机构和蛇 行式移动机构等。 履带式移动是将圆环状的循环轨道履带卷绕在若干车轮外，使车轮不直接与地蕊 接触，利用履带可以缓冲地面的凹凸不平。履带移动机构的着地面积比较大，着地压 强小，与路面的粘着力也较强，所以它能够在凹凸不平和松软路面上稳定移动。因此， 履带式移动机构比较是用于路面状态比较复杂的场合。 腿足式移动机构基本上是模仿人或动物的下肢机构形态而制成的。以两足步行机 器人为例，机器人姿态的地位十分重要，为此必须有能直接或间接检测姿态的传感机 构。它还可以在需要获取姿态信息时，通过对踝关节力矩反馈控制使其处于柔顺状态， 使脚底适应地面情况，测量此时踝关节的角度，就可得到姿态信息。腿足式移动机构 适应地面的能力也很强，但其机构复杂，运动控制的难度较大，且运动速度比较慢。 车轮式移动机构的优点有：能高速稳定地移动、能量利用率高、机构简单、控制 方便和能借鉴至今已很成熟的汽车技术等。它的缺点是移动场所限于平面。目前机器 人的工作环境，如果不考虑核电站等特殊环境和山地等凹凸不平地面等自然环境，几 乎都是人工建造的较为平坦的地面，所以轮式机构的利用价值是非常高的。因此，车 轮式移动机构可认为是移动机器人的重要组成部分。车轮式移动机构又可分为二轮机 北京邮电大学帧i ：t o t 究生讫义2 0 0 4 构、三轮机构、四轮机构和全方位移动机构。二轮式移动机构的结构非常简单，但是 在静止和低速时非常不稳定。三轮式移动机构的特点是机构组成容易，旋转中心是在 连接两驱动轮的直线上，可以实现零回转半径。四轮式移动机构的运动基本上与三轮 机构相同，由于增加了一个支承轮，运动更加平稳。 1 3 2 机器人控制器的发展概况 机器人控制器是完成机器人控制功能的结构实现。按照控制器结构形式来划分， 移动机器人控制器主要有开放式控制器、封闭式控制器和混合式控制器等。目i i 仃，机 器人控制器的研究已经由硬件过渡到软件，由具体控制器过渡到通用开放式体系结 构，由单独控制过渡到多机协调控制。国外有专门的研究机构对机器人控制器进行研 究和开发，同时机器人控制器的研究也经常得到政府部门和大型企业的资助。因此， 国外的机器人控制器的研究发展很快，智能水平很高，许多开创性的研究工作正在开 展。其研究内容主要在两个方面：( i ) 机器人控制器的功能结构，主要是控制体系结构、 智能控制、多算法融合和性能分析；( 2 ) 控制器的实现结构，主要是实时多任务操作系 统、开放式结构标准、多控制器结构和运动控制器。在一定的范围内，这两方面的研 究是重台的。下面分别就机器人控制器体系结构和运动控制器两方面，对机器人控制 器的发展加以讨论。 1 3 2 1 控制器体系结构 机器人控制器体系结构主要是指控制机器人的软件和硬件结构，通常也称为机器 人体系结构。研究机器人体系结构的目的是简化机器人系统的设计和开发。随着机器 人控制和功能的日益复杂化，机器人体系结构的研究越来越受到重视，其重点是在功 能划分和功能之间信息交换的规范方面。 在日本，体系结构以硬件为基础来划分。如d e n s o 公司生产的一种新型机器人 控制器n e t w o r c ，采用p c 机结构、网络通信、新的机器人编程语言和带有g u i 环 境的多功能示教板，用来控制结构分为机器人本体、伺服驱动、运动控制和操作界面 四层的机器人。 美国国家航空和宇航局与国家标准化局一起制定了一个概念模型n a s r e m ，该 控制系统结构参考模型是第一个企图完全说明智能系统全部组件的模型。它采用层次 结构，每一个层次又分为三个模块：任务分解、环境建模和传感信号处理。这种结构 为处理大系统提供了一种标准的方法。由美国空军赞助、m a r t i nm a r i e t t a 公司实施的 北京邮l 乜人学坝j 研究生论义2 1 ) 【1 4 丌放系统结构标准的规范下一代通用控制器n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) ，包括 三个概念：集成化的结构、应用程序集和集成配置环境，并且采用由术语表示的模块 结构来代替应用程序。 1 3 2 2 运动控制器 运动控制器是移动机器人控制器的底层结构，用于驱动机器人的行走，有时它也 可作为一个简单的机器人控制器。 运动控制器的研究和开发主要集中在美国和日本，并己形成成熟的系列产 品，如美国d e l t at a o 公司和日本朋立株式会社等都有自己的系列与运动控制器 产品。这些运动控制器以d s p 技术为核心，大多采用基于p c 的开放式结构。美国的 t r e l l i s 公司开发了种n o m a d 控制软件包，它基于l y n x o s t m 操作系统，与普通 计算机一起可完成基于传感器的运动控制器的全部功能，同时用户能够方便地修改和 更换控制规律。美国c i m e t r i x 公司研制了一种用途更广泛的底层控制器一 r o b l i n e 开放式结构控带4 器，它能够在一种基于标准的操作环境和硬件平台下控制 不同类型的机器。该控制器也使用l y n x 操作系统，除主处理器外，每一个控制器至 少包含一个数字信号处理器( d s p ) 用于底层伺服控制和i 0 监督。 目前，对机器人控制器的研究有以下几个发展方向，即开放式结构控制体系结构 的研究、控制器评价体系和性能仿真的研究、多算法融合的研究和通用交互式图形化 人机界面的研制等。 1 3 课题研究的方法、主要任务及目标 为了搞好这次参赛的机器人研制，本着创新与实践相结台的原则，主要研究方法 及任务如下，设计工作的工作流程如图1 。1 。 1 ) 研究大赛规则，提出几套方案进行比较，确定投球机器人的总体结构； 2 ) 根据总体目标，通过市场调查和资料搜集，进行技术可行性论证； 3 ) 确定投球机器人的机械结构，并绘图制造； 4 ) 研究投球机器人的总体控制方案，选择电机，设计控制系统电路： 5 ) 编制控制程序，并将结果仿真； 6 ) 进行投球机器人的组装和调试。 i 康邮 b 大学嫒i ：i j l 究生论文二鞭堪 图卜i 设计工作流程图 6 巍童螂电大举镀立弼拶生论立：t x 堪 预期园标： l 、设诗国会逶魏橇械装嚣； 2 、设计出完整的控制方案； 3 、毒l 造浅绶球挺器人参赛。 1 ，4 本耄小结及论文的规划 本章罄先对机器人的鹜景及埂炊终了一些分镪，接豢谬论了本涤题载寒源及意 义，然后提出了自动机器人研究的旗本内容及课题研究的方法、主鼹任务及预期目标。 为了展示零瀑题豹谤究及缝罴等憾况，本谂文携分器个大方嚣来宠藏： 1 在第二章整，将说明机器人大赛的比赛规则、场地及我们采取的相应的比赛 总体方寨，简要分缨手动机器人和捻中心是动机器入的整体设计，劳进行鑫动枫爨入 的运动学分析和动力学分析。在手动机器入设计中，采用了四杆机构实现瞄准的新方 法，经过校验计算，满足要求。在自动机嚣人设计中，采用了独特的连锁反应式的机 构寐设计机器人手臂i 手爪，效菜很好。 2 在第三章擞，首先选取了步进电机，给出了步进电机开环控制系统的数学模 墅，对步避电机的糯减速随逐进行了研究，讨论了机器入控制系统的电路设计及控制 电路的硬件设计，设计了电源共绘模块，研究了务种抗于扰措施。 3 在第四章鬟将简革介绍调试环境的搭建和数据的处理及程序流程，并分析调 试结果，缭融解决措施。 4 在第五章羹，稷霸系统调试牵静发凝：使掰步逶魄梳作为驻动电橇，采霜的 是叮环控制方式，机器人直线行走的功能并不让人满意，本章将对该问题作进一步的 磅袋。本耄苕先分耩了翻溺步遴奄税开环掇翎所繁泉静不葭结采酶藤因，对直流电梳 的闭环控制进行了研究，缭出了控制系统数学建模，提出了直流伺服电机的闭环控制 豹滚痉驱魂豹蔌方案获其羧诗。 北京邮电人学坝 研究生论立2 0 0 4 2 1 本章引言 第二章投球机器人的总体规划 本章首先介绍了机器人大赛的比赛规则、场地及我们采取的相应的比赛方案，然 后简要介绍了手动机器人的整体情况，介绍了自动机器人设计的整体方案。并对自动 机器人进行了运动学分析和动力学分析。 2 2 比赛规则及场地及比赛总体方案的制定 2 2 1 比赛规则及场地 本届机器人大赛的目的是自行设计和制作机器人使之适合如下的比赛主题：将球 射入9 个篮筐内，每一个篮筐包含3 个排列成三角形的网袋，按照得分情况判定比赛 的输赢。如一个参赛队将球射入包括中心篮筐3 个网袋在内的所有篮筐，或者它的得 分比对手高时，该队将被视为获胜。每场比赛的时间为3 分钟。 比赛场地由直径8 米的自动机器人区和直径1 4 米的外环手动机器人区组成。两 个参赛队队分别有一个1 2 m x l 2 m 自动机器人出发区和一个1 2 m 1 2 m 手动机器人 出发区，同时还各有一个球库，均提供1 6 个球，排列方式为4 x 4 矩阵。比赛开始时 双方的手动机器人需要到各自的球库捡球，并且只能在手动区完成投球动作，在空间 上手动机器人不得进入自动区。自动机器人可以在比赛开始前携带赛球，允许携带球 的总数不得超过2 0 个。所有机器人的总重不得超过5 0 k g 。 9 个篮筐的位置分布如下：中心篮筐位于场地的圆心，高3 米；中圈4 个篮筐高 2 米，均匀分布在直径3 米的圆上：外圈4 个篮筐高1 5 米，均匀分布在直径6 米的 圆上。在各篮筐正下方的场地上固定有1 0 0 m m 、高l o m m 的白色圆盘，用以标示篮 筐的位黄。每个篮筐是由3 个排列成三角形的网袋( 每个网袋直径4 5 0 m m ) 组成 在自动区地板上，标有两条宽3 0 m m 、直径分别为3 m 和6 m 的白色圆形导引线 和8 条宽3 0 m m 、成对角线分布的白色直线导引线【5 】。 场地的布局如2 1 图。 憩寨瘁 基大学碗。l 礤毙生论皇2 0 0 4 比赛时，球入袋计分，而且每个网袋只有一球计分。如果两队的球都入袋，则两 酞都计分e 每个嘲袋的分錾魏下：中心簦麓5 努；两圈篮麓2 努；辫甏篮麓1 分。当 一个队投入了所有篮筐并飘中心簇筐的三个网袋中时，该队将被视为“征服了太空” 嚣获缝。羲跑赛时麓鬻，露嚣获都寒德征暇了太空”，鼷按备驮豹累积分数译蠢箍受。 场地布局 2 2 。2 比赛总体方案的期定 霉2 * 1比赛场地投影鞠 本次机器人大赛拟采用个手动机器人和两个自动机器人。其中，两个自动机器 入矜翔寻我中心蘩艇藕内黼瞪个藏筵，手动机器入童要授翁外圈圈个篮筐。手动祝器 人悬线控机器人，除了机械部分外它还包括线控部分，电路板和驱渤部分等。通过控 摹l 僚号直接控翻税器久静运韵。寻我内甏瑟个篮餐静鸯动辊器久设计为基予褫觉的有 智能的机器人系统。除了机械部分外它还包括视觉部分，控制板和驱动部分等。具有 9 靶瘩辩l 乜夫攀锤j 。秘炎生避盅2 供鞋 速度控制，位置控制，自动投球等功能。c p u 通过预定稔序和视觉信号j 拄行决策， 然簸发窭念令绘撬行电撬，菪l 器久穰据鑫令执行动 乍。本文将蓍兔设诗授羚凿静手动 机器人，接着重点设计投中心篮筐的自动机器人：即抢投场地中心3 米高蘸筐的机器 夫。豫了撬城帮分耱宅还裔控裁扳、驱动部分、及羧蠢舔分等，县鸯速发羧麓、位甏 控制、自动投球等功能，使它能按照程序指令快速沿直线抵占场地中心点，完成投簇 动俸势占裁场毯中一0 熹，飘薅黠方凝器人投球。其裳要特患建结梅麓攀，行走速瘦袄 并且能及时制动。 2 3 手动机器人整体结构方案葛设计 本文的设计重点是自动机器人，在这慰简单介绍手动机器人的设计；葶动机器人 负爨外圈簸蓬，共1 0 公厅，它以弹簧徽动力将球从发射键弹进篮筵，球的发射遮魔 为l o 米，秒，手动机器人出发时的焱态： 蘸j 图2 - 2 手动机器人设计图髑2 3 手动机器人的驱动底座 整个工终过程：球库的簿被捻球机构l 从地蕊羧起送绽运球枫梅3 ，嚣坡送往装 球箱8 ，荐被送往邀球管道7 ，然后被送往发射筒6 被发射出去。 1 ) 底座如图2 3 ，它幽三个车轮( # 轮作驱动又作转肉) 、两个电机a ，b 、一个 大黼盘齿轮c 及西环d 组成。工作时电杌a 控制前轮前后邀动，电机b 控制前轮左右 转礴，后丽两轮作从动。机器入主体部分放在圆环d 上，圆环d 可以绕中心转动，当 手渤机器人主体部分需要黼准篮筐时可以绕底座2 转动，电机( 装在主体部分上) 控 制烬一齿轮绕大圆擞齿轮c 转动即可达到髓舶。 0 北京邮电人学坝，j 。_ f ! l f 究生论文2 0 0 4 图2 - 4 手动机器人的捡球机构图2 5 手动机器人的瞄准机构 2 ) 捡球机构如图2 4 。它由履带乱履带b ，及筐架组成。出发时捡球机构1 是收起 的，以节约空间。工作时捡球机构l 被电机d 放下，如图位置，履带a 利用摩擦力将 球库的球送往履带b ，履带b 将球送往运球机构3 。 3 ) 运球机构如图2 - 4 的3 所指示，它由两层履带c 构成，履带之间装有薄铝片。 工作时球从捡球机构j 送来，球被卡在薄铝片之间送往装球箱8 。 4 ) 瞄准部分如图2 - 5 ，它由一个激光发射器c 、两个角度位移传感器b ，d 、一个 被架起来的滑轮h ，三个电机8 ，e ，f 、细绳构成。工作时电机e 控制齿轮绕底座2 的大圆盘齿轮转动，使发射筒指向目的篮筐的方向。接下来，另一个电机a 控制激光 发射器c 指向目的篮筐顶部，此时单片机读取固定在激光发射器上的角位移器b 的读 数，经过运算得到发射筒所需要的仰角，单片机根据所算的结果控制电机f 拉动跨过 滑轮的细绳g 来控制发射筒的实际仰角。 t j h g f 7 6 5 图2 6 手动机器人的发射机构图2 - 7 手动机器人的线控控钳板 北求龆 也夫学坝0 蛾究生避文： m 4 5 ) 发射动力部分如图2 - 6 ，它由电机a ( 驱动力) 、继电器开关控制卡 jb 从动凿 轮爨e ( 瑙予控裁缨拇豹上下运动) 、连释d 、推球栝e 、秘缀减速轮继龟器g ( 蠲 于卡住推球杆使推球杆暂时不能动) 、套筒h ( 套在发射筒外，与发射筒以小弹簧相 连) 、藕掇缀耪l 秘蔽。王传曩雩，惫疆a 豢魂嚣缀减速轮f 转动，逡摇连d 懿一漩逡在 已经减速的轮上，跟着轮转动，另一端连潜套筒h ，使套筒h 沿着发射筒6 作相应的 潺动。套麓h 游动辩会将攘球轷e 接褰发瓣篾6 ，嚣捺球拇e 与发越楚6l 三强力爨簧 相连接，当推球杆e 被推至极限位爨时，继电器开必控制秆b 接通继电器开关使之通 赶工作，继电器g 能卡往攘球抒e 不动，鼗时电极继续转动，套键h 被连夜发射麓上 的小弹簧徒回拉，当套筒被拉回原位时，继电器g 断电，推杆d 被放开，推杆d 被强 力弹簧的投力拉着迅速向发射篱方囱 中去，球被毒出。其中，在舞缀城速黔未级轮嬲 从渤齿轮擞c 上连肖两根细杆，如上图所承，细秆的另外一端连在送球管遒部分7 的 颈郄，它们之闻有1 4 0 m m 的距离即能放下个球，当轮转动一周时它们憋分别傲土 下和下上往复运动备一次，这样就能使装球箱8 的个球缀由送球管道7 送到发射简 6 中。每当击出一球后，所有发射机构自动复位，以等待下一次发射指令。 6 ) 线疆控制瑕如图2 7 ，电机个数共l o 个：其中1 个用于前进后退，1 个用于 左右转弯，1 个用于收放捡球筐，3 个用于捡球( 用一个邋籽控制) 、运球的履带，2 个溺于瞄准部分，1 个用予发射部势，1 个用于绕底座转动摇秆。电机的控制将采用 线控控制，线控控制板上器摇杆、按钮位溉示图： 7 ) 手动枫器入静控制方框图鲡簦2 - 8 ； 竭2 - 8 母动机器人转控剁方框匿 2 3 1 发射遴崖古勺选敷与计算 设藤球发射的翻速度为v ，根据能量守恒可得到： 毒m ( v s i n = 墩g h r 可推出： v s i n 0 = 4 2 0 ho式( 2 - 2 ) 为了缝手动枧器人麓射孛场她联窍篮撰，堍取毙赛场撼孛心篮雄裹受5 岽，。敬 中心框距手动机器人区的水平距离为5 米，因此可知v l o m s 又出糊摄到： j r v t s i n 口_ _ i 。t 2 = lv t c o s 8 一屯 可得到h = 5 t 9 8 一专g 意 根据系统动力能量提供条侔，我们拟取v = 1 5 m s 代入上式，下面验算它是否能适 用。可得到： h ( a 1 = 5 t g o 一9c l o s o - 式( 2 4 ) ，嚣趣# 。2 。 ：1 2 米s ； 囊口自o j = 6 4 4 米。 因此本系统中取藤球拨射初速度可以满足需襄，因为本系统的瞄准与发射系统设 计为蘧动掇擒，不篱要计黧准确静0 角度，因此它的其体角度不菇求出。 另外，发射遮度的及能量的掇供是采用拉簧辩乏实现的，根据根据能量守衡原理： 搬v 2 = 妇2 毒瓯选取合懑豹弹簧给蔟球怒供戆量，繇褪逮度戆保持在1 5 m s ，凝钵 计算不另袋叙。 北豪艘电夫学娥 。掰f 究生论叟2 0 0 4 篮框 ，、 ，。” t p- 球的发 发射 射轨迹 遘发y 。 c 2 3 2 瞄准方案设计 淑光 圈2 9 手动机器人瞄准分析 比赛中篮框的高度是定的，外圈篮框高h 为1 5 米，内圈的h 为2 米，场地中 ，拳豹鳌框褰h 巍3 寒。蟊翻2 - 9 掰示，取内滔鏊据为研究对象，手凌辊器入楚于琵赛 场地的手动机器人区，设窀距篮梃的水平距离为，。四杆机构的机架长度为a ，相对 于茧囊亵，缀小，连抒b 耀对手裹发h 遣攘夺，困魏球的发麓熹与熬框豹承乎距离，+ a 可以认为等于，与篮框的垂直距离h b s i n 臼可以认为等于h 。 出图聪以褥到： h = l t g 口 w c o s 疗= f v s i n o - g t 2 = h 由上两式得到： 2 i _ 6 0 i 、。h 。0 s g a 8 ，2 一磊落a 落旁+ 蠢= 0 式( 2 - 5 ) 式( 2 - 6 ) 式中：v 为球触发射速度1 5 米，秒，h 楚篮框裹度为2 米。 由于手动视器入活动范围要在赢径为8 米的圆圈之外，所以它的取值为2 7 米， 即2 h t g c t g7 ，可得至0 1 6 蔓搿4 5 。 4 1 1 t 4 l f 2 0 0 4北尿雕乜人学坝，( 生论文 根据按照期望函数设计四杆机构的方法陋2 9 1 ，以口为插值函数变量的公式为： 口，= ( 口。+ 口o ) 2 一( 口。，一口o ) c o s 1 8 0 ( 2 i 一1 ) ( 2 m ) 2式( 2 9 ) 式中i _ l 、2 、m ：m 为插值结点总数，可得到： 口，2 ( 4 5 + 1 6 ) 2 一( 4 5 1 6 ) c o s 1 8 0 ( 2 + 1 - 1 ) ( 2 + 3 ) 2 = 1 7 9 4 3 口2 2 3 0 5 口，2 4 3 0 5 7 由上式可以得到关于口的0 函数值： 岛2 0 ( f z o = 4 5 ) = a r c t a n l 1 6 2 4 9 2 3 6 3 ，鼠d 5 l = a r c a n 2 1 3 4 ( 舍去) 酿，2 0 ( a 。= 1 6 ) = a r c t a n o 3 1 6 3 = 1 7 5 5 ，o ( a ：1 6 ) = a r c t a n 6 1 1 ( 舍去) o i 2 0 ( a l = 1 7 9 4 3 ) 。a r c t a n o 4 9 3 7 = 2 6 2 7 ，o i = 口( 口= 1 7 9 4 3 ) = a r c a n 6 8 6 ( 舍去) 0 2 2 0 ( a 2 = 3 0 5 ) 。a r c a n o 7 0 1 3 = 3 5 0 4 2 ，0 2 = 8 ( a 2 = 3 0 5 ) = a r c t a n l 2 4 8 ( 舍去) 0 3 2 口( 口3 = 4 3 0 5 7 ) 2a r c t a n l 0 3 6 9 = 4 6 0 4 ，b = 口( 口3 = 4 3 0 5 7 ) = a r c a n l 9 8 3 ( - 舍- z ) 取初始值口0 = 0 、0 0 = 0 ，将各结点的坐标值，即三组对应角位移( 口。，0 1 ) ，( 口， 0 ：) ，( 吼，b ) 以及初始值代入公式： c o s ( o , ，+ a t o ) = p 。c o s ( 0 3 ，+ 吼) + p lc o s ( o ，+ 吼一日i ，一o r o ) + p 2式( 2 1 0 ) 其中p o = 行，p i = - n l ，p 2 = ( ，+ 胛3 + 1 一m ：) ( 2 ，) ：脚= 6 “， = f d ，= d d 由此可得到一方程绢： c o s l 7 9 4 3 = p o c o s 2 6 2 7 + p l c o s ( 2 6 2 7 - 1 7 9 4 3 ) + p 2 c o s 3 0 5 = p o c o s 3 5 0 4 2 + p l c o s ( 3 5 0 4 2 3 0 5 1 + p 2 c o s 4 3 0 5 7 = p o c o s 4 6 0 4 + p l c o s ( 4 6 0 4 - 4 3 0 5 7 ) + p 2 解之可得到： p 0 2 1 0 3 3 5 2 8 ： p 1 一i 2 3 3 7 5 5 ： p 2 2 1 2 4 5 3 2 9 5 式( 2 - 1 1 ) 式( 2 1 2 ) 式( 2 - 1 3 ) j 意郝电大学鹾 铡巍生讫史：4 可得到1 = 08 1 0 5 3 3 ，n = 1 0 3 3 5 2 8 ，m = 1 0 4 0 6 4 7 7 求出撬橡各稳件懿绝瓣长痘兔： a = 1 ，b = 1 0 7 5 5 3 8 ，c = 1 0 3 3 5 2 8 ，d = 0 8 3 7 7 0 9 下嚣梭验投掇诗冀掰设诗兹嚣释辊攘实褒缀柒与鬻麓这数豹运算缓莱兹壤差 a 0 。根据凶杆机构运算公式有： 毒二忠搿i + 。：+ 蠢= + 2 c d c o s ( g t + g 。) 一2 a d c o s ( o + 0 0 ) - 2 a c e o s ( o + 0 0 ) 缸# 搿n ) 】 戏( 2 1 4 ) 令a = s i n ( 0 + 只) ) ，b = c o s ( o + q ，) 一d a ， c = 辞。+ f ! + d ：一b 二) ( 2 a c ) 一d c o s ( o + 绣) l c 解上式( 2 1 4 ) 得到： 搿= 2 a r c t a n ( 爿j 了j _ i 可) ( b + c ) 卜o o 将0 = 3 0 。代入上式( 2 - 1 5 ) 褥翊窃= 2 5 2 2 8 而将0 = 3 0 。代入期望涵数得到口= 2 4 3 8 7 ，可得到： 矗g 司8 5 假设站在最远的地方投射，1 = 7 米，袋得, 5 7 = 0 1 2 4 7 米篮椴半径0 2 2 5 米满足 耍袋，嚣耱隧准辍擒援构各掏转熬缝慰长痰分裂梵：a = l ，b = l 。0 7 5 5 3 8 ，c = 1 0 3 3 5 2 8 ， d = 0 8 3 7 7 0 9 。 一般来说，在设诗疆拇极鞫熬过程孛，采爱捶缓遥远法糖羧结点势其余套处都孝 在偏差，而在结点附近的偏差值是很小的。因为夜本校验计算中取口= 3 0 。是离绐点 鞍远数点，它的镳差基本上可以 弋裳枫构的最大误差，掰以其余不是校验。 2 4 自动机器人的整体维构方案 一个完整的机器入系统，应该由以下蹶个相互作用的郝分组成：机械系统、环境、 任务和控制器，其结构的简化形式如图2 1 0 所示。 北京邮啦大学倒11 ：“1 1 究生论文2 0 ( 1 4 外传感信息 图2 - 1 0机器人系统的基本结构 其中，机器人的机械系统是指具有传动执行装置的机械，传统的机器人都是具有 几个自由度的关节式机械结构，通常是由手臂、手腕、手爪和行走机构等组成一个互 相连接和互相依赖的运动机构。机械结构的布局、类型、传动方法和驱动方式直接影 响机器人的性能【i 。 下面将给出本次比赛的机器人设计方案及其结构设计。 24 1 研究目标、研究内容及解决的关键问题 在介绍该机器人的整体结构之前，有必要先了解它在整套c c t v 机器人大赛中 扮演的角色、所要完成的任务及设计中需要考虑和解决的关键问题。 机器人系统所要完成的最基本的任务，即该系统的研究目标是：比赛开始后，该 机器人能够快速准确的跑到比赛场地的中心点，立即升高手臂进行定点投球，然后抱 死行走电机直到比赛结束，目的是抢在对方的机器人到达之前往场地中心篮筐投球， 然后将中心篮筐抱住防止对方投球，因为中心篮筐得分比重很大，所以该目标能否实 现直接关系到比赛的成败。 需要考虑和解决的关键问题有。 a ) 机器人尺寸不能超过5 0 0 m m 5 0 0 m m 2 0 0 0 m m b ) 质量：m l m s ； d ) 机器人应具有高度的机动性和灵活性，保持良好的运动性能。前进能走好直 线，急停或碰撞时不能翻车。 e ) 机器人应具有高可靠性，在强干扰下( 比如赛场强烈的光线照射，电机的电 火花及猛烈的对抗碰撞等) 不死机，不失控。 f ) 机器人应具有较高的可维护性，硬件的设计应保证便于安装测试和检修，软 她哀游电a 学簸土甜究生营义2 0 0 4 件应采用模块化结构设计，便于调试，纠错。 豫筵之终，辊器久应蒜有较鬈豹撬攘毒洼，保涯傻它森迸撵中不变形，电缆接舀 插头不能松动，零部件不能脱落，电源要得到保诚，同时还要兼顾经济性。 2 4 ，2 机器人的机械结构 如图所示：图2 - 3