大学生创新试验计划项目双足步行机器人机构.doc

资料收集于网络 如有侵权请联系网站 删除 谢谢 西安建筑科技大学“国家大学生创新性试验计划”项目结题报告书项目名称 双足竞步与舞蹈机器人创新实验研究项目负责人 李泽 项目负责人所在院（系） 机电工程学院 项目结题时间 项目组成员 刘交凤 赵超锋 毋英凯 赵文博 指导教师 贺利乐 创新工程办公室制年 月 日填表说明一、 报告书填写内容必须与事实相符，表述准确；二、报告书中“项目结题报告”文字不少于2千字；报告内容必须包括以下基本内容：1、项目组成员分工、参与完成情况2、项目立项与研究的目的、意义3、项目研究的基本内容4、项目研究过程与方法（包含研究方法、研究过程、资料与数据来源等方面的简介）5、项目成果及价值（意义）6、项目成果的特色与创新7、项目研究工作的自我评价分析与结论8、项目研究存在的问题、建议（可根据具体情况作部分变动和加页）三、 要求用计算机打印，纸张为A4大小，正文字体使用五号字、宋体，文中小标题使用小四号，宋体，加黑。一、项目组成员分工及完成情况序号学生姓名主要负责内容完成情况考核1李泽绘图、计算机仿真良好2刘交凤舞蹈机器人电路设计及焊接良好3赵超锋双足机器人电路设计与焊接良好4毋英凯双足机器人程序编写与调试良好5赵文博绘图及舞蹈机器人程序编写良好二、项目立项与研究的目的、意义中国机器人大赛暨RoboCup公开赛有来自全国162所高校的近千支队伍将进行包括Robocup足球机器人比赛、Robocup救援组比赛和空中、水中及舞蹈机器人比赛等12个大类共89个比赛项目，是中国目前最具影响力，最权威的机器人技术大赛，基本覆盖了中国现有最高级别的机器人专家和众多知名机器人学者，是当今中国机器人尖端技术产业竞赛和人才汇集的活动之一，涉及电子信息、通讯网络、装备制造、人工智能等前沿技术领域。自1999年起，中国机器人大赛已在北京、上海、广州等地成功举办了十一届。项目基于全国机器人大赛暨Robocop公开赛立项，旨在解决在实际比赛中遇到的问题，例如，如何将双足竞步机器人在快速行走的情况下保证其稳定性，如何使舞蹈机器人更具观赏性。依靠教育部资助资金，通过软件的仿真分析，将理论分析与实践相结合，综合对比各个方案的优缺点，将最优的方案进行进一步拓展研究。通过程序调节配合结构设计提高双足步行机器人的稳定性缩短行走时间。舞蹈机器人则是通过设计拉杆式编程器，使得设计复杂更复杂的动作更加便利直观，提高了舞蹈机器人的观赏性与技术难度，为今后比赛奠定了技术基础。通过解决这些问题来提升比赛竞争力，使得在日后的比赛中能够取得优异的成绩，同时也锻炼了学生自主研究，自主设计，发现及解决问题的相关能力。并且为相关领域提供一定价值的参考依据。三、项目研究的基本内容（1）总结以往经验对利用思维导图对双足机器人进行行走因素分析通过多次参加全国机器人大赛暨Robocop公开赛双足机器人的比赛观察得到在保证机器人行走稳定的前提下，各个参赛队伍制作的机器人结构各异，但根据腿部长短大致可分为两大类，其一，大腿长小腿短即大腿舵机相对固定小腿。其二，大腿短小腿长，即小腿舵机相对固定。在进行腿部长短比较之后，我们提出了一种新的试验方案，即将腿部固定部分改为可调节形式。（2） 经过粗略分析后，就其中具有较大影响的因素进行理论验证与软件仿真经过综合比对，经我们发现，在舵机转速相同的情况下腿部的长短对稳定性的影响是十分剧烈的，直接关系到惯性力的大小，通过软件对其行走状态的仿真，得出运动轨迹和质心运动曲线。（3） 选择最优方案，对其进行进一步实验研究，并作出实物通过比较大腿固定式与小腿固定式的优缺点，我们最终采用小腿固定式进行结构制作，并且基于提高速度与稳定性的考虑，我们将大腿进行改进，改成可调节式伸缩结构，三维爆炸图与模型图如上所示，通过这样的结构设计可以配合程序调节速度与步幅。使得程序调节具有较高的灵活性。（4） 针对观赏性特点对舞蹈机器人进行分析并自主研究舞蹈机器人的观赏新分为两个部分，第一，外形观赏性，跟比赛经验外形制作的精巧程度对整个作品的影响是很大的，包括穿着的服饰、道具、背景等附加因素，因此针对这个特点配合我们所选择的歌曲设计出了如上图的花瓣机器人，因为结构件是纯手工剪裁制成所以比较看似比较单薄，但是不影响机器人完成预定动作。第二，动作观赏性，机器人的动作复杂程度也是影响比分的主要因素之一，因此我们在为了保证机器人稳定性的情况下，尽量加大了机器人动作的难度，即随着滑板的绕行，机器人可以进行模拟人类的挥手、转身、屈膝、左右滑行、单腿站立、单腿旋转、后仰等一系列动作。（5） 设计并焊接控制电路，编排舞蹈动作如图为焊接所需的PCB电路图，项目其中电路板均为手工焊接，不仅锻炼了动手能力，同时将所学理论与实践有效的结合在一起。基于单片机的舵机转角控制：单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：1）产生基本的PWM周期信号，本设计是产生0.5-2.5ms的正脉冲。2) 脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。（6） 编写VB拉杆编程控制器1)在机器人学习和制作过程中编写程序仍然是一项繁琐耗时的工作。虽然现在好多公司都开发了各种智能的编程软件，但大多数都是针对自己公司产品的专用机器人编程软件，这就给我们自己制作机器人带来一定的困难，故设计此多自由度机器人在线编程软件,如下图。2)通信接口硬件的实现电脑串口采用RS-232通信标准，RS-232标准中规定信号大小在正、负315v之间。而单片机的串口则是TTL电平，如果我们采用5V的单片机，那么TTL电源工作电压是5V，信号大小在05v之间。两者在电气特性上完全不同，因此，要互连的话，必须做电平转换。这里我们选用专门为电脑RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232。如图6电路图，其中TXD、RXD接单片机串口，RS232接电脑串口，VCC接5V电源正极。此编程器不受机器人结构形式的限制，整个软件不到50KB，使用方便、简洁，可控制不大于20自由度的任意舵机控制的机器人。编程人员不需要每次都将程序下载到控制电路板，然后再观察机器人的动作，只要拖动拉杆就可直接看到机器人的运动情况。有效地减少了编程的繁琐性和重复调试的时间。 4、 项目研究过程与方法（包含研究方法、研究过程、资料与数据来源等）一、明确比赛要求规则：交叉足印竞步机器人： 结构只有双足、并只能以走路的方式来移动，机器人要分清楚正面及背面，以箭头方向作为。正面，是自主式脱线控制，用不多于6只伺服马达和一个伺服马达控制板来完成，机器人最大尺寸为200mm（长）X 200mm（宽）X 300mm（高），重量不超过1Kg。机器人头部要能放入(长)200mm X (宽)100mm长方格内。 机器人由与脚底板上部的舵机控制机器人关节的前后摆动来实现前进，与脚底板相连的舵机平放在脚底板上，舵机的扭力输出轴与前进方向垂直。 舞蹈机器人： 舞蹈场地是1.6m1.8m的平坦区域，场地为绿色薄地毯，地毯厚为2mm-3mm，地毯下为平整硬质木板，周围有5cm高围墙，舞蹈机器人必须在该范围内运动，具体材质以实际场地为准。机器人构造不限，机器人比赛过程中不能损坏场地。所有参赛队伍在比赛上场前必须上交机器人规格说明（包括书面和电子版），否则不能参加比赛，评委有权对其内容进行相关问题的提问。单个机器人重量不得超过4公斤，体积小于70厘米X70厘米X70厘米(包括手臂展开)。自主设计服饰，材料不限。机器人舞蹈动作必须是完全自主的，开机启动可用遥控等方式，表演开始后可以撤景，但不能与机器人接触或即将相连的东西发生接触，否则严重扣分。 二、双足竞步机器人及舞蹈机器人研究过程：（一）双足竞步机器人部分：（1） 利用思维导图参照以往比赛经验分析运动过程，找出问题关键，进行细分。（2） 利用Solidworks进行三维实体建模，对分析结果进行模型比较，使其比较直观好进行下一步的理论分析。（3） 利用Solidworks里面的motion模块进行运动轨迹和质心的仿真分析，经过数据的对比得到两种不同的结果，结果图详见目研究的基本内容中第二部分。通过仿真，我们得出以下结论：在同样的舵机转速和相同的机器人步态下，相较小腿固定式，大腿固定式具有以下几个优点：1、运动更加缓和稳定性较好2、沿前进方向质心运动波动较小，惯性力较小不易前倾3、通过生成左脚沿前进方向的质心位置，其步伐明显大过小腿固定式4、可以不用在脚底板加配重来防止倾翻。根据人体运动学的人体测量可知中我国成年人主要尺寸一表发现大腿的长度平均要长于小腿80mm左右3，进而更验证了仿真结果的合理性。此方法对研究机器人的平稳行走具有一定的参考价值和指导意义。（二）舞蹈机器人部分：（1）对舞蹈机器人进行调研：本项目组编写了500份调查问卷，发放到机器人协会，让协会成员提出宝贵意见，最终确定两种类型机器人进行舞蹈机器人项目的比赛，第一种为类人型机器人如上文所示，第二种为仿生机器人，即对现存世界的生物进行仿生，模仿它们的生理特征与运动状态，我们选择了人类最终是的朋友狗，作为仿生对象。（2）利用Solidworks对机器人进行三维建模Solidworks采用自顶向下的设计方法创建对象，其中零件设计是核心，特征设计是关键，草图设计是基础。建模基本思路：1、首先绘制二维轮廓或者横截面2、对草图进行拉伸、旋转、放样、沿某一路径扫描等操作后即生成特征3、对各个零件添加约束进行装配4、由装配体导出工程图3、 双足竞步机器人及舞蹈机器人制作调试过程（1） 双足竞步机器人部分：研读竞赛规则并且在网上搜索资料，根据三维模型实际测量进行二维图纸的导出，将图纸送至校外有机玻璃加工中心进行加工，部分结构件进行自加工，加工过程照片如图制作好机器人后照片如图所示：调试界面如图所示：双足竞步机器人的主程序摘录： void main(void) unsigned char i = 0; init_cpu(); fm100ms(2); initial_position(); /while(1); go_ahead_3(); fan_gendou(3,1); delay500ms(1); go_ahead_3(); fan_gendou(3,-1); delay500ms(1); go_ahead(); while(1);（二）舞蹈机器人部分： 查阅资料，学习机器人相关知识，在指导老师指导下，确定机器人参赛项目，制定制作计划，确定系统方案，电路板设计，机器人零件结构设计，根据所绘制的电路原理图及机械零件图，自行加工，机器人安装及调试。n.（潜水艇或潜水者的）通气管装配过程舞蹈机器人制作好后成果照片：机器狗编写舞蹈机器人程序：void main(void)init_cpu(); cpu初始化程序，用于设置舵机的初始位置值。initial_position( );舵机初始位置程序，使舵机回到所需的位置。以上总共有9个子程序，分别对应9个动作，其中go_0 ();为舵机位置修正程序，定时对舵机的位置进行修正，以保证后续动作能更好地完成 init_cpu(); initial_position( ); go_7 (); go_0 (); go_3 (); go_0 (); go_2 (); go_5 (); go_9 (); go_0 (); go_4 (); go_0 (); go_10 (); go_8 (); while(1);五、项目成果及意义项目成果：1、双足步行机器人在2011年全国机器人大赛暨Robocup公开赛中比赛成绩为46秒，获得双足竞步交叉足印二等奖，项目承诺达到时间为40秒左右。2、舞蹈机器人在2011年全国机器人大赛暨Robocup公开赛中机器狗获得无差别组一等奖3、完成两篇论文，第一篇基于Solidworks双足步行机器人运动质心分析第二篇基于VB的多自由度机器人在线编程软件的开发项目意义：通过研究双足步行机器人步态分析大量文献，研究双足稳定性的多为步行数据法、中枢模式发生器发、动力学模型法、被动动力学法、虚拟模型控制，本次研究结合三维软件仿真的自身特点并根据比赛经验提出用仿真来对比腿部结构的设计对步行稳定性的影响。为今后双足机器人研究提供一定的参考，用计算机进行仿真可节省相当一部分的材料，符合当今社会设计思路即采用虚拟样机技术来进行样机的试制。通过本次舞蹈机器人的研究，项目总结舞蹈机器人1.本软件使机器人的设计更加普遍化，提高了控制程序的通用性，方便了机器人生产商和其他设计者之间的技术交流。软件使设计过程更加清晰明了，减少了以往编程过程中繁冗的工作，缩短了新产品的开发周期，提高了开发效率，同时也提高了控制的准确性。软件提供的虚拟调试功能，有效地解决了部分新产品不方便进行实物调试的困难，减少了工作量，节约了开发成本。软件简单的界面也使想象中比较复杂的机器人设计制作更加容易理解和操作，能够激起机器人爱好者的兴趣，使更多的人投入到机器人设计工作中来，从而促进行业的发展。6、 项目成果的特色与创新通过本次双足竞步机器人研究，利用Solidworks对机器人进行建模及装配，直观的展现了结构设计的异同，进而简化模型motion模块下进行运动仿真，进而得出结论，根据仿真比对生成各个曲线，探讨哪一种安装方式更具有良好的稳定性。根据人体运动学的人体测量中我国成年人主要尺寸一表发现大腿的长度平均要长于小腿80mm左右，进而更验证了仿真结果的合理性。对研究机器人的平稳行走具有一定的参考价值和指导意义。本次研究还特别地提出一种设计思路即腿部可调节式设计，这样通过实验就可以得到腿部结构如何设计才能保证速度与稳定性的完美结合。设计爆炸图通过本次舞蹈机器人研究，编译的编程器不受机器人结构形式的限制，整个软件不到50KB，使用方便、简洁，可控制不大于20自由度的任意舵机控制的机器人。编程人员不需要每次都将程序下载到控制电路板，然后再