“探索者”机械创新训练手册(部分).doc

机械创新套件训练手册机器时代（北京）科技有限公司北京中国目录第一篇 机械设计1第一章 模块图示1第二章 基础实验2实验一 机器人机构创新设计基础（一）2实验二 机器人机构创新设计基础（二）8实验三 机器人机构创新设计基础（三）14第三章 机械试验16实验四 机构认知与分析实验16实验五 机构运动简图测绘实验19实验六 基于机构组成原理的机构仿真设计实验22第二篇 电子设计25第四章 基础实验25实验七 安装编程环境25实验八 第一个ARM软件26实验九 烧写程序27第五章 ARM主控板端口列表28第六章 库函数28第七章 电子试验29第三篇 课程设计30题目一 典型八足30题目二 四自由度机械臂31附录 注意事项32 训练手册第一篇 机械设计第一章 模块图示探索者机器人创意组件采用模块化组装方案，我们把探索者的所有机构总结成13种功能模块，这13种模块分别执行驱动、传动等不同功能。功能相同或不同的模块通过搭配组合，可以搭建出千变万化的机器人机构。转动模块橡胶轮模块关节模块摆动模块半球模块球片轮模块支架轮模块腿模块齿轴模块履带模块从动支杆模块四足连杆模块双足腿模块第二章 基础实验实验一 机器人机构创新设计基础（一）一、实验目的及实验应用 1加深学生对机构组成理论的认识，熟悉模块概念，为机构创新设计奠定良好的基础； 2利用探索者提供的零件，拼接转动模块、橡胶轮模块、支架轮模块、履带模块、球片轮模块（选作）、半球模块（选作），以培养学生机构运动创新设计意识及综合设计的能力； 3训练学生的工程实践动手能力； 4可用作基于机构组成原理的拼接设计实验；基于创新设计原理的机构拼接设计实验；课程设计、毕业设计中的机构系统方案的拼接实验；课外活动（如机械设计大赛）中的机构方案拼接实验。二、实验原理 机器人的模块化是机器人学科研究的前沿性课题，通过设计和组合不同的模块可完成不同的机器人功能需要。三、实验方法与步骤模块1：拼接转动模块零件：圆周舵机（M02）、马达支架（J26）、输出头（A05）等图2-1转动模块模块2：拼接橡胶轮模块零件：小轮（J25）、轮胎（P05）、螺柱等图2-2 橡胶轮模块模块3：拼接支架轮模块零件：小轮（J25）、轮支架(J15)、螺柱等图2-3支架轮模块模块4：拼接球片轮模块（选作）零件：小轮（J25）、球支架片（J29）、螺柱等图2-4 球片轮模块模块5：拼接半球模块（选作）零件：大轮（J07）、小轮（J25）、球支架片（J29）、31度球片（J27）、72度球片（J28）、螺柱等图2-5 半球模块模块6：拼接履带模块零件：小轮（J25）、履带（P04）、螺柱等图2-6 履带模块模块连接1：轮类模块与转动模块的连接模块：任意轮类模块、转动模块图2-7 轮类模块与转动模块的连接模块连接2：轮类模块与机架的连接模块：任意轮类模块零件：711孔平板（J04）、20mm机械手（J11）、输出支架（J17）、15.4mm轴套（T02）等图2-8 轮类模块与机架的连接模块应用1：拼接履带小车模块：转动模块、履带模块零件：711孔平板（J04）、20mm机械手（J11）、输出支架（J17）、15.4mm轴套（T02）等1、 将两个履带模块分别连上转动模块和平板机架，组成履带小车。2、 利用ARM7主控板、手柄控制机构运动。3、录制一段程序、分别利用声控传感器和近红外传感器触发。图2-9 履带小车机构实验二 机器人机构创新设计基础（二）一、实验目的及实验应用 1加深学生对机构组成理论的认识，熟悉模块概念，为机构创新设计奠定良好的基础； 2利用探索者提供的零件，拼接齿轴模块、腿模块、四足连杆模块、双足腿模块、从动支杆模块，以培养学生机构运动创新设计意识及综合设计的能力； 3训练学生的工程实践动手能力； 4可用作基于机构组成原理的拼接设计实验；基于创新设计原理的机构拼接设计实验；课程设计、毕业设计中的机构系统方案的拼接实验；课外活动（如机械设计大赛）中的机构方案拼接实验。二、实验原理 机器人的模块化是机器人学科研究的前沿性课题，通过组合不同的模块可完成不同的机器人功能需要。三、实验方法与步骤模块7：拼接齿轴模块零件：30齿齿轮（A04）、传动轴（J06）此处没有被传动轴穿过的齿轮一般用于连接舵机输出头，而被传动轴穿过的齿轮往往需要借助轴套、螺母或大垫片进行固定。图2-10 齿轴模块的拼接模块8：拼接腿模块零件：双足小腿（J22），双足大腿（J18）、5mm偏心轮（A02）、大垫片（J09）每条腿上的5mm偏心轮被两侧的大垫片固定在双足小腿和双足大腿围成的方孔之中，形成一个滑块机构。图2-11 腿模块的拼接模块9：拼接四足连杆模块零件：四足连杆（J24）、偏心轮3mm（A01）图2-12 四足连杆模块模块10：拼接双足腿模块零件：双足腿（J21）、偏心轮3mm（A01）、输出支架（J17）、2.7mm轴套（T03） 其中，双足腿顶部圆孔孔径为4.1mm，厚度为2.5mm，可将长度为2.7mm的轴套置于其中，再由螺丝穿过。由于输出支架用作与机架固定，于是便形成一个转动副，双足腿作为连杆，相对机架转动。图2-13双足腿模块模块11：拼接从动支杆模块零件：双足支杆（J20）、90度支架（J05）、轴套2.7mm（T03）等将90度支架一端通过螺丝与套管与双足支杆中侧部大孔连接，其中，双足支杆中侧部圆孔孔径为4.1mm，厚度为2.5mm，可将长度为2.7mm的轴套置于其中，再由螺丝穿过。由于90度支架用作与机架固定，于是便形成一个转动副，双足支杆作为连杆，相对支架转动。图2-14 从动支杆模块模块连接3：齿轴模块与偏心轮类模块的连接模块：齿轴模块、双足腿模块零件：大垫片（J09）等在穿过外侧大垫片之前，将结构件方孔部分套在偏心轮上，然后使传动轴穿过外侧大垫片，以保护偏心轮，再以螺母固定。若传动轴两侧都要安装偏心轮类机构，注意保持两个偏心轮相位相反。在某些机构中，偏心轮也可以直接锁在舵机输出头上。图2-15 齿轴模块与偏心轮类模块的连接模块连接4：偏心轮类模块的同类连接模块：双足腿模块、四足连杆模块通常为了防止磨损，可以用5mm偏心轮（A02）代替两个3mm偏心轮（A01）的叠加。图2-16偏心轮类模块的同类连接模块连接5：偏心轮类模块与杆类模块的连接模块：从动支杆模块、四足连杆模块零件：5.3mm轴套（T04）、57孔平板（J03）、螺柱等图2-17 偏心轮类模块与杆类模块的连接模块应用2：拼接典型四足机构模块：转动模块、齿轴模块、双足腿模块、四足连杆模块、从动支杆模块零件：57孔平板（J03）、35双折面板（J02）、螺柱等图2-18 典型四足机构将步骤六、七、八结合起来就可以拼接出典型四足机构。拼接完成后利用主控板和手柄控制其运动，观察传动轴两端连杆步态。思考：能否用两个转动模块代替转动模块与齿轴模块的组合？模块应用3：拼接典型六足机构模块：转动模块、双足腿模块、四足连杆模块、从动支杆模块零件：57孔平板（J03）、35双折面板（J02）等图2-19 典型六足机构拼接完成后利用主控板和手柄控制其运动，观察传动轴两端连杆步态。由于这个机构的传动部分是三个偏心轮模块的叠加，因此最外侧的四足连杆模块和从动支杆模块结合时，会有一个壁厚（2.5mm）的差距，因此要用一个小垫片（J08）补偿这个差距，在组装时要特别注意。模块连接6：齿轴模块与无方孔结构件的拼接（马达后输出头的妙用）模块：齿轴模块、任意轮模块零件：马达后盖输出头（A03）等图2-20马达后盖输出头的妙用实验三 机器人机构创新设计基础（三）一、实验目的及实验应用 1加深学生对机构组成理论的认识，熟悉模块概念，为机构创新设计奠定良好的基础； 2利用探索者提供的零件，拼接摆动模块、关节模块，以培养学生机构运动创新设计意识及综合设计的能力； 3训练学生的工程实践动手能力； 4可用作基于机构组成原理的拼接设计实验；基于创新设计原理的机构拼接设计实验；课程设计、毕业设计中的机构系统方案的拼接实验；课外活动（如机械设计大赛）中的机构方案拼接实验。二、实验原理 机器人的模块化是机器人学科研究的前沿性课题，通过组合不同的模块可完成不同的机器人功能需要。三、实验方法与步骤模块12：拼接摆动模块零件：标准舵机（M01）、马达支架（J26）、输出头（A05）等图2-21摆动模块的拼接模块13：拼接关节模块零件：标准舵机（M01）、马达支架（J26）、输出头（A05）、马达后盖输出头（A03）、舵机双折弯（J10）等关节模块是使用较多的一种模块，机构设计时思路比较直观，可以直接为机器人增加更多的自由度。可扩展出机械臂、多自由度足型、多足型、蛇形、人形等机器人。缺点是对舵机性能要求比较高，机构缺少优化。图2-22关节模块的拼接模块应用4：拼接3自由度机械蛇节模块：关节模块零件：10mm滑轨（J01）、螺柱等图2-23 3自由度机械蛇节第三章 机械试验实验四 机构认知与分析实验一、实验目的通过双足机构的组装和观察学习，了解连杆、凸轮、齿轮等机构的组合方式分析其运动变换功能，了解其运动特点和实际应用；加深同学们对常见各类机构的基本类型和用途的理解。 二、实验原理图3-1 扭脚双足运动原理图三、实验内容 按照图示组装扭脚双足机器人机构，观察双足机器人的动作特点和传动方式，印证理论教学中对机构的组成、平面连杆机构的类型及应用、齿轮机构、凸轮机构等章节学习，通过对实物运动的了解，进一步加深对常用机构原理的理解。四、实验步骤1按照组装图对机器人进行组装，初步了解连接件的连接方式，及各个模块之间的相互关系。图3-2 扭脚双足机器人组装图2开启电源，使用手柄对机器人简单控制，了解机器人的基本控制原理，及运动方式。3仔细观察双足机器人的动作演示，在图纸上指出，齿轮机构、凸轮机构等分别所在的位置。并用箭头标出其运动轨迹的方向。图3-3 扭脚双足结构图实验五 机构运动简图测绘实验一、实验目的 “一切科学的抽象都更深刻，更正确、更完全地反映着自然”绘制机构运动简图的目的在于把实际机构加以科学的抽象。从原理方面表达机构的组成和运动性质，以便进行机构的分析和设计。它是了解、分析现有机械的手段，也是新机械运动方案设计的工具。通过实验就要初步掌握从实际机械测绘为简图的方法，机构自由度计算及结构分析方法；掌握机械系统工作循环图的绘制方法。提高科学抽象的能力。二、实验内容1将上节组装的扭脚双足机器人，腿部加上外观件。2绘制扭脚双足机器人单边腿的机构简图，并计算机构自由度。3验证机构具有确定运动的条件。图 3-4 加外观件扭脚双足结构图三、测绘原理和方法 1原理由于机构的运动只和运动的种类和它们间的相对位置有关，而和机构的结构形状无关，因此可撇开与运动分析无关的因素运用简单线条表示构件，用副的符号表示副的种类，用尺寸标出副的相对位置以此表达机构的运动性质。 图3-5运动副种类及图示2方法（1）使被测的机构缓慢的运动，从起始构件开始，仔细观察机构各部分间的相对运动， 从而辩清： a、机构的构件数目（注意区别构件与另件） b、运动副的数目，再根据成副两构件间的接触情况和相对运动性质确定各运动副的种类。 c、对于机器还应辩清机种构组成，观察时应仔细，在计算机构件数目和运动副数目时，要特别注意那些是复合铰链、虚约束、多自由度。（2）机构的组成了解清楚后，可以从起始件开始，按照运动的传递顺序用副的代表符号和简单线条徒手画出机构简图的草图。用1、2、3分别标注各构件，用字母A、B、C分别标注各运动副。（3）计算机构的活动度，验证机构具有确定运动的条件。（4）仔细测量和机构运动有关的尺寸，如回转副中心之间的距离，转动副中心与移动副中心线间的垂直距离等。（5）任意假定原动构件的一个瞬时位置，按比例将草图画成正规的机构运动简图。实际长度(米) 比例尺= 图示长度(毫米)比例尺的选定：式中：比例尺（单位：m/mm） 构件的实际长度（单位：m） 图纸上表示构件的长度（单位：mm）四、思考题 1. 机构简图在工程上有何用处？ 2. 正确的机构简图应符合什么条件？画机构简图应注意那些问题？ 3. 计算机构活动度对测绘机构简图有何帮助？4. 画机构简图时为什么可以撇开构件的结构形状，而用构件两回转副中心的连线表示构件？实验六 基于机构组成原理的机构仿真设计实验一、实验目的及实验应用1.加强学生对机构组成原理的认识，进一步了解机构组成及其运动特性，为机构创新设计奠定良好的基础。2.增强学生对机构的感性认识，培养学生的工程实践及计算机操作能力；了解进行机构仿真设计时应注意的事项；完成从运动简图设计到实际结构设计的过渡。3.培养学生创新意识及综合设计的能力。二、实验原理1双轮机构支撑物图3-6 双轮机构原理图2扭脚双足机构图3-7 扭脚双足机构原理图3典型四足机构图3-8 典型四足机构原理图4垂直双马达四足机构图3-9 垂直双马达四足机构原理图545双舵机四足机构图图3-10 双舵机 45四足机构原理图三、实验内容1从实验原理中任选一种机构运动方案作为拼接实验内容。2分析选定的机构的运动方式，掌握实验原理，拟定机构运动方案。 3利用IGS文件，将拟定的机构运动方案根据机构组成原理在计算机上进行仿真设计。4得到合理可行的机构运动3D模型，并记录由实验得到的机构运动学尺寸。第二篇 电子设计第四章 基础实验实验七 安装编程环境（以下内容略）实验八 第一个ARM软件（以下内容略）实验九 烧写程序（以下内容略）第五章 ARM主控板端口列表（以下内容略）第六章 库函数（以下内容略）第七章 电子试验（以下内容略）第三篇 课程设计题目一 典型八足要求：1. 机构实体组装2. 利用手柄录制控制程序3. 能前进、后退、转弯，至少使用两个传感器。4. 需要进行机构仿真设计。图6-1 典型八足概念图题目二 四自由度机械臂要求：1. 机构实体组装2. 利用手柄录制控制程序3. 能够完成转动，抓取等动作。4. 利用RRS软件刷写控制程序5. 利用C语言编译器刷写控制程序（选作）图6-2 四自由度机械臂概念图附录 注意事项为保证使用安全，延长元件使用寿命，避免不必要的损失，降低组装难度，建议用户每次使用“探索者”创意组件之前，注意以下事项：1、数据线的选择与连接方法（1） 舵机的数据线与舵机是一体的，将舵机与主控板连接时，应遵照以下规则：将主控板的输出接口一侧置于面前，将舵机数据线插口上带金属一侧朝向右手方向，插在任意一组输出端口靠外侧的三根针上。（2）传感器为输入模块，应选择4芯防反插输入数据线，接入主控板任意输入端口。 （3）语音模块和LED模块为输出模块，应选择4芯输出数据线，将数据线插口上带金属一侧朝向右手方向，插在主控板7号或8号输出端口上。（4）红外接收头应选3芯防反插输入数据线，接入主控板红外接收端口。2、标准舵机的校准 将标准舵机接入主控板16号输出端口中的一个，并接上红外接收头。启动主控板和手柄，调整至相同通道。推动该输出端口对应的摇杆，电机转动45度，松开摇杆后舵机反转一定角度后停止。舵机的初始角度位置校准完毕。3、 圆周舵机的校准将圆周舵机接入主控板16号输出端口中的一个，并接上红外接收头。打开主控板和手柄的电源，调整至相同通道。推动该输出端口对应的摇杆，舵机转动，松开摇杆后舵机立即停止转动，说明舵机处在初始位置，不需要校准。如松开摇杆后舵机没有立即停止转动，则应：1 按下手柄微调按钮，并推动摇杆，直到舵机停止转动。2 松开摇杆，然后松开微调按钮，此时8个输出端