毕业论文-基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究

基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究摘要随着移动机器人技术研究的不断深入，机器人涉足的领域越来越广，需要完成的任务越来越精确复杂，运动的实时性和可靠性要求也越来越高。为适应这一发展，机器人竞技运动在世界各地蓬勃兴起，目前我国正掀起一股机器人竞赛的热潮。机器人擂台赛使得研究人员能够利用各种技术，获得更好的设计方案。本文通过对博创擂台机器人的研究，能够搭建出一个能够自动检测黑心和边缘的的擂台机器人，在检测红心和边缘的前提下，也能对敌方机器人进行攻击，在搭建的同时加深对控制系统驱动系统的了解，能够在现有的条件下完成预期的任务。其中对主控制器和外围模块进行设计，并对扩展性做了简要的介绍。本文还介绍了基于UG系统的设计，在设计过程中通过该软件进行机构运动分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。为擂台机器人提供一个可靠的平台，为机器人多种功能的实现提供便利，为今后机器人产业化提供了可能性。关键词：擂台机器人，结构设计I基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究AbstractWiththemobileroboticsresearchadvances,roboticfootmoreandmorefields,needtocompletethecomplextaskofgettingaccurate,real-timemovementandreliabilityrequirementsarealsoincreasing.Tomeetthisdevelopment,therobotsportsboomingaroundtheworld,ourcountryisastrongwaveofrobotcompetitions.RobotChallengeeventallowsresearcherstousevarioustechnologies,betterdesign.BasedontheBotswanaInnovation-Challengerobotcanbuildablackheart,andcanautomaticallydetecttheedgeoftheringrobot,inthedetectionofheartandedgeofthepremise,canalsoattacktheenemyrobotsinthestructuresofAtthesametimeenhancethecontrolsystemdrivetheunderstandingofexistingconditionscanbeexpectedtocompletethetask.Oneofthemaincontrollerandperipheralmodulestodesign,andscalabilityarebrieflyintroduced.ThisarticlealsodescribesthesystemdesignbasedonUGinthedesignprocessthroughthesoftwareKinematicanalysisandsimulation,increasedesignreliability.Challengerobottoprovideareliableplatformfortherobottofacilitatetherealizationofavarietyoffunctionsforfutureindustrialrobotprovidesthepossibility.Keywords:Challengerobot,structuraldesignII基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究目录第一章绪论.11.1国外工业机器人的的发展.11.2国内工业机器人的发展.31.3擂台机器人的发展概况.41.3.1擂台机器人的研究现状.51.3.2擂台机器人的发展展望.61.4本文的研究内容方案及步骤.71.4.1基本内容和问题包括.71.4.2总体的设计方案及步骤.7第二章总体设计方案.92.1竞赛目的.92.2竞赛内容概述.92.2.1比赛场地及规格说明.92.2.2比赛说明.102.3规则分析.112.4任务规划.112.4.1设计方式.112.4.2系统总体结构.122.5模块方案.122.5.1处理器模块.122.5.2传感器模块.13第三章系统硬件设计.153.1连接结构.153.2舵机.163.2.1舵机的结构.163.2.2舵机的规格和选型.173.2.3舵机控制原理.183.2.4CDS5500舵机.193.2.5通信方式.213.2.6通信协议概要.213.3传感器.23III基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究3.3.1灰度传感器.233.3.2红外接近传感器.233.3.3红外测距传感器.25第四章擂台机器人的结构设计.294.1标定灰度传感器.294.2标定红外测距传感器.304.3结构设计.314.3.1搭建框架.324.3.2安装驱动舵机和轮子.324.3.3设计机械手臂.344.3.4传感器的布置.344.4控制系统设计.374.4.1硬件系统设计MultiFLEX2-AVR控制卡.374.5擂台机器人搭建成果展示.384.6改进方案.384.7擂台机器人最终成果展示.39第五章系统软件设计.415.1主流程示意图.415.2底盘舵机驱动流程图.425.3测距流程图.435.4系统功能测试.44第六章总结456.1总结.456.2产品的创新于开发在UG中的体现.456.2.1UG软件主要功能模块简介.466.3技术分析报告.476.3.1技术可行性分析.496.3.2经济优越性分析.496.4展望.49参考文献50致谢51附录52声明54IV基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究第一章绪论机器人的最初出现是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物。当前，机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。是当代十分活跃的研究开发领域，它包括正在逐步深入的机器人学基础技术研究，也包扩对国民经济有着重要作用的机器人工程应用技术研究。1广泛的应用工业机器人,可以逐步改善劳动条件,更强与可控的生产能力,加快产品更新换代,提高生产效率和保证产品质量,消除枯燥无味的工作,节约劳动力,提供更安全的工作环境,降低工人的劳动强度,减少劳动风险,提高机床,减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存,提高企业竞争力。从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。机器人擂台赛涉及的研究领域也非常得多，需要创新的内容非常得多，所以不仅仅要求在这些领域内取得要取得巨大的突破，还要求在各个学科之间要进行交叉与集成。机器人擂台同时又提供了一个标准任务，使得研究人员能够利用各种技术，获得更好的解决方案，从而有反过来促进各个领域的发展。这也就是开展机器人擂台研究的深远意义，也是机器人研究的魅力所在。机器人擂台除了在科学研究方面具有深远的意义，它也是一个很好的教学平台。通过它可以使学生将理论与实践紧密地结合起来，提高学生的动手能力、创造能力、协作能力和综合能力。目前国家所提倡的素质教育中，能力培养是核心。1.1国外工业机器人的的发展美国是机器人的诞生地,早在1961年,美国的ConsolidedControlCorp和AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。经过40多年的发展,美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进,适应性也很强。早在二十世纪六十年代初，美国的Shigley（1960）和Baldwin（1966）都使用凸轮连杆机构设计出比轮式车或履带车更为机动的四足步行车15，但由于当时技术水平尤其是控制技术的限制，这些四足步行机的效率较底，而且对地面的适1基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究应性较差。如图1.1所示为美国人Mosher于1968年设计开发的四足步行车“walkingTruck”。准确地说，这是一个有操作人员驾驶的机器，并不是真正意义的四足步行机器人。该步行车的四个指令杆跟随驾驶员手臂和脚动作的液压随动系统，并安装在驾驶员手臂和脚上的位置传感器检测他的动作，液压伺服马达驱动四只脚做相同的动作，该机装有力反馈机构，虽然操作费力，但实现了爬越障碍，因而被视为现代步行机器发展史上的一个里程碑2。图1.1四足步行车walkingTruck如图1.2所示为世界上第一台四足步行机器人KUMO，它被制造于1976年，其特点是：能够实现在不平地面上稳定步行运动，能够越过地面上较小的障碍物而不接触；能够实现全方位的步行运动而不会出现打滑或者损坏地面的结构；该步行机器人能够成为一个稳定的工作平台，利用腿的自由度执行操作任务。图1.2四足步行车KUMO日本的ShigeoHIROSE研制了8代的TITAN系列四足步行机器人。在这8代的步行机器人中，以TITAN-III、TITAN-VII、TITAN-VIII三类机器人为主要突破点，其他的几种TITAN系列机器人均是在一定的基础进行的改进。TITAN-III的足端装有传感器和信号处理系统，足由形状记忆合金组成，可自动检测与地接2基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究触的状态。TITAN-VII可作为移动的平台在崎岖和陡峭的地方步行，能够实现避障的功能；同时步行腿也能作为操纵器使用，能够自主超过15度的斜坡，机器人可在导线的牵引下爬越70度的斜坡，在背负60公斤重物时，速度保持在177（mm/s），值得注意的是：TITAN-VII与TITAN-III机器人（图1.3所示）的腿部机构均是采用四杆机构的缩放步行机构，在应用中，在一方面表现良好，在另一方面却受到一定的限制。TITAN系列较新的四足步行机器人TITAN-VIII,它采用开环连杆机构作为其步行机构，具有较高的地面自适应能力,它的腿可作为有力的工作臂,用于探测地雷和进行排雷操作。图1.3TITAN-VII与TITAN-III机器人1.2国内工业机器人的发展我国工业机器人起步于20世纪70年代初期,经过30多年发展,大致经历了3个阶段:70年代萌芽期,80年代的开发期和90年代的应用化期。随着20世纪70年代世界科技快速发展,工业机器人的应用在世界掀起了一个高潮,在这种背景下,我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入20世纪80年代后,随着改革开放的不断深入,在高技术浪潮的冲击下,我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持“,七五”期间,国家投入资金,对工定机器人及零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发,研制出了喷漆,点焊,弧焊和搬运机器人。1986年,国家高技术研究发展计划开始实施,经过几年研究,取得了一大批科研成果,成功地研制出了一批特种机器人。从20世纪90年代初期起,我国的国民经济进入实现两个根本转变期,掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮,我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步,先后研制了点焊弧焊,装配,喷漆,切割,搬运,码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成了一批工业机器人产业化基地为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。但是与发达国家相比,我国工业机器人还有很大差距。目前,我国工业机器人公司主要有中国新3基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究松机器自动化股份有限公司。在国内，工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲。如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司，年利润增长迅速。但总的来看我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距3。1.3擂台机器人的发展概况机器人擂台赛涉及的研究领域也非常得多，需要创新的内容非常得多，所以不仅仅要求在这些领域内取得要取得巨大的突破，还要求在各个学科之间要进行交叉与集成。机器人擂台同时又提供了一个标准任务，使得研究人员能够利用各种技术，获得更好的解决方案，从而有反过来促进各个领域的发展。这也就是开展机器人擂台研究的深远意义，也是机器人足球研究的魅力所在。机器人擂台除了在科学研究方面具有深远的意义，它也是一个很好的教学平台。通过它可以使学生将理论与实践紧密地结合起来，提高学生的动手能力、创造能力、协作能力和综合能力。目前国家所提倡的素质教育中，能力培养是核心。机器人擂台大赛以科技含量高、学科跨度宽、参与面广和展示性强等特点在国际上有着很强的影响力。开展擂台机器人擂台研究和参与各项竞赛活动，旨在进一步加强未成年人思想道德教育，提高广大青少年的科学素养，发展自身潜能，引导更多的大中小学生关注科技、热爱科技、走进科技，涌现出更多的未来科学家和未来工程师。在积极推进基础教育和高等教育改革的过程中，渗透科学技术教育，努力培养大中小学学生的实践能力和创新精神，造就适应21世纪全球科技、经济发展需要的新一代。机器人具有认知能力、思维能力以及适应环境的能力。机器人一般由三大部分组成：运动部分、攻击能部分和感觉部分。运动部分，包括行走机构、驱动机构；智能部分，包括有认知能力、学习能力、思维能力和决策能力的装置；感觉部分，包括有视觉、触觉、接近觉的装置。机器人擂台大赛不但能吸引一大批电子信息产业制造商、销售商、金融投资机构和技术服务机构提供产品和服务，而且还促进了知名科研机构、高等院校与高科技企业的合作交流，共同发展。通过大赛期间举办学术研讨等活动，众多专家学者齐聚一堂，探讨我国自动化技术和信息技术的发展趋势，为推动产业发展出谋献策，领衔助跑。基于以上机器人背景介绍，通过博创科技公司出品的UP-InnoSTAR“创意之4基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究星”套件制作擂台机器人，通过创新模块构建出擂台机器人及传感器，并对通过程序对舵机的控制，执行任务。该组合具有工程性、创新性、设计性。1.3.1擂台机器人的研究现状当前，高校、研究机构、乃至企业，来自各方面的研究人员对智能机器人的研究进展已经处于一个由前沿探索转向产业化、实用化的关键时期。大量的玩具机器人（娱乐机器人）已经推向市场，并取得良好效益，例如wowweeinc推出的robosapien机器人，sony公司推出的aibo机械狗；多种服务机器人也已经在世界范围内销售数十万台，例如irobot公司推出的roommba自主扫地机器人；可携带武器在战场上替代士兵的军用地面移动机器人、自主移动车辆（类似agv）等广义的机器人已经在发达国家进入军队。机器人应用的发展已处于关键阶段。随着机器人技术的飞速发展，机器人竞技运动在世界各地蓬勃兴起，目前我国正掀起一股机器人竞赛的热潮。创新是我国大学生的精髓，参赛机器人都要从概念设计入手，经历设计，制作，调试，改进等过程最终选出最优方案参加比赛，通过此项赛事，大学生的创造热情得到充分发挥，创造思维和动手能力得到锻炼的培养。2002年6月6日在上海由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会举办的机器人擂台赛，包括了三部分内容：FIRA机器人足球比赛，ROBOCUP机器人足球比赛和“广茂达杯”第三届智能机器人大赛。其中“广茂达杯”机器人大赛包括机器人灭火比赛、足球赛、论文竞赛、创新项目展示竞赛和智能机器人项目现场竞赛五项内容，是目前国际上规模最大普及度最高的智能机器人竞赛之一。2008中国机器人大赛于12月5日到7日在广东中山举行机器人武术擂台赛首次进入大赛，通过小组赛，五强赛，以及冠亚军决赛终于决出中国历史上第一个冠军擂主太原理工大学工程训练中心队。国内一些大学也在研究四足步行机器人。如图1.4所示为上海交通大学所研制的二种四足步行机器人，（a）所示的四足步行机器人为采用平面四杆机构作为其步行机构，可以实现跨越障碍，沟槽，上下台阶及通过高低不平的地面有一定识别及步态调整能力；（b）所示的四足步行机器人采用开户环关节连杆机构作为步行机构,该四足步行机器人在足端被安装了压电薄膜式力传感器来实现机器人反馈控制，采用对角线动态步行。5基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究图1.4上海交通大学所研制的二种四足步行机器人清华大学机器人实验室研制的QW-1全方位四足步行机器人，如图1.5(a)所示，它采用平面四杆缩放机构作为其步行机构，在足端被安装压力传感器，能够实现全方位步行；图1.5(b)所示为清华大学所研制的另一种四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为其步行机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡、越障等功能。图1.5QW-1全方位四足步行机器人1.3.2擂台机器人的发展展望擂台机器人技术是传感技术、控制技术、信息处理技术、机械加工技术、电子技术、计算机技术等多门技术的结合。因此对于擂台机器人的发展也必然建立在这些技术的高速发展之上的。对于武术擂台机器人导航的研究应该从以下几个方面着手：(1)先进的传感技术：传感器相当于机器人的感觉器官，只有先进的传感器技术才能有效的采集环境信息，从而提高导航的效率和准确性。6基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究(2)提高控制系统：在以后的擂台机器人发展中，改进控制系统，使机器人行动等功能更加灵活。(3)完美的语言程序：作为机器人，程序相当于灵魂，一个完美的灵魂会使得擂台机器人有更加完美的表现。(4)高效的信息处理技术：信息处理主要是指对于传感器采集进来的信息进行处理，包括语音识别与理解技术，图像处理与模式识别技术等。由于目前移动机器人的导航大都采用基于视觉或有视觉参与的导航技术，因此计算机视觉和图像处理技术的水平对于移动机器人导航的发展将起到至关重要的作用。(5)多传感器的信息融合技术：多传感器的导航方式是移动机器人导航发展的必然趋势。这种多传感器的信息融合技术充分利用了多个传感器的资源，通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和利用，把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息根据一定的准则进行组合，从而获得对被测对象的一致性解释或描述，能够很好的提高导航精度。（6）无限的创意：科技是第一生产力，创意为科技的发展提供了灵感，擂台机器人的创新将使得他在更广泛的领域得到应用，为人类的机器人研究做出更多的贡献。1.4本文的研究内容方案及步骤本文主要研究的内容：基于最新的UP-InnoSTAR“创意之星”机器人套件为基础，通过创新模块构建出擂台机器人及传感器，并对通过程序对舵机的控制，执行任务。1.4.1基本内容机器人是一种自动化机器，具有感知、规划、动作和协同能力，是一种具有高度灵活的自动化机器。它是典型的光机电产品。基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究是通过创新模块构建出擂台机器人及传感器，并对通过程序对舵机的控制，执行任务。该组合具有工程性、创新性、设计性。要求设计组装成擂台机器人机械结构，并控制舵机控制，执行相关任务。1.4.2总体的设计方案及步骤用“创意之星”是一种模块化机器人组件，其特点是组成机器人的各种零件都是通用、可组的，各个零件之间有统一的连接方式，零件之间可以自由组合，7基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究从而构建出擂台机器人。（1）了解组装机器人套件，如舵机，红外传感器，灰度传感器（2）设计机器人整体结构并组装（3）装载程序并进行调试，符合擂台比赛要求（4）根据机器人绘制结构图8基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究第二章总体设计方案2.1竞赛目的机器人擂台赛的目的在于促进智能机器人技术（尤其是自主识别、自主决策技术）的普及。参赛队需要在规则范围内以各自组装或者自制的自主机器人互相搏击，并争取在比赛中获胜，以对抗性竞技的形式来推动相关机器人技术在大学生、青少年中的普及与发展。机器人擂台赛未来的发展目标是：比赛中，两个使用双腿自主行走的仿人形机器人互相搏击并将对方打倒或者打下擂台。2.2竞赛内容概述在指定的擂台上有双方机器人，双方机器人模拟中国古代擂台搏击的规则，互相击打或者推挤。如果一方机器人整体离开擂台区域或者不能再继续行动，则另一方获胜。如果双方均未离开擂台且都能自主移动，则在比赛时间结束后，距离比赛场中央红心区较近的一方获得胜利。2.2.1比赛场地及规格说明1比赛场地（即擂台如图2.1）大小为长2480mm，宽2480mm，高200mm，底色从外侧到内侧分别为100%、80%、50%、20%的灰度，中心区域为擂主区域，正红色；场地中央有十字加圆圈标识，用于标出场地绝对中心；场地周围0.5米处有高400mm、厚10mm的方形白色围栏。比赛开始后，白色围栏内不得有人活动。2.场地的材质为木质，场地表面最大承重能力100kg。场地表面的材料为亚光PVC膜，各种颜色和线条用计算机彩色喷绘的形式产生。参赛队可以从技术委员会指定的厂家购买场地表面材料.3.场地的照明与ROBOCUP类人组(KidSize)的竞赛要求相同：赛场的照度为600Lux到1200Lux之间，场地上各区域的照度应柔和均匀，各区域照度差不超过300Lux.实际的比赛场地四角会架设各2座20W、色温40006000K的节能灯，光源高度为2米。4.场地上方2米高处架设一个跨越场地的支架，支4架中央安装一个罗技摄像头，由于辅助裁判9基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究图2.1场地示意图2.2.2比赛说明1.在本规则描述的擂台上，双方机器人可以互相击打或者推挤，直到一方机器人离开擂台区域或者机器人的任意部分接触擂台外区域（接触到擂台与围栏之间的地面），则另一方获胜，本局比赛结束。2.如果双方同时离开擂台区域且裁判员无法判别哪一方先离开擂台区域，则双方计为平局。3.如果比赛时间结束后双方均未离开擂台，则机器人距离擂台中心位置近的一方获胜。该判断以机器人中心（十字标识）离擂台中心（场地十字标识）最近的直线距离为准。双方机器人与擂主区域中央的距离差距在20mm以内的，裁判员应宣布本局比赛为平局。10基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究2.3规则分析我们需要吃透比赛规则，然后才能在比赛规则允许的范围内，尽量让我们的机器人具有别人不具有的优势。对上述的比赛规则分析得到以下几个重点：1需要确保自己不掉下擂台。2需要能够找到敌方。3需要能够推动敌方，将敌方推下擂台。4.需要避免自己被敌方推下擂台。2.4任务规划2.4.1设计方式一般来说，系统的设计方式有两种（图2.2），一种是由下而上，另外一种是由上而下；由上而下是一个正统的设计方式，也就是说，所有的设计皆是遵循系统工程的流程来进行。相对而言，由下而上表示一个系统是由已经有的基础（或组件）为起点，开始往上延伸，最后将系统完成。确定需求由由指定系统规格上而设计下而实现上下测试图2.2系统设计方式本设计主要用到了由上而下的设计方法，我们采用了创意之星擂台机器人套件，即先确定总的系统要求，比如说要实现什么功能；然后是指定系统规格，使设计的各方面参数规格均符合大赛的要求；接着再按功能分开各个模块，经过实验为主，分析讨论选中最佳的方案，然后实现之；最后就是对各个模块的组合的性能和功能进行总体测试，使设计满足当初最初的设计要求从而完成设计。11基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究2.4.2系统总体结构根据技术挑战组的设计要求，我们设计了本系统的总体框图如图2.3所示，由系统的总体结构可知，本系统主要由运动底盘、控制板、各类传感器、动作执行这五大部分组成。图2.3系统结构2.5模块方案为了实现技术挑战组的总的系统设计要求，需要我们由各个模块入手，只有较好的实现各模块的功能，才能为实现总体的系统功能奠定基础，为此，我们对系统的五大部分进一步按功能模块细分，分别设计了以下各模块的几种方案并分别进行了论证。控制版处理器模块各类传感器循迹模块、测距电路工作执行机械手臂运动底盘底盘设计、舵机2.5.1处理器模块本次实验我们采用MultiFLEX2-AVR控制卡。本卡片具有重量较轻,速度慢，消耗低，但实时性更好。性能指标：（1）AVRMEGA12816MHz（2）6个机器人舵机接口，完全兼容RobotisDynamixelAX12+（3）8个R/C舵机接口12基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究（4）12个TTL电平的双向I/O口，GND/SIG/VCC三线制（5）8个AD转换器接口（05V）（6）2个RS-422总线接口(可挂接1-127个422设备)（7）蜂鸣器（8）通过USB口与上位机通讯，可选ZigBee无线通讯（9）可使用USB接口的AVR-ISP下载调试器（10）完全支持NorthSTAR图形化机器人集成开发环境2.5.2传感器模块这部分模块的电路比较灵活多样，种类不同，原理不同的传感器具有不同的信号调理电路，这需要根据所选具体传感器的型号来决定相应的信号调理模块。从而实现灵活搭配。（1）擂台边缘检测需要有传感器进行擂台边沿检测，当发现机器人已经靠近边沿立刻转弯或者掉头。擂台和地面存在比较大的高度差，我们通过测距传感器很容易发现这个高度落差，从而判断出擂台的边沿。如图2.4所示，在机器人上安装一个测距传感器，斜向下测量地面和机器人的距离，机器人到达擂台边沿时，传感器的测量值会突然间变得很小（距离值很大，距离和测量值呈反相关关系）。由于红外测距传感器使用方便，并且“创意之星”控制器最多可以接入8个红外测距传感器，我们可以将它作为首选方案。图2.4擂台边缘检测擂台地面是有灰度变化的，我们可以在机器人腹部安装一些灰度传感器，来判读机器人覆盖区域的灰度变化，从而判断机器人相对场地的方向。可以通过整13基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究体灰度值来判读机器人的位置是不是靠近边沿，如果机器人靠近边沿就转弯或者后退。（2）找到敌人通过红外测距传感器发现敌人，因为红外测距传感器的测距范围在1080cm，然后将其推下擂台。我们将传感器布置在机器人两侧，这样可以最大限度发现敌人，如下图2.5所示：图2.5前方传感器安装示意图（3）将发现的敌人推下擂台推敌人时，机器人需要做三件事情：寻找敌人，推动敌人，自身定位。寻找敌人的实现主要依赖于灰度传感器和测距传感器。传感器的布局至关重要，机器人必须能够通过灰度传感器定位自己的位置，通过测距传感器确定敌人的位置。因此，构型设计时必须合理布置传感器位置。比赛中输赢的关键是把敌方推出场外，防止自己掉出擂台。这个过程中机器人的自身定位非常重要。我们找到敌人之后，如何将它们推下擂台呢？两种方法：1、闷头往前直走，不管怎么都不转弯，这样一定能走到擂台的边沿，也能够将棋子推下擂台。2、通过识别场地的灰度，判断出机器人的位置和方向，对准最近的边沿前进。（4）需要避免自己被敌方推下擂台。如果我方机器人在前进时被敌方从后面推挤，并且我方的机器人没有察觉，会出现什么情况呢？我方机器人的动力方向和敌方机器人的动力方向刚好一致，敌方不费吹灰之力就可以将我方机器人推下擂台。所以机器人需要能够察觉这种正在被推挤的状态，并且能够通过掉头、转弯、后退等手段避开或对抗敌方机器人的推挤。14基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究第三章系统硬件设计3.1连接结构在“创意之星”机器人套件里，各种结构件的连接遵循统一的标准。我们这种标准连接方式称为“ConnFLEX连接结构”。ConnFLEX连接结构主体是统一尺寸的花键和键槽，每个花键或键槽具有20个齿，每个花键可以转动的角度是18的整数倍。因此，ConnFLEX连接结构使得各个零件之间可以不同角度连接，例如平行连接、垂直连接，或者其它以18为增量的角度来连接。为了适用各种连接场合，还派生出两并联、三并联、加长型、扁形等零件，如图3.1（A）所示。ConnFLEX连接结构连接精密、无间隙，单个连接可承受5Nm以上的弯矩和扭矩，如图3.1（B）所示。ConnFLEX连接结构连接简单，只需要一颗螺丝，就可实现牢固的连接效果，两个或多个零件通过连接件可以实现各种角度的连接组合，如图3.1（B）所示。图3.1（A）花键的种类图3.1（B）连接结构受力示意图与连接结构15基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究3.2舵机3.2.1舵机的结构舵机简单是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。能够利用简单的输入信号比较精确的控制转动角度的机电系统。舵机内部有一个电位器（或其它角度传感器）用于检测输齿轮箱出轴转动角度，控制板根据电位器的信息能比较精确的控制和保持输出轴的角度。这样的直流电机控制方式叫闭环控制，所以舵机更准确的说是伺服马达，英文servo。舵机的主体结构(如下图3.2)所示，主要有几个部分：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。简单的工作原理是：控制电路接收信号源的控制信号，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大相应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。图3.2舵机的结构16基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究3.2.2舵机的规格和选型转速：转速由舵机无负载的情况下转过60（图3.3）角所需时间来衡量，常见舵机的速度一般在0.11/600.21S/60之间。图3.3舵机转过角度示意图转矩：舵机扭矩的单位是KGCM，这是一个扭矩单位。如图3.4所示可以理解为在舵盘上距舵机轴中心水平距离1CM处，舵机能够带动的物体重量。图3.4舵机扭矩示意图电压：厂商提供的速度、转矩数据和测试电压有关，在4.8V和6V两种测试电压下这两个参数有比较大的差别。如FutabaS-9001在4.8V时扭力为3.9kg、速度为0.22秒，在6.0V时扭力为5.2kg、速度为0.18秒。若无特别注明，JR的舵机都是以4.8V为测试电压，Futaba则是以6.0V17基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究作为测试电压。舵机的工作电压对性能有重大的影响，舵机推荐的电压一般都是4.8V或6V。当然，有的舵机可以在7V以上工作，12V的舵机也不少。较高的电压可以提高电机的速度和扭矩。选择舵机还需要看我们的控制卡所能提供的电压。尺寸、重量和材质：舵机的功率（速度转矩）和舵机的尺寸比值可以理解为该舵机的功率密度，一般同样品牌的舵机，功率密度大的价格高。塑料齿轮的舵机在超出极限负荷的条件下使用可能会崩齿，金属齿轮的舵机则可能会电机过热损毁或外壳变形。所以材质的选择并没有绝对的倾向，关键是将舵机使用在设计规格之内。3.2.3舵机控制原理舵机是一个微型的伺服控制系统，具体的控制原理可以用下图3.5表示。原理是控制电路接收信号源的控制脉冲，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。模拟舵机需要一个外部控制器（比如遥控器的接收机）产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度，脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。舵机的控制脉冲周期20ms，脉宽从0.5ms-2.5ms，分别对应-90度到+90度的位置。如表一所示：图3.5舵机控制原理18基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究表一脉宽对应表输入正脉冲宽度（周期为20ms）伺服马达输出臂位置3.2.4CDS5500舵机产品特性：CDS5500（如图3.6所示）机器人舵机具备双端输出轴，可连续整周旋转，运动扭矩输出高达10kgf.cm,保持力矩达20kgf.cm以上。CDS5500具备总线接口，理论多至254个机器人舵机可以通过总线组成链型，通过异步串行接口统一控制。每个舵机可以设定不同的节点地址，多个舵机可以统一运动也可以单个独立控制。CDS5500的通讯指令集开放，通过异步串行接口与用户的上位机连接，用户可对其设置、控制。通过异步串行接口发送指令，CDS5500可以设置为电机模式或位置控制模式。在电机模式下，CDS5500可以作为直流减速电机，速度可调；在位置控制模式下，CDS5500拥有0-300的转动范围，在此范围内具备精确位置控制性能，速度可调。promotionCDS系列机器人舵机属于一种集电机、伺服驱