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自由体操机器人自由体操机器人 第二十一届 冯如杯 学 生课外学术科技作品竞赛 项目论文 自由体操机器人自由体操机器人 院 系 名称 自动化科学与电气工程学院 学 号 38030303 学生姓名 张熠乐 指导教师 董卓宁 2011 年 4 月 2 日 摘要 摘要 机器人硬件加工制作的前提是三维软件 Solidworks 的动作模拟 用铝 制件连接伺服电机 降低机器人的重量 因此完成期望动作的可行性和稳定性 较高 在脉宽调制 PWM 控制伺服电机的方法基础上 ATmega16 单片机通 过定时器设定脉冲宽度 达到对伺服电机的角度控制 上位机软件是由 Visual Basic 语言编写的 通过调用串口控件 Mscomm 进行串口通讯 该软件可以独 立控制 24 路伺服电机 因此电机最多数目为 24 个 该机器人运用 10 个伺服电 机 力图用最少电机数达到预期的功能 提高可靠性 在下位机程序里 定义 了与伺服电机角度值相对应的数组 因此上位机可以方便的向下位机传送相应 的角度控制命令 程序运行是脱离 PC 机 由 MCU 单独控制 通过对程序的调 试从而完成对机器人动作的设计 最终 机器人按照预先编排的程序实现相应 的动作 该机器人可完成一系列自由体操动作 如倒立 劈叉 侧翻等较高难 度动作 稳定性较高 该设计方法具有一般适用性 可以适应于同类机器人的 设计工作 因此该设计方案具有较高的推广应用价值 关键词 关键词 伺服电机 单片机 下位机 PWM Abstract The premise of robot hardware manufacture is the three dimensional simulation software Solidworks which can simulate the action We use aluminum parts to connect the servo motor and reduce the weight of the robot so expect to complete the feasibility and stability of the higher action On the basis of pulse width modulation PWM control the servo motor ATmega16 microcontroller timer set the pulse width in order to control the angle of the servo motor control The host computer software is written in Visual Basic language using the Mscomm for serial communication the software can be independently controlled 24 way servo motor so the maximum number of motor is 24 The robot uses 10 servo motors trying to use the least number to achieve the expected function and improve reliability of the action In the lower device program defining the array which corresponding to the angle of the servo motor so the host computer can easily send the control command Run is from the PC individually controlled by the MCU Through the commissioning process in order to complete the design of the robot movement and ultimately the robot pre programmed in accordance with procedures to achieve the appropriate action The robot can complete a series of floor exercises such as the inverted the splits roll and other higher level action high stability the design of general applicability the robot can adapt to the design of similar so the design Program has a high application value Key words Servo motor microcontroller lower computer PWM 目录目录 引言引言 1 第一章第一章自由体操机器人设计与原理自由体操机器人设计与原理 1 1 1 硬件的前期设计 1 1 2 动作的调试 1 1 3 程序的下载及运行 2 第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计 2 2 1 机械部分设计 2 2 2 电控部分设计 3 2 2 1 控制系统设计 3 2 2 2 USART 通讯接口设计 3 2 2 3 电源设计 3 2 2 4 伺服电机工作设计 4 第三章第三章 系统软件设计系统软件设计 4 3 1 上位机软件设计 4 3 2 下位机软件设计 5 结论结论 5 参考文献参考文献 6 图清单图清单 图序号图名称页码 图 1系统工作流程1 图 2程序调试流2 图 3机械结构模拟连接图2 图 4USART 通讯结构电路3 图 5伺服电机内部结构图4 图 624 路电机控制软件5 表清单表清单 表序号表名称页码 表 1伺服电机参数表4 表 2PWM 信号与旋转角度协议表4 北京航空航天大学第二十一届 冯如杯 学生参赛作品 1 引言引言 第一章自由体操机器人设计与原理 设计工作的基础 主要是系统工作流程设计 需要总体把握设计的各方面 规划设计步骤 自由体操机器人的设计思路如图 1 所示 主要分为三大主体部 分 硬件的前期设计 动作的调试和程序的下载及运行 1 1 硬件的前期设计 主要是根据需要完成的动作 设计出有足够自由度的结构 同时也应确保 电控部分的可行性 机器人可以完成动作的多少 最基本的是由硬件结构决定 其次才是程序 该机器人需要完成自由体操的倒立 劈叉 侧翻等动作 结合 人完成这些动作所需要的关节数 并将运动程度不大的关节去除 以尽量减少 关节数 增强机器人的稳定性和可靠性 选择 10 个伺服电机 因此 在硬件确 定后 机器人能够完成的动作已经被定格下来 所以 调试之前可以利用三维 软件 Solidworks 进行动作模拟 并进行可行性分析 1 2 动作的调试 如图 2 所示 调试动作的桥梁 MCU 与 PC 机的 USART 通讯 上位机软件 通过向下位机传送伺服电机的角度状态值来控制电机的转角 进而实现动作的 调试 图 1 系统工作流程 伺服电机 PWM RS232串口通讯模块PC 电源及稳压模块 MCU ATmega16 北京航空航天大学第二十一届 冯如杯 学生参赛作品 2 1 3 程序的下载及运行 程序运行是脱离 PC 机 由 MCU 单独控制 因此 由上位机所确定的伺服 电机角度值编译的下位机程序 通过下载软件写进单片机 实现单片机对机器 人实现动作的控制 第二章 系统硬件设计 系统的硬件设计主要分为 2 大部分即机械部分设计和电控设计 两者有机 地结合起来 保证该机器人实现所需动作的稳定性 2 1 机械部分设计 机械部分设计应结合电控部分 所完成的动作以及加工方法 根据需要完 成的动作 需要 10 个伺服电机 为了降低机器人的重量 方便完成动作 机器 人的伺服电机连接件是选用铝制件 机械结构模拟连接图如图 3 所示 图 3 机械结构模拟连接图 图 2 程序调试流 程 编写下位机程序 上位机调试软件 程序编译 将下位机程序下载到单片机 动作调试 将分步的动作汇总到下位机 北京航空航天大学第二十一届 冯如杯 学生参赛作品 3 制作过程中 先用铣床将大块铝片切成小块 然后在钳工台将铝片制作成所需 要的形状 2 2 电控部分设计 电控部分是控制机器人完成所需动作的核心 在脉宽调制 PWM 控制伺 服电机的方法基础上 ATmega16 单片机通过定时器设定脉冲宽度 达到对伺 服电机的角度控制 电控设计包括控制系统设计 USART 通讯接口设计 电源设计和伺服电机 的工作设计 2 2 1 控制系统设计 控制芯片选用 ATMEL 公司推出的 ATmega16 单片机 它是是一款基于 RISC 精简指令集 的低功耗 8 位高性能单片机 芯片了集成 16K 字节的在线 可编程 Flash 在该系统中 单片机通过串行 USART 接口与上位机进行数据通 信 同时 单片机各引脚向各个伺服电机输送 PWM 波对电机进行控制 实现 电机按照预期角度运动 2 2 2 USART 通讯接口设计 采用 RS232 通讯协议 选用 MAX232 芯片 该接口负责与单片机和电脑的 通讯 波特率设定为 9600 bit s 位停止 无校验位 硬件结构如图 4 所示 2 2 3 电源设计 本系统有两种电压 分别为伺服电机的 7 4V 工作电压和单片机的 5V 工作 电压 因此需进行直流降压设计 在满足需求的前提下 为了尽量简化结构 系统选用 AMS1117 5V 稳压芯片 C 1 1 VS 2 C 1 3 C 2 4 C 2 5 VS 6 T2OUT 7 R 2IN 8 R 2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R 1OUT 12 R 1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VC C 16 M AX232 M AX232N C 2322 0 1uF C 2323 0 1uF GND T2OUT R 2IN VC C GND C 2324 C 2 VC C R PC T PC C 2321 0 1uF 图 4 USART 通讯结构电路 北京航空航天大学第二十一届 冯如杯 学生参赛作品 4 2 2 4 伺服电机工作设计 伺服电机内部结构如图 5 所示 所选电机的参数如表 1 表 1 伺服电机参数表 伺服电机是一个闭环控制系统 它的控制信号是周期为 20ms 的脉宽调制 PWM 信号 其中脉冲宽度从 0 5ms 2 5ms 相对应舵盘的位置为 0 180 度 呈线性变化 也就是说 给它提供一定的脉宽 它的输出轴就会保持在一个相 对应的角度上 无论外界转矩怎样改变 直到给它提供一个另外宽度的脉冲信 号 它才会改变输出角度到新的对应的位置上 舵机内部有一个基准电路 产生周期 20ms 宽度 1 5ms 的基准信号 有一个比较器 将外加信号与基 准信号相比较 判断出方向和大小 从而产生电机的转动信号 PWM 信号与 旋转角度协议如表 2 所示 角度值 0 45 90 135 180 PWM 脉宽 0 5ms1ms1 5ms 2ms 2 5ms 表 2 PWM 信号与旋转角度协议表 第三章 系统软件设计 3 1 上位机软件设计 舵机总减速274 1 静态堵转扭矩19 18kg cm 动态输出扭矩13 426 kg cm 极限量程 230 电机精度 0 1 us 锁紧螺丝 直流电机 铜合金齿轮 轴承 舵机电路板 输出轴 角度传感器 增强套筒 图 5 伺服电机内部结构图 北京航空航天大学第二十一届 冯如杯 学生参赛作品 5 上位机是由 Visual Basic 语言编写的 如图 6 所示 通过调用串口控件 Mscomm 进行串口通讯 该软件可以独立控制 24 路伺服电机 因此电机最 多数目为 24 个 该软件可以根据设置电机的角度和保持时间 自动生成相 应的代码 大大减少了编写机器人动作的程序所需要的时间 同时也提高 了了程序的正确率 3 2 下位机软件设计 下位机包括在线调试和独立运行两部分 这两个程序的主体部分是一 样的 只是内部执行数组 对应不同的伺服电机角度 的值不同 通过定 时器进行脉宽调制 PWM 输出 结论 在硬件设计的基础上 通过对程序的调试从而完成对机器人动作的设 计 本文阐述了自由体操机器人的设计过程及方法 并实现了所需的动作 如倒立 劈叉 侧翻等动作 稳定性较好 见图 7 机器人正视图 图 6 24 路电机控制软件 北京航空航天大学第二十一届 冯如杯 学生参赛作品 6 该