课程设计（论文）少林铜人阵机电系统设计

1、湖南工程学院湖南工程学院 课课程程设设计计说说明明书书 名称名称：少林铜人阵机电系统设计 院院 系系 机械工程学院 班班 级级 机械电子工程 0801 姓姓 名名 学学 号号 10 指导老师指导老师 2011 年 12 月 5 日至 2011 年 12 月 23 日共 3 周 - 1 - 目目 录录 一、绪论一、绪论.2 1.1 概述.2 1.2 机器人的技术组成 .2 1.3 课程设计的目的及要求 .2 2、总体设计总体设计.4 2.1 总体模块划分.4 2.2 自由度的分配.4 三、机械部分设计三、机械部分设计.5 3.1 弯腰机构的设计.5 3.2 转身机构的设计.6 3.3 手臂和头部

2、机构的设计.6 3.4 联结方式的选择.7 3.5 手臂和双足的运动学分析式的选择.7 4、电气部分设计电气部分设计.9 4.1 电路总体结构.9 4.2 主要部件的选择.10 4.2.1 驱动电机的择. .10 4.2.2 继电器.11 4.2.3 光电编码器.12 4.2.4 传感器.13 4.2.5 开关. 14 4.2.6 电源. .14 4.3 控制系统设计.14 五、软件部分设计五、软件部分设计.15 5.1 软件控制流程.15 5.2 主程序设计.16 5.3 任务子程序设计.18 5.4 关节归零子程序现. .18 5.5 其它子程序.20 5.6 武术动作的编辑.20 设计总

3、结设计总结. .22 参考文献参考文献.23 - 2 - 一、绪论一、绪论 1.1 概述 随着机器人技术的不断发展，机器人已经大量 应用于社会的各个行业。 如今，机器人已经进入娱乐领域，国内外很多公司正在发展娱乐型机器人。武 术机器人就是在这样的大背景下产生的。作为机器人的一个分支，武术机器人 将会是 21 世纪机器人主要民用用途之一。武术机器人的设计涉及了 机电一体 化技术、检测和传感技术、精密加工和机械密封技术、现代化控制和管理技术、 光电感应技术、计算机程序控制技术等多个方面。因此，武术机器人既具有极 强的观赏和趣味性，更是一个系统化的工程设计。 人形机器人是机器人研究中的重要分支， 它

4、涉及到机器人制造中的各个领 域，如自主行为控制、人工智能、动态管理、机械设计等，在一定程度上代表 着机器人研究的尖端水平，与其它机器人（工业机器人、蛇形机器人、轮式移 动机器人等）相比，具有三个基本特征： （1）能在人们所处的现实环境中工作； （2）能使用人们所用的工具； （3）具有人的形状。 此外，还有摄像处理、语音处理以及一系列传感器信号的处理，可见，人 形机器人对各项技术领域提出了更高的要求。 1.2 机器人的技术组成 机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成这三大部分可分 成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系 统、控制系统六个子系统。 1.3 课

5、程设计的目的和要求 1 1、 机器人设计的内容机器人设计的内容 举手投足、转圈、头部动作灵活、并具备的语音功能。通过语音识别技术，可以 对小机器人进随着现代科技的发展，机器人技术已广泛应用于人类社会生活的各 个领域，特别是机器人具有人类外观特征、可爱的外貌、又兼有技术含量，极 受青少年的喜爱。本课题要求设计一具有简单人体功能的、模拟十八铜人动作 - 3 - 的类人型机器人，完成简单人体的基本动作：可以前进后退，左右侧行，左右 转弯和前后摆动手臂，行走频率为每秒两步，行语音控制，通过发出语音命令， 控制机器人的。机器人包括底座、头部、上身、下肢、以及电路控制板，分别 控制手臂、头部和底盘运动的电

6、机及传动机构等。通过电路控制和机械传动， 可使机器人动作。知识范围涉及机构学、力学、电子学、自动控制、计算机、 人工智能等。 2 2、具体任务：、具体任务： 1、了解机电一体化系统设计原理，机器人设计原理及基础知识，熟悉机器 人基本机构设计及控制原理； 2、通过分 9 组，分别完成 8 个机器人武术动作设计（要求每个机器人能单 独完成 34 个武打动作，动作要流畅，不能有运动干涉及自锁现象） ； 3、其中 1 组进行机器人系统的整体布局和阵法变换设计，完成 8 个机器人 的布阵、阵形变换和收阵的机电系统及控制设计；其中要考虑机器人动平衡、 路径控制、干涉、互锁、自锁等。 4、通过设计说明书的编

7、写训练使学生掌握工程技术文件的编写。 3 3、进度安排、进度安排: : 1、下达设计任务，查资料，分析课题，确定系统的总体方案 3 天 2、分组课题设计方案的选择与拟定，详细机械设计及控制设计方案的设计、 计算与验算 7 天 3、根据分工，进行各自部分的设计、调试、运行，直至正确无误 2 天 4、按格式编写设计说明书（12 页以上） 、制作存储介质（分组刻盘）资料 汇总，答辩 3 天 4 4、时间安排：、时间安排： 刘红波（07）负责总体设计； 张俊（22）负责机械部分设计； 李芸（20）负责电气部分设计； - 4 - 蔡楷宾（10）负责软件部分设计。 二、总体设计二、总体设计 2.12.1

8、总体模块总体模块 机器人的设计首先需作总体方案设计，包括机械和电气两部分。根据机械 基础知识，从整体上来讲，机械结构设计必须与机器人所要完成的功能相适应。 机械部分设计主要包括底盘设计、尺寸选择、驱动方式设计、电机选择等；电 气是机器人最重要的部分，直接影响着机器人功能的实现于否。铜人机器人要 求完全自动控制，必须采用单片机为控制核心，它类似于机器人的大脑，接收 和处理所有外界信息，指挥并控制机器人的所有动作。语音识别等功能是制作 机器人硬件的难点，它要求机器人具有一定的感觉系统。目前，机器人技术已 日趋成熟，机器人感觉系统可通过各种各样相应的传感器技术即可实现。传感 器把接收到的外部信息输入

9、到单片机，再通过软件进行控制，从而单片机发出 命令指挥机器人动作。软件编程可以丰富机器人的功能，使机器人动作更加完 善。 2.22.2 自由度配置自由度配置 机器人要实现机器人的双足行走动作，对机器人的自由度的分布和自由度 的安装位置，都有一定的要求。基于通过尽量少的自由度，来实现尽量多的基 本运动，同时又要使这些运动尽量柔顺美观的出发点，配置机器人自由度。 下肢行走机构是双足机器人最关键的部分，关系着机器人能否稳定的行走。 所以，对机器人下肢自由度的配置就成了机构设计中最为重要的部分。通过对 人体腿部关节运动方式的研究，发现可以利用 12 个自由度来近似实现人腿全部 的运动功能本课题设计的机

10、器人也具有 12 个自由度，其中 2x 3=6 个自由度负 责前行运动，22=4 个自由度负责侧向摆动，2x 1=2 个自由度负责转向。 上肢是机器人的执行部件，同时在机器人行走时维持身体平衡和在机器人 倒地时配合机器人下肢使机器人站起立，本课题设计的机器人上肢有 2 x4=8 个 自由度。另外，头部配置 1 个转动的自由度。这样机器人共具有 21 个自由度， - 5 - 轴 手臂与头部机构 摇杆零件 可前后摇动 正视图 侧视效果 固定用 轴孔 长方形槽 自由度分布及其正方向如图所示。关节标号 y1y8 为绕平行于 y 轴转动的关 节，关节标号 xlx8 为绕平行于 x 轴转动的关节，关节标号

11、 z1z8 为绕平行 于 z 轴转动的关节。 三、机械部分三、机械部分 机械部分包括：弯腰机构的设计、转身机构的设计、手臂机构的设计、转 头机构的设计、材料与型材选择及联结方式的选择。 3.13.1 弯腰机构的设计弯腰机构的设计 腰部的设计思路是，作为人形机器人的腰部，主要做要是承接了上部的重 量，设计的时候腰部能做到水平的转动最好，如果不能将会极大地影响整个机 器人的平衡；所以尽量减少可变的环节，故在腰部转动的设计中不采用电机再 经传动其他机构最后带动腰部的转动方式，而是直接使用电机实现弯腰。 具体实现方式如下：先通过一根轴穿过鞠躬机构与机器人上半身的两只手 臂固定，然后电机通过一个摇杆连接

12、到弯腰机构的一个长方形槽中，在电机转 动的过程中，带动鞠躬机构做以与手臂固定轴为中心的前后弯腰鞠躬动作，所 需的零件包括一根轴，一个带有与轴相同大小的孔和在孔同一侧的开有长方形 槽的铝条。并且考虑在这个机构上，能够与手臂机构相固定。 - 6 - 图 3.1 机器人弯腰机构 弯腰机构的装配顺序如下： 取适当长度的铝条打轴孔和磨长方形槽，在上身支架两端打相同的孔，轴 穿过该铝条后穿过两个支架并固定好。 加工可固定于电机轴上的摇杆，一端可固定住电机，另一端固定摇杆的轴 并与加工好的铝条的长方形槽相结合。 将电机固定在上身左边支架的一侧。 为了防止弯腰机构前倾，用两根橡胶带做一定的固定，以使电机拉住机

13、构 向下弯腰时更加稳定 在弯腰机构中，如果将机构的位置和方向调换过来，动作就可变为肩的左 右摇摆，因为设计水平有限，没有将两种动作结合在一起的机构设计出来。 3.23.2 转身机构的设计转身机构的设计 转身机构的设计原理和弯腰机构的设计原理差不多，在此就不做多的比较 论证了。我们还是采用连杆机构，但具体的设计又和前面稍微不同。 机器人的腰部机构用于实现机器人左右转身的动作，主要部件包括一个滚 动 轴承、一个自行加工的可固定滚动轴承内部圆的零件，以及必备的其它固定零 件。 滚动轴承的特点在于当内圆固定时，外圆可以转动，反之亦然。机器人的 腰部机构正是从这个特点出发制作的，要实现机器人腰部左右转动

14、，就让滚动 轴承内部圆与可固定电机轴的传动零件固定，同时该零件与机器人下身机构固 定，滚动轴承与机器人上身机构固定，再将电机与传动零件固定后又与上身机 构固定，这样，在电机转动的过程中，利用轴承的作用，机器人下身机构不动 时，由于上身机构与轴承外圆固定，电机旋转带动了轴承外圆的旋转，于是， 机器人上身就绕着轴承中心作转身运动。 3.33.3 手臂和头部机构的设计手臂和头部机构的设计 手臂机构就是机器人的两只手臂，在本次设计中将机器人的手部的两个电 机与带动机器人头部转动的电机固定在了同一个机构上，同时，将该手臂与前 后弯腰的机构相固定，构成机器人的上半身机构的一部分，然后该整体又与机 - 7

15、- 器人的左右支架和腰部机构相结合，一起构成机器人的上半身机构。 参看做的很好的机器人的例子，机器人的手臂是机器人复杂程度的重要标 志之一。手臂所具有的自由度越多，动作时活动的空间就越大，所做的动作就 越精细，完成的任务就越复杂。 3.43.4 联结方式的选择联结方式的选择 综上所述，机器人结构设计为空心矩形截面，由铝材加工而成。其基本框 架是使用连接件和角撑支架来搭建的。而常见的机器人联接结构有扣接零件、 胶接、胶带、铆接、焊接等。 表 2 机器人常用联接结构 结构应用场合 扣接零件小型玩具机器人 胶接格局所需要的胶粘剂，可用于重量达数磅的机器人上 胶带暂时性结构、轻型材料和元件的机器人上

16、铆接小型到中等尺寸的机器人，以及轻型到中等重量的机器人 焊接大型和重型机器人，特别用于恶劣环境的机器人 武术机器人负载小，自重轻，对寿命要求不高，因此除特别讲究强度、刚 度以及抗摩擦磨损性的机构，机械连接上，应使机器人具有较好的坚固性，在 机器人做武术动作或行进过程中，各种接插件不能松动、脱落，满足合适的控 制方案，所以选择铆接方式。 3.53.5 手臂和双足的运动学分析手臂和双足的运动学分析 一、手臂方案结构设计与分析手臂方案结构设计与分析 - 8 - 手臂本体组成 1 、肩部部件；2、大臂部件；3、小臂部件；4、手部部件 各部件组成和功能描述如下： (1) 肩部部件：肩部部件包括回转部件、

17、传动部件和步进电机等。 (3) 大臂部件：包括大臂和传动部件。 (4) 小臂部件：包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端 （靠近大臂的一端）固定驱动手腕三个运动的步进电机 。 (5) 手部部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。 二、手臂运动学分析二、手臂运动学分析 （1 1） 、运动学正解、运动学正解 在直角坐标系中，可以用齐次矩阵表示绕 x、y、z 轴的转动和沿 x、y、z 轴的 平移。 这些变换是相对于动坐标系描述的，将式（3-1）中有关的齐次矩阵按“从左到右”的 原则相乘。 要考察末端执行器在空间相对于基坐标系的位姿，则应建立末端执行器的 位姿变换矩阵。设末端执

18、行器的坐标系为m，坐标系m对基坐标系0的位姿 变换矩阵为： (2)、雅可比矩阵的推算和速度分析、雅可比矩阵的推算和速度分析 机器人的雅可比矩阵 j 是从关节空间向操作空间速度传递的广义传动比。 2 3 4 - 9 - 即 式中，q 是关节速度矢量，x 是操作速度矢量 当 q 已知时，根据雅可比矩阵可推算出操作空间的速度矢量 x，反之，当 机器人末端执行器的速度给定，可以根据逆雅可比矩阵算出各个关节速度。 构造雅可比矩阵的方法有矢量积法和微分变换法。这里用矢量积法推算该 机器人的雅可比矩阵。 四、电气部分设计四、电气部分设计 4.14.1 电路总体结构电路总体结构 由于人形机器人的结构比较复杂，

19、我们采用 23 个伺服电机（也称舵机）构 成。所以需要控制的对象比较多。我们在此采用分布式集总控制方式，将每个 伺服电机作为独立的被控对象，用 1 个主 cpu 对它们进行控制。 通信方式：由于每个舵机采用 pwm 的控制格式，所以主 cup 也采用 pwm 的 通信格式。主 cpu 通过 17 根信号线分别连接 23 个舵机，向每个舵机发送控制 信息。信息采用角度格式，即 pwm 信号的宽窄表示舵机的角度，通过实时向舵 机发送位置数据进行速度空制。 机器人的舵机分布：舵机在机器人中的安装位置不同，所发挥的用处也不 同。根据加藤一郎的结构划分，身体的 23 个舵分布在 3 个平面内。即 x 平

20、面 y 平面和 z 平面内，那么我们就如下图 4.1 所示划分。 - 10 - 图 4.1 x 平面舵机：x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8 y 平面舵机：y1 、y2、y3、y4、y5、y6、y7、y8 z 平面舵机：z1、z2、z3、z4、z5 4.24.2 主要部件的选择主要部件的选择 4.2.1 驱动电机的选择 驱动系统是机器人的手和脚，即运动机构和执行机构的基本组成部分。驱 动系统的设计与制作是比赛机器人创意与实践的重要内容。它的任务不仅是向 机器人传递动力，而且要提供准确的运动定位和灵活的操作，是机器人制胜的 法宝之一，因此其重要性是不言而喻的。通常机器人驱动有电气，液

21、压，气压 三种方式。其中以电气驱动最常见，它按供电的方式又可以分为直流电机和交 流电机。机器人比赛规则通常规定采用电池供电，即直流电。采用直流电供电 的电机按照其内部结构又可分为直流电机和步进电机。直流电机外部接通直流 电就能旋转；步进电机的驱动原理复杂些，必须按照一定的通电顺序给电机供 电，电机才能旋转。 1、直流电机的结构特点、直流电机的结构特点 直流电机的结构形式很多，但基本的结构是相同的，即必须有定子，转子 - 11 - 和换向器。定子是固定在机身的圆桶状部分，一般由永磁材料或能产生磁场的 线圈制成。转子由一根旋转轴及固定在轴上的硅钢片构成，是把电能转换成机 械能的部分。转子的外沿有槽

22、，槽内有电流通过是，旋转轴便开始旋转。为了 在电机连续旋转条件下电流能顺利通过转子，旋转轴尾部设置有换向器，它始 终与定子的电刷保持接触，给电机绕组供电。 2 2、hg14-mhg14-m 伺服电机伺服电机 机器人的技术关键主要包括 3 部分：其一是数控系统，也指电子部分，其二是 伺服舵机，其三是机械结构件。由于机器人的结构十分复杂，所以要将机器人 的零件尽量减轻。尽管如此，为了保证机器人动作灵敏、行动有力，一般的舵 机不能达到要求。根据目前国际的研究经验数据，小型双足机器人腿部大多需 要 10 公斤厘米以上的伺服舵机，然而一般的航模伺服舵机只需要 35 公 斤厘米的伺服舵机。 这款型号为 h

23、g14-m 伺服舵机，是小型双足机器人专用伺服舵机，其重量轻、 扭矩大、反应速度快。它还有一个最突出的特点，是有“电子自锁”功能，这 样就可以降低控制系统的实时响应需求，为后续功能腾出足够空间 。 4.2.2 继电器 继电器是本系统的执行机构，本系统选用 d4810 型固态继电器，固态继电器 (ssr)与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它 具有与机电继电器本质上相同的功能。ssr 是一种全部由固态电子元件组成的 无触点开关元件，他利用电子元器件的 点，磁和光特性来完成输入与输出的可 靠隔离，利用大功率三极管，功率场效 应管，单项可控硅和双向可控硅等器件 的开关特性，

24、来达到无触点，无火花地 接通和断开被控电路。 固态继电器有三 部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出 电路。安输入电压的不同类别，输入电 路可分为直流输入电路，交流输入电路 和交直流输入电路三种。有些输入控制 - 12 - 电路还具有与 ttl/cmos 兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输 入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的 输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交 流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性 器件或功率场效应管。固态继电器有寿命长、可靠性高、灵敏度高、控制功率 小、电磁兼容性好

25、、 快速转换、电磁干扰小的优点。d4810 型继电器输入电流 为 5-40ma，电压 330v，额定输出电流 10a，输出电压范围宽为 20-220v， 满足项目的要求。 在直流电机电枢上加上一定幅度的直流电压，电机便开始旋转；改变电压方向， 电机转向也随之改变。如果电机以恒速运动，不调速可以采用一个简单的电路 来控制正/反向，电路原理如图 3.1 所示。它采用两个继电器作为控制弱电到驱 动电机的强电之间的转换器。正反转控制开关 relay1 断开，电源开关 relay3 闭合时，电机正转；反之电机反转。两开关同时断开，电机停转。两 开关同时闭合是不允许的，从电路可看出，这会导致电源短路。 4

26、.2.3 光电编码器 编码器是一种员简单的数字式位移 电感器，它能够把角位移或线位移经过 简单的变换变成效字量。目前，编码器 精度、分辨力和可靠性都优于相同尺寸 的模拟式传感器，但价格般比较高。 根据编码器检测原理和检测对象的不同， 可以把编码器分为两种类型。用于检测 线位移的编码器称为直线位移编码器； 用于检测角位移的编码器称为角度数字 编码器。 - 13 - 角度数字编码器由敏感元件和码盘组成。码盘是一种经过精细加工的薄圆 盘，它的材料根据与之配套的敏感元件不同而不同。角度数字编码器有增量式 码器和绝对式编码器两种基本类型。绝对式编码器能给出与每个角位置相对应 的数字量输出，增量式编码器则

27、只输出角度的变化增量光学编码器。这种编码 器由光源、码盘和光电敏感元件组成。图 4.3 表示了一种五位光学编码器。光 学编码器的码盘是在一个基体上形成透明和不透明码区，代表了二进制码 0 和 1。编码盘的性能好坏主要取决于码盘的质量。光学编码器通常采用照相技术和 光刻技术制作。把同心分布的多因二进制码复制在码盘上。光源是光学编码器 中最容易发生故障的元件。 通常不但要求光源具有较高的可靠性，而且要求光源的光谱要相光电敏感元件 相适应。光源的工作温度范围要宽。光电敏感元件可以采用光电二极管、光电 晶体管或硅光电池。为了提高输出逻辑电压，还需要加接各种电压放大器，而 且每个轨道对应的光电敏感元件要

28、接一个电压放大器。电压放大器通常由集成 电路高增益差分运算放大器组成。为了减小声的影响，在光路中要加入透镜和 谈缝装置。应当注意的是，狭缝不能大窄，要保证所有轨道的光电敏感元件的 敏感区都处于狭缝内。光学编码器的基本构成如图 4.4 所示。 绝对式光学编码器通常采用的是格雷(gray)码。它是一种非标准的二进制码。 gray 码与标准二进制码的区别，在 gray 码中相邻两个二进制码的变化只能 有一位。所以，在连续的两个数码中，若发现数码的变化超过一位就认为是 非法的读数，从而具有一定的纠错能力，可提高可靠性。光电编码器可以检测 机器人各个关节的运动状态。若电机电流大，但编码器无输出，说明机器

29、人撞 到对方而无退让，己方机器人就须要调整战术。若电机欲前进，编码器反转， 说明机器人受对方推堵而退让。最近内藏整形电路直接以矩形波输出的编码器 已问世，可以直接接入计算机。在我们的机器人中均采用自制的编码器。在带 有明暗方格的码盘两侧分别安置发光元件和光敏元件，随着码盘旋转，光敏元 - 14 - 件接收的光通量与方格的间隔同步变化。光敏元件随着输出经过整形的脉冲。 根据脉冲计数，可以知道与码盘固接的旋转轴的角位移。 4.2.44.2.4 传感器传感器 机器人的感知系统相当于人的五官和神经系统结合形成的结构，它合理的 组织机器人各传感器，以形成机器人的信息获取网络。机器人传感器不仅包括 传感装

30、置本身，而且包含传感信号的采集和转换装置。机器人传感器可以分为 内部传感器和外部传感器两类。所谓内部传感器是用来反馈机器人自身内部信 息的传感器，如关节位置、速度传感器、陀螺仪传感器，们是构成机器人不可 缺少的基本元件。外部传感器是用来反馈外部环境信息的传感器，常用的外部 传感器有视觉传感器、接触觉传感器、接近觉传感器、力觉传感器等。本课题 中用到加速度计传感器和陀螺仪传感器，两者都属于内部传感器。 4.2.54.2.5 开关开关 比赛机器人常用的开关用按钮开关，数字开关和接触开关几种。按钮开关在机 器调试阶段可以方便地提供人工输入。数字开关一般用于向 cpu 的输入选择， 如速度等级，行走模

31、式，策略等。接触开关则用于检测是否触碰，检测的对象 有场地的道具，环境界限等，一般微动开关即可。 4.2.64.2.6 电源电源 不需要太大的输出扭矩，必须能灵活操控，而且要求体积小，重量轻、方便检 修，毫无疑问是蓄电池提供的直流电源外加直流电机。对于需要大驱动力低转 速场和场合，可以用齿轮链、同步皮带等装置处理。但他有其缺点就是蓄电池 的重量太大，在要求不大的情况下我们可以采用锂电池。他的优点就是容量大， 体积小，过电流大，重量轻。 另外机器人还需要一类共给数字 ic，单片机，传感器工作的电源，通常为 +5v，约数十到数几百 ma。他必须和电机的电源分开，形成单独供电。这样可 以使 cpu

32、供电更加稳定。 4.34.3 电机驱动电路电机驱动电路 - 15 - 电机驱动电路采用继电器构成桥式换向电路，继电器和主控制电路间用光电隔 离器。考虑到电机的起动电流和制动时比较大，会造成电源电压不稳定容易对 单片机和传感器的工作产生干扰，所以，电机驱动电路和单片机以及传感器电 路用 tlp521-4 光耦隔离。提高电路的可靠性。同时还可以采用相互独立的电 源供电。以确保单片机正常运行，进而以保证整个系统正常工作。 在机器人的控制系统中最主要的就是传感器电路，传感器是机器人感知外界事 物的关键。机器人通过传感器收集外界信息，通过电路把这种信息转变成 cpu 能识别的数字信号，再通过软件算法对所

33、收集的信息进行处理后，形成相应的 控制信号，通过端口去控制相关的电机动作。 传感器采用多种传感器相互配合使用。使用光电编码器判断角位移和行程 位移。主要用在机械手臂的转动上，使机械手臂动作更准确。行程开关用于位 置的检测，主要用在机器人，或机械手臂上。当机器人行走，或机械手臂动作 到达某种位置时给单片机一个电信号。让单片机发出相宜的控制信号。 五、软件部分设计五、软件部分设计 5.15.1 软件控制流程软件控制流程 软件部分是控制系统设计中最重要的部分，软件由 pc 机上的软件设计和单片 机上的软件设计 2 部分组成。单片机上的软件主要实现接受上位机发送的指令、 读取动作数据、生成 pwm 信

34、号控制 电机驱动机器人关节运动，武术机器人软 件控制流程如图 3 所示。本设计采用语言按模块化的编程思想编写。所有武术 机器人的动作实现部分均在子函数中完成，主函数中只负责对子函数的调用如 此便保证了良好的维护性和清晰的代码结构。 - 16 - 图 5.1 武术机器人软件控制流程 5 52 2 主程序设计主程序设计 521 主程序流程 主程序的基本任务就是在对单片机和各外设进行初始化后，接收上位机输 入命令，完成一定的电机控制任务。另外在机器人手臂上电后和工作过程中定 期进行关节归零工作，保证机器入的关节处于正确的初始位置。拟人机器人手 臂部的任何动作都可以分解成若干个臂部关节的定位过程，关节

35、定位过程要控 制两个量:速度和位置。 在主程序的前面，必须要设置中断向量表。上身控制系统用到的中断有外 - 17 - 部中断、串口中断和软件中断。中断服务程序可以放在地址空间的任意位置(除 系统保留的空间外)，但每一种中断服务程序的起始地址需要放在相应的中断向 量单元中。在程序的最前端，将系统使用的专用寄存器定义为符号表示，同时 将程序中需要使用的变量和常量也采用符号表示，便使程序更具有可读性。图 5-2 是主程序流程图，主程序分为初始化模块和任务处理循环模块，下面分别加 以介绍。 图 5-2 主程序流程图 522 初始化程序 初始化程序主要完成堆栈指针设置、通用存器清零、初始化 io、ad

36、转换设置、中断设置以及串口通讯设置等。因堆栈向下增长，故将堆栈指针值 设置为通用寄存器顶端附近的地址，尽可能扩大堆栈可使用空间这样可以避免 在多级调用子程序后堆栈进入已定义变量使用的寄存器空间，以免造成错误。 在将通用寄存器清零时，例外的是映射电机控制输出端口的寄存器(用来保 存端口输状态)需重新设置，与端口的输出状态保持一致。最后，调用关节归零 子程序(后面介绍)，使各个关节的位置回复到零位状态。 523 任务处理循环 在上位机输入命令引起中断而调用的外部中断服务程序里，获得任务代码，新 任务标志位被设置为 1。将任务代码与事先定义好的任务常数逐一进行比较， 相符的话就调用相应的任务子程序。

37、执行完任务子程序后返回检查新任务处， 从而形成一个大循环。 - 18 - 图 5-3 任务处理循环图 5.35.3 任务子程序设计任务子程序设计 程序中设置一个指针变量，武术 y 子程序将此变量指向任务常数表中对应 的 步数据头部。从表中取出阶段数，不断调用阶段控制子程序。阶段控制子程序 从 表中取出关节信息和目标点数信息，不断调用目标点控制子程序，直至所有目 标 - 19 - 点执行完毕，阶段控制子程序返回。当所有阶段执行完毕，武术 y 子程序返回。 图 5-4 武术 y 子程序 图 5-5 阶段控制子程序 5 54 4 关节归零子程序关节归零子程序 关节归零子程序依次对每个关节进行控制，将

38、其归复到零位(即站立状态的 位置)，每完成一个关节后再处理下一个关节。归零过程，首先调用7d 转换 子程序，得到关节实际位置。将实际位置与零位进行比较，若差值在允许位置 误差范围之内，则认为关节已在零位。若差值比较大，则根据差值的正负决定 电机的运转方向，并起动电机。然后循环调用 ad 转换子程序，取得关节实 际位置，与零位进行比较。直到差值在允许误差范围之内，停止电机。继续处 理下一个关节。 关节附带有零位开关，当零位开关没有合上时，接到零位输入口的对应位为低 电平：当关节到达零位，零位开关合上时，对应的位为高电平。通过定时查询 零位开关输入口=就可以知道零位开关的状态。程序中，首先检查一下

39、零位输 入口的状态若相应位值为 1，表示关节己在零位，转下一个关节。若不为 1， 每延时 5ms(因电机有滞后效应，第一次延时 15ms)后检查一下零位输入口的状 态。若相应位值为 l，表示关节已到零位，停电机，转下一个关节。若没有到位， 则读计数器，并将当前值与上一次读到的值相比较。若两次的值没有交化或变 - 20 - 化太小，表示电机堵转，关节己到最大角度，此时应改变驱动方向，使关节朝 反方向转动，最终到达零位。 图 5-6 关节归零子程序 图 5-7 串口中断子程序 5.55.5 其它子程序其它子程序 1)定时器中断子程序 软件定时器中断子程序很简单，首先判断是否为定时器 l 中断，若是

40、则将 - 21 - 查询时间到标志位置 l，然后退出。 2)串口中断子程序 串口中断子查询首先读串口状态寄存器，直到标志被清除，然后读串口。 判断接收到的数据是否为桴 s1ar=re，若是，允许启动标志位置 1，返回； 否则表示来了任务，保存新任务代码并将新任务标志置 1，返回。 3)ad 转换子程序 ayd 转换子程序将带有通道号信息的命令字装入命令寄存器，从而立即启 动 ad 转换，然后测试转换是否完成。当转换完成后，读结果寄存器，将数 据逻辑右移 6 位后得到真正的结果值。接着再进行一次同样的 ad 转换，取 两次的平均值为最终值，保存后返回。 5.65.6、武术动作的编辑、武术动作的编辑 武术最显著的特征是步调、节奏和动作幅度，反映在机器人上就应该控制 机器人的各个关节的的电机转动快慢、时间和角度。要使机器人跳出让观众赏 心悦目的武姿，就应该很好的编排武术动作，充分利用机器人的特点来展现其 动作之美。因而，如何使机器人的动作快慢变化错落有致并富有节奏感将是控 制系统必须解决的关键问题。要设计武术机器人的武术动作，首先需要选择合 适的曲子，然后根据曲子的节拍进行动作编排。 一整套的武术动作其实是由一个一个的单独的武姿构成的，所以设计武术 动作就必须先设计好每个武姿，这时就需要通过电机的滑块来实时