机器人创新实践课件

1机器人创新实践训练中山大学郭东亮主要内容2课程介绍、参考资料机器人基础知识、典型机器人介绍、爬行和轮式机器人竞赛机器人，机器人所需能力、涉及技术、实现方法

博创模块化机器人开发器材NorthStar环境下开发机器人控制程序多功能调试器的连接和使用示例1：绚丽的霓虹灯机器人常用传感器

基于RobotServoTerminal进行舵机设置和检测、调试器检测

示例2：轮式搬运机器人、舵机控制（对舵机的不同姿态进行控制）

课程设计：能躲避障碍的四足爬行机器人NorthStar

北斗星;

robot[ˈrəʊbɒt]机器人;servo[ˈsɜ:vəʊ]舵机课程介绍3课程名称：创新实践训练I课程性质：限选开设学期：大二第一学期学分：1学时：18学时（一个星期）场地：实验中心C301课程内容：基于北京博创尚和科技有限公司的创意之星(InnoStar)模块化机器人套件，开发设计并组装一个可避开障碍物的四足爬行机器人，通过创新实践训练，掌握机器人基础知识、单片机控制技术、传感器技术、程序开发、电机和舵机控制，并对机器人竞赛有一定了解。innovate

[ˈinəveit]vi.改革，创新；vt.引入（新事物、思想或方法）参考资料4InnoSTAR实验指导书.pdf多功能调试器用户手册.pdf创意之星：模块化机器人创新设计与竞赛.北京航空航天大学出版社（部分内容与实际不符）构型资料图片创意之星机器人套件组装指南.pdf舵机原理知识.pdf四足机器人.ppt四足机器人步态规划与仿真.pdf机器人基础知识机器人与普通机器的区别：机器人具有人或生物的某些智能能力。如看到墙壁可以躲开，可以寻找设定目标，可以与外界交流等。普通机器是靠人来操控的，本身并不具备智能能力。我国科学家对机器人的定义：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。机器人的外形：与普通机器可能没什么区别，事实上，大多数机器人并不像人，有的甚至没有一点人的模样。一个重要原因是，在许多场合类人机器人不如其它外形的机器人更适合现场工作环境。5典型机器人介绍6“勇气”号火星探测器：六轮驱动越障能力强，计算机控制核心，机械手上带有多种工具，全景摄相机及各种传感器排爆机器人：轮式与履带结构，6自由度机械手，摄像机，电子点火武器，与前者均属未知、危险环境探测机器人，依靠远程操纵人员控制，有局部的、一定程度的自主能力。清洁机器人：属服务机器人，2004年美国iRobot公司推出的智能机器人吸尘器Roomba，垃圾刷子、真空吸尘器、传感器感知周边环境，自主充电仿人机器人：2000年，本田技研株式会社发布了ASIMO仿人型机器人，是世界上第一台可遥控有两条腿会行动的仿人机器人，可完成行走、上下台阶、弯腰、握手、跳舞；2005年发布的新一代ASIMO可在办公室等环境中作业，包括手推车搬运物品、接待、向导、递送等。工业机器人：KUKA公司推出的Titan工业机器人，6自由度（6轴），串联式关节型机器人，包括腰部回转、肩关节旋转、肘关节旋转、腕关节回转、腕关节俯仰、末端回转共6个自由度。机器人与人的类比7爬行机器人四足爬行机器人8机器人的大脑---控制器机器人的肌肉---舵机机器人的五官---传感器机器人的骨骼---结构件俯视图左视图主视图机器人常用的运动驱动部件有：直流电机（有刷、无刷）步进电机舵机9视频1:四足爬行机器人术语：腿的自由度步态轮式机器人10四轮机器人视频2:四轮机器人转向策略11四轮机器人另一种转向策略12三轮机器人视频2:三轮机器人国际、国内机器人赛事13国际机器人赛事：机器人足球赛FIRA系列机器人足球赛RoboCup系列机器人足球赛机器人综合竞赛国际机器人奥林匹克竞赛FLL世锦赛ABU大学生机器人电视大赛国内机器人赛事：FIRA中国机器人足球锦标赛中国机器人大赛暨RoboCup公开赛全国大学生机器人电视大赛中国青少年机器人竞赛竞赛机器人中国机器人大赛暨RoboCup公开赛规定动作技术挑战赛动作投影技术挑战赛网络机器人对抗赛各分项比赛中比赛规则机器人所需能力涉及的技术实现的方法14视频:2015全国机器人大赛机器人开发器材：主控板主控板：MultiFLEX2-AVR控制器，其处理器是ATMEL公司出品的AVR系列ATmega128单片机，该单片机能在16MHz的频率下运行，对于轻量级的自动控制系统有足够的数据处理能力。AVR系列单片机是当前最为流行的单片机种类之一，接口丰富，开发简单是它最显著的特点。15MultiFLEX2-AVR控制器功能高度集成，具有众多IO、AD接口，能够控制R/C舵机、机器人舵机，具有RS232接口和RS422接口，开发简单，使用图形化集成开发环境，只需编写程序逻辑流程就能够自动生成C代码，将其下载到控制器后便可实现机器人的各种功能控制。开放所有底层函数接口，用户可直接调用这些函数，从而专注于机器人上层算法的研究和编写。机器人开发器材：多功能调试器16UP-Debugger多功能调试器是MultiFLEX2-AVR控制器的主要下载、调试工具。可进行程序下载、串口通信、舵机调试。调试器的配线一端是10针IDC头，另一端是3针和5针杜邦头，杜邦头有三角形标记的为GND。调试器配线机器人开发器材：直流稳压电源17控制器内置一组7.4V锂离子电池，一般情况下使用电池供电，电池电量不足时，使用直流稳压电源给控制器供电锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，但对日常维护要求较高，使用中需注意：电池输出电压会随电量下降而下降，充满电时约8.4V，使用中会降至6.5V，电池电压过低（低于6.5V）时，欠压报警症状：控制器蜂鸣器短促鸣叫，控制器电源指示灯以2s的时间间隔闪烁，此时应切断电源，给电池充电，继续使用会使电池过度放电，造成永久性损伤；过压报警症状：蜂鸣器短促鸣叫，控制器电源指示灯以200ms的时间间隔闪烁直流稳压电源输出为12V/5A，峰值电流可达8A机器人开发器材：舵机18舵机：控制舵面的电机组成：一般由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等几部分组成。舵机的输入线有3条：电源线、地线、控制信号线CDS55xx机器人舵机：舵机模式和电机模式。舵机模式时，输出轴的位置可以在0°-300º内摆动，电机模式时，可整周旋转，既可以作机器人的关节，又可以驱动轮子，是拥有广阔应用前景的执行机构。R/C舵机：使用模拟电路控制的舵机称为模拟舵机或者R/C舵机直流电机：功率大，需使用电机驱动模块，适合驱动轮子CDS5516机器人舵机CDS5401R/C舵机2342直流电机NorthStar环境下开发机器人控制程序NorthStar是一个图形化机器人控制程序开发软件，操作简单，功能强大拖动模块图标、设置模块属性、连线，即可编写控制程序，创建复杂的逻辑编译，下载到控制器中运行软件下载：/ch/ProductView.asp?ID=61安装软件及驱动19示例1：绚丽的霓虹灯绚丽的霓虹灯：对4个LED灯进行控制具体要求：开机—4个灯全亮—按下碰撞传感器—0亮1灭2亮3灭—0.5s后—0灭1亮2灭3亮—0.5s后—0亮1灭2亮3灭—0.5s后—0灭1亮2灭3亮（重复），放开碰撞传感器，4个灯全亮，没有闪烁硬件需要MultiFLEX2-AVR控制器1块多功能调试器和电缆1套LED灯4个结构件碰撞开关1个20NorthStar下开发控制程序，编译21新建文档工程设置拖出模块属性设置连线保存工具/编译工具/下载编辑窗口模块窗口代码窗口输出窗口常见问题编译失败若出现Compilefailed的情况，可选用如下方法将安装文件夹的安全属性设为完全控制安装到其它盘下载失败安装驱动：“AVR单片机开发环境”文件夹下AVRStudio4b528.exeAVRStudio4.13SP2.exe22多功能调试器的连接和使用通过调试器将编译好的程序下载到控制器将调试器接入电脑USB口，标准USB连接电脑，方口USB连接调试器首次使用调试器需安装驱动，在win7下系统自动识别下载调试线一端IDC10，一端5针杜邦头和3针杜邦头23下载调试线方口USB线IDC10连接调试器调试器与控制器的连接245针杜邦头插入中间的排针，注意三角形标记是第一脚，对应电路板上的三角形标记，且杜邦头上的三角形标记朝向外壳；3针杜邦头插入左侧排针，且是中间的三个针（GND,TXD,RXD），三角形标记对应GND，朝向外壳。

3针杜邦头5针杜邦头25下载打开AVR控制器电源，按下调试器的模式选择按键，使模式切换为AVRISP；NorthStar菜单栏中“工具”菜单中，选择“下载”下载成功后的界面如图，下载完成后，先关电源，拔掉下载调试线，重新开机看到0、2灯亮，0.5s后，1、3灯亮，反复循环绚丽的霓虹灯组装效果图26用电源适配器给控制器充电IO口插入4个LED灯增加传感器的绚丽的霓虹灯27视频3：绚丽的霓虹灯机器人常用传感器碰撞传感器红外接近传感器红外测距传感器灰度传感器28声音传感器姿态传感器机器人舵机调试系统RobotServoTerminal机器人舵机（CDS55XX）专用调试环境可用于舵机设置、舵机检测、调试器检测连接调试器、舵机、直流电源，调试器切换到Servo模式29连接舵机Servo模式30Com框输入对应端口号,点击Open打开串口，打开后，界面绿灯变红，调试器上通讯指示灯闪烁打开串口设置查询模式单击Serch搜索舵机，如果连接正确，列表框中出现舵机ID和波特率注意：不插舵机电源搜不到舵机！搜索舵机31停止搜索单击Stop停止查询列表框中选择要操作的舵机，切换到Operate操作界面，可设置ID（输入）设置ID（人工输入）32基于RobotServoTerminal进行舵机检测视频4：舵机调试舵机操作状态监测告警指示舵机操作区，在舵机模式下拖动位置滑动条，观察舵机动作；在电机模式下，拖动速度滑动条，观察舵机动作检查通讯接口检查紧固螺口警示！舵机测试时注意一定要断电接线，很多同学在带电的情况下插拔舵机的控制线，导致舵机烧毁多台，损失重大！调试板一端是舵机电源接口，先断舵机电源，再接插舵机控制线若软件界面串口开的情况下拔USB线，程序会死机；若先在软件界面断开串口，再拔USB线则不会，但由于接下来要再插入，所以不必拔，只需软件见面关串口；实际发现：USB线一直插、软件界面串口一直开，不会导致问题，所以，只需拔舵机电源，再插舵机控制线。AVR控制器也这样操作，即开关打到关闭（OFF）时接插电源或控制线，接好后才可以打到ON一般电类实验中应遵守“先接线后通电，先断电后拆线”，可见接线要先断电，拆线也要先断电，禁止带电插拔。33舵机电源示例2：轮式搬运机器人机器人构型：由特定零件、执行器、传感器等搭建组合而成的，能够完成某些动作或行为的机械、控制、传感的总和称为机器人构型。安装底板和舵机架：“面接触、键连接、螺钉紧固”的方式，工具：十字螺丝刀、尖嘴钳、工具刀。（镊子）注意不可太用力，以免将螺钉十字弄花注意安装顺序，舵机线需先安装，否则可能出现没有足够操作空间的情况拧螺丝九分紧即可；注意螺丝长度，一般情况下尽量用短的；舵机架紧固螺丝如果后装可能会没有安装空间，一般对角线方向装2个足够34典型连接方式注意区别安装过程35橡胶轮的安装安装4个舵机安装4个橡胶轮安装舵盘36通过花键固定于结构件滑动轴承，实际需加垫片安装机械手安装舵机架底板上安装机架机械手肘关节舵机有机械手的四轮搬运车组装带机械手的搬运车使用NorthStar编程新建工程、参数设置，将小车的四轮驱动舵机编号为1-4，设置为电机模式，机械手的舵机编号为5、6、7，设置为舵机模式增加启动开关：开关流程图如下，一个变量（variable）模块组成一个软开关，与声音（碰撞）传感器对应，可实现拍手（按钮）启动机器人37多个模块设置38将舵机模块拖入编辑窗口，双击设置属性，所有舵机作为一个集合对应一种机器人运行状态，单击ID，设置转速、位置，正负号对应不同方向。电机正值，逆时针转动；负值，顺时针转动。速度取值范围-1023～1023，绝对值越大转速越快。小车前进：舵机速度为左正（逆时针）右负（顺时针），后退相反。左转：四轮全顺时针转，右转相反停止（四轮速度都为0）拖动数字输出模块，设置LED灯亮灭39流程图前进-转弯流程图增加开关等待夹持物给机械手编写动作基本步骤：卸载---扳到合适位置---查询位置---保存位置舵机在线调试准备（1）连接PC、调试器、控制器，切换调试器到AVRISP模式，打开控制器电源；（2）单击舵机属性中的“启动服务”按钮，下载服务程序；（3）下载结束后，将调试器切换到RS232模式；（4）端口号中输入正确的端口号，单击“打开”按钮打开串口舵机在线调试打开串口后，在列表中选择一个舵机，选择“调试”复选框，拖动角度或速度滑动条，相应ID的舵机就会运动。张开机械手选中“卸载全部”（切断转矩输出），用手扳动到合适位置，单击“获取位置”，舵机位置滚动显示，选中“保存位置”复选框，则保存当前位置到列表中，单击“确定”保存位置。拖入一个延时模块，让机械手张开足够时间，等待物体放入钳口40打开串口成功启动服务成功调试舵机：NorthStar工具/调试舵机，可用于测试舵机性能、设置舵机模式、查询舵机位置。在线调试查询保存位置机械手动作及小车动作41夹持物体拖入一个舵机，双击打开属性，物体放入钳口中，手扳动机械手钳口，夹住物体，查询舵机位置，舵机位置滚动显示，选中“保存位置”复选框，保存当前位置到列表中，单击“确定”按钮保存设置。

拖入一个延时模块，设置延时。小车后退参考前进，数值相反；机械手舵机位置必须保持夹持状态数值，不能为默认的512；拖入延时模块，设置时长。左转、前进、回到原处松开机械手恢复原状连线、编译、下载程序调试：机器人放到场地，打开电源开关运行，看是否与规划任务一致，若不一致则修改程序，再次编译、下载、运行查看效果；此过程需反复进行，直至实现规定的任务。夹持物体课程设计：能躲避障碍的四足爬行机器人