基于stm32的人形機(jī)器人制作

1、摘要： 變形機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域中新興起的一個(gè)研究方向，同時(shí)也是當(dāng)前機(jī)器人學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本課題參照人體骨骼結(jié)構(gòu)并綜合考慮運(yùn)動(dòng)中模塊間的碰撞、結(jié)構(gòu)變化步數(shù)以及車(chē)型狀態(tài)等因素，為機(jī)器人設(shè)計(jì)精確構(gòu)型。基于機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，詳細(xì)探討本項(xiàng)目變形機(jī)器人人車(chē)變形過(guò)程，具體展示不同構(gòu)型的特點(diǎn)及相互之間的轉(zhuǎn)換和銜接，打破變形機(jī)器人研究局限，推進(jìn)本領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的突破。本文我們主要對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品-變形金剛機(jī)器人進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該變形機(jī)器人旨在滿足四五歲兒童對(duì)于變形金剛機(jī)器人玩具的需求，可在戰(zhàn)車(chē)和機(jī)器人之間變換，并且各變形處的機(jī)構(gòu)變換設(shè)計(jì)巧妙，變換的多變性、趣味性和實(shí)用性都非常高，在戰(zhàn)車(chē)和變形后機(jī)器人的外

2、觀上極為逼真、酷炫，對(duì)兒童極具吸引力。我們首先對(duì)市場(chǎng)前景進(jìn)行了調(diào)查和分析，之后查閱相關(guān)資料并進(jìn)行分析，隨后進(jìn)行機(jī)器人方案設(shè)計(jì)及具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并繪制機(jī)器人總裝圖和關(guān)鍵零部件圖，然后進(jìn)行傳感與控制方案設(shè)計(jì)，包括硬件與軟件設(shè)計(jì)，試驗(yàn)測(cè)試，最后編制課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。本文對(duì)于硬件電路的連接和軟件控制方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡明，完成變形金剛機(jī)器人變形、行走的功能，并實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊功能。推薦精選目錄第一章 方案設(shè)計(jì)61機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)62驅(qū)動(dòng)方案選擇72.1電機(jī)的選擇73傳感器的選擇74結(jié)構(gòu)的合理性和參數(shù)的合理性8第二章 動(dòng)作的總體規(guī)劃詳細(xì)方案91人形態(tài)下的行走設(shè)計(jì)92車(chē)形態(tài)下的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)93人車(chē)轉(zhuǎn)換的變形設(shè)計(jì)9

3、第三章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)101軟件系統(tǒng)總體方案102控制方案與流程11第四章 程序12第五章 項(xiàng)目心得14推薦精選第一章 方案設(shè)計(jì)1 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)本次任務(wù)主要對(duì)我們的機(jī)電一體化產(chǎn)品-變形金剛機(jī)器人進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變形。外部機(jī)械結(jié)構(gòu)包括作為戰(zhàn)車(chē)整體外觀的軀殼和車(chē)頂，用于連接軀殼以及車(chē)頂?shù)闹Ъ?，與支架連接組成戰(zhàn)車(chē)車(chē)頭的兩個(gè)車(chē)頭燈以及引擎蓋，與支架上端連接的頭部，與支架中部連接的兩條手臂以及與支架下端連接的兩條腿，安裝于二條手臂上的前輪以及安裝于二條腿上的后輪。變形機(jī)器人的設(shè)計(jì)不同于一般人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)人形狀態(tài)的完備功能，機(jī)器人的構(gòu)型需要依照人類運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的構(gòu)造而設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目變形機(jī)器

4、人采用了15個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)其完整的功能。首先是變形機(jī)器人人形基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（如圖2-1）。腿部由6個(gè)舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人形的基本功能，保證變形機(jī)器人處于人形狀態(tài)下能夠自由行走，并且能夠?qū)崿F(xiàn)直走、轉(zhuǎn)彎、劈叉等多個(gè)功能。手部應(yīng)用了4個(gè)舵機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)手部的前舉、上舉等功能。另外是胸部的設(shè)計(jì)。當(dāng)變形金剛在車(chē)形態(tài)向人形態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，用胸部支架處兩個(gè)舵機(jī)將車(chē)前身的兩個(gè)輪子移動(dòng)至胸前部，作為人形態(tài)的胸部的一部分，再用另外兩個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)曲柄來(lái)帶動(dòng)胸部滑塊的移動(dòng)，完成胸部的合攏，同時(shí)擋板轉(zhuǎn)動(dòng)覆蓋住舵機(jī)。為保證車(chē)型機(jī)器人（如圖2-2、圖2-3）的實(shí)現(xiàn)，在機(jī)器人膝關(guān)節(jié)處加裝了一對(duì)直流電機(jī)并配有防滑輪作為主動(dòng)輪，而在機(jī)器人

5、的肩部加裝了一對(duì)防滑輪作為從動(dòng)輪，由主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自由前進(jìn)。同時(shí)，在變形構(gòu)型設(shè)計(jì)上既要考慮在變形過(guò)程中模塊間的碰撞、一次結(jié)構(gòu)改變的步數(shù)以及確保模塊集合可以到達(dá)必要的位置，又要精確設(shè)計(jì)車(chē)型四輪的安裝位置，以及其他構(gòu)型對(duì)其變形過(guò)程所造成的影響。圖2-1 機(jī)器人人形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖推薦精選圖2-2 機(jī)器人車(chē)型結(jié)構(gòu)正面圖 圖2-3 機(jī)器人車(chē)型結(jié)構(gòu)背面圖2 驅(qū)動(dòng)方案選擇1.1.1.1.2.2.1 電機(jī)的選擇機(jī)體設(shè)計(jì)的電機(jī)有兩種，一種是各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，另一種是車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。對(duì)于關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，要求能夠轉(zhuǎn)動(dòng)指定的角度，且能提供一定的力矩。車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求能夠連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，且能夠減速和加速。根據(jù)要

6、求并考慮到成本，關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇了舵機(jī)，車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇了直流電機(jī)。電機(jī)參數(shù)電機(jī)種類型號(hào)參數(shù)舵機(jī)MG995轉(zhuǎn)矩13kg/cm 重量55g直流電機(jī)JGA25-37020rad/s 重量80g3 傳感器的選擇因?yàn)樯婕暗饺诵文Ｊ较碌倪\(yùn)動(dòng)，為了增加控制精度，考慮增加陀螺儀以作為輔助考慮到精度要求和成本，選擇陀螺儀的型號(hào)如下傳感器參數(shù)推薦精選型號(hào)電壓體積姿態(tài)測(cè)量穩(wěn)定度JY-9013V6V15.24X15.24 X 20.014 結(jié)構(gòu)的合理性和參數(shù)的合理性變形機(jī)器人所有模塊的運(yùn)動(dòng)都基于一套幾何學(xué)的原理，同時(shí)，在變形構(gòu)型設(shè)計(jì)上既要考慮在變形過(guò)程中模塊間的碰撞、一次結(jié)構(gòu)改變的步數(shù)以及確保模塊集合可以到達(dá)必

7、要的位置，又要精確設(shè)計(jì)車(chē)型四輪的安裝位置，以及其他構(gòu)型對(duì)其變形過(guò)程所造成的影響。比如在設(shè)計(jì)初期，我們就遇到了這樣的問(wèn)題，由于兩個(gè)腳板在變形過(guò)程中會(huì)發(fā)生碰撞和干涉，修改模型和零件耗費(fèi)了不少時(shí)間，因此一定要注意結(jié)構(gòu)的合理性及參數(shù)的合理性。推薦精選第二章 動(dòng)作的總體規(guī)劃詳細(xì)方案1 人形態(tài)下的行走設(shè)計(jì)根據(jù)變形金剛機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)直線行走、轉(zhuǎn)彎的步態(tài)控制功能，最終決定髖關(guān)節(jié)配置1個(gè)自由度，即俯仰（pitch）自由度，膝關(guān)節(jié)配置1個(gè)俯仰自由度，踝關(guān)節(jié)配置有1個(gè)自由度，即偏轉(zhuǎn)（yaw）的自由度。每條腿各配置3個(gè)自由度，兩條腿共6個(gè)自由度。步態(tài)行走時(shí)，通過(guò)腿部姿態(tài)的調(diào)整，核心思想是“先移重心后邁腳”，完成直線行走

8、和轉(zhuǎn)彎行走。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動(dòng)作可完成機(jī)器人的在徑向平面內(nèi)的直線行走功能；踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)在側(cè)向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能；上述關(guān)節(jié)的自由度共同協(xié)調(diào)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的靜態(tài)轉(zhuǎn)彎功能。具體動(dòng)作過(guò)程即，首先腳板偏轉(zhuǎn)調(diào)整重心，隨后通過(guò)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，完成邁腿，按此思想進(jìn)行調(diào)試。腿部結(jié)構(gòu)三維圖如下所示。圖3-1 腿部結(jié)構(gòu)三維模型2 車(chē)形態(tài)下的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)為保證車(chē)型機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)，在機(jī)器人膝關(guān)節(jié)處加裝了一對(duì)直流電機(jī)并配有防滑輪作為主動(dòng)輪，而在機(jī)器人的肩部加裝了一對(duì)防滑輪作為從動(dòng)輪，由主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自由前進(jìn)。3 人車(chē)轉(zhuǎn)換的變形設(shè)計(jì)本項(xiàng)目機(jī)器人變形過(guò)程中，腳踝上直流電機(jī)與

9、舵機(jī)、膝蓋舵機(jī)、腰部舵機(jī)照指令旋轉(zhuǎn)，促使變形機(jī)器人身體部位前傾，根據(jù)慣性，機(jī)器人身體部位向前轉(zhuǎn)動(dòng)落于腿部、腰部部位接觸地面、腿部呈現(xiàn)折疊狀態(tài)。這時(shí)，變形機(jī)器人腿關(guān)節(jié)處裝有的車(chē)輪便與地面接觸，使其變成車(chē)型機(jī)器人的車(chē)輪，從而實(shí)現(xiàn)人形到車(chē)型的狀態(tài)。接著，根據(jù)指令，轎車(chē)形態(tài)的機(jī)器人開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。在實(shí)現(xiàn)轎車(chē)形態(tài)與雙足形態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)，利用機(jī)器人的車(chē)門(mén)即手來(lái)做定點(diǎn)支撐，腿部伸直，腳板貼地，利用舵機(jī)的力度，使機(jī)器人緩緩撐起，從而得到雙足的狀態(tài)。如圖2-1、圖2-2所示。推薦精選第三章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 軟件系統(tǒng)總體方案選用“上位機(jī)+串口+下位機(jī)”的控制系統(tǒng)解決方案。上位機(jī)控制軟件的主要功能是對(duì)預(yù)定的機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃

10、和位置插補(bǔ)，再按照一定時(shí)間和次序發(fā)送給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)位置和速度控制；下位機(jī)主要功能是接收上位機(jī)發(fā)送的位置信號(hào)，根據(jù)信號(hào)要求產(chǎn)生PWM波，控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人按動(dòng)作規(guī)劃完成動(dòng)作。相應(yīng)的，下位機(jī)主要由串口通信部分、電源、時(shí)鐘部分、CPU及接口部分、復(fù)位信號(hào)五部分組成。當(dāng)下位機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，采用中斷方式進(jìn)行接收，以保證通信的實(shí)時(shí)性，而下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，則通過(guò)調(diào)用發(fā)送函數(shù)完成發(fā)送功能。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，須先接收第一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，以確定該數(shù)據(jù)幀占用的字節(jié)數(shù)，確定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度后，將關(guān)閉串行通信中斷，采用查詢方式接收數(shù)據(jù)，直至接收完該數(shù)據(jù)幀為止。下位機(jī)數(shù)據(jù)接收中斷服務(wù)程序的流程如圖5-1所示。

11、 圖5-1 下位機(jī)數(shù)據(jù)接收中斷服務(wù)程序流程圖推薦精選2 控制方案與流程在實(shí)現(xiàn)轎車(chē)形態(tài)與雙足形態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)，利用機(jī)器人的車(chē)門(mén)即手來(lái)做定點(diǎn)支撐，腿部伸直，腳板貼地，利用舵機(jī)的力度，使機(jī)器人緩緩撐起，從而得到雙足的狀態(tài)。步態(tài)行走時(shí)，通過(guò)腿部姿態(tài)的調(diào)整，核心思想是“先移重心后邁腳”，完成直線行走和轉(zhuǎn)彎行走。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動(dòng)作可完成機(jī)器人的在徑向平面內(nèi)的直線行走功能；踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)在側(cè)向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能；上述關(guān)節(jié)的自由度共同協(xié)調(diào)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的靜態(tài)轉(zhuǎn)彎功能。首先，利用舵機(jī)控制板控制腿部姿態(tài)，腳板偏轉(zhuǎn)調(diào)整重心，隨后通過(guò)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，完成邁腿和變形，按此思想進(jìn)行

12、調(diào)試。記錄下各個(gè)舵機(jī)的參數(shù)變化，利用單片機(jī)stm32軟件編程，利用無(wú)線串口模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線操控。軟件流程圖如下圖所示。推薦精選第四章 程序部分程序如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)超時(shí)處理單片機(jī)每隔200ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)推薦精選單片機(jī)延時(shí)50ms返回推薦精選第五章 項(xiàng)目心得本次機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要研究了變形金剛機(jī)器人，基于機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究變形機(jī)器人人車(chē)變形的過(guò)程，參照人體骨骼結(jié)構(gòu)并綜合考慮運(yùn)動(dòng)中模塊間的碰撞、結(jié)構(gòu)變化步數(shù)以及車(chē)型狀態(tài)等因素，為機(jī)器人設(shè)計(jì)精確構(gòu)型，具體展示不同構(gòu)型的特點(diǎn)及相互之間的轉(zhuǎn)換和銜接，打破變形機(jī)器人的研究局限，推進(jìn)本領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的創(chuàng)新。我們首先進(jìn)行了可行性分析，方案的比較和設(shè)計(jì)，硬件和軟件部分的設(shè)計(jì)，同時(shí)還進(jìn)行了三維圖的繪制，我們組還制作了動(dòng)畫(huà)的仿真，總的來(lái)說(shuō)這次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)量是比較大的。在課設(shè)過(guò)程中大家相互討論，方案的選擇和設(shè)計(jì)的思路也最終越來(lái)越清晰。這次課程設(shè)計(jì)對(duì)