自由體操機(jī)器人1技術(shù)報(bào)告

1、. . . . 2010年中國機(jī)器人大賽自由體操機(jī)器人技術(shù)報(bào)告指導(dǎo)老師：明、王軍項(xiàng)目名稱：自由體操機(jī)器人隊(duì)伍名稱：碩碩體操一隊(duì)參賽人員：林江 徐雍 肖曉明目錄一、 引言二、方案設(shè)計(jì)1、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2、控制原理設(shè)計(jì)3、驅(qū)動(dòng)與電源設(shè)計(jì)三、技術(shù)支持1、伺服電機(jī)控制方法2、單片機(jī)使用方法3、控制電路板原理4、串口通訊原理四、控制模塊1、單片機(jī)控制原理2、舵機(jī)控制原理五、電源模塊六、程序模塊 1、程序設(shè)計(jì) 2、代碼分析七、未來展望引言為拓展大學(xué)生的動(dòng)手與實(shí)踐能力，創(chuàng)建一流校風(fēng)、學(xué)風(fēng)，讓學(xué)生更熱衷于科學(xué)技術(shù)的研究;同時(shí)進(jìn)一步推進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新教育，提高大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新實(shí)踐能力，鍛煉青年學(xué)生綜合素質(zhì)，RO

2、BCUP全國機(jī)器人大賽暨2010中國機(jī)器人大賽將于七月十八號(hào)舉行，這次大賽是對(duì)廣學(xué)創(chuàng)新素質(zhì)的綜合考驗(yàn)，也受到了廣學(xué)的積極反應(yīng)。中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽是中國最具影響力，最權(quán)威的機(jī)器人技術(shù)大賽，基本覆蓋了中國現(xiàn)有最頂級(jí)的機(jī)器人專家和眾多知名機(jī)器人學(xué)者，成為當(dāng)今中國機(jī)器人尖端技術(shù)產(chǎn)業(yè)競(jìng)賽和人才匯集的活動(dòng)之一，廣泛涉與電子信息、通訊網(wǎng)絡(luò)、裝備制造、工控、人機(jī)交互、傳感與視覺、定位導(dǎo)航、人工智能、航天航空等前沿技術(shù)領(lǐng)域。大賽從1999年開始已成功舉辦了十一屆，、等地成功舉辦了歷屆大賽。本次中國機(jī)器人大賽是由中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)機(jī)器人競(jìng)賽工作委員會(huì)、RoboCup中國委員會(huì)、科技部高技術(shù)研究發(fā)展中

3、心、鄂爾多斯市人民政府共同主辦。今年大賽在我國鄂爾多斯康巴什新區(qū)舉行，參賽情況盛況空前，參賽隊(duì)伍遠(yuǎn)超于往屆，達(dá)到1021支隊(duì)，參賽大學(xué)171所，參賽人員接近3000人，參賽賽種65項(xiàng)，由此看出，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)在國的影響日漸擴(kuò)大，機(jī)器人熱潮開始興起。 機(jī)器人時(shí)代將要來臨。我校高度重視在大學(xué)生力開展創(chuàng)新實(shí)踐教育，鼓勵(lì)學(xué)生參與各類科技創(chuàng)新活動(dòng)，其中機(jī)器人制作水平高，特點(diǎn)突出，比賽開展得如火如荼，學(xué)生在參加全國、行業(yè)協(xié)會(huì)等各項(xiàng)機(jī)器人賽事中，取得了不俗成績(jī)：2003 年參加“馬斯特杯”中國機(jī)器人大賽的舞蹈機(jī)器人和機(jī)器人游項(xiàng)目，獲得二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)；在第四屆全國智能機(jī)器人大賽中獲得 2項(xiàng)二等獎(jiǎng)；在“動(dòng)

4、感地帶杯”2 004年省大學(xué)生機(jī)器人大賽中，獲冠軍1項(xiàng)，鼓勵(lì)獎(jiǎng)2項(xiàng)；在“新科導(dǎo)航杯”2 005年中國機(jī)器人大賽中，我校參賽的5 個(gè)機(jī)器人全部獲獎(jiǎng)，奪得舞蹈組冠軍、類人組季軍，獲得舞蹈組一、二、三等獎(jiǎng)各 1 項(xiàng)，類人組三等獎(jiǎng) 2 項(xiàng)。2005 年 5 月中央電視臺(tái)異想天開欄目以我校機(jī)器人大賽為背景，攝制了五集專題節(jié)目。在2007“銀泉杯”中國機(jī)器人大賽中，我校26 支代表隊(duì)在比賽中再獲佳績(jī)，共獲得一等獎(jiǎng)5 項(xiàng)、二等獎(jiǎng) 4 項(xiàng)、三等獎(jiǎng) 9 項(xiàng)。方案設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、軟件模塊、電源模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊構(gòu)成。一、 體操機(jī)器人整體設(shè)計(jì)1、機(jī)器人概述：此次設(shè)計(jì)的體操機(jī)器人主要由機(jī)械

5、結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，如果認(rèn)為機(jī)械結(jié)構(gòu)是人的骨架，那么控制系統(tǒng)就被認(rèn)為是人的大腦，所以機(jī)器人的先進(jìn)程度與功能強(qiáng)弱通常都直接與其控制系統(tǒng)的性能密切相關(guān)。機(jī)器人控制系統(tǒng)是根據(jù)指令與傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置，它是機(jī)器人的心臟，決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。作為機(jī)器人的核心部分，機(jī)器人控制系統(tǒng)是影響機(jī)器人性能的關(guān)鍵部分之一，它從一定程度上影響著機(jī)器人的發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不僅取決于其機(jī)械機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，在很大程度上還依賴于一個(gè)性能優(yōu)良的智能控制系統(tǒng);而一個(gè)工作穩(wěn)定、精度可靠的、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的控制系統(tǒng)不僅需要高級(jí)的控制算法，還需要實(shí)現(xiàn)控制算法的手段。很長(zhǎng)時(shí)間以來國外的學(xué)者提出了諸多的控制算法，

6、也設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)某些算法的控制器，但整個(gè)技術(shù)還處在實(shí)驗(yàn)階段，沒有進(jìn)入市場(chǎng)，特別是一些高級(jí)控制方法在實(shí)際中效果根本不理想，所以機(jī)器人控制系統(tǒng)有待進(jìn)一步研究。2、制作目標(biāo)：設(shè)計(jì)并制作一種能夠完成指定動(dòng)作的體操機(jī)器人。可以根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的動(dòng)作，以與定制的指令程序完成一系列高難度的體操動(dòng)作，包括俯臥撐、前滾翻、后滾翻、側(cè)翻與其他高難度動(dòng)作。其研究領(lǐng)域涉與到3D模型繪制與動(dòng)力學(xué)仿真、單片機(jī)、電路理論、自動(dòng)控制、電機(jī)原理與拖動(dòng)、接口技術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、電子工藝等多方面的容，以實(shí)現(xiàn)其智能控制。3、 方案設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。首先對(duì)機(jī)器人的自由度安排進(jìn)行考慮，以使其可以完成預(yù)先設(shè)想的動(dòng)作。其次是考慮各個(gè)連接部件如

7、舵機(jī)，卡口，電池和控制板的尺寸具體設(shè)計(jì)各卡口的形狀尺寸以與電池和電路板的尺寸等。整體設(shè)計(jì)：我們?cè)O(shè)計(jì)的自由體操機(jī)器人主要由金屬鋁條構(gòu)成，身高約為21cm，結(jié)構(gòu)尺寸比例是在研究體操運(yùn)動(dòng)員大量圖片、視頻，最終確定一個(gè)原始模型后，跟據(jù)比例縮放得到的，在制作前進(jìn)行了大量的仿真與實(shí)驗(yàn)。其中，主要運(yùn)動(dòng)部位包括：頭部、腹部、肩部、手部、腿部和腳部。運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)由伺服電機(jī)控制。實(shí)物圖：零件設(shè)計(jì)CAD圖舵盤卡口設(shè)計(jì)圖舵機(jī)底部卡口肩膀與手臂相連部分腳板1腳板2手部頭部卡口自由度設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)含有十個(gè)自由度的自由體操機(jī)器人，各個(gè)自由度分布如下：頭部一個(gè)（控制前肢）；腹部一個(gè)（控制軀干動(dòng)作）；肩部、手部、腿部和腳各兩個(gè)。通過

8、伺服電機(jī)的控制，可以完成一些基本并帶有一定難度的動(dòng)作。動(dòng)作設(shè)計(jì)：首先，機(jī)器人向所有裁判與觀眾鞠躬致意，然后進(jìn)行雙手俯臥撐，在雙手俯臥撐之后，分別進(jìn)行兩個(gè)難度較高的單手俯臥撐，當(dāng)動(dòng)作完成后，起身直立。接下來機(jī)器人進(jìn)行前滾翻接后滾翻，然后進(jìn)行倒立，并劈叉，緊接著機(jī)器人進(jìn)行向左、向右的單手側(cè)翻各一次，完成動(dòng)作后起身直立。最后進(jìn)行自選動(dòng)作，即倒立式撐起，當(dāng)這些動(dòng)作全部完成，機(jī)器人直立，向評(píng)委與觀眾致意。技術(shù)支持串口調(diào)試1.1 設(shè)置串口參數(shù)：串口號(hào)：1-16波特率：600-256000，>115200 時(shí)需要硬件支持。2 接收區(qū)鍵盤發(fā)送區(qū)2.1 接收數(shù)據(jù)a) 設(shè)置串口參數(shù) b) 如果要按十六進(jìn)制形

9、式顯示接收數(shù)據(jù)，將十六進(jìn)制顯示選項(xiàng)選中。c) 點(diǎn)擊打開/關(guān)閉串口區(qū)中的打開串口按鈕。2.2 顯示接收數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度因某些限制，顯示接收數(shù)據(jù)的文本不能太長(zhǎng)，所以當(dāng)顯示文本長(zhǎng)度快達(dá)到 62K 時(shí)會(huì)自動(dòng)將顯示文本刪減到 32K，此時(shí)文本可保留 32K 的字符或約 10K 的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)顯示。2.3 在鍵盤上發(fā)送英文字符 a)在接收區(qū)/鍵盤發(fā)送區(qū)的輸入框中用鼠標(biāo)點(diǎn)一下。 b)在鍵盤按下按鍵立刻發(fā)送。在這里不能發(fā)送回車換行，也不能發(fā)送漢字，若要發(fā)送請(qǐng)?jiān)趩巫址l(fā)送區(qū)發(fā)送。3 發(fā)送數(shù)據(jù)可以發(fā)送單字符串,多字符串(字符串序列)或直接在鍵盤上發(fā)送英文字符。有兩種發(fā)送數(shù)據(jù)格式，一種是普通的字符串,另外一種是十六進(jìn)制

10、數(shù)據(jù)即 HEX 格式數(shù)據(jù)。發(fā)送 HEX 格式數(shù)據(jù)時(shí)要在字符串輸入?yún)^(qū)中輸入 HEX 格式字符串，并且要將相應(yīng)區(qū)的十六進(jìn)制發(fā)送選項(xiàng)選中。例：HEX 格式數(shù)據(jù)字符串12 34 AB CD FF3.1 單字符串發(fā)送區(qū)3.1.1自動(dòng)發(fā)送，自動(dòng)發(fā)送周期：此項(xiàng)功能可以每隔一段時(shí)間反復(fù)地自動(dòng)發(fā)送輸入框中的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊自動(dòng)發(fā)送按鈕后即啟動(dòng)自動(dòng)發(fā)送功能。自動(dòng)發(fā)送周期最大為 65535mS。3.2 多字符串發(fā)送區(qū)在多字符串發(fā)送區(qū)可以發(fā)送一個(gè)字符串，或者自動(dòng)地、依次發(fā)送所有的字符串。請(qǐng)把鼠標(biāo)移到“接收區(qū)鍵盤發(fā)送區(qū)”和“多字符串發(fā)送區(qū)”之間，當(dāng)鼠標(biāo)形狀發(fā)生變化時(shí)按下鼠標(biāo)器的左鍵不松開，然后移動(dòng)鼠標(biāo)，將“多字符串發(fā)送區(qū)”的

11、寬度調(diào)寬一些，讓“間隔時(shí)間”顯露出來。3.2.1發(fā)送一個(gè)字符串 a) 輸入字符串。 b) 如果要發(fā)送 16 進(jìn)制數(shù)據(jù), 要先在字符串后的 HEX 選項(xiàng)框中打上對(duì)勾。 c) 點(diǎn)擊發(fā)送按鈕。發(fā)送后，按鈕上的數(shù)字作為當(dāng)前字符串序號(hào)保存起來，此序號(hào)在自動(dòng)循環(huán)發(fā)送中要用到它。3.2.2發(fā)送多個(gè)字符串(字符串序列) a) 輸入多個(gè)字符串。 b) 如果要發(fā)送 16 進(jìn)制數(shù)據(jù), 將相應(yīng)的 HEX 選項(xiàng)打上對(duì)勾。 c) 輸入間隔時(shí)間，最大為 65535mS。 d) 點(diǎn)擊自動(dòng)循環(huán)發(fā)送按鈕。延時(shí)時(shí)間到達(dá)后發(fā)送當(dāng)前字符串( 見3.2.1的步驟 c) )的下一個(gè)字符串，間隔一段時(shí)間后再發(fā)送下一個(gè)。發(fā)送完畢自動(dòng)從頭開始繼

12、續(xù)發(fā)送。4 打開/關(guān)閉串口區(qū)其他技術(shù)：1、伺服電機(jī)與普通直流電機(jī)的性能與控制方法2、Amega16單片機(jī)的使用方法與控制電路板的制作3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些規(guī)律與裝置設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)4、動(dòng)作調(diào)試軟件的編寫思想與源代碼5、舵機(jī)原理與加工方法基本控制模塊電路控制模塊采用Atmel公司的Atmaga16L單片機(jī)作為主控制器。Atmage16有如下特點(diǎn)：16K字節(jié)的系統(tǒng)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C),片

13、/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以與六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式電源模塊采用鋰電池供電，因?yàn)殇囯姵匾子诎惭b固定且供電效果較穩(wěn)定，因此選用8V鋰電池為舵機(jī)供電。通過一個(gè)1117芯片的降壓穩(wěn)壓后得到5V電壓給單片機(jī)供電。產(chǎn)品規(guī)格技術(shù)參數(shù)尺寸 (mm)重量線長(zhǎng)6.0V7.4V轉(zhuǎn)動(dòng)角度速度扭力速度扭力ABCDEgozcmsec/60okg-cmoz-insec/60okg-cmoz-in40.220.441.5  572

14、.0無0.2112166.60.1913.6188.9180°適用圍：機(jī)器人 采用Servo(航模用伺服電機(jī)，也稱“舵機(jī)”)為主要驅(qū)動(dòng)手段，此外在部分部位也可以使用直流電機(jī)。Servo伺服電機(jī)主要靠脈沖來定位，伺服電機(jī)每接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移伺服電機(jī),通過發(fā)送脈沖的頻率就可以控制轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。Servo伺服電機(jī)可控速度,位置精度非常準(zhǔn)確,且成本低廉，控制簡(jiǎn)便，較其他電機(jī)有著很大的優(yōu)勢(shì)。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)

15、生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。程序模塊在軟件方面，在機(jī)器人的關(guān)節(jié)舵機(jī)控制方面，采用由中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的用Visual Basic開發(fā)的機(jī)器人動(dòng)作調(diào)試軟件編寫代碼；對(duì)單片機(jī)剩余端口進(jìn)行定義，使之根據(jù)需要控制自由體操機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)部位。/*主函數(shù)*void main(void) unsigned int indexm;unsigned char shuru;/*初始

16、化* CLI(); /disable all interruptsport_init();timer1_init(); fuwei();MCUCR = 0x00;GICR = 0x00;TIMSK = 0x04; /timer interrupt sourcesSEI(); /re-enable interrupts/*dongzuo(); while(1);#include <iom16v.h>#include <macros.h>#include <MATH.H>unsigned int dataa,datab;signed int a24,b24,c2

17、4,d24;unsigned char flag=0;unsigned int i=0;void dongzuo();/*void port_init(void)/端口初始化 DDRA = 0xFF; DDRB = 0xFF; DDRC = 0xFF; DDRD = 0x00;/*T1初始化void timer1_init(void) TCCR1B = 0x00; /stop TCNT1H = 0xFF; /setup 初值 TCNT1L = 0x30; TCCR1A = 0x00;/tart Timer TCCR1B = 0x04; /*T1中斷*#pragma interrupt_hand

18、ler timer1_ovf_isr:9void timer1_ovf_isr(void) /TIMER1 has overflowed TCNT1H = 0xFF; /reload counter high value TCNT1L = 0x30; /reload counter low value flag+; flag%=9; switch(flag) case 0: PORTA|=0x0f; for(i=0;i<465;i+); for(i=0;i<451;i+) if(i=a0) PORTA&=BIT(0);if(i=a1) PORTA&=BIT(1);

19、if(i=a2) PORTA&=BIT(2);if(i=a3) PORTA&=BIT(3); ;break;case 1: PORTA|=0xf0; for(i=0;i<465;i+); for(i=0;i<451;i+) if(i=a4) PORTA&=BIT(4);if(i=a5) PORTA&=BIT(5); if(i=a6) PORTA&=BIT(6);if(i=a7) PORTA&=BIT(7); ;break; case 3: PORTB|=0x0f; for(i=0;i<465;i+); for(i=0;i<

20、451;i+) if(i=a8) PORTB&=BIT(0);if(i=a9) PORTB&=BIT(1); if(i=a10) PORTB&=BIT(2);if(i=a11) PORTB&=BIT(3); ;break;case 4: PORTB|=0xf0; for(i=0;i<465;i+); for(i=0;i<451;i+) if(i=a12) PORTB&=BIT(4);if(i=a13) PORTB&=BIT(5); if(i=a14) PORTB&=BIT(6);if(i=a15) PORTB&=BIT

21、(7); ;break;case 6: PORTC|=0x0f; for(i=0;i<465;i+); for(i=0;i<451;i+) if(i=a16) PORTC&=BIT(0);if(i=a17) PORTC&=BIT(1); if(i=a18) PORTC&=BIT(2);if(i=a19) PORTC&=BIT(3); ;break;case 7: PORTC|=0xf0; for(i=0;i<465;i+); for(i=0;i<451;i+) if(i=a20) PORTC&=BIT(4);if(i=a21) P

22、ORTC&=BIT(5); if(i=a22) PORTC&=BIT(6);if(i=a23) PORTC&=BIT(7); ;break; /自定義函數(shù)*void delay(unsigned int time) /0.1s unsigned int m,k; for(m=0;m<time;m+) for(k=0;k<45000;k+);void moveto(unsigned int vel) signed int k,m,tem=0,temp=0; signed char j; for(j=0;j<24;j+) cj=bj-aj;/求出期望值與實(shí)

23、際值之差 if(fabs(ctem)<fabs(cj) /找出最大的差 tem=j; temp=fabs(ctem); /暫存最大差的絕對(duì)值 for(j=0;j<24;j+) /把所有的差值都擴(kuò)大70倍 cj=(cj*70)/temp;/每個(gè)的步長(zhǎng)，最大的為70 dj=aj*70; for(k=0;k<temp;k+) /分temp 步完成這個(gè)動(dòng)作 for(j=0;j<24;j+) dj=dj+cj; aj=(dj/70); for(m=0;m<vel;m+)/每步中間的延時(shí)，產(chǎn)生速度 for(j=0;j<100;j+); for(j=0;j<24;j+)/消去誤差，絕對(duì)