機(jī)器人技術(shù)結(jié)課論文

1、機(jī)器人技術(shù)學(xué)號：姓名：班級：機(jī)械工程二一七年六月獲獎(jiǎng)證書是通過學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)，制作十自由度機(jī)器人在2017中國工程機(jī)器人大賽暨國際公開賽上獲得的，我很慶幸能夠選機(jī)器人技術(shù)這門課，這門課使我對機(jī)器人有了一個(gè)更加清晰的認(rèn)識，同時(shí)也激起了我對此方面的研究的興趣。之前就對機(jī)器人頗感興趣，并對此進(jìn)行了深入的了解，通過這門課，我認(rèn)識到，機(jī)器人作為這些學(xué)科的交叉產(chǎn)物，是個(gè)綜合應(yīng)用這些知識的最好的平臺。通過這門課，我們制作的十自由度機(jī)器人，參加了2017中國工程機(jī)器人大賽暨國際公開賽（RoboWork），競技體操項(xiàng)目，獲得理想的成績，在這個(gè)過程中我也從新認(rèn)識了機(jī)器人制作的艱辛和困難性，使我認(rèn)識到之前對此不以為

2、然，眼高手低態(tài)度得幼稚。同時(shí)也教育我，任何一個(gè)項(xiàng)目本身所呈現(xiàn)的問題只是完成該項(xiàng)目所需工作的冰山一角，做任何事，都必須以謙恭，認(rèn)真的態(tài)度對待。同時(shí)也是我懂得了，再將事情坐完之前不可輕易對此做出評價(jià)。競技體操機(jī)器人摘要體操機(jī)器人是仿人型機(jī)器人里的一種，也是研究仿人型機(jī)器人的基礎(chǔ)。體操機(jī)器人不僅能夠提高我們的動手能力和實(shí)踐能力，還能增強(qiáng)我們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實(shí)踐能力，鍛煉我們的綜合素質(zhì)，讓我們更熱衷于科學(xué)技術(shù)的研究。本體操機(jī)器人以十自由度為基礎(chǔ)，能夠完成擺手、滾翻、俯臥撐、側(cè)翻、倒立等多項(xiàng)高難度動作。它具有多自由度并集成了現(xiàn)代化控制技術(shù)、人機(jī)交換技術(shù)等機(jī)電一體化技術(shù)。目前體操機(jī)器人主要用來供人們娛樂欣

3、賞使用，它在人們的生活扮演著越來越重要的角色。此次設(shè)計(jì)的體操機(jī)器人主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，首先機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)制作材料、舵機(jī)型號初步設(shè)計(jì)出體操機(jī)器人的機(jī)械外形，然后在SolidWorks下對機(jī)器人進(jìn)行虛擬三維建模，對存在的問題進(jìn)行修改。最后對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真和運(yùn)動學(xué)分析。檢查是否能夠完成指定的動作，對速度、加速度、位置能問題進(jìn)行分析。再次是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)的硬件以飛思卡爾公司的MK60DN512ZVLQ10芯片為核心，在Altium Designer Winter 09軟件中開始設(shè)計(jì)體操機(jī)器人的控制電路。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制。采用嵌入式C語言，設(shè)計(jì)和調(diào)試

4、程序，最終使機(jī)器人能過自主完成體操動作。此次比賽的創(chuàng)新之處在于不僅能夠完成指定動作，還能完成打排球能高難度動作。關(guān)鍵詞： 體操機(jī)器人；舵機(jī)；十自由度；SolidWorks；Altium DesignerGymnastics robot AbstractGymnastics robot is a kind of humanoid robot, which is the basis for the study of humanoid

5、0;robot. Gymnastics robot can not only improve our manipulative ability and practice ability, but also can enhance our innovation consciousness and innovation ability, which exerci

6、se our comprehensive quality and let us more interest in the study of science and technology. On the basis of 10 degrees of freedom, the robot can accomplish a&

7、#160;number of difficult moves such as motioning with his hand, rolls, push-ups and side turn. It has more degrees of freedom and mechanical and electrical integration te

8、chnology such as the modern control technology and man-machine exchange technology. Nowadays gymnastics robots are mainly used for people to appreciate the use entertainment, and&#

9、160;it will play a more and more important role in people's lives.    The design of the gymnastics robot is mainly composed of mechanical structure and cont

10、rol system. First of all, the mechanical structure design is the most important part, according to production materials, steering gear model, gymnastics robot's mechanical shap

11、e is designed. Then, under the SolidWorks the virtual 3D modeling is designed, the existing problems of the robot is modified. Finally, the kinematics simulation and kine

12、matic analysis are carried. Besides, we check whether it can complete the specified action and analyze the problems of the speed, acceleration, position. Again, the control

13、60;system is designed. Hardware of the control system is Freescale company's MK60DN512ZVLQ10 chip, in Altium Designer in Winter 09 software, we began to dance robot contro

14、l circuit design. After the system debugging, through the PC software we control the robot. Using embedded C language, program design and debugging, we eventually make ro

15、bots independently complete the gymnastics movements. Innovation is not only able to complete this match specified action, but also to complete difficult moves, such as playin

16、g volleyball.Keywords：Gymnastics robot;Steering gear;Ten degrees of freedom; SolidWorks；Altium Designer目 錄1.綜述11.1 課題的研究目的及意義11.2 機(jī)器人研究發(fā)展現(xiàn)狀11.3 比賽相關(guān)內(nèi)容及分析22.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)22.1 競技體操機(jī)器人機(jī)械部分材料分析22.2 動力元件分析33.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)43.1 體操機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)43.2 機(jī)器人的零件尺寸形狀設(shè)計(jì)54.競技體操機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件介紹74.1 K60核心板圖74.1.1 K60核心板圖74.1.2 晶振模塊74.1.3

17、 復(fù)位模塊電路圖84.1.4 JTAG接口電路84.2 舵機(jī)控制電路94.2.1 核心板控制舵機(jī)的接口布局圖94.2.2 舵機(jī)驅(qū)動電路105.系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試115.1 機(jī)器人調(diào)試模式115.2 機(jī)器人動作運(yùn)行模式126.結(jié)論13參考文獻(xiàn)141. 綜述1.1 課題的研究目的及意義當(dāng)今21世紀(jì)是科技快速發(fā)展的時(shí)期，機(jī)器人研發(fā)面臨著各種困難。它是計(jì)算機(jī)工程、機(jī)械電子工程、控制工程、電氣工程和材料工程等多學(xué)科相互交匯融合的綜合性技術(shù)，它在人類的生產(chǎn)和生活活動中發(fā)揮的巨大的作用，是人類生活中的必需品。它代表著當(dāng)代最新科技水平。但是機(jī)器人學(xué)無疑是當(dāng)代最具影響力的產(chǎn)業(yè)之一。它集中了多門學(xué)科的技術(shù)核心，代表著機(jī)

18、械與電子行業(yè)的最高成就。自上個(gè)世紀(jì)七八十年代以來，機(jī)器人被應(yīng)用到工業(yè)發(fā)展中已經(jīng)有著不可替代的意義。機(jī)器人可分為仿人機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人等，其中仿人機(jī)器人又分為體操機(jī)器人、競速機(jī)器人等。如今的機(jī)器人類型多樣化，被應(yīng)用于不同領(lǐng)域的不同工作。機(jī)器人代替人類工作，不但提高了工作效率，還可以應(yīng)用到一些人類無法接觸的危險(xiǎn)工作環(huán)境中以保護(hù)類安全。而今，全球有近一百萬臺各種類型的機(jī)器人正在運(yùn)行，并成為了一個(gè)具有強(qiáng)大活力的新興產(chǎn)業(yè)。大量的機(jī)器人從事著人類生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域的工作，體操機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。體操機(jī)器人的課題研究是近代衍生的一門學(xué)科，有接近四十年的研究歷史。在這四十年來，體操機(jī)器人的課題研究經(jīng)歷了一個(gè)跌

19、宕起伏的過程。在國內(nèi)的很多機(jī)器人大賽中，都可以看見它的身影。它的功能是能夠模仿人類完成一系列動作，包括翻滾、倒立、側(cè)翻等。體操機(jī)器人自由度高、精度高、能耗低、裝配容易、控制方法多樣。主要參考人類的身體結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與其它品種機(jī)器人相比，這種機(jī)器人有很多特點(diǎn)。它有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，很高的靈活性，可以應(yīng)用于服務(wù)業(yè)等。研究體操機(jī)器人，這有利于普及機(jī)器人技術(shù)、提高學(xué)生的科技素質(zhì)。1.2 機(jī)器人研究發(fā)展現(xiàn)狀目前體操機(jī)器人的研究主要有欠驅(qū)動單杠體操機(jī)器人的研究，國外很多采用Acrobot的欠驅(qū)動兩桿體操機(jī)器人模型。Acrobot是一種具有2自由度和1主動關(guān)節(jié)的二連桿機(jī)器人，它能簡單粗略的模擬體操

20、運(yùn)動員在單桿上的擺起、倒立、大回環(huán)等動作。國內(nèi)主要為各種類型的復(fù)雜人形機(jī)器人的研究，可以實(shí)現(xiàn)體操動作。各大高校通過各類機(jī)器人比賽來展示自己的研究成果，同時(shí)交流技術(shù)，促進(jìn)體操機(jī)器人的發(fā)展。在國外，制造業(yè)機(jī)器人取得了輝煌的發(fā)展，在工業(yè)界里得到了普遍應(yīng)用并廣受好評，因此形成了許多有著非常影響力的企業(yè)。如德國的庫卡、奧地利的威猛、瑞士的ABB、日本的安川和車樂美等。這方面的權(quán)威人士說，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)之后又一個(gè)重大的，新興的高科技產(chǎn)業(yè)，并一定會像汽車、計(jì)算機(jī)一樣普及大眾。但是目前無論在生產(chǎn)、使用還是出口方面，日本始終占據(jù)著第一位，當(dāng)今日本具備擁有一百三十多家專業(yè)的機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)的能力

21、，并且這些機(jī)器人強(qiáng)國發(fā)展的勢頭依然沒有減弱。我國機(jī)器人行業(yè)起步較晚，與那些機(jī)器人發(fā)展大國的差距還是較大的。二十世紀(jì)七十年代國家才開始有自己的機(jī)器人工業(yè)，七五期間我國政府開始扶植機(jī)器人行業(yè)，實(shí)現(xiàn)了自己國家的工業(yè)機(jī)器人的整套技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)，出現(xiàn)了許多類型的機(jī)器人，比如：爬坡、噴涂、電焊等。近年，國家在制造業(yè)的機(jī)器人和機(jī)器人機(jī)械化生產(chǎn)線以及與機(jī)器人相關(guān)的工程項(xiàng)目、還有與其附加產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值達(dá)到了五億元。體操機(jī)器人在機(jī)器人領(lǐng)域是重要的一部分，黨和政府在體操機(jī)器人方向加大了發(fā)展力度。每年，國內(nèi)舉辦很多相關(guān)競賽來促進(jìn)國內(nèi)高校對體操機(jī)器人的研究和發(fā)展，如FIRA和RoboCup等。這些比賽帶給每個(gè)人的不只是個(gè)

22、人、學(xué)校的榮譽(yù)，更是代表著中國對機(jī)器人的喜愛，代表著中國年輕一代對機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展與期望。但是我國體操機(jī)器人還是存在著一些問題，比如：1）體操機(jī)器人設(shè)計(jì)及開發(fā)隨著經(jīng)濟(jì)及科技的發(fā)展，這些年來得到了巨大發(fā)展，但機(jī)器人設(shè)計(jì)還是停留在簡單的加工和調(diào)試上，真正的智能控制沒能充分融入其中。2）我國基礎(chǔ)零部件制造能力差。即使目前來說國家在有機(jī)器人有關(guān)的零部件方面有了一些的基礎(chǔ)，卻不管從質(zhì)量、類型，還是效率等方面都與那些老牌機(jī)器人生產(chǎn)國有著明顯的實(shí)力懸殊，影響了我國機(jī)器人的價(jià)格競爭力。3）中國的機(jī)器人還沒有屬于自己品牌的體操機(jī)器人，雖然好多高校正在研究體操機(jī)器人，但沒有推廣到市場，不能把機(jī)器人應(yīng)用到社會上去。

23、4）國家對于機(jī)器人的政策雖然有一些但是和國外相比還是有一些差距，機(jī)器人競賽相對而言還是太少，以至于不能激發(fā)出人們學(xué)習(xí)機(jī)器人計(jì)數(shù)的熱情。1.3 比賽相關(guān)內(nèi)容及分析根據(jù)比賽任務(wù)的要求，機(jī)器人不僅要完成競技體操機(jī)器規(guī)定動作，同時(shí)還要自編有創(chuàng)意、有舞美效果的動作。因此本款機(jī)器人以原有體操機(jī)器人為模板，在保證能完成準(zhǔn)備動作、翻滾動作、俯臥撐、側(cè)翻動作、倒立動作、自編動作等規(guī)定動作的基礎(chǔ)上，增加兩臺類人機(jī)器人，重新設(shè)計(jì)其整體尺寸并改進(jìn)部分機(jī)械結(jié)構(gòu)件，以適應(yīng)自主設(shè)計(jì)的其他創(chuàng)意動作，滿足創(chuàng)新創(chuàng)意及良好的觀賞性的需要。除了要滿足比賽動作要求，本款機(jī)器人的重難點(diǎn)在于機(jī)器人動作的流暢性，以及各機(jī)器人間地協(xié)調(diào)配合。初

24、步考慮通過調(diào)試控制程序中動作持續(xù)時(shí)間，改進(jìn)代碼運(yùn)行算法等方法，以較好地實(shí)現(xiàn)各機(jī)器人動作之間的同步，從而使其具有良好的觀賞性。另外，本款機(jī)器人要具有新奇的外觀，突破性的創(chuàng)意動作等，從而完全滿足比賽創(chuàng)新創(chuàng)意的要求，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。2. 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)2.1 競技體操機(jī)器人機(jī)械部分材料分析本次參賽的競技體操機(jī)器人機(jī)械部分主要有手臂、軀干和雙腿。這些部分可以用的材料目前主要有金屬、木材、塑料和復(fù)合材料?，F(xiàn)在大部分機(jī)器人制作的材料是金屬，因?yàn)榻饘倬哂辛己玫挠捕?、好看的色澤并且不易磨損。在有專業(yè)加工工具時(shí)，金屬材料也比較容易加工。目前用于制作機(jī)器人的金屬材料主要鋁合金和各種碳鋼8。因?yàn)樗鼈兙哂凶銐虻膹?qiáng)度和硬度

25、，滿足大部分機(jī)器人的強(qiáng)度要求。鋁合金是機(jī)器人制作最常用的材料，它質(zhì)量輕，有足夠的強(qiáng)度且易于加工。其中5052鋁板是目前應(yīng)用最廣泛的防銹鋁，它屬于Al-Mg合金鋁板。這種合金鋁板的強(qiáng)度高，在加入鎂元素時(shí)能夠增強(qiáng)鋁板的抗腐蝕性和強(qiáng)度并且可塑性好以及良好的焊接性。在制作機(jī)器人中，木材有時(shí)也會大量被利用。主要因?yàn)槟静南鄬τ诮饘俸退芰系馁|(zhì)地要輕，不易發(fā)生彎曲，而且割斷和加工都比較容易。當(dāng)制作機(jī)器人支柱類零部件時(shí)，木質(zhì)材料比金屬材料更便于組裝，因此木材更適合于制作輕型機(jī)器人。除此之外由于干燥的木材不導(dǎo)電的性質(zhì)，可以很好地避免由于機(jī)身而引起電路的短路或者機(jī)身漏電等。雖然由金屬制造的機(jī)器人給人的感覺更像機(jī)器人

26、，但是用木材來制作機(jī)器人也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。塑料也是制作機(jī)器人經(jīng)常被采用的材料，相比金屬材料它的優(yōu)勢就是便于加工，可以很容易制作出復(fù)雜的零件。但是它的缺點(diǎn)也很明確，就是硬度比較低。目前常用的塑料主要有ABS、PVC、尼龍以及有機(jī)玻璃等。ABS是五大合成樹脂之一，其用途十分廣泛，它具有很好的抗沖擊性、耐熱性和耐腐蝕性等優(yōu)良特點(diǎn)，并且易于加工、零件尺寸穩(wěn)定、好的表面光澤性等特點(diǎn)。它還可以在表面進(jìn)行噴鍍金屬、粘接和焊接等二次加工。由于這些優(yōu)良特點(diǎn)，這種材料被廣泛用于機(jī)械、汽車、電子電器和建筑等許多工業(yè)領(lǐng)域。PVC的主要成分是聚氯乙烯。它的特性是不易燃燒、具有高強(qiáng)度、不易因溫度而發(fā)生尺寸變化等特點(diǎn)。P

27、VC有兩類，即軟PVC和硬PVC。其中軟PVC由于添加了柔軟劑，容易變脆且不易保存，所以應(yīng)用范圍不廣。硬PVC不含柔軟劑，所以具有良好的韌性、容易成型、不易變脆以及保存時(shí)間長等特點(diǎn)，它的應(yīng)用開發(fā)很有價(jià)值。尼龍是一種高分子化合物，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫、表面摩擦系數(shù)低、軟化點(diǎn)高、耐腐蝕、電絕緣性好以及五毒無臭等優(yōu)良特點(diǎn)，但是吸水性打，從而影響尺寸穩(wěn)定性和電性能。該材料常被用于制作成梳子、牙刷盒扇骨等。有機(jī)玻璃也叫亞克力，它的化學(xué)名稱是聚甲基丙烯酸甲酯，它具有較大的強(qiáng)度、質(zhì)量輕、表面光滑、耐化學(xué)品腐蝕以及絕緣性好等特點(diǎn)?？紤]到各個(gè)材料各方面的性能，該競技體操機(jī)器人機(jī)身材料主要是使用的是5052

28、鋁合金，它強(qiáng)度高，易加工，能夠滿足要求。下表2-1是5052鋁合金的參數(shù)：表2-1 鋁合金參數(shù)化學(xué)成分鋁Al硅Si銅 Cu鎂 Mg鋅Zn錳Mn鉻Cr鐵Fe余量0.250.102.22.80.100.100.150.350.40力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度（b）條件屈服強(qiáng)度0.2彈性模量（E）退火溫度170305MPa65MPa69.370.7Gpa3452.2 動力元件分析動力元件顧名思義就是為機(jī)器人提供動力的元件，競技體操機(jī)器人之所以能完成各個(gè)競技體操動作，都是由它身體中各個(gè)運(yùn)動部位的動力源（驅(qū)動電機(jī)）提供動力的。該競技體操機(jī)器人只是通過轉(zhuǎn)動副完成各個(gè)動作，因此只需要電動機(jī)作為動力源

29、就能滿足要求。目前被用作機(jī)器人的動力源常用電機(jī)有三類，即直流電機(jī)、舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。它們具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。其中直流電機(jī)耗能較低，提供的力矩大，常用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中；舵機(jī)控制精度準(zhǔn)確但產(chǎn)生的力矩小，可用于開環(huán)系統(tǒng)；步進(jìn)電機(jī)的控制精度精確，可是功耗較大并且力矩相對于其他種類電機(jī)較小，常用于開環(huán)控制系統(tǒng)9。下表2-2為這三種電機(jī)特點(diǎn)的對比：表2-2 不同類型電機(jī)特種比較表電機(jī)類型優(yōu)點(diǎn)不足應(yīng)用范圍直流電機(jī)市場上廣泛存在，種類多，功率大，力矩大，連接電路簡單轉(zhuǎn)速太快，一般需要配有減速裝置，電流比較大，控制復(fù)雜（PWM）,價(jià)格較貴用于比較大的機(jī)器人舵機(jī)內(nèi)部有減速齒輪，接口簡單，價(jià)格便宜，控制方便，易于裝

30、配，型號多功率小，速度調(diào)節(jié)范圍較小常用于小型機(jī)器人和步行機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)控制精度高，種類多，適合室內(nèi)機(jī)器人速度功率低，比較難裝配，提價(jià)大，負(fù)載能力低，自重比較小，控制復(fù)雜用于小型和輕型機(jī)器人通過上表的比較以及該競技體操機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，舵機(jī)完全能夠滿足要求。使用的舵機(jī)型號是春天舵機(jī)SR403P。在表2-3中列出了該種舵機(jī)的參數(shù)：表2-3 SR403P舵機(jī)參數(shù)產(chǎn)品規(guī)格技術(shù)參數(shù)尺寸（mm）重量線長6.0V7.4V轉(zhuǎn)動角度速度扭力速度扭力長寬高gozcms/60°kg·cmoz·ins/60°kg·cmoz·in40.820.742.8672.

31、37300.2113.2183.630.19153212.8180°3. 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 體操機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)Solidworks是由美國SolidWorks公司推出的功能強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，自1995年問世以來，以其優(yōu)越的性能、易用性和創(chuàng)新性，極大的提高了機(jī)械工程師的設(shè)計(jì)效率，其應(yīng)用范圍涉及航空航天、汽車、機(jī)械、造船、通用機(jī)械、醫(yī)療器械和電子等領(lǐng)域4。設(shè)計(jì)師使用它能快速地按照其設(shè)計(jì)思想繪制草圖，嘗試運(yùn)用各種特征與不同尺寸，生成模型和制作詳細(xì)的工程圖。設(shè)計(jì)裝配主要包括手部、雙腿、雙足、頭部、肩部以及胯部的設(shè)計(jì)，在對機(jī)器人的虛擬裝配過程中，需要對機(jī)器人的各個(gè)零部件間的運(yùn)動關(guān)系進(jìn)

32、行詳細(xì)分析，得出每個(gè)運(yùn)動副的約束形式，即約束副。然后將各零部件配合為手臂、腿等裝配體單元，配合過程中主要用到同軸、重合、平行等配合關(guān)系。然后再將機(jī)器人的各裝配體單元配合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體模型中頭部、大臂和小臂的轉(zhuǎn)動以及小腿大腿彎曲等動作。根據(jù)第二章機(jī)器人材料的選擇和舵機(jī)的選擇，開始設(shè)計(jì)機(jī)器人各個(gè)零件的形狀和尺寸?？梢韵韧ㄟ^SolidWorks進(jìn)行三維零件設(shè)計(jì)和三維虛擬裝配。目前SolidWorks是一款被廣泛使用的三維造型軟件，可以進(jìn)行三維動畫模擬，功能十分強(qiáng)大。它能夠造型出復(fù)雜的曲面，設(shè)置零部件的材料外觀等，使虛擬的三維零部件看起來更像現(xiàn)實(shí)的零部件。除此之外還能夠進(jìn)行受力分析，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

33、中部分應(yīng)力過于集中和過大的問題。前期通過SolidWorks進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)和裝配，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和不合理之處，及時(shí)解決問題，從而縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。在SolidWorks中畫出各個(gè)三維零件和三維裝配。以下分別是競技體操機(jī)器人各個(gè)部分的三維圖和裝配圖：圖3-1 機(jī)器人手臂 圖3-2 機(jī)器人腿圖3-3 機(jī)器人裝配圖3.2 機(jī)器人的零件尺寸形狀設(shè)計(jì)體操機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是體操機(jī)器人設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的一部分，是進(jìn)驅(qū)動執(zhí)行和動作規(guī)劃等的前提要求。一個(gè)完整的體操機(jī)器人必須是一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)合理、自由度分配正確、重心設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)、尺寸大小符合設(shè)計(jì)要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)3。本款機(jī)器人由三臺

34、機(jī)器人組成，其中一號和二號機(jī)器人結(jié)構(gòu)相似，均為十七自由度機(jī)器人；三號機(jī)器人為標(biāo)準(zhǔn)十自由度體操機(jī)器人。一號機(jī)器人和二號機(jī)器人身高38CM,肩寬20 CM，臂長18 CM，整體重量為1.75KG。采用17個(gè)數(shù)字伺服舵機(jī)馬達(dá)，擁有17個(gè)自由度（活動關(guān)節(jié)），雙腿十個(gè)，雙手六個(gè)，頭部一個(gè)。采用的數(shù)字舵機(jī)有標(biāo)準(zhǔn)的180度運(yùn)動范圍，PWM脈寬控制模式，15公斤力矩，馬達(dá)內(nèi)部自主反饋保證輸出角度準(zhǔn)確。型材材質(zhì)采用1MM高強(qiáng)度鋁鎂合金，連接件，緊固件采用凸臺攻絲緊固。表演時(shí)機(jī)器人隨音樂翩翩起舞，動作協(xié)調(diào)、靈活。三號機(jī)器人為比賽要求的參加規(guī)定動作賽的體操機(jī)器人，身高24CM，肩寬8.5CM，臂長13.5CM，整體

35、重量1.5KG。機(jī)器人的外觀結(jié)構(gòu)由三類結(jié)構(gòu)件組成。一類是手臂、身體、腿部結(jié)構(gòu)件，為矩形直條夾持構(gòu)件；二類是手掌、腳掌結(jié)構(gòu)件，一端連接舵盤，另一端為手部腳部造型；三類是肩部、跨步結(jié)構(gòu)件，為多次彎折的U型結(jié)構(gòu)件。設(shè)計(jì)的尺寸依據(jù)力學(xué)平衡原理，保證能夠充分完成動作。第15頁4. 競技體操機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件介紹本次參賽的競技體操機(jī)器人使用的是飛思卡爾公司的Kinetis系列微處理器，具體的型號為MK60DN512ZVLQ10。該芯片有512KB的flash儲存器以及128KB的RAM，共有144個(gè)引腳，采用的封裝是LQFP。它的功能十分強(qiáng)大，能夠提供10種低功耗操作模式，提供電源盒時(shí)鐘的門控，可以實(shí)現(xiàn)最

36、佳的外設(shè)活動和恢復(fù)時(shí)間。它的停止電流< 2 µA,運(yùn)行電流<350 uA/MHz，停止模式喚醒時(shí)間為4µs。它的硬件加密協(xié)處理器用于確保數(shù)據(jù)傳輸和儲存的安全，它比軟件的實(shí)施速度更快，而且CPU負(fù)載最低，還支持各種算法，例如DES、3DES、AES、MD5和SHA-1等。在Altium Designer Winter 09軟件中進(jìn)行原理圖的設(shè)計(jì)以及硬刷電路板。4.1 K60核心板圖4.1.1 K60核心板圖K60核心板圖如圖4-1所示。圖4-1 K60核心板圖整個(gè)芯片所需的電壓為3.3V，可以由鋰電池或USB接口供電，由于芯片的引腳過多，故將芯片放置于PCB板中間

37、位置，方便布線與連接。4.1.2 晶振模塊該芯片電路中同時(shí)使用了有源晶振和無緣晶振。電路圖分別如下所示：圖4-2 無源晶振模塊圖4-3 有源晶振模塊系統(tǒng)主時(shí)鐘信號K60芯片含有32.768KHz的無緣晶振和50MHz的有源晶振，其中無源晶振是為MCU內(nèi)部的RTC模塊提供時(shí)鐘信號。有源晶振是為系統(tǒng)工作時(shí)提供時(shí)鐘信號。4.1.3 復(fù)位模塊電路圖復(fù)位模塊電路圖如圖4-4所示。圖4-4 復(fù)位模塊K60芯片的正常工作狀態(tài)時(shí)RESET處于高電平，復(fù)位時(shí)復(fù)位RST按下，RESET引腳接地，K60芯片復(fù)位。并且在復(fù)位引腳并聯(lián)了0.1µF電容，提高了復(fù)位信號的穩(wěn)定性。除此之外復(fù)位引腳RESET還加上了

38、拉電阻，可以有效地防止外界信號的干擾。4.1.4 JTAG接口電路JTAG接口電路如圖4-5所示。圖4-5 JTAG模塊JTAG是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，它是下載和調(diào)試接口。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線，即TMS測試模式選擇，用來設(shè)計(jì)JATG口處于某種特定的測試模式；TDO測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO從JATG輸出；TCK測試時(shí)鐘輸入；TDI測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI輸入JATG口。4.2 舵機(jī)控制電路4.2.1 核心板控制舵機(jī)的接口布局圖核心板控制舵機(jī)的接口布局圖如圖4-6所示。圖4-6 核心板控制舵機(jī)的接口布局圖圖中通道0到通道11為各個(gè)舵機(jī)與核心板相連的接口，每個(gè)通道控制一個(gè)舵機(jī)，但是其中T

39、4和T5通道不需要連接舵機(jī)，因?yàn)樵摍C(jī)器人只有10個(gè)舵機(jī)需要控制，這兩個(gè)通道多余了。每個(gè)舵機(jī)與哪個(gè)通道相連接需要記住，這樣方便后續(xù)的編程，控制一個(gè)通道相應(yīng)的舵機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。4.2.2 舵機(jī)驅(qū)動電路舵機(jī)驅(qū)動電路如圖4-7所示。圖4-7 舵機(jī)驅(qū)動電路通道2舵機(jī)有三個(gè)接線口，分別是電源，地和控制信號。核心板通過控制PWM波的輸出，舵機(jī)接受信號，旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。相比2舵機(jī)電路圖，其他舵機(jī)電路圖只有控制信號線不同，每個(gè)舵機(jī)都有它相應(yīng)的控制信號線，不可都連接在一個(gè)控制信號線上。5. 系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試5.1 機(jī)器人調(diào)試模式調(diào)試模式時(shí)下接受兩種形式的調(diào)試指令，一種為單次位置調(diào)試指令，一種為連續(xù)動作調(diào)試指令。以下是上位

40、機(jī)軟件界面：圖5-1上位機(jī)軟件界面1下圖是上位機(jī)軟件命令調(diào)試界面：圖5-2 上位機(jī)軟件界面2上位機(jī)軟件界面上，菜單欄中“操作-復(fù)位”用來加載和保存機(jī)器人的復(fù)位值、計(jì)時(shí)器功能和串口調(diào)試功能。在線調(diào)試區(qū)中，可以看到T0到T11的控制條，它們可以控制核心板通道0到11所連接的舵機(jī)，通過拖動控制條，核心板接收到信號，控制PWM波的占空比，來控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。在線調(diào)試區(qū)中還有速度和延時(shí)控制條，分別用來控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度和運(yùn)行下個(gè)動作前的延時(shí)。復(fù)位可以讓機(jī)器人恢復(fù)到初始動作。生成代碼功能鍵能夠?qū)C(jī)器人運(yùn)動的代碼在代碼運(yùn)行區(qū)生成，以供下載使用。代碼運(yùn)行區(qū)，可以顯示運(yùn)行的代碼。將調(diào)試好的運(yùn)動代碼生成C代碼，供

41、后續(xù)的程序運(yùn)行使用。運(yùn)動代碼格式為“200#-2*-20&&&-2%”，第一段為舵機(jī)通道，“#”表示通道號，范圍是“0011”；第二段為舵機(jī)PWM波，“*”表示當(dāng)前值，范圍是“0750”；第三段為舵機(jī)執(zhí)行速度，“&&&”表示速度大小，范圍是“000255”；第四段為舵機(jī)延時(shí)，“%”表示此次動作完成后延時(shí)多少毫秒，若本行此段為“20000”則表示直到下次本段出現(xiàn)一個(gè)大于“20000”時(shí)，同時(shí)執(zhí)行這兩段之間的所有動作。以下以具體代碼解釋運(yùn)動原理：20007-20406-20202-2000020009-20196-20202-20001該動作為7號舵

42、機(jī)PWM波運(yùn)行至“406”、速度為“202”，同時(shí)9號舵機(jī)PWM波運(yùn)行至“196”、速度為“202”，這兩個(gè)舵機(jī)同時(shí)動作，執(zhí)行后延時(shí)1ms。 調(diào)試模式時(shí)，核心板接收上位機(jī)調(diào)試軟件的動作代碼，若直接拉動圖4-2的舵機(jī)狀態(tài)拖動條或修改狀態(tài)值編輯框中的數(shù)字，上位機(jī)將發(fā)送單次位置指令，此時(shí)核心板執(zhí)行指令完畢后無反饋，若調(diào)試多條動作指令，則點(diǎn)擊下載命令后，上位機(jī)依次發(fā)送相應(yīng)指令，待下位機(jī)執(zhí)行完畢反饋后發(fā)送下一條指令。該階段主要完成的是將設(shè)計(jì)的體操用程序來表達(dá)，并且完成程序的調(diào)試，直到?jīng)]有錯(cuò)誤就可以進(jìn)行下個(gè)階段。5.2 機(jī)器人動作運(yùn)行模式該階段只需將調(diào)試好的程序通過J-link下載到核心板中，打開機(jī)器人電源，機(jī)器人就能按照程序執(zhí)行體操動作，執(zhí)行完后機(jī)器人處于停機(jī)狀態(tài)。6. 結(jié)論首先主要對競技體操機(jī)器人的機(jī)械部分材料的分析、舵機(jī)的分析、在SolidWorks下三維建模，并且對機(jī)器人的一個(gè)動作進(jìn)行了運(yùn)動分析。為后期競技體操機(jī)器人的硬件和軟件設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，接下來的任務(wù)就是控制系統(tǒng)，解決如何使機(jī)器人跳出優(yōu)美的競技體操以及控制機(jī)器人動作等問題。再次講述了K60核心板以及其周邊電路和舵機(jī)接