课程设计足球机器人行走机构

1绪论

1.1选题目的

机器人足球系统的研究涉及非常广泛的领域，包括机械电子学、机器人学、传感器信息融合、智能控制、通讯、计算机视觉、计算机图形学、人工智能等等，吸引了世界各国的广大科学研究人员和工程技术人员的积极参与。现在的足球机器人行走机构错在的控制不稳定，行走不灵活等一些问题，通过对足球机器人行走机构的设计，能提高对大学知识的实际运用，解决足球机器人行走稳定性的问题。

这次课程设计我选择了足球机器人行走装置的设计体现了机械结构设计等方面技术的运用。设计是一项结合机械设计，控制设计，工业设计等多方面设计技术的综合性的设计题目，通过这项设计，我可以综合大学四年学过的各项课程，提高自己的设计水平，为以后工作打基础。

1.2足球机器人的研究现状

1.2.1国外研究现状

足球机器人是当前机器人研究的一个热点，涉及机器人学、人工智能、智能控制、计算机视觉等多个领域。足球机器人系统作为一个典型的多智能体协作系统，为机器人学、多智能体系理论研究和技术应用提供了一个理想的实验平台。目前，国际上足球机器人已发展为两大系列，一是由国际机器人足联组织的微型机器人世界杯足球赛，另一个是国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛。国外机器人足球比较发达的国家主要有美国、韩国、日本等国。

1.2.2国内研究现状

我国足球机器人事业起步比较晚，但是充分利用后发优势，发展迅速，有些方面已经接近或者达到国际水平。我国的科研工作者域1997年才开始涉足机器人足球比赛相关领域的研究与探索，1997年东北大学人工智能域机器人研究所加入FIRA并研制开发出卫星足球机器人系统。1999年4月，中国机器人足球协会在哈尔滨成立，并正式加入FIRA。童年10月在哈尔滨工业大学举行首届中国机器人足球比赛。1999年8月，东北大学作为中国第一支代表队参加了在巴西举办的第四届机器人足球比赛，并取得了较好的成绩。在RoboCup比赛项目上，清华大学和中国科技大学代表了中国的最高水平。清华

大学在2001的RoboCup仿真组中第一次参加比赛即一举夺得金牌，实现了中国RoboCup 金牌零的突破，我国对机器人足球的研究起步较晚，但整体水平提高较快。今天中国的机器人足球正在逐步发展和壮大起来，引起社会各界的极大兴趣，国内已有十几所大学和科研团体在开展这方面的研究。

图1 机器人足球赛场全视图

2足球机器人行走机构的设计

2.1足球机器人行走方式

机器人在地面上移动的方式通常有三种：车轮式、履带式和步行式。

2.1行走机构选择

车轮式移动是最常见的一种地面行进方式。车轮式移动的优点是：能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，在无人工厂中用来搬运零部件, 用途广泛,而且技术比较成熟。它的缺点是对路面要求较高，适于平整硬质路面，最适合于平地行走, 但不能跨越障碍物, 不能爬楼梯常见的典型三轮和四轮小车机构如图 1 所示. 它们都有驱动轮和自由轮或者驱动轮和舵轮, 能精确控制行走路径和实现指定路径转弯. 图1a 为两种三轮结构自行小车, 图 1b 为一种四轮结构自行小车

.

图2-1

步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，智能程度也相对较高。步行式机器人移动速度慢机构复杂. 它的主要特点是不仅能在平地行走, 而且也能在凹凸不平的地面行走, 跨越沟壑与障碍物 , 上下台阶，对环境适应性好，具有广泛的适用性 , 但是要考虑机器人行走时的重心移动及稳定性问题. 步行机器人常见的有两足和多足两类, 多足步行机器人又分为四足六足八足. 为了在凹凸不平的地面上步行和转向, 两足以上的步行机器人各足应有 3 个自由度两足步行机器人为了保证行走时的重心稳定性, 控制算法最为复杂. 四足机器人在静止状态是稳定的, 在步行时, 当一只脚抬起, 另三只脚支撑自重时, 必须移动身体 , 让重心落在三只脚接地点所组成的三角形内. 六足八足步行机器人由于行走时可保证至少有三足同时支撑机体, 在行走时较两足和四足机器人更容易得到稳定的重心位置人们解决步行机器人的转向问题往往从两个方面着手, 一方面完全依靠算法来实现, 称作软件转向 ; 另一方面, 则是从机构设计上想方法, 称作硬件转向 . 两种方法不能够完全分开. 步行机器人显然有较高的环境适应能力. 但是, 也存在着控制复杂性和步行速度低等缺点正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上也还不成熟，不适于在要求灵活和可靠性高的比赛中。

履带式实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。履带式的的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。

由于足球机器人主要适用于机器人足球赛，场地平坦，需要机器人快速稳定的移动，所以这次足球机器人行走机构的设计选择车轮式移动方式。

2.3机器人电路硬件选择

根据规则所描述，要求机器人尺寸较为小巧，直径为22cm，并且不允许人工干设其

操作，需要自动控制。因此选用单片机为核心的控制器件，小型直流电机作为动力驱动，可以达到比赛的基本要求。

单片机价格低廉，体积小巧，一般为20引脚或40引脚封装，其中包括了中央处理器，数据存储器、程序存储器输入输出设备。对于需要灵活机动，精度要求不高，有可扩展性及程序可擦写和简单成熟的编程平台等要求，单片机不失为最合适的选择。电机选择方面，考虑到机器人本身自重不大，必且场地尺寸有限，可选用小型直流伺服电机，可用电枢电压作为速度控制信号，但必须加装减速箱以适应低转速和大扭矩的应用环境。

2.4传感器元件及转换元件选择

通过对比赛规则的解读可以发现，对于球和场地基板的设计是该项比赛中最具特色内容，它对机器人的核心设计――传感器以及比赛的方式产生了决定性的影响。发出红外光的足球意味着机器人必须有红外传感器来对其进行检测。红外线波长介于可见光和无线电波之间，大约0.76nm - 1000nm，而光电传感器其所用到的波长选择在近红外区，即0.76 -930nm。常用的红外线接收元件为光电二极管和光电三极管。它们可以将接收到的光变化转变的电流变化。

比赛的场地图纸为纵向的黑白灰度渐变，这意味着机器人对进攻方向作出正确判断必须要能读出场地的灰度变化信息。要实现这一功能，则要用到红外光电反射式传感器。该元件由红外发光管和接受管组成。发光管材料一般为砷化钾半导体，发光波长范围在0.76 – 1.5nm，小功率的管压降1.0 – 1.3v，平均工作电流20 – 50mA，红外发管有指向角，光轴，波长，辉度等性能指标。红外接收管可用上述光电二极管或三极管。

红外元件所接收的信号，根据情况的需要，要进行模拟-数字量的转换，因此需要AD 转换芯片，AD转换的选择要根据所选用的的单片机来确定。本文所选用的51系列单片机，由于其端口的限制，需要AD转换器具有串口数据输出功能。

图2-2足球机器人系统结构

2.5机器人运行算法的构想

对比赛过程的规则进行分析后发现，比赛的进行与真实的足球比赛的思维过程是一致的，机器人需要完成下述动作循环

图2-3

2.6足球机器人行走机构设计

3轮机器人车体配置结构虽然简单，但稳定性差，遇到冲撞容易倾倒，与3轮相比，4轮稳定性更好。4轮典型配置有如下两种。

图2-4

如图组合为前后轮为万向脚轮，左右两轮为独立驱动轮，其自转中心于车体中心重合，适于在狭窄场地运行。其灵活性稳定性都比较好。其缺点是前后轮不能同时着地，加速前进时可能出现俯冲。

图2-5

该配置方式是常见的所谓汽车配置方式，车的稳定性较高。2个操舵轮需要同一个操舵机构协调转向，为了减少后轮摩擦损耗，配备了差动齿轮装置，增加了机构复杂性。综合各种因素考虑，本设计采用图2-4所示的四轮配置方案。

3足球机器人行走装置控制

3.1 直流伺服系统电机的分类

3.1.1小惯量直流电机

为减少电机的转子的转动惯量，转子形状通常做得细长。转子的转动惯量跟转子直径平方是成正比例，同时电磁扭矩又跟转子切割磁力线的有效长度成正比，所以，这样做是能够更加有效地提高伺服电机驱动的能力和可控制性能。这种小惯量直流电机特点是：转动惯量小，基本上是普通电机的1/10；反应快，有良好的换向性能；速度均匀性好，在低速运动中，优势更为明显；扭矩大，最大扭矩约为额定值的10倍。

3.1.2直流印刷电机

多层同轴的玻璃胶布板圆盘形转子的有效组合构成了直流印刷电机的转子，圆盘的每一层都印刷有铜箔绕组。这样的结构可以有效地提高绕组的作用力矩，且转子质量轻，因而所需要的较大的扭矩就可以得到了。此种电机的特点是：简单的电机结构，成本低；电机绕组和空气的接触面很大，几乎完全接触，通风散热性能好，因而过载能力强；既轻又具有小的电磁惯性，这样良好的条件让直流印刷电机具有好的换向性能和调速性能。

3.1.3杯形转子直流电机

这种杯形电机如其名字一样，转子做成空心杯的形状，这样的结构可以把转动惯量减小，同时就把可靠性提高了。

3.1.4宽调速直流电机

这种电机的优点有：a.响应速度快，因此转子惯性得到了保留，还提高了扭矩；b.

功率能够得到一个足够大的值，对要求有大负载和其他特殊配重的系统中比较适合。

大惯量宽调速直流伺服电机和小惯量直流伺服电机通常作为直流伺服系统的伺服电机使用。前者是有刷结构的，而且结构复杂、转速有限、价格较高。只适应于某些特殊场合。后者结构简单且快速性好。被应用于众多的伺服系统中。

直流伺服电机主要有以下几个特点：1、可以方便地实现在宽范围内的无级调速，故多采用在对电动机的调速性能要求较高的场合；2、功率因子高；3、启动转矩大，启动电流小:直流伺服电动机的机械特性和调节特性其它直流电动机枢控时相应特性类似，所以它的启动转矩大，启动电流小，调节范围宽；4、电动机输出功率高；5、调速精度高，调速范围广，过载能力强，制动特性良好，气隙磁通密度高，动态性能好；6、转子转动惯量小，响应速度快:相同功率电机可以显著减小电机的体积和重量；7、结构简单，可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单。8、高效率。

3.2 轮式机器人直流伺服电机的数学模型

对于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方程，经过拉式变换，可用传递函数和动态结构框图表示。直流电机数学模型建立的基本步骤如下：

1、根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程。

2、求出个环节的传递函数。

3、组成系统的动态结构框图，并求出系统的传递函数。

直流电机在额定励磁下的等效电路如图2.1：

M

+

U d0-

L I d

E

+-

图3-1 直流电机在额定励磁下的等效电路

其中电枢回路总电阻R 和电感L 包含电力电子变换器内阻、电枢电阻和电感以及可能在主电路中接入的其他电阻和电感，规定的正方向如图所示。

主电路电流连续，其动态方程为：

0d d d dI U RI L E dt =++ (2.1)

忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为：

2375e L GD dn T T dt -= (2.2)

额定励磁下的干预电动势和电磁转矩分别为：

e E C n = (2.3)

e m d T C I = (2.4)

式中L T ：包括电动机空载转矩在内的负载转矩（Nm ）；

2GD ：电力拖动系统折算到电动机轴上的飞轮惯量（Nm2）；

m C ：额定励磁下电动机的转矩系数（Nm/A ）。

30

m e C C π= (2.5)

定义下列时间常数：

l T ：电枢回路电磁时间常数(s)；

l L

T R = (2.6)

m T ：电力拖动系统机电时间常数(s)。

2375m e m GD R

T C C = (2.7)

代入式(2.1)和式(2.2)，并考虑式(2.3)和(2.4)，整理后得：

0d

d d l dI U E R I T dt ⎛⎫

-=+ ⎪⎝⎭ (2.8)

m d dL T dE

I I R dt -= (2.9)

式中 dL I ：负载电流（A ）。

L

dL m T I C = (2.10)

在零初始条件下，取等式两侧的拉式变换，得电压与电流间的传递函数：

()()()011d d l I s R

U s E s T s =-+ (2.11)

电流与电动势间的传递函数：

()()()d dL m E s R

I s I s T s =

- (2.12)

式(2.11)和(2.12)的动态结构框图分别如下图：

图3-2 电压电流间的动态结构框图

图3-3 电流电动势间的动态结构框图

将两图合并在一起，并考虑到式(2.3)，即得到额定励磁下直流电动机的动态结构框图，如图2.4：

图3-4 直流电动机的动态结构框图

由图可以看出，直流电机有两个输入量，一个是加在电枢上的理想空载电压Ud0，另一个是负载电流IdL。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。如果不需要结构框图中显示出电流Id，可将扰动量IdL的综合点前移，再进行等效变换，且如果是理想空载，则IdL=0，结构框图可简化为：

辽宁工程技术大学课程设计（论文）

2

1

1

e

m l m

C

T T s T s

++

U d0(s)n(s)

图3-5 直流电动机简化动态结构框图

由图3.5可推出电机由电枢电压到转速的传递函数：

()

()2

1

1

e

m l m

n s C

U s T T s T s

=

++

(2.13)

图3-6机器人小车的位姿

4总结致谢

4.1总结

足球机器人比赛虽然刚刚开展几年时间，但是它吸引了越来越多人的关注。因为它以喜闻乐见的方式走进了我们的视野，虽然它的体积很小，但是它的意义非常重大。它是综合了计算机技术，自动化技术，机电一体化技术，人工智能技术，模式识别技术的一门综合技术。

足球机器人的核心技术是人工智能技术，它的目地是使机器具有人的智慧。它能使机器具有像人一样的感知环境，向环境学习的能力。人工智能包括智能控制、机器感知、机器情感、专家系统、人工生命、神经元网络和遗传算法等等。我们还能想起计算

张杰：足球机器人的设计

机“深蓝”战胜世界象棋冠军吗？这就是人工智能的成就。

4.2致谢

通过这一阶段的努力，我的课程设计论文终于完成了。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的，在本论文的写作过程中，我的导师王劲松老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出其中的具体问题，严格把关，循循善诱。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学。课程设计是一次再系统学习的过程，论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。非常感谢王劲松老师。王老师教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得的进步，在此向他们表示我由衷的谢意。

参考文献

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