机器人课程设计(苏州市职业大学)

苏州市职业大学课程设计任务书

课程名称：机器人技术及应用

起讫时间：2012.12.31－2013.01.05

院系：电子信息工程系

班级：

姓名：

指导教师：

系主任：

目录

第一章绪论 (1)

1.1概述 (1)

1.2机器人的技术组成 (1)

1.3课程设计的目的和要求 (1)

1.3.1目的 (1)

1.3.2要求 (1)

第二章方案和规划 (2)

2.1设计方案 (2)

2.1.1传感器系统 (2)

2.1.2控制系统和推进系统 (2)

2.1.3机器人结构 (2)

2.1.4控制方法 (2)

2.2任务规划 (2)

第三章搭建机器人 (3)

3.1结构设计 (3)

3.2驱动方案 (4)

3.3传感器 (5)

3.3.1光强传感器 (5)

第四章软件设计 (8)

4.1控制算法流程 (8)

4.2程序编写 (9)

第五章结论 (12)

参考文献 (13)

第一章绪论

1.1概述

人形机器人是机器人研究中的重要分支，它涉及到机器人制造中的各个领域，如自主行为控制、人工智能、动态管理、机械设计等，在一定程度上代表着机器人研究的尖端水平，与其它机器人（工业机器人、蛇形机器人、轮式移动机器人等）相比，具有三个基本特征：（1）能在人们所处的现实环境中工作；（2）能使用人们所用的工具；（3）具有人的形状。此外，还有摄像处理、语音处理以及一系列传感器信号的处理，可见，人形机器人对各项技术领域提出了更高的要求。

1.2机器人的技术组成

机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成．这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统。

1.3课程设计的目的和要求

1.3.1目的

（1）进一步了解“创意之星”标准版套件；

（2）初步学习人形机器人的步态规划；

（3）深入学习AVR控制器的使用方法；

（4）深入学习模拟量传感器的使用方法。

1.3.2要求

（1）设计一个简单的双足机器人系统，该机器人能够模仿人类行走方式迈步行进，能感知光源，并能转向光源，朝光源前进；

（2）进行结构设计，每个足要包括腕、膝、胯三个关节，画出机器人的机构运动简图；

（3）进行步态分析，并编写前进、左转、右转的步态流程；

（4）用NorthStar设计完整的双足机器人追光程序；

第二章方案和规划

2.1 设计方案

2.1.1传感器系统

我们需要测量机器人的的姿态，但不需要像Segawy一样测量那么多的姿态信息，只需要获得机器人前后俯仰的角度信息即可。获取机器人的前后倾斜角度后，可通过可控制电机的转向，反向补偿这个倾斜角度，合理的补偿方式就能够让机器人保持动态平衡。

2.1.2控制系统和推进系统

控制系统选择MultiFLEX2-AVR控制器。相对于MultiFLEX2-PXA270，MultiFLEX2-AVR控制器的编程更简单，更容易实现Segawy要求的对传感器的高速采集和高速响应。

CDS55xx舵机既可以用舵机模式，也可以要做电机模式，这里用其作为Segawy的推进系统。

2.1.3机器人结构

我们需要搭建一个双轮机器人，需要有两个悬臂用于安装红外测距传感器机器人倾斜角度的测量。

2.1.4控制方法

整个结构方案、传感器方案都确定好了，可以得到机器人的倾斜角度，能够有效控制机器人轮子的转动了。

2.2任务规划

前面已经对自平衡机器人如何设计做了详细的介绍。接下来具体实施环节：

·搭建出实验平台，这个平台必须必须符合上述理论分析。

·熟悉需要用到的部件，如CDS5500和红外测距传感器。

·在实验平台上设计控制策略进行验证。

第三章搭建机器人

3.1 结构设计

1)MultiFLEX2-AVR控制器，1块；

2)多功能调试器和线，1套；

3)光强传感器，2个；

4)舵机，8个；

5)连接件，若干。

舵机：

控制器：

四足机器人:

3.2 驱动方案

驱动系统是向机械结构系统提供动力的装置。采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也就不同。驱动系统的传动方式主要有四种：液压式、气压式、电气式和机械式。电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式，其特点是电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方式，驱动电机一般采用步进电机或伺服电机，目前也有采用直接驱动电机，但是造价较高，控制也较为复杂。

电动机也称电机（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同布电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。

舵机是遥控模型控制动作的动力来源，不同类型的遥控模型所需的舵机种类也随之不同。

舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的W

/三相电形成电

V

U/

磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

3.3 传感器

传感器是自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。传感器技术它综合了多方面的知识，在近几年体现尤为突出。人类具有五种感觉(视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉)。机器人需要通过传感器得到这些感觉信息。目前机器人只具有视觉、听觉和触觉，这些感觉是通过相应传感器得到的。

机器人传感器根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。

a.内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多为检测位置和角度的传感器。

b.外部传感器：用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。

3.3.1光强传感器

光强传感器是一种感应光的强弱并进行显示、处理的测量装置。使它可以完成多种光学实验，诸如比较光强和距离的关系；研究光的干涉、衍射、偏振；在

不同光源下测量光的相对强弱；研究不同光源的明、暗变化等。常用于生物、化学实验中。

光强传感器结构

光强传感器结构图如下：为降低光敏元件的工作环境温度而在传感器外壳上装有两个引入冷却水的导管。

压盖是压紧透光的石英玻璃窗，防止漏气，并与外壳相连，密封冷却水。

铜套筒的作用是密封水，以免冷却水进入光敏元件与石英玻璃组成的空间。图上的软套管能是光敏元件在轴向固定，不因振动而变化，套筒作安装光敏元件之用。此外，图上的光电池，绝缘薄膜，内套筒可用光敏二极管代替。这种结构的有点是拆卸方便。

1- 光强传感器原理

利用光敏元件可将光信号的特点，将柴油机燃烧室内着火燃烧时火焰光辐射信号转换为电信号而反映出柴油机的燃烧情况。下图为光强传感器的原理图。

光强传感器应用

在农业生产、气象环保等工作中，光照强度是环境监测中的重要参数。尤其是在温室大棚中，光强对作物有着决定性的作用。所以光强传感器应用于室内光照度的测定，光源强度与距离间关系的研究。

第四章软件设计

4.1控制算法流程

模仿人类的行走方式，两条腿交替前进；利用传感器感知光源，并能转向光源，朝光源前进，

根据光强传感器接受到的信号进行控制：

1)当两边都有信号时，机器人按照设置的步伐前进。

2)当左边没有信号时，机器人的右脚做出左转的动作。

3)当右边没有信号时，机器人的右脚做出右转的动作。

4.2程序编写

程序对应的源码如下：

#include "Apps/SystemTask.h"

uint8 SERVO_MAPPING[6] = {1,2,3,4,5,6};

int main()

{

int Diff = 0;

int Left = 0;

int Right = 0;

MFInit();

MFInitServoMapping(&SERVO_MAPPING[0],6); MFSetPortDirect(0x00000FFF);

MFSetServoMode(1,0);

MFSetServoMode(2,0);

MFSetServoMode(3,0);

MFSetServoMode(4,0);

MFSetServoMode(5,0);

MFSetServoMode(6,0);

while (1)

{

//左侧

Left = MFGetAD(0);

//右侧

Right = MFGetAD(1);

Diff = Left - Right;

//左侧值大于右侧

if (Diff>50)

{

//左转

MFSetServoPos(1,315,512); MFSetServoPos(2,460,512); MFSetServoPos(3,396,512); MFSetServoPos(4,872,512); MFSetServoPos(5,512,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFServoAction();

DelayMS(1000);

MFSetServoPos(1,331,512); MFSetServoPos(2,422,512); MFSetServoPos(3,441,512); MFSetServoPos(4,921,512); MFSetServoPos(5,512,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFServoAction();

DelayMS(1000);

MFSetServoPos(1,240,512); MFSetServoPos(2,430,512); MFSetServoPos(3,441,512); MFSetServoPos(4,921,512); MFSetServoPos(5,512,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFServoAction();

DelayMS(1000);

}

//左侧值小于右侧

if (Diff<-50)

{

//右转

MFSetServoPos(1,315,512); MFSetServoPos(2,460,512); MFSetServoPos(3,396,512); MFSetServoPos(4,872,512); MFSetServoPos(5,512,512); MFSetServoPos(6,512,512); MFServoAction();

DelayMS(1000);

MFSetServoPos(1,240,512); MFSetServoPos(2,530,512);

MFSetServoPos(3,304,512);

MFSetServoPos(4,804,512);

MFSetServoPos(5,512,512);

MFSetServoPos(6,512,512);

MFServoAction();

DelayMS(1000);

MFSetServoPos(1,331,512);

MFSetServoPos(2,422,512);

MFSetServoPos(3,304,512);

MFSetServoPos(4,804,512);

MFSetServoPos(5,512,512);

MFSetServoPos(6,512,512);

MFServoAction();

DelayMS(1000);

}

if ((Diff>=-50)&&(Diff<=50)) {

MFSetServoPos(1,315,512);

MFSetServoPos(2,460,512);

MFSetServoPos(3,396,512);

MFSetServoPos(4,872,512);

MFSetServoPos(5,512,512);

MFSetServoPos(6,512,512);

MFServoAction();

DelayMS(1000);

MFSetServoPos(1,240,512);

MFSetServoPos(2,530,512);

MFSetServoPos(3,396,512);

MFSetServoPos(4,872,512);

MFSetServoPos(5,512,512);

MFSetServoPos(6,512,512);

MFServoAction();

DelayMS(1000);

MFSetServoPos(1,331,512);

MFSetServoPos(2,422,512);

MFSetServoPos(3,396,512);

MFSetServoPos(4,872,512);

MFSetServoPos(5,512,512);

MFSetServoPos(6,512,512);

MFServoAction();

DelayMS(1000);

}

}

}

第五章结论

随着科技的发展，机器人的应用也越来越普遍了。所以在当今对机器人的了解也是必须的。

在没接触这门课的时候，我对机器人并不是很了解，慢慢的接触之后，我明白了机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的。

在整个设计过程中，从组装到调试我们都花了很长的时间，特别是组装。在组装之前必须得想好先装哪个部件，如果安装的顺序错了。那后面的就进行不下去了。至于编程，因为以前我们做过类似的机器人，所以下手比较容易，只要对几个舵机进行正确的调试就可以了。机器人需要灵活掌握，灵活运用，需要严谨的逻辑以及缜密的编程，这次设计让我受益匪。

参考文献

1、吴毅君，陈健先，郑捷，郑之. 人形机器人避障模块研究与设计[J]. 福建电脑, 2011,(03) .

2、周玉林,高峰. 仿人机器人构型[J]. 机械工程学报, 2006,(11) .

3、冷建军. 传感器在生活中的应用[J]. 数理化学习(初中版), 2011,(01)

4、柳洪义.《机器人技术基础》冶金工业出版社 2002年11月

5、熊有论，丁汉，刘恩沧.《机器人学》.机械工业大学出版社，1988年

6、殷际英，何广平.《关节型机器人》.北京：化学工业出版社，2003年

7、朱世强,王宣银. 《机器人技术及其应用》浙江大学出版社 2001年07月