机器人竞技工程(竞速交叉足赛)技术报告.doc

第40页中国工程机器人大赛技术报告2016中国机器人大赛暨RoboCup公开赛（工程类项目）2016中国工程机器人大赛暨国际公开赛（RoboWork）机器人竞技工程（竞速交叉足赛） 技术报告参赛学校： 装甲兵工程学院 队伍名称： 远 航 参赛队员 周 雳 张泉成 王海强 带队教师： 江鹏程 （15601290998） 二一六年七月第25页中国工程机器人大赛技术报告填写说明1、凡参加此次工程机器人大赛比赛的参赛队伍必须填写本技术报告。2、现场报到时，将申报书的电子档和纸质档提交至大赛组委会。3、本书应该填写完整、内容详实、表达准确，数字一律填写阿拉伯数字，英文一律为Times New Roman。4、填写本技术报告时，各项内容字数不得少于规定字数。5、打印格式与装订（1）纸张为A4大小，双面打印；（2）文中小标题为四号、仿宋、加黑；（3）栏内正文为小四号、仿宋；关于技术报告使用授权的说明本人完全了解2016年中国机器人大赛暨RoboCup公开赛（工程类项目）&2016中国工程机器人大赛（Robot at Work）关于保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会所有，比赛组委会可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。 参赛队员签名： 带队教师签名： 日 期： 引 言关键词：创新，机器人，电子信息，素质教育为拓展大学生的动手及实践能力，创建一流校风、学风，让学生更热衷于科学技术的研究;同时进一步推进大学生创新教育，提高大学生的创新意识和创新实践能力，锻炼青年学生综合素质，ROBCUP全国机器人大赛暨2016中国机器人大赛将于七月二九号举行，这次大赛是对广大同学创新素质的综合考验，也受到了广大同学的积极反应。中国机器人大赛暨RoboCup公开赛是中国最具影响力，最权威的机器人技术大赛，基本覆盖了中国现有最顶级的机器人专家和众多知名机器人学者，成为当今中国机器人尖端技术产业竞赛和人才汇集的活动之一，广泛涉及电子信息、通讯网络、装备制造、工控、人机交互、传感与视觉、定位导航、人工智能、航天航空等前沿技术领域。大赛从1999年开始已成功举办了十一届，北京、上海、广州、合肥、苏州、济南、中山等地成功举办了历届大赛。我校高度重视在大学生中大力开展创新实践教育，鼓励学生参与各类科技创新活动，其中机器人制作水平高，特点突出，比赛开展得如火如荼，学生在参加全国、行业协会等各项机器人赛事中，取得了不俗成绩。双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计双足机器人最基本的和首要的工作。本文根据项目规划和控制任务要求，按照从总体到部分、由主到次的原则，设计了一种适合仿人双足机器人控制的机构。文章首先从机构的设计目标出发，制定了总体设计方案，再根据总体方案进行了关键器件的选型，最后完成了各部分机构的详细设计工作。最终的机构在外型上具有仿人的效果，在功能上完全满足电气各部件机载化的安装要求。ABSTRACT Key words: innovation, robot, electronic information, quality education To expand students hands-on and practical ability, to create first-class school spirit and style of study, make students more interested in the study of science and technology; Further promote college students innovative education at the same time, improve the students innovation consciousness and practical ability, training students comprehensive quality, ROBCUP national robot competition and 2016 China robot contest will be held on July ErJiu, the contest is a comprehensive test of students innovative quality, and by the students positive reaction. China robot competition and RoboCup open is Chinas most influential and most authoritative robotics competition, basic covers the top Chinas existing many well-known experts and scholars robots, robot become cutting-edge technology industries in todays China robot competition and talent pool, one of the activities involved in electronic information, communication network, equipment manufacturing, industrial control, human-computer interaction, sensing and vision, navigation and positioning, artificial intelligence, aerospace and other cutting-edge technology. Competition since 1999 has been successfully held the 11th, Beijing, Shanghai, guangzhou, zhongshan and other places, hefei, suzhou, jinan successfully hosted the previous contest. Attaches great importance to vigorously carry out innovation practice among college students in our school education, students are encouraged to participate in all kinds of science and technology innovation activities, including robot production level is high, features prominent, the competition in full swing, the students took part in the national, industry association such as robot competition, has achieved good results. Bipedal robot is for all parts of the carrier, is also the most basic and primary design of biped robot. In this paper, according to the project planning and control tasks, from whole to part, by the Lord to the principle of design a suitable for humanoid biped robot control. This paper starting from the design goal of institutions, formulated the overall design, and then according to the overall plan for key components selection, finally completed the detailed design of each part organization. The final agency has the effect of the humanoid in appearance, fully meet the electrical components on the function of airborne installation requirements. 关闭全屏阅读 目 录第一部分：方案设计一、 双足机器人整体设计11、机器人概述：1.2制作目标：1.3.方案设计：1.4机械结构设计：第二部分 舵机选型第三部分：供电部分第四部分：技术支持4.1舵机控制板4.2产品特性4.3产品使用说明第五部分：程序软件第六部分：主要参考文献第七部分：致谢第八部分：附录1.机器人控制主板原理图2.交叉足机器人视图 第一部分：方案设计根据设计要求，本系统主要由控制器模块、软件程序、电源模块、舵机等部分构成。二、 双足机器人整体设计11、 机器人概述针对项目根据实际拟订目标，结合我们所学知识，从仿人外形和仿人运动功能实现，首先确定了双足双足机器人自由度。双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足双足机器人最基本的和首要的工作。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理。首先分析双足机器人的运动过程(前向)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髋关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动；要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的;机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。另外膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下台阶成为可能，还能实现不同的步态。这样最终决定髋关节配置3个自由度，包括转体、俯仰、和偏转自由度，膝关节配置一个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。这样，每条腿配置6个自由度，两条腿共12个自由度。髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向)内的直线行走功能；髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能；髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。提出了机构的总体设计图，仿人双足机器人机构自由度如图（1），其下肢共计12个自由度。其中：每条腿包括髋部前、侧向、转动各1自由度，膝部前向1个自由度，踝部前向、侧向各1个自由度，其中髋部3个自由度完全正交，踝部2个自由度完全正交。1.2制作目标：设计并制作一种能够完成指定动作的双足机器人。可以根据预先设计的动作，以及定制的指令程序完成一系列高难度的体操动作，包括俯卧撑、前滚翻、后滚翻、侧翻及其他高难度动作。其研究领域涉及到3D模型绘制及动力学仿真、单片机、电路理论、自动控制、电机原理与拖动、接口技术、结构力学、电子工艺等多方面的内容，以实现其智能控制。1.3.方案设计：对机器人进行具体的设计。首先对机器人的自由度安排进行考虑，以使其可以完成预先设想的动作。其次是考虑各个连接部件如舵机，卡口，电池和控制板的尺寸具体设计各卡口的形状尺寸以及电池和电路板的尺寸等。整体设计：我们设计的自由体操机器人主要由金属铝条构成，身高约为21cm，结构尺寸比例是在研究体操运动员大量图片、视频，最终确定一个原始模型后，跟据比例缩放得到的，在制作前进行了大量的仿真与实验。其中，主要运动部位包括：头部、腹部、肩部、手部、腿部和脚部。运动关节由伺服电机控制。整体图片：此处加图片主要卡口设计：双足机器人脚底板双足机器人上半部分1.4机械结构设计：双足机器人机构设计中关节轴系的结构设计必须紧凑，传动精度高，效率高，并保证提供必要的输出力矩和输出速度，以满足机构动态步行运动速度和承载能力。在上述机构的总体设计方案制定后，我们对机构中关键器件进行了选型，主要包括轴系电机、传动杆件等，为此我们根据轴系对运动实现的重要性把机器人所有轴系分为两类：主要轴系和次要轴系。主要轴系包括下肢所有轴系，它们涉及双足机器人基本运动功能的实现问题，因此是本项目机构设计的核心问题，其基本元件和结构方式必须首先确定下来才能展开以此为核心的机构设计和机加工工作。 具体设计方案：在上述机构总体设计方案和关键轴系器件确定后，我们对整体机构进行了由主到次的具体设计，其中包括下肢承载平台即下体机构设计、躯干机构设计、控制安装空间的设计，下面对这些工作进行具体的说明。1.下体机构设计下肢关节轴系结构设计，一般考虑的主要因素包括三个方面，其一是轴系最大驱动力矩要求，其二是轴系的结构强度和运动速度要求，其三是轴系的重量限制。在本项目中。下肢轴系一方面需要提供足够的力矩和结构强度才能实现对本身和上体的承载，另一方面要达到足够的运动速度才能使机器人整体步行速度达到要求。因此，设计下肢关节轴系时，上述三个因素需要着重考虑，即在保证所需强度、驱动力矩、运动速度下，在重量、结构和尺寸上进行优化。在整个下肢的结构设计中，我们摈弃了以往的关节串行链接的模式，通过传动杆件及轴承的搭配传动，在实现灵活自如的同时，使得多轴关节完全正交，其中包括踝部的前向与侧向关节完全正交，髋部的前向、侧向、转动三个关节完全正交。在各个关节处采用连动杆件及轴承加固。考虑到舵机的承载能力，我们尽量减轻构件的重量。采用钢铝结合的方案，其中脚底板和腰部连接构件采用铝结构，腿部连结构件采用钢架结构。这样很好的利用了钢的硬度，和铝的重量轻的优点。另外,我们还利用舵机本身的长度作为杆件做了进一步的设计，从而达到了设计的要求和重量的轻便。2.躯干机构设计躯干在双足机器人中不仅仅起到连接下肢、上肢和头颈部分的作用，而且要为控制部件设备提供安装空间。在本项目中下肢部分的大功率轴系、无线控制器、运动控制器、无线遥控监控器以及锂离子电池组等都需要安装在机器人躯干部分，因此我们以塑料为材料，将躯干设计为一个中空的腔体，内部设计有支撑板，一方面保证腔体的结构强度，另一方面提供上述机载设备的安装构架，同时为了机载设备的维护更换方便，我们将躯干外围板筋设计成为各方可以自由装卸的组合形式。3.机载安装空间设计电气机载化安装是本项目的主要目标之一。因此在机构的设计中，机载电源子系统和控制子系统的机载安装空间和机载载荷平衡问题必须周到考虑。一方面我们尽量提高机载部分集成度，减轻机载部分重量。另一方面采用模块化分散化的设计原则和安装方式，尽量利用零散的机载空间。在机器人躯干部分的设计中，其内腔均设计为机载安装空间，为了今后的维修时便于拆卸，为此我们设计了针孔插拔装置。将运动控制器、电源变换模块、无线通讯模块、与控制模块以及接线端子连接器合理的布置在机载空间内。下肢轴系设计模块化后，采用板筋结构连接各个轴系组成整个下肢，轴系间板筋围成的空间作为下肢轴系底层功率驱动器的机载空间。 第二部分 舵机选型舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。采用Servo(航模用伺服电机，也称“舵机”)为主要驱动手段，此外在部分部位也可以使用直流电机。Servo伺服电机主要靠脉冲来定位，伺服电机每接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移伺服电机,通过发送脉冲的频率就可以控制转动的速度。Servo伺服电机可控速度,位置精度非常准确,且成本低廉，控制简便，较其他电机有着很大的优势。根据经验我们选择了春天舵机，型号为SR403P，具体尺寸和参数如下第三部分：供电部分整套系统我们采用7.4V锂电池供电，因为舵机的供电电压最好就是7，4V,舵机控制板的单片机是需要5V的，这中间我们通过一个1117芯片的降压稳压后得到5V电压给单片机供电。 第四部分：技术支持4.1.我们使用自己做的舵机控制板如图所示：4.2产品特性24路舵机控制板，配合软件，可 USB 实时在线调试，并可下载后独立运行。使用ATmega32A-AU 作为主控芯片，通过串口和上位机软件连接调试，并可在上位机中点击通过串口下载程序到单片机，所调试的程序，可独立运行。2 路LED指示灯用于指示不同工作状态。整套商品含 24 路控制板 1 个。资料网传（内含上位机软件，使用说明等。产品型号：DEV1312重量：4 g产口尺寸：61.3*40.3*12.1 mmPCB尺寸54.0*40.0mm插针间距：2.54 mm包装方式：防静电袋密封上市日期：2012年01月12号4.3产品使用说明1 用前准备：xp或win32操作系统电脑一台 usb转串口驱动（可以到网上下载，xp和win32的驱动是不同的，特别注意win64的驱动现在很难找，所以尽量使用xp和win32位操作系统）2 usb转串口驱动的安装可以直接找到usb转串口exe文件，打开运行即可安装成功3 舵机的连接第一步：先将usb转串口的四根线与舵机控制板的串口线连接 RX如图所示 RXD接TXD TXD接RXD GND接GND VCC接VCC 第二步：将舵机与舵机控制板连接本舵机控制板对多可以连接24路舵机。舵机的三根线分别为信号线 地线 和VCC与舵机控制板的相应插针相连接。如图插针从上到下依次为信号线 vcc和地线 。舵机控制板的供电需要单独供电，根据不同的舵机的工作电压适当选择。单靠usb转串口的usb电流是不能使大多数舵机正常工作的。舵机会产生严重的抖动现象。第三步：在电脑上打开舵机控制上位机软件 。选择通讯串口的COM号。Com号可以在插入usb转串口后，在电脑的设备管理器中查看。选择好串口后，点击打开串口。此黑色标志会变成红色。说明舵机控制板与上位机已经能正常通信。第四步：所有线路正常连接后，需要进行舵机的调试工作。此时舵机控制板上的运行和调试开关需要选择在DEG调试模式上 如图。选择完成后按下start开始按键，舵机可以上电。第五步：在舵机控制上位机上拖动相应舵机的调节条，可以调整舵机的旋转角度。注：可以在上位机的菜单中选择舵机控制的路数，可以选择6 12 24路舵机控制第六步;每个动作之间要加MOVE TO 延时，生成的代码在右边调试运行框中生成。在机器人调试中一般要设置初始位置，通过拖动条将机器人调节到初始位置后，点击设置复位。则每次程序执行时，都会从此处开始执行。调试机器人的过程中还可以点击调试下图中的调试运行，可以将已经生产的程序，从初始位置开始执行，一直执行到现在调试的位置，方便检验调节过程中动作的不足之处，便于修改。第七步：所有动作都调试完成后。选择编译菜单。如图 上位机将调节的动作转换成c文件，如图此时找到上位机的安装包。双击编译文件，如下图点击后c文件就变成了单片机可以执行的hex文件。第八步：点击编译中的下载选项，如图会出现加载好hex文件 选择好com号后选择 开始通信。Hex文件即可下载到单片机中 第九步：舵机控制板下载文件停止调试，需要脱离电脑单独运行，此时需要在供电正常的情况下将调试/运行按键 换到run运行状态。 再按下start按键，舵机控制板就可以控制舵机完成刚才的调试动作了。 第五部分：程序软件在软件方面，在机器人的关节舵机控制方面，采用由我们机器人创新实验室自主研发的用Visual Basic开发的机器人动作调试软件编写代码；对单片机剩余端口进行定义，使之根据需要控制自由体操机器人的各个关节部位。/*主函数*void main(void)unsigned int indexm;unsigned char shuru;/*初始化* CLI(); /disable all interruptsport_init();timer1_init(); fuwei();MCUCR = 0x00;GICR = 0x00;TIMSK = 0x04; /timer interrupt sourcesSEI(); /re-enable interrupts/* dongzuo(); while(1);#include #include #include unsigned int dataa,datab;signed int a24,b24,c24,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中断*#pragma interrupt_handler 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;i465;i+); for(i=0;i451;i+) if(i=a0) PORTA&=BIT(0);if(i=a1) PORTA&=BIT(1); if(i=a2) PORTA&=BIT(2);if(i=a3) PORTA&=BIT(3); ;break;case 1: PORTA|=0xf0; for(i=0;i465;i+); for(i=0;i451;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;i465;i+); for(i=0;i451;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;i465;i+); for(i=0;i451;i+) if(i=a12) PORTB&=BIT(4);if(i=a13) PORTB&=BIT(5); if(i=a14) PORTB&=BIT(6);if(i=a15) PORTB&=BIT(7); ;break;case 6: PORTC|=0x0f; for(i=0;i465;i+); for(i=0;i451;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;i465;i+); for(i=0;i451;i+) if(i=a20) PORTC&=BIT(4);if(i=a21) PORTC&=BIT(5); if(i=a22) PORTC&=BIT(6);if(i=a23) PORTC&=BIT(7); ;break; /自定义函数*void delay(unsigned int time) /0.1s unsigned int m,k; for(m=0;mtime;m+) for(k=0;k45000;k+);void moveto(unsigned int vel) signed int k,m,tem=0,temp=0; signed char j; for(j=0;j24;j+) cj=bj-aj;/求出期望值与实际值之差 if(fabs(ctem)fabs(cj) /找出最大的差 tem=j; temp=fabs(ctem); /暂存最大差的绝对值 for(j=0;j24;j+) /把所有的差值都扩大70倍 cj=(cj*70)/temp;/每个的步长，最大的为70 dj=aj*70; for(k=0;ktemp;k+) /分temp 步完成这个动作 for(j=0;j24;j+) dj=dj+cj; aj=(dj/70); for(m=0;mvel;m+)/每步中间的延时，产生速度 for(j=0;j100;j+); for(j=0;j24;j+)/消去误差，绝对定位到 /期望值 aj=bj; /执行 函数+void zx(unsigned int datazx) datab=datazx%1024;/解析数据 ，参数dataa=(datazx-datab)/1024;/指令/zhi xing 0 if (dataa24) bdataa=datab; else if (dataa24) adataa-24=datab; bdataa-24=datab; else if (dataa=49) moveto(datab); else if (dataa=50) delay(datab); void fuwei(void) unsigned char k; a0=215;a1=235;a2=233;a3=209;a4=243;a5=255;a6=254;a7=118;a8=282;a9=198;a10=43;a11=231;a12=128;a13=260;a14=373;a15=119;a16=249;a17=160;a18=190;a19=283;a20=234;a21=391;a22=118;a23=247；for(k=0;k24;k+)bk=ak;55 关节调试在机构加工基本完成、电路正常工作的基础上，我们开始对新型机构进行实验调试。调试实验时,首先进行单关节调试，这一步无任何问题后进行关节的组合调试，在此基础上进行基本的步态试验。1.单关节调试 首先进行的是单关节调试，单关节调试的目的有3个：(1)测试各关节功放电路、控制电路及机构是否工作正常；(2)关节磨合及死区测量；(3)测量各关节实际运动范围； (4)标识各关节运动正向；(5)测试各关节能够准确调到零位；(6)测试各关节的实际最大工作空间。2.关节组合调试。在单关节调试完成之后，进行关节组合调试。包括侧向关节的组合调试、前向关节的组合调试及测向关结合和前向关节的组合调试。之所以对机构进行组合调试，是基于以下几点考虑的：(1)单个关节已经调试通过，我们还不清楚各关节之间能否有效地配合起来；(2)供电部分在能够有效的支持单电机工作的情况下，能否同样支持多关节同时工作；(3)组合调试可以检验关节的实际输出力矩是否能够保证机构的稳定步行；(4)无论从编程实现，还是控制方案实施来看，组合调试可以发现一些隐藏的问题，及时加以解决，便于下一步实验的进行，同时可以给调试人员积累一些调试经验，为进一步调试打下基础。我们先进行侧向关节组合调试，我们设计了左右侧扭的动作来检验侧向关节。实施方案是保持各正向关节不运动，侧向踝关节、侧向髋关节运动，即机器人做左右摇摆的动作。通过实验得出以下结论：机器人能够按预定的方案有节奏地进行左右摆动，侧向关节组运动正常。 在侧向关节调试完毕之后，进行的是前向关节组合调试，拟定实施的方案为：机器人进行悬挂状态下的原地踏步运动。这时每条腿运动只需用到3个前向关节，即前向踝关节、膝关节、前向髋关节。通过机器人悬挂踏步实验，得出以下结论：(1)机器人的前向运动关节能够很好地配合起来；(2)按照理论规划的数据在加以简单的修正之后能够达到一个比较好的效果；(3)前向关节能够提供足够的力矩以驱动机体运动。 通过侧向关节和前向关节的组合调试，我们清楚了各关节的工作情况，前向关节、侧向关节都能保证正常运行。在此基础上，我们将机器人放在地上，进行原地踏步实验，因为原地踏步实验是一个最简单的基本动作，需要侧向关节和前向关节的共同参与，可以检验侧向关节和前向关节的组合性能，若原地踏步动作成功，下一步就可以进行步行试验了。 通过这个实验，我们可以达到以下几点目的：(1)验证侧向关节、前向关节能否有效配合；(2)解决简易运动中的机体平衡问题。(3)机器人的主要受力关节有足够的刚度支持机器人的下肢，为机器人作前向运动提供实验依据。 1 王进峰，范孝良.并联机器人发展研究.北京：人民教育出版社，1998，662 杨廷力，罗玉峰，刘安心.机器人机构结构的基本思想与发展.徐州：中国矿业大学，20083 董海薇，李平康.国内并联机器人研究现状及未来进展.北京：北京交通大学机械与电子控制工程学院，20084 路 娜，赵新华.三自由度并联机器人机构位置反解和奇异位形研究.北京：北京科