課程設(shè)計論文少林銅人陣機電系統(tǒng)設(shè)計

1、湖南工程學院湖南工程學院課課程程設(shè)設(shè)計計說說明明書書 名稱名稱：少林銅人陣機電系統(tǒng)設(shè)計 院院 系系 機械工程學院 班班 級級 機械電子工程 0801 姓姓 名名 學學 號號 10 指導老師指導老師 2011 年 12 月 5 日至 2011 年 12 月 23 日共 3 周目目 錄錄一、緒論一、緒論.21.1 概述.21.2 機器人的技術(shù)組成 .21.3 課程設(shè)計的目的及要求 .2 2、總體設(shè)計總體設(shè)計.42.1 總體模塊劃分.42.2 自由度的分配.4三、機械部分設(shè)計三、機械部分設(shè)計.53.1 彎腰機構(gòu)的設(shè)計.53.2 轉(zhuǎn)身機構(gòu)的設(shè)計.63.3 手臂和頭部機構(gòu)的設(shè)計.63.4 聯(lián)結(jié)方式的選擇

2、.7 3.5 手臂和雙足的運動學分析式的選擇.74、電氣部分設(shè)計電氣部分設(shè)計.94.1 電路總體結(jié)構(gòu).94.2 主要部件的選擇.10 4.2.1 驅(qū)動電機的擇. .10 4.2.2 繼電器.11 4.2.3 光電編碼器.124.2.4 傳感器.13 4.2.5 開關(guān). 14 4.2.6 電源. .144.3 控制系統(tǒng)設(shè)計.14五、軟件部分設(shè)計五、軟件部分設(shè)計.155.1 軟件控制流程.155.2 主程序設(shè)計.165.3 任務子程序設(shè)計.185.4 關(guān)節(jié)歸零子程序現(xiàn). .185.5 其它子程序.205.6 武術(shù)動作的編輯.20設(shè)計總結(jié)設(shè)計總結(jié). .22參考文獻參考文獻.23一、緒論一、緒論1.1

3、 概述 隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人已經(jīng)大量 應用于社會的各個行業(yè)。如今，機器人已經(jīng)進入娛樂領(lǐng)域，國內(nèi)外很多公司正在發(fā)展娛樂型機器人。武術(shù)機器人就是在這樣的大背景下產(chǎn)生的。作為機器人的一個分支，武術(shù)機器人將會是 21 世紀機器人主要民用用途之一。武術(shù)機器人的設(shè)計涉及了 機電一體化技術(shù)、檢測和傳感技術(shù)、精密加工和機械密封技術(shù)、現(xiàn)代化控制和管理技術(shù)、光電感應技術(shù)、計算機程序控制技術(shù)等多個方面。因此，武術(shù)機器人既具有極強的觀賞和趣味性，更是一個系統(tǒng)化的工程設(shè)計。 人形機器人是機器人研究中的重要分支， 它涉及到機器人制造中的各個領(lǐng)域，如自主行為控制、人工智能、動態(tài)管理、機械設(shè)計等，在一定程度上代表

4、著機器人研究的尖端水平，與其它機器人（工業(yè)機器人、蛇形機器人、輪式移動機器人等）相比，具有三個基本特征：（1）能在人們所處的現(xiàn)實環(huán)境中工作；（2）能使用人們所用的工具；（3）具有人的形狀。此外，還有攝像處理、語音處理以及一系列傳感器信號的處理，可見，人形機器人對各項技術(shù)領(lǐng)域提出了更高的要求。1.2 機器人的技術(shù)組成機器人由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成這三大部分可分成驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)。1.3 課程設(shè)計的目的和要求 1 1、 機器人設(shè)計的內(nèi)容機器人設(shè)計的內(nèi)容舉手投足、轉(zhuǎn)圈、頭部動作靈活、并具備的語音功能。通過語音識

5、別技術(shù)，可以對小機器人進隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機器人技術(shù)已廣泛應用于人類社會生活的各個領(lǐng)域，特別是機器人具有人類外觀特征、可愛的外貌、又兼有技術(shù)含量，極受青少年的喜愛。本課題要求設(shè)計一具有簡單人體功能的、模擬十八銅人動作的類人型機器人，完成簡單人體的基本動作：可以前進后退，左右側(cè)行，左右轉(zhuǎn)彎和前后擺動手臂，行走頻率為每秒兩步，行語音控制，通過發(fā)出語音命令，控制機器人的。機器人包括底座、頭部、上身、下肢、以及電路控制板，分別控制手臂、頭部和底盤運動的電機及傳動機構(gòu)等。通過電路控制和機械傳動，可使機器人動作。知識范圍涉及機構(gòu)學、力學、電子學、自動控制、計算機、人工智能等。 2 2、具體任務：、具體任

6、務： 1、了解機電一體化系統(tǒng)設(shè)計原理，機器人設(shè)計原理及基礎(chǔ)知識，熟悉機器人基本機構(gòu)設(shè)計及控制原理； 2、通過分 9 組，分別完成 8 個機器人武術(shù)動作設(shè)計（要求每個機器人能單獨完成 34 個武打動作，動作要流暢，不能有運動干涉及自鎖現(xiàn)象） ； 3、其中 1 組進行機器人系統(tǒng)的整體布局和陣法變換設(shè)計，完成 8 個機器人的布陣、陣形變換和收陣的機電系統(tǒng)及控制設(shè)計；其中要考慮機器人動平衡、路徑控制、干涉、互鎖、自鎖等。 4、通過設(shè)計說明書的編寫訓練使學生掌握工程技術(shù)文件的編寫。 3 3、進度安排、進度安排: : 1、下達設(shè)計任務，查資料，分析課題，確定系統(tǒng)的總體方案 3 天 2、分組課題設(shè)計方案的選

7、擇與擬定，詳細機械設(shè)計及控制設(shè)計方案的設(shè)計、計算與驗算 7 天 3、根據(jù)分工，進行各自部分的設(shè)計、調(diào)試、運行，直至正確無誤 2天 4、按格式編寫設(shè)計說明書（12 頁以上） 、制作存儲介質(zhì)（分組刻盤）資料匯總，答辯 3天 4 4、時間安排：、時間安排：劉紅波（07）負責總體設(shè)計； 張?。?2）負責機械部分設(shè)計； 李蕓（20）負責電氣部分設(shè)計； 蔡楷賓（10）負責軟件部分設(shè)計。 二、總體設(shè)計二、總體設(shè)計2.12.1 總體模塊總體模塊機器人的設(shè)計首先需作總體方案設(shè)計，包括機械和電氣兩部分。根據(jù)機械基礎(chǔ)知識，從整體上來講，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計必須與機器人所要完成的功能相適應。機械部分設(shè)計主要包括底盤設(shè)計、尺寸

8、選擇、驅(qū)動方式設(shè)計、電機選擇等；電氣是機器人最重要的部分，直接影響著機器人功能的實現(xiàn)于否。銅人機器人要求完全自動控制，必須采用單片機為控制核心，它類似于機器人的大腦，接收和處理所有外界信息，指揮并控制機器人的所有動作。語音識別等功能是制作機器人硬件的難點，它要求機器人具有一定的感覺系統(tǒng)。目前，機器人技術(shù)已日趨成熟，機器人感覺系統(tǒng)可通過各種各樣相應的傳感器技術(shù)即可實現(xiàn)。傳感器把接收到的外部信息輸入到單片機，再通過軟件進行控制，從而單片機發(fā)出命令指揮機器人動作。軟件編程可以豐富機器人的功能，使機器人動作更加完善。2.22.2 自由度配置自由度配置機器人要實現(xiàn)機器人的雙足行走動作，對機器人的自由度的

9、分布和自由度的安裝位置，都有一定的要求?；谕ㄟ^盡量少的自由度，來實現(xiàn)盡量多的基本運動，同時又要使這些運動盡量柔順美觀的出發(fā)點，配置機器人自由度。 下肢行走機構(gòu)是雙足機器人最關(guān)鍵的部分，關(guān)系著機器人能否穩(wěn)定的行走。所以，對機器人下肢自由度的配置就成了機構(gòu)設(shè)計中最為重要的部分。通過對人體腿部關(guān)節(jié)運動方式的研究，發(fā)現(xiàn)可以利用 12 個自由度來近似實現(xiàn)人腿全部的運動功能本課題設(shè)計的機器人也具有 12 個自由度，其中 2x 3=6 個自由度負責前行運動，22=4 個自由度負責側(cè)向擺動，2x 1=2 個自由度負責轉(zhuǎn)向。上肢是機器人的執(zhí)行部件，同時在機器人行走時維持身體平衡和在機器人倒地時配合機器人下肢使

10、機器人站起立，本課題設(shè)計的機器人上肢有 2 x4=8 個自由度。另外，頭部配置 1 個轉(zhuǎn)動的自由度。這樣機器人共具有 21 個自由度，軸手臂與頭部機構(gòu)搖桿零件可前后搖動正視圖側(cè)視效果固定用軸孔長方形槽自由度分布及其正方向如圖所示。關(guān)節(jié)標號 y1y8 為繞平行于 y 軸轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)標號 xlx8 為繞平行于 x 軸轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)標號 z1z8 為繞平行于 z 軸轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)。 三、機械部分三、機械部分機械部分包括：彎腰機構(gòu)的設(shè)計、轉(zhuǎn)身機構(gòu)的設(shè)計、手臂機構(gòu)的設(shè)計、轉(zhuǎn)頭機構(gòu)的設(shè)計、材料與型材選擇及聯(lián)結(jié)方式的選擇。3.13.1 彎腰機構(gòu)的設(shè)計彎腰機構(gòu)的設(shè)計腰部的設(shè)計思路是，作為人形機器人的腰部，主

11、要做要是承接了上部的重量，設(shè)計的時候腰部能做到水平的轉(zhuǎn)動最好，如果不能將會極大地影響整個機器人的平衡；所以盡量減少可變的環(huán)節(jié)，故在腰部轉(zhuǎn)動的設(shè)計中不采用電機再經(jīng)傳動其他機構(gòu)最后帶動腰部的轉(zhuǎn)動方式，而是直接使用電機實現(xiàn)彎腰。具體實現(xiàn)方式如下：先通過一根軸穿過鞠躬機構(gòu)與機器人上半身的兩只手臂固定，然后電機通過一個搖桿連接到彎腰機構(gòu)的一個長方形槽中，在電機轉(zhuǎn)動的過程中，帶動鞠躬機構(gòu)做以與手臂固定軸為中心的前后彎腰鞠躬動作，所需的零件包括一根軸，一個帶有與軸相同大小的孔和在孔同一側(cè)的開有長方形槽的鋁條。并且考慮在這個機構(gòu)上，能夠與手臂機構(gòu)相固定。圖 3.1 機器人彎腰機構(gòu)彎腰機構(gòu)的裝配順序如下：取適當

12、長度的鋁條打軸孔和磨長方形槽，在上身支架兩端打相同的孔，軸穿過該鋁條后穿過兩個支架并固定好。加工可固定于電機軸上的搖桿，一端可固定住電機，另一端固定搖桿的軸并與加工好的鋁條的長方形槽相結(jié)合。將電機固定在上身左邊支架的一側(cè)。為了防止彎腰機構(gòu)前傾，用兩根橡膠帶做一定的固定，以使電機拉住機構(gòu)向下彎腰時更加穩(wěn)定在彎腰機構(gòu)中，如果將機構(gòu)的位置和方向調(diào)換過來，動作就可變?yōu)榧绲淖笥覔u擺，因為設(shè)計水平有限，沒有將兩種動作結(jié)合在一起的機構(gòu)設(shè)計出來。3.23.2 轉(zhuǎn)身機構(gòu)的設(shè)計轉(zhuǎn)身機構(gòu)的設(shè)計轉(zhuǎn)身機構(gòu)的設(shè)計原理和彎腰機構(gòu)的設(shè)計原理差不多，在此就不做多的比較論證了。我們還是采用連桿機構(gòu)，但具體的設(shè)計又和前面稍微不同。

13、 機器人的腰部機構(gòu)用于實現(xiàn)機器人左右轉(zhuǎn)身的動作，主要部件包括一個滾動軸承、一個自行加工的可固定滾動軸承內(nèi)部圓的零件，以及必備的其它固定零件。 滾動軸承的特點在于當內(nèi)圓固定時，外圓可以轉(zhuǎn)動，反之亦然。機器人的腰部機構(gòu)正是從這個特點出發(fā)制作的，要實現(xiàn)機器人腰部左右轉(zhuǎn)動，就讓滾動軸承內(nèi)部圓與可固定電機軸的傳動零件固定，同時該零件與機器人下身機構(gòu)固定，滾動軸承與機器人上身機構(gòu)固定，再將電機與傳動零件固定后又與上身機構(gòu)固定，這樣，在電機轉(zhuǎn)動的過程中，利用軸承的作用，機器人下身機構(gòu)不動時，由于上身機構(gòu)與軸承外圓固定，電機旋轉(zhuǎn)帶動了軸承外圓的旋轉(zhuǎn)，于是，機器人上身就繞著軸承中心作轉(zhuǎn)身運動。3.33.3 手臂

14、和頭部機構(gòu)的設(shè)計手臂和頭部機構(gòu)的設(shè)計 手臂機構(gòu)就是機器人的兩只手臂，在本次設(shè)計中將機器人的手部的兩個電機與帶動機器人頭部轉(zhuǎn)動的電機固定在了同一個機構(gòu)上，同時，將該手臂與前后彎腰的機構(gòu)相固定，構(gòu)成機器人的上半身機構(gòu)的一部分，然后該整體又與機器人的左右支架和腰部機構(gòu)相結(jié)合，一起構(gòu)成機器人的上半身機構(gòu)。 參看做的很好的機器人的例子，機器人的手臂是機器人復雜程度的重要標志之一。手臂所具有的自由度越多，動作時活動的空間就越大，所做的動作就越精細，完成的任務就越復雜。3.43.4 聯(lián)結(jié)方式的選擇聯(lián)結(jié)方式的選擇 綜上所述，機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計為空心矩形截面，由鋁材加工而成。其基本框架是使用連接件和角撐支架來搭建的

15、。而常見的機器人聯(lián)接結(jié)構(gòu)有扣接零件、膠接、膠帶、鉚接、焊接等。表 2 機器人常用聯(lián)接結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)應用場合扣接零件小型玩具機器人膠接格局所需要的膠粘劑，可用于重量達數(shù)磅的機器人上膠帶暫時性結(jié)構(gòu)、輕型材料和元件的機器人上鉚接小型到中等尺寸的機器人，以及輕型到中等重量的機器人焊接大型和重型機器人，特別用于惡劣環(huán)境的機器人 武術(shù)機器人負載小，自重輕，對壽命要求不高，因此除特別講究強度、剛度以及抗摩擦磨損性的機構(gòu)，機械連接上，應使機器人具有較好的堅固性，在機器人做武術(shù)動作或行進過程中，各種接插件不能松動、脫落，滿足合適的控制方案，所以選擇鉚接方式。3.53.5 手臂和雙足的運動學分析手臂和雙足的運動學分析一

16、、手臂方案結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析手臂方案結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 手臂本體組成1 、肩部部件；2、大臂部件；3、小臂部件；4、手部部件各部件組成和功能描述如下： (1) 肩部部件：肩部部件包括回轉(zhuǎn)部件、傳動部件和步進電機等。 (3) 大臂部件：包括大臂和傳動部件。 (4) 小臂部件：包括小臂、減速齒輪箱、傳動部件、傳動軸等，在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驅(qū)動手腕三個運動的步進電機 。(5) 手部部件：包括手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機械接口等。二、手臂運動學分析二、手臂運動學分析 （1 1） 、運動學正解、運動學正解在直角坐標系中，可以用齊次矩陣表示繞 x、y、z 軸的轉(zhuǎn)動和沿 x、y、z 軸的平移。 這些變

17、換是相對于動坐標系描述的，將式（3-1）中有關(guān)的齊次矩陣按“從左到右”的原則相乘。 要考察末端執(zhí)行器在空間相對于基坐標系的位姿，則應建立末端執(zhí)行器的位姿變換矩陣。設(shè)末端執(zhí)行器的坐標系為m，坐標系m對基坐標系0的位姿變換矩陣為：(2)、雅可比矩陣的推算和速度分析、雅可比矩陣的推算和速度分析 機器人的雅可比矩陣 j 是從關(guān)節(jié)空間向操作空間速度傳遞的廣義傳動比。234即 式中，q 是關(guān)節(jié)速度矢量，x 是操作速度矢量 當 q 已知時，根據(jù)雅可比矩陣可推算出操作空間的速度矢量 x，反之，當機器人末端執(zhí)行器的速度給定，可以根據(jù)逆雅可比矩陣算出各個關(guān)節(jié)速度。 構(gòu)造雅可比矩陣的方法有矢量積法和微分變換法。這里

18、用矢量積法推算該機器人的雅可比矩陣。 四、電氣部分設(shè)計四、電氣部分設(shè)計4.14.1 電路總體結(jié)構(gòu)電路總體結(jié)構(gòu) 由于人形機器人的結(jié)構(gòu)比較復雜，我們采用 23 個伺服電機（也稱舵機）構(gòu)成。所以需要控制的對象比較多。我們在此采用分布式集總控制方式，將每個伺服電機作為獨立的被控對象，用 1 個主 cpu 對它們進行控制。 通信方式：由于每個舵機采用 pwm 的控制格式，所以主 cup 也采用 pwm 的通信格式。主 cpu 通過 17 根信號線分別連接 23 個舵機，向每個舵機發(fā)送控制信息。信息采用角度格式，即 pwm 信號的寬窄表示舵機的角度，通過實時向舵機發(fā)送位置數(shù)據(jù)進行速度空制。 機器人的舵機分

19、布：舵機在機器人中的安裝位置不同，所發(fā)揮的用處也不同。根據(jù)加藤一郎的結(jié)構(gòu)劃分，身體的 23 個舵分布在 3 個平面內(nèi)。即 x 平面y 平面和 z 平面內(nèi)，那么我們就如下圖 4.1 所示劃分。 圖 4.1 x 平面舵機：x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8y 平面舵機：y1 、y2、y3、y4、y5、y6、y7、y8z 平面舵機：z1、z2、z3、z4、z54.24.2 主要部件的選擇主要部件的選擇4.2.1 驅(qū)動電機的選擇 驅(qū)動系統(tǒng)是機器人的手和腳，即運動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)的基本組成部分。驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計與制作是比賽機器人創(chuàng)意與實踐的重要內(nèi)容。它的任務不僅是向機器人傳遞動力，而且要提供準確

20、的運動定位和靈活的操作，是機器人制勝的法寶之一，因此其重要性是不言而喻的。通常機器人驅(qū)動有電氣，液壓，氣壓三種方式。其中以電氣驅(qū)動最常見，它按供電的方式又可以分為直流電機和交流電機。機器人比賽規(guī)則通常規(guī)定采用電池供電，即直流電。采用直流電供電的電機按照其內(nèi)部結(jié)構(gòu)又可分為直流電機和步進電機。直流電機外部接通直流電就能旋轉(zhuǎn)；步進電機的驅(qū)動原理復雜些，必須按照一定的通電順序給電機供電，電機才能旋轉(zhuǎn)。1、直流電機的結(jié)構(gòu)特點、直流電機的結(jié)構(gòu)特點 直流電機的結(jié)構(gòu)形式很多，但基本的結(jié)構(gòu)是相同的，即必須有定子，轉(zhuǎn)子和換向器。定子是固定在機身的圓桶狀部分，一般由永磁材料或能產(chǎn)生磁場的線圈制成。轉(zhuǎn)子由一根旋轉(zhuǎn)軸及

21、固定在軸上的硅鋼片構(gòu)成，是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的部分。轉(zhuǎn)子的外沿有槽，槽內(nèi)有電流通過是，旋轉(zhuǎn)軸便開始旋轉(zhuǎn)。為了在電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下電流能順利通過轉(zhuǎn)子，旋轉(zhuǎn)軸尾部設(shè)置有換向器，它始終與定子的電刷保持接觸，給電機繞組供電。 2 2、hg14-mhg14-m 伺服電機伺服電機機器人的技術(shù)關(guān)鍵主要包括 3 部分：其一是數(shù)控系統(tǒng)，也指電子部分，其二是伺服舵機，其三是機械結(jié)構(gòu)件。由于機器人的結(jié)構(gòu)十分復雜，所以要將機器人的零件盡量減輕。盡管如此，為了保證機器人動作靈敏、行動有力，一般的舵機不能達到要求。根據(jù)目前國際的研究經(jīng)驗數(shù)據(jù)，小型雙足機器人腿部大多需要 10 公斤厘米以上的伺服舵機，然而一般的航模伺服舵機

22、只需要 35 公斤厘米的伺服舵機。這款型號為 hg14-m 伺服舵機，是小型雙足機器人專用伺服舵機，其重量輕、扭矩大、反應速度快。它還有一個最突出的特點，是有“電子自鎖”功能，這樣就可以降低控制系統(tǒng)的實時響應需求，為后續(xù)功能騰出足夠空間 。 4.2.2 繼電器繼電器是本系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，本系統(tǒng)選用 d4810 型固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器(ssr)與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質(zhì)上相同的功能。ssr 是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點開關(guān)元件，他利用電子元器件的點，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應管，單項可控硅和

23、雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。 固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。安輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與 ttl/cmos 兼容，正負邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應管。固態(tài)繼電器有壽命長、可靠性高、靈敏度高、控制功率小、電磁兼容性好、 快速

24、轉(zhuǎn)換、電磁干擾小的優(yōu)點。d4810 型繼電器輸入電流為 5-40ma，電壓 330v，額定輸出電流 10a，輸出電壓范圍寬為 20-220v，滿足項目的要求。在直流電機電樞上加上一定幅度的直流電壓，電機便開始旋轉(zhuǎn)；改變電壓方向，電機轉(zhuǎn)向也隨之改變。如果電機以恒速運動，不調(diào)速可以采用一個簡單的電路來控制正/反向，電路原理如圖 3.1 所示。它采用兩個繼電器作為控制弱電到驅(qū)動電機的強電之間的轉(zhuǎn)換器。正反轉(zhuǎn)控制開關(guān) relay1 斷開，電源開關(guān)relay3 閉合時，電機正轉(zhuǎn)；反之電機反轉(zhuǎn)。兩開關(guān)同時斷開，電機停轉(zhuǎn)。兩開關(guān)同時閉合是不允許的，從電路可看出，這會導致電源短路。 4.2.3 光電編碼器 編

25、碼器是一種員簡單的數(shù)字式位移電感器，它能夠把角位移或線位移經(jīng)過簡單的變換變成效字量。目前，編碼器精度、分辨力和可靠性都優(yōu)于相同尺寸的模擬式傳感器，但價格般比較高。根據(jù)編碼器檢測原理和檢測對象的不同，可以把編碼器分為兩種類型。用于檢測線位移的編碼器稱為直線位移編碼器；用于檢測角位移的編碼器稱為角度數(shù)字編碼器。 角度數(shù)字編碼器由敏感元件和碼盤組成。碼盤是一種經(jīng)過精細加工的薄圓盤，它的材料根據(jù)與之配套的敏感元件不同而不同。角度數(shù)字編碼器有增量式碼器和絕對式編碼器兩種基本類型。絕對式編碼器能給出與每個角位置相對應的數(shù)字量輸出，增量式編碼器則只輸出角度的變化增量光學編碼器。這種編碼器由光源、碼盤和光電敏

26、感元件組成。圖 4.3 表示了一種五位光學編碼器。光學編碼器的碼盤是在一個基體上形成透明和不透明碼區(qū)，代表了二進制碼 0 和1。編碼盤的性能好壞主要取決于碼盤的質(zhì)量。光學編碼器通常采用照相技術(shù)和光刻技術(shù)制作。把同心分布的多因二進制碼復制在碼盤上。光源是光學編碼器中最容易發(fā)生故障的元件。通常不但要求光源具有較高的可靠性，而且要求光源的光譜要相光電敏感元件相適應。光源的工作溫度范圍要寬。光電敏感元件可以采用光電二極管、光電晶體管或硅光電池。為了提高輸出邏輯電壓，還需要加接各種電壓放大器，而且每個軌道對應的光電敏感元件要接一個電壓放大器。電壓放大器通常由集成電路高增益差分運算放大器組成。為了減小聲的

27、影響，在光路中要加入透鏡和談縫裝置。應當注意的是，狹縫不能大窄，要保證所有軌道的光電敏感元件的敏感區(qū)都處于狹縫內(nèi)。光學編碼器的基本構(gòu)成如圖 4.4 所示。絕對式光學編碼器通常采用的是格雷(gray)碼。它是一種非標準的二進制碼。gray 碼與標準二進制碼的區(qū)別，在 gray 碼中相鄰兩個二進制碼的變化只能有一位。所以，在連續(xù)的兩個數(shù)碼中，若發(fā)現(xiàn)數(shù)碼的變化超過一位就認為是非法的讀數(shù)，從而具有一定的糾錯能力，可提高可靠性。光電編碼器可以檢測機器人各個關(guān)節(jié)的運動狀態(tài)。若電機電流大，但編碼器無輸出，說明機器人撞到對方而無退讓，己方機器人就須要調(diào)整戰(zhàn)術(shù)。若電機欲前進，編碼器反轉(zhuǎn)，說明機器人受對方推堵而退

28、讓。最近內(nèi)藏整形電路直接以矩形波輸出的編碼器已問世，可以直接接入計算機。在我們的機器人中均采用自制的編碼器。在帶有明暗方格的碼盤兩側(cè)分別安置發(fā)光元件和光敏元件，隨著碼盤旋轉(zhuǎn)，光敏元件接收的光通量與方格的間隔同步變化。光敏元件隨著輸出經(jīng)過整形的脈沖。根據(jù)脈沖計數(shù)，可以知道與碼盤固接的旋轉(zhuǎn)軸的角位移。4.2.44.2.4 傳感器傳感器 機器人的感知系統(tǒng)相當于人的五官和神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)合形成的結(jié)構(gòu)，它合理的組織機器人各傳感器，以形成機器人的信息獲取網(wǎng)絡(luò)。機器人傳感器不僅包括傳感裝置本身，而且包含傳感信號的采集和轉(zhuǎn)換裝置。機器人傳感器可以分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩類。所謂內(nèi)部傳感器是用來反饋機器人自身內(nèi)部

29、信息的傳感器，如關(guān)節(jié)位置、速度傳感器、陀螺儀傳感器，們是構(gòu)成機器人不可缺少的基本元件。外部傳感器是用來反饋外部環(huán)境信息的傳感器，常用的外部傳感器有視覺傳感器、接觸覺傳感器、接近覺傳感器、力覺傳感器等。本課題中用到加速度計傳感器和陀螺儀傳感器，兩者都屬于內(nèi)部傳感器。 4.2.54.2.5 開關(guān)開關(guān)比賽機器人常用的開關(guān)用按鈕開關(guān)，數(shù)字開關(guān)和接觸開關(guān)幾種。按鈕開關(guān)在機器調(diào)試階段可以方便地提供人工輸入。數(shù)字開關(guān)一般用于向 cpu 的輸入選擇，如速度等級，行走模式，策略等。接觸開關(guān)則用于檢測是否觸碰，檢測的對象有場地的道具，環(huán)境界限等，一般微動開關(guān)即可。4.2.64.2.6 電源電源不需要太大的輸出扭矩

30、，必須能靈活操控，而且要求體積小，重量輕、方便檢修，毫無疑問是蓄電池提供的直流電源外加直流電機。對于需要大驅(qū)動力低轉(zhuǎn)速場和場合，可以用齒輪鏈、同步皮帶等裝置處理。但他有其缺點就是蓄電池的重量太大，在要求不大的情況下我們可以采用鋰電池。他的優(yōu)點就是容量大，體積小，過電流大，重量輕。另外機器人還需要一類共給數(shù)字 ic，單片機，傳感器工作的電源，通常為+5v，約數(shù)十到數(shù)幾百 ma。他必須和電機的電源分開，形成單獨供電。這樣可以使 cpu 供電更加穩(wěn)定。4.34.3 電機驅(qū)動電路電機驅(qū)動電路電機驅(qū)動電路采用繼電器構(gòu)成橋式換向電路，繼電器和主控制電路間用光電隔離器?？紤]到電機的起動電流和制動時比較大，會

31、造成電源電壓不穩(wěn)定容易對單片機和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機驅(qū)動電路和單片機以及傳感器電路用 tlp521-4 光耦隔離。提高電路的可靠性。同時還可以采用相互獨立的電源供電。以確保單片機正常運行，進而以保證整個系統(tǒng)正常工作。在機器人的控制系統(tǒng)中最主要的就是傳感器電路，傳感器是機器人感知外界事物的關(guān)鍵。機器人通過傳感器收集外界信息，通過電路把這種信息轉(zhuǎn)變成 cpu能識別的數(shù)字信號，再通過軟件算法對所收集的信息進行處理后，形成相應的控制信號，通過端口去控制相關(guān)的電機動作。 傳感器采用多種傳感器相互配合使用。使用光電編碼器判斷角位移和行程位移。主要用在機械手臂的轉(zhuǎn)動上，使機械手臂動作更準確。行程

32、開關(guān)用于位置的檢測，主要用在機器人，或機械手臂上。當機器人行走，或機械手臂動作到達某種位置時給單片機一個電信號。讓單片機發(fā)出相宜的控制信號。 五、軟件部分設(shè)計五、軟件部分設(shè)計 5.15.1 軟件控制流程軟件控制流程軟件部分是控制系統(tǒng)設(shè)計中最重要的部分，軟件由 pc 機上的軟件設(shè)計和單片機上的軟件設(shè)計 2 部分組成。單片機上的軟件主要實現(xiàn)接受上位機發(fā)送的指令、讀取動作數(shù)據(jù)、生成 pwm 信號控制 電機驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)運動，武術(shù)機器人軟件控制流程如圖 3 所示。本設(shè)計采用語言按模塊化的編程思想編寫。所有武術(shù)機器人的動作實現(xiàn)部分均在子函數(shù)中完成，主函數(shù)中只負責對子函數(shù)的調(diào)用如此便保證了良好的維護性和清

33、晰的代碼結(jié)構(gòu)。 圖 5.1 武術(shù)機器人軟件控制流程5 52 2 主程序設(shè)計主程序設(shè)計521 主程序流程 主程序的基本任務就是在對單片機和各外設(shè)進行初始化后，接收上位機輸入命令，完成一定的電機控制任務。另外在機器人手臂上電后和工作過程中定期進行關(guān)節(jié)歸零工作，保證機器入的關(guān)節(jié)處于正確的初始位置。擬人機器人手臂部的任何動作都可以分解成若干個臂部關(guān)節(jié)的定位過程，關(guān)節(jié)定位過程要控制兩個量:速度和位置。 在主程序的前面，必須要設(shè)置中斷向量表。上身控制系統(tǒng)用到的中斷有外部中斷、串口中斷和軟件中斷。中斷服務程序可以放在地址空間的任意位置(除系統(tǒng)保留的空間外)，但每一種中斷服務程序的起始地址需要放在相應的中斷向

34、量單元中。在程序的最前端，將系統(tǒng)使用的專用寄存器定義為符號表示，同時將程序中需要使用的變量和常量也采用符號表示，便使程序更具有可讀性。圖5-2 是主程序流程圖，主程序分為初始化模塊和任務處理循環(huán)模塊，下面分別加以介紹。 圖 5-2 主程序流程圖522 初始化程序 初始化程序主要完成堆棧指針設(shè)置、通用存器清零、初始化 io、ad轉(zhuǎn)換設(shè)置、中斷設(shè)置以及串口通訊設(shè)置等。因堆棧向下增長，故將堆棧指針值設(shè)置為通用寄存器頂端附近的地址，盡可能擴大堆?？墒褂每臻g這樣可以避免在多級調(diào)用子程序后堆棧進入已定義變量使用的寄存器空間，以免造成錯誤。 在將通用寄存器清零時，例外的是映射電機控制輸出端口的寄存器(用來保

35、存端口輸狀態(tài))需重新設(shè)置，與端口的輸出狀態(tài)保持一致。最后，調(diào)用關(guān)節(jié)歸零子程序(后面介紹)，使各個關(guān)節(jié)的位置回復到零位狀態(tài)。523 任務處理循環(huán)在上位機輸入命令引起中斷而調(diào)用的外部中斷服務程序里，獲得任務代碼，新任務標志位被設(shè)置為 1。將任務代碼與事先定義好的任務常數(shù)逐一進行比較，相符的話就調(diào)用相應的任務子程序。執(zhí)行完任務子程序后返回檢查新任務處，從而形成一個大循環(huán)。 圖 5-3 任務處理循環(huán)圖5.35.3 任務子程序設(shè)計任務子程序設(shè)計 程序中設(shè)置一個指針變量，武術(shù) y 子程序?qū)⒋俗兞恐赶蛉蝿粘?shù)表中對應的步數(shù)據(jù)頭部。從表中取出階段數(shù)，不斷調(diào)用階段控制子程序。階段控制子程序從表中取出關(guān)節(jié)信息和目

36、標點數(shù)信息，不斷調(diào)用目標點控制子程序，直至所有目標點執(zhí)行完畢，階段控制子程序返回。當所有階段執(zhí)行完畢，武術(shù) y 子程序返回。 圖 5-4 武術(shù) y 子程序 圖 5-5 階段控制子程序5 54 4 關(guān)節(jié)歸零子程序關(guān)節(jié)歸零子程序 關(guān)節(jié)歸零子程序依次對每個關(guān)節(jié)進行控制，將其歸復到零位(即站立狀態(tài)的位置)，每完成一個關(guān)節(jié)后再處理下一個關(guān)節(jié)。歸零過程，首先調(diào)用7d 轉(zhuǎn)換子程序，得到關(guān)節(jié)實際位置。將實際位置與零位進行比較，若差值在允許位置誤差范圍之內(nèi)，則認為關(guān)節(jié)已在零位。若差值比較大，則根據(jù)差值的正負決定電機的運轉(zhuǎn)方向，并起動電機。然后循環(huán)調(diào)用 ad 轉(zhuǎn)換子程序，取得關(guān)節(jié)實際位置，與零位進行比較。直到差值

37、在允許誤差范圍之內(nèi)，停止電機。繼續(xù)處理下一個關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)附帶有零位開關(guān)，當零位開關(guān)沒有合上時，接到零位輸入口的對應位為低電平：當關(guān)節(jié)到達零位，零位開關(guān)合上時，對應的位為高電平。通過定時查詢零位開關(guān)輸入口=就可以知道零位開關(guān)的狀態(tài)。程序中，首先檢查一下零位輸入口的狀態(tài)若相應位值為 1，表示關(guān)節(jié)己在零位，轉(zhuǎn)下一個關(guān)節(jié)。若不為 1，每延時 5ms(因電機有滯后效應，第一次延時 15ms)后檢查一下零位輸入口的狀態(tài)。若相應位值為 l，表示關(guān)節(jié)已到零位，停電機，轉(zhuǎn)下一個關(guān)節(jié)。若沒有到位，則讀計數(shù)器，并將當前值與上一次讀到的值相比較。若兩次的值沒有交化或變化太小，表示電機堵轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)己到最大角度，此時應改變驅(qū)

38、動方向，使關(guān)節(jié)朝反方向轉(zhuǎn)動，最終到達零位。 圖 5-6 關(guān)節(jié)歸零子程序 圖 5-7 串口中斷子程序5.55.5 其它子程序其它子程序1)定時器中斷子程序 軟件定時器中斷子程序很簡單，首先判斷是否為定時器 l 中斷，若是則將查詢時間到標志位置 l，然后退出。2)串口中斷子程序 串口中斷子查詢首先讀串口狀態(tài)寄存器，直到標志被清除，然后讀串口。判斷接收到的數(shù)據(jù)是否為桴 s1ar=re，若是，允許啟動標志位置 1，返回；否則表示來了任務，保存新任務代碼并將新任務標志置 1，返回。3)ad 轉(zhuǎn)換子程序 ayd 轉(zhuǎn)換子程序?qū)в型ǖ捞栃畔⒌拿钭盅b入命令寄存器，從而立即啟動 ad 轉(zhuǎn)換，然后測試轉(zhuǎn)換是否完

39、成。當轉(zhuǎn)換完成后，讀結(jié)果寄存器，將數(shù)據(jù)邏輯右移 6 位后得到真正的結(jié)果值。接著再進行一次同樣的 ad 轉(zhuǎn)換，取兩次的平均值為最終值，保存后返回。5.65.6、武術(shù)動作的編輯、武術(shù)動作的編輯 武術(shù)最顯著的特征是步調(diào)、節(jié)奏和動作幅度，反映在機器人上就應該控制機器人的各個關(guān)節(jié)的的電機轉(zhuǎn)動快慢、時間和角度。要使機器人跳出讓觀眾賞心悅目的武姿，就應該很好的編排武術(shù)動作，充分利用機器人的特點來展現(xiàn)其動作之美。因而，如何使機器人的動作快慢變化錯落有致并富有節(jié)奏感將是控制系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵問題。要設(shè)計武術(shù)機器人的武術(shù)動作，首先需要選擇合適的曲子，然后根據(jù)曲子的節(jié)拍進行動作編排。 一整套的武術(shù)動作其實是由一個一個的單獨的武姿構(gòu)成的，所以設(shè)計武術(shù)動作就必須先設(shè)計好每個武姿，這