机器人技术结课论文.docx
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机器人技术结课论文
机器人技术
学号：
姓名：
班级：
机械工程
二〇一七年六月
获奖证书是通过学习机器人技术，制作十自由度机器人在2017中国工程机器人大赛暨国际公开赛上获得的，我很庆幸能够选《机器人技术》这门课，这门课使我对机器人有了一个更加清晰的认识，同时也激起了我对此方面的研究的兴趣。
之前就对机器人颇感兴趣，并对此进行了深入的了解，通过这门课，我认识到，机器人作为这些学科的交叉产物，是个综合应用这些知识的最好的平台。
通过这门课，我们制作的十自由度机器人，参加了2017中国工程机器人大赛暨国际公开赛（RoboWork），竞技体操项目，获得理想的成绩，在这个过程中我也从新认识了机器人制作的艰辛和困难性，使我认识到之前对此不以为然，眼高手低态度得幼稚。
同时也教育我，任何一个项目本身所呈现的问题只是完成该项目所需工作的冰山一角，做任何事，都必须以谦恭，认真的态度对待。
同时也是我懂得了，再将事情坐完之前不可轻易对此做出评价。
竞技体操机器人
摘要
体操机器人是仿人型机器人里的一种，也是研究仿人型机器人的基础。
体操机器人不仅能够提高我们的动手能力和实践能力，还能增强我们的创新意识和创新实践能力，锻炼我们的综合素质，让我们更热衷于科学技术的研究。
本体操机器人以十自由度为基础，能够完成摆手、滚翻、俯卧撑、侧翻、倒立等多项高难度动作。
它具有多自由度并集成了现代化控制技术、人机交换技术等机电一体化技术。
目前体操机器人主要用来供人们娱乐欣赏使用，它在人们的生活扮演着越来越重要的角色。
此次设计的体操机器人主要由机械结构和控制系统组成，首先机械结构设计，根据制作材料、舵机型号初步设计出体操机器人的机械外形，然后在SolidWorks下对机器人进行虚拟三维建模，对存在的问题进行修改。
最后对其进行运动学仿真和运动学分析。
检查是否能够完成指定的动作，对速度、加速度、位置能问题进行分析。
再次是控制系统设计。
控制系统的硬件以飞思卡尔公司的MK60DN512ZVLQ10芯片为核心，在AltiumDesignerWinter09软件中开始设计体操机器人的控制电路。
经过系统调试，通过上位机软件实现对机器人的控制。
采用嵌入式C语言，设计和调试程序，最终使机器人能过自主完成体操动作。
此次比赛的创新之处在于不仅能够完成指定动作，还能完成打排球能高难度动作。
关键词：
体操机器人；舵机；十自由度；SolidWorks；AltiumDesigner
Gymnasticsrobot
Abstract
Gymnastics robot is a kind of humanoid robot, which is the basis for the study of humanoid robot. Gymnastics robot can not only improve our manipulative ability and practice ability, but also can enhance our innovation consciousness and innovation ability, which exercise 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 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 technology 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 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 control system. First of all, the mechanical structure design is the most important part, according to production materials, steering gear model, gymnastics robot's mechanical shape 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 kinematic 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 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 control 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 robots independently complete the gymnastics movements. Innovation is not only able to complete this match specified action, but also to complete difficult moves, such as playing volleyball.
Keywords：
Gymnasticsrobot;Steeringgear;Tendegreesoffreedom;SolidWorks；AltiumDesigner
1.综述
1.1课题的研究目的及意义
当今21世纪是科技快速发展的时期，机器人研发面临着各种困难。
它是计算机工程、机械电子工程、控制工程、电气工程和材料工程等多学科相互交汇融合的综合性技术，它在人类的生产和生活活动中发挥的巨大的作用，是人类生活中的必需品。
它代表着当代最新科技水平。
但是机器人学无疑是当代最具影响力的产业之一。
它集中了多门学科的技术核心，代表着机械与电子行业的最高成就。
自上个世纪七八十年代以来，机器人被应用到工业发展中已经有着不可替代的意义。
机器人可分为仿人机器人、工业机器人等，其中仿人机器人又分为体操机器人、竞速机器人等。
如今的机器人类型多样化，被应用于不同领域的不同工作。
机器人代替人类工作，不但提高了工作效率，还可以应用到一些人类无法接触的危险工作环境中以保护类安全。
而今，全球有近一百万台各种类型的机器人正在运行，并成为了一个具有强大活力的新兴产业。
大量的机器人从事着人类生活和生产的各个领域的工作，体操机器人便应运而生。
体操机器人的课题研究是近代衍生的一门学科，有接近四十年的研究历史。
在这四十年来，体操机器人的课题研究经历了一个跌宕起伏的过程。
在国内的很多机器人大赛中，都可以看见它的身影。
它的功能是能够模仿人类完成一系列动作，包括翻滚、倒立、侧翻等。
体操机器人自由度高、精度高、能耗低、装配容易、控制方法多样。
主要参考人类的身体结构对其进行结构设计。
与其它品种机器人相比，这种机器人有很多特点。
它有很强的环境适应能力，很高的灵活性，可以应用于服务业等。
研究体操机器人，这有利于普及机器人技术、提高学生的科技素质。
1.2机器人研究发展现状
目前体操机器人的研究主要有欠驱动单杠体操机器人的研究，国外很多采用Acrobot的欠驱动两杆体操机器人模型。
Acrobot是一种具有2自由度和1主动关节的二连杆机器人，它能简单粗略的模拟体操运动员在单杆上的摆起、倒立、大回环等动作。
国内主要为各种类型的复杂人形机器人的研究，可以实现体操动作。
各大高校通过各类机器人比赛来展示自己的研究成果，同时交流技术，促进体操机器人的发展。
在国外，制造业机器人取得了辉煌的发展，在工业界里得到了普遍应用并广受好评，因此形成了许多有着非常影响力的企业。
如德国的库卡、奥地利的威猛、瑞士的ABB、日本的安川和车乐美等。
这方面的权威人士说，机器人产业是继汽车、计算机产业之后又一个重大的，新兴的高科技产业，并一定会像汽车、计算机一样普及大众。
但是目前无论在生产、使用还是出口方面，日本始终占据着第一位，当今日本具备拥有一百三十多家专业的机器人研发生产企业的能力，并且这些机器人强国发展的势头依然没有减弱。
我国机器人行业起步较晚，与那些机器人发展大国的差距还是较大的。
二十世纪七十年代国家才开始有自己的机器人工业，七五期间我国政府开始扶植机器人行业，实现了自己国家的工业机器人的整套技术的发展目标，出现了许多类型的机器人，比如：
爬坡、喷涂、电焊等。
近年，国家在制造业的机器人和机器人机械化生产线以及与机器人相关的工程项目、还有与其附加产业的年产值达到了五亿元。
体操机器人在机器人领域是重要的一部分，党和政府在体操机器人方向加大了发展力度。
每年，国内举办很多相关竞赛来促进国内高校对体操机器人的研究和发展，如FIRA和RoboCup等。
这些比赛带给每个人的不只是个人、学校的荣誉，更是代表着中国对机器人的喜爱，代表着中国年轻一代对机器人行业的发展与期望。
但是我国体操机器人还是存在着一些问题，比如：
1）体操机器人设计及开发随着经济及科技的发展，这些年来得到了巨大发展，但机器人设计还是停留在简单的加工和调试上，真正的智能控制没能充分融入其中。
2）我国基础零部件制造能力差。
即使目前来说国家在有机器人有关的零部件方面有了一些的基础，却不管从质量、类型，还是效率等方面都与那些老牌机器人生产国有着明显的实力悬殊，影响了我国机器人的价格竞争力。
3）中国的机器人还没有属于自己品牌的体操机器人，虽然好多高校正在研究体操机器人，但没有推广到市场，不能把机器人应用到社会上去。
4）国家对于机器人的政策虽然有一些但是和国外相比还是有一些差距，机器人竞赛相对而言还是太少，以至于不能激发出人们学习机器人计数的热情。
1.3比赛相关内容及分析
根据比赛任务的要求，机器人不仅要完成竞技体操机器规定动作，同时还要自编有创意、有舞美效果的动作。
因此本款机器人以原有体操机器人为模板，在保证能完成准备动作、翻滚动作、俯卧撑、侧翻动作、倒立动作、自编动作等规定动作的基础上，增加两台类人机器人，重新设计其整体尺寸并改进部分机械结构件，以适应自主设计的其他创意动作，满足创新创意及良好的观赏性的需要。
除了要满足比赛动作要求，本款机器人的重难点在于机器人动作的流畅性，以及各机器人间地协调配合。
初步考虑通过调试控制程序中动作持续时间，改进代码运行算法等方法，以较好地实现各机器人动作之间的同步，从而使其具有良好的观赏性。
另外，本款机器人要具有新奇的外观，突破性的创意动作等，从而完全满足比赛创新创意的要求，达到预定目标。
2.系统整体设计
2.1竞技体操机器人机械部分材料分析
本次参赛的竞技体操机器人机械部分主要有手臂、躯干和双腿。
这些部分可以用的材料目前主要有金属、木材、塑料和复合材料。
现在大部分机器人制作的材料是金属，因为金属具有良好的硬度、好看的色泽并且不易磨损。
在有专业加工工具时，金属材料也比较容易加工。
目前用于制作机器人的金属材料主要铝合金和各种碳钢[8]。
因为它们具有足够的强度和硬度，满足大部分机器人的强度要求。
铝合金是机器人制作最常用的材料，它质量轻，有足够的强度且易于加工。
其中5052铝板是目前应用最广泛的防锈铝，它属于Al-Mg合金铝板。
这种合金铝板的强度高，在加入镁元素时能够增强铝板的抗腐蚀性和强度并且可塑性好以及良好的焊接性。
在制作机器人中，木材有时也会大量被利用。
主要因为木材相对于金属和塑料的质地要轻，不易发生弯曲，而且割断和加工都比较容易。
当制作机器人支柱类零部件时，木质材料比金属材料更便于组装，因此木材更适合于制作轻型机器人。
除此之外由于干燥的木材不导电的性质，可以很好地避免由于机身而引起电路的短路或者机身漏电等。
虽然由金属制造的机器人给人的感觉更像机器人，但是用木材来制作机器人也是一个不错的选择。
塑料也是制作机器人经常被采用的材料，相比金属材料它的优势就是便于加工，可以很容易制作出复杂的零件。
但是它的缺点也很明确，就是硬度比较低。
目前常用的塑料主要有ABS、PVC、尼龙以及有机玻璃等。
ABS是五大合成树脂之一，其用途十分广泛，它具有很好的抗冲击性、耐热性和耐腐蚀性等优良特点，并且易于加工、零件尺寸稳定、好的表面光泽性等特点。
它还可以在表面进行喷镀金属、粘接和焊接等二次加工。
由于这些优良特点，这种材料被广泛用于机械、汽车、电子电器和建筑等许多工业领域。
PVC的主要成分是聚氯乙烯。
它的特性是不易燃烧、具有高强度、不易因温度而发生尺寸变化等特点。
PVC有两类，即软PVC和硬PVC。
其中软PVC由于添加了柔软剂，容易变脆且不易保存，所以应用范围不广。
硬PVC不含柔软剂，所以具有良好的韧性、容易成型、不易变脆以及保存时间长等特点，它的应用开发很有价值。
尼龙是一种高分子化合物，具有很高的机械强度、耐高温、表面摩擦系数低、软化点高、耐腐蚀、电绝缘性好以及五毒无臭等优良特点，但是吸水性打，从而影响尺寸稳定性和电性能。
该材料常被用于制作成梳子、牙刷盒扇骨等。
有机玻璃也叫亚克力，它的化学名称是聚甲基丙烯酸甲酯，它具有较大的强度、质量轻、表面光滑、耐化学品腐蚀以及绝缘性好等特点。
考虑到各个材料各方面的性能，该竞技体操机器人机身材料主要是使用的是5052铝合金，它强度高，易加工，能够满足要求。
下表2-1是5052铝合金的参数：
表2-1铝合金参数
化学成分
铝Al
硅Si
铜 Cu
镁 Mg
锌Zn
锰Mn
铬Cr
铁Fe
余量
0.25
0.10
2.2～2.8
0.10
0.10
0.15～0.35
0.40
力学性能
抗拉强度（σb）
条件屈服强度σ0.2
弹性模量（E）
退火温度
170～305MPa
≥65MPa
69.3～70.7Gpa
345℃
2.2动力元件分析
动力元件顾名思义就是为机器人提供动力的元件，竞技体操机器人之所以能完成各个竞技体操动作，都是由它身体中各个运动部位的动力源（驱动电机）提供动力的。
该竞技体操机器人只是通过转动副完成各个动作，因此只需要电动机作为动力源就能满足要求。
目前被用作机器人的动力源常用电机有三类，即直流电机、舵机和步进电机。
它们具有各自的优点和缺点。
其中直流电机耗能较低，提供的力矩大，常用于闭环控制系统中；舵机控制精度准确但产生的力矩小，可用于开环系统；步进电机的控制精度精确，可是功耗较大并且力矩相对于其他种类电机较小，常用于开环控制系统[9]。
下表2-2为这三种电机特点的对比：
表2-2不同类型电机特种比较表
电机类型
优点
不足
应用范围
直流电机
市场上广泛存在，种类多，功率大，力矩大，连接电路简单
转速太快，一般需要配有减速装置，电流比较大，控制复杂（PWM）,价格较贵
用于比较大的机器人
舵机
内部有减速齿轮，接口简单，价格便宜，控制方便，易于装配，型号多
功率小，速度调节范围较小
常用于小型机器人和步行机器人
步进电机
控制精度高，种类多，适合室内机器人速度
功率低，比较难装配，提价大，负载能力低，自重比较小，控制复杂
用于小型和轻型机器人
通过上表的比较以及该竞技体操机器人设计要求，舵机完全能够满足要求。
使用的舵机型号是春天舵机SR403P。
在表2-3中列出了该种舵机的参数：
表2-3SR403P舵机参数
产品规格
技术参数
尺寸（mm）
重量
线长
6.0V
7.4V
转动角度
速度
扭力
速度
扭力
长
宽
高
g
oz
cm
s/60°
kg·
cm
oz·in
s/60°
kg·
cm
oz·in
40.8
20.7
42.8
67
2.37
30
0.21
13.2
183.63
0.19
15．3
212.8
180°
3.机械结构设计
3.1体操机器人的整体设计
Solidworks是由美国SolidWorks公司推出的功能强大的三维设计软件系统，自1995年问世以来，以其优越的性能、易用性和创新性，极大的提高了机械工程师的设计效率，其应用范围涉及航空航天、汽车、机械、造船、通用机械、医疗器械和电子等领域[4]。
设计师使用它能快速地按照其设计思想绘制草图，尝试运用各种特征与不同尺寸，生成模型和制作详细的工程图。
设计装配主要包括手部、双腿、双足、头部、肩部以及胯部的设计，在对机器人的虚拟装配过程中，需要对机器人的各个零部件间的运动关系进行详细分析，得出每个运动副的约束形式，即约束副。
然后将各零部件配合为手臂、腿等装配体单元，配合过程中主要用到同轴、重合、平行等配合关系。
然后再将机器人的各装配体单元配合，从而实现机器人整体模型中头部、大臂和小臂的转动以及小腿大腿弯曲等动作。
根据第二章机器人材料的选择和舵机的选择，开始设计机器人各个零件的形状和尺寸。
可以先通过SolidWorks进行三维零件设计和三维虚拟装配。
目前SolidWorks是一款被广泛使用的三维造型软件，可以进行三维动画模拟，功能十分强大。
它能够造型出复杂的曲面，设置零部件的材料外观等，使虚拟的三维零部件看起来更像现实的零部件。
除此之外还能够进行受力分析，检验结构设计中部分应力过于集中和过大的问题。
前期通过SolidWorks进行零部件的设计和装配，能够及时发现问题和不合理之处，及时解决问题，从而缩短了产品的设计周期，降低设计成本，从而提高产品质量。
在SolidWorks中画出各个三维零件和三维装配。
以下分别是竞技体操机器人各个部分的三维图和装配图：
图3-1机器人手臂图3-2机器人腿
图3-3机器人装配图
3.2机器人的零件尺寸形状设计
体操机器人的机械结构设计是体操机器人设计中最基础的一部分，是进驱动执行和动作规划等的前提要求。
一个完整的体操机器人必须是一个机械结构合理、自由度分配正确、重心设计严谨、尺寸大小符合设计要求的机械结构[3]。
本款机器人由三台机器人组成，其中一号和二号机器人结构相似，均为十七自由度机器人；三号机器人为标准十自由度体操机器人。
一号机器人和二号机器人身高38CM,肩宽20CM，臂长18CM，整体重量为1.75KG。
采用17个数字伺服舵机马达，拥有17个自由度（活动关节），双腿十个，双手六个，头部一个。
采用的数字舵机有标准的180度运动范围，PWM脉宽控制模式，15公斤力矩，马达内部自主反馈保证输出角度准确。
型材材质采用1MM高强度铝镁合金，连接件，紧固件采用凸台攻丝紧固。
表演时机器人随音乐翩翩起舞，动作协调、灵活。
三号机器人为比赛要求的参加规定动作赛的体操机器人，身高24CM，肩宽8.5CM，臂长13.5CM，整体重量1.5KG。
机器人的外观结构由三类结构件组成。
一类是手臂、身体、腿部结构件，为矩形直条夹持构件；二类是手掌、脚掌结构件，一端连接舵盘，另一端为手部脚部造型；三类是肩部、跨步结构件，为多次弯折的U型结构件。
设计的尺寸依据力学平衡原理，保证能够充分完成动作。
4.竞技体操机器人控制系统硬件介绍
本次参赛的竞技体操机器人使用的是飞思卡尔公司的Kinetis系列微处理器，具体的型号为MK60DN512ZVLQ10。
该芯片有512KB的flash储存器以及128KB的RAM，共有144个引脚，采用的封装是LQFP。
它的功能十分强大，能够提供10种低功耗操作模式，提供电源盒时钟的门控，可以实现最佳的外设活动和恢复时间。
它的停止电流<2µA,运行电流<350uA/MHz，停止模式唤醒时间为4µs。
它的硬件加密协处理器用于确保数据传输和储存的安全，它比软件的实施速度更快，而且CPU负载最低，还支持各种算法，例如DES、3DES、AES、MD5和SHA-1等。
在AltiumDesignerWinter09软件中进行原理图的设计以及硬刷电路板。
4.1K60核心板图
4.1.1K60核心板图
K60核心板图如图4-1所示。
图4-1K60核心板图
整个芯片所需的电压为3.3V，可以由锂电池或USB接口供电，由于芯片的引脚过多，故将芯片放置于PCB板中间位置，方便布线与连接。
4.1.2晶振模块
该芯片电路中同时使用了有源晶振和无缘晶振。
电路图分别如下所示：
图4-2无源晶振模块
图4-3有源晶振模块系统主时钟信号
K60芯片含有32.768KHz的无缘晶振和50MHz的有源晶振，其中无源晶振是为MCU内部的RTC模块提供时钟信号。
有源晶振是为系统工作时提供时钟信号。
4.1.3复位模块电路图
复位模块电路图如图4-4所示。
图4-4复位模块
K60芯片的正常工作状态时RESET处于高电平，复位时复位RST按下，RESET引脚接地，K60芯片复位。
并且在复位引脚并联了0.1µF电容，提高了复位信号的稳定性。
除此之外复位引脚RESET还加上了拉电阻，可以有效地防止外界信号的干扰。
4.1.4JTAG接口电路
JTAG接口电路如图4-5所示。
图4-5JTAG模块
JTAG是一种国际标准测试协议，它是下载和调试接口。
标准的JTAG接口是4线，即TMS测试模式选择，用来设计JATG口处于某种特定的测试模式；TDO测试数据输出，数据通过TDO从JATG输出；TCK测试时钟输入；TDI测试数据输入，数据通过TDI输入JATG口。
4.2舵机控制电路
4.2.1核心板控制舵机的接口布局图
核心板控制舵机的接口布局图如图4-6所示。
图4-6核心板控制舵机的接口布局图
图中通道0到通道11为各个舵机与核心板相连的接口，每个通道控制一个舵机，但是其中T4和T5通道不需要连接舵机，因为该机器人只有10个舵机需要控制，这两个通道多余了。
每个舵机与哪个通道相连接需要记住，这样方便后续
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