機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作123

1、機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作引言近幾年機(jī)器人已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標(biāo)。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生根本性變化，而且將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。隨著社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。從自動(dòng)化生產(chǎn)線到海洋資源的探索，乃至太空作業(yè)等領(lǐng)域，機(jī)器人可謂是無處不在。目前機(jī)器已經(jīng)走進(jìn)人們的生活與工作，機(jī)器人已經(jīng)在很多的領(lǐng)域代替著人類的勞動(dòng)，發(fā)揮著越來越重要的作用，人們已經(jīng)越來越離不開機(jī)器人幫助。機(jī)器人工程是一門復(fù)雜的學(xué)科，它集工程力學(xué)、機(jī)械制造、電子技術(shù)、技術(shù)科學(xué)、自動(dòng)控制等為一體。目前對(duì)機(jī)器人的研究已經(jīng)呈現(xiàn)出專業(yè)化和系統(tǒng)化，一些信息學(xué)、電子學(xué)方面的先進(jìn)技術(shù)正越來越

2、多地應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。目前機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展與30 年前的電腦行業(yè)極為相似。今天在汽車裝配線上忙碌的一線機(jī)器人，正是當(dāng)年大型計(jì)算機(jī)的翻版。而機(jī)器人行業(yè)的利基產(chǎn)品也同樣種類繁多，比如協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行外科手術(shù)的機(jī)械臂、在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場上負(fù)責(zé)排除路邊炸彈的偵察機(jī)器人、以及負(fù)責(zé)清掃地板的家用機(jī)器人，還有不少參照人、狗、恐龍的樣子制造機(jī)器人玩具。舞蹈機(jī)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。我從前年開始機(jī)器人方面的研究，在這過程中嘗試過很多次的失敗，也感受到了無比的樂趣。圖1.1、機(jī)器人1 緒論機(jī)器人技術(shù)作為20 世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自20 世紀(jì)60 年代初問世以來，經(jīng)歷

3、40 余年的發(fā)展已取得長足的進(jìn)步。未來的機(jī)器人是一種能夠代替人類在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下從事危險(xiǎn)、復(fù)雜勞動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)器，是集機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制論、計(jì)算機(jī)、人工智能和系統(tǒng)工程等多學(xué)科知識(shí)于一身的高新技術(shù)綜合體。走向成熟的工業(yè)機(jī)器人，各種用途的特種機(jī)器人的多用化，昭示著機(jī)器人技術(shù)燦爛的明天。1.1 國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀為了使機(jī)器人能更好的應(yīng)用于工業(yè)，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和大工業(yè)企業(yè)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)投入了大量的人力財(cái)力。在美國和加拿大，各主要大學(xué)都設(shè)有機(jī)器人研究室，麻省理工學(xué)院側(cè)重于制造過程機(jī)器人系統(tǒng)的研究，卡耐基梅隆機(jī)器人研究所側(cè)重于挖掘機(jī)器人系統(tǒng)的研究，而斯坦福大學(xué)則著重

4、于系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)。德國正研究開發(fā)“MOVE AND PLAY”機(jī)器人系統(tǒng)，使機(jī)器人操作就像人們操作錄像機(jī)、開汽車一樣。從六十年代開始日本政府實(shí)施一系列扶植政策，使日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來，經(jīng)過短短的十幾年。到80 年代中期，已一躍而為“機(jī)器人王國”。其機(jī)器人的產(chǎn)量和安裝的臺(tái)數(shù)在國際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工業(yè)會(huì)常務(wù)理事米本完二的說法：“日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了60 年代的搖籃期。70 年代的實(shí)用期。到80 年代進(jìn)人普及提高期?！辈⒄桨?980 年定為產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的普及元年”。開始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。中國機(jī)器人的發(fā)展起步較晚，1972 年我國開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。&qu

5、ot;七五"期間，國家投入資金，對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986 年國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863 計(jì)劃)開始實(shí)施，智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。20 世紀(jì)90 年代，我國的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)一大步，先后研制出了點(diǎn)焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。1.2 機(jī)器人技術(shù)的市場應(yīng)用機(jī)器人融入我們?nèi)粘Ｉ畹牟椒ビ卸嗫欤?/p>

6、據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟調(diào)查，2004 年，全球個(gè)人機(jī)器人約有200 萬臺(tái)，到2008 年，還將有700 萬臺(tái)機(jī)器人投入運(yùn)行。按照韓國信息通信部的計(jì)劃，到2013 年，韓國每個(gè)家庭都能擁有一臺(tái)機(jī)器人；而日本機(jī)器人協(xié)會(huì)預(yù)測，到2025 年，全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的“蛋糕”將達(dá)到每年500 億美元的規(guī)模(現(xiàn)在僅有50億美元)。與20 世紀(jì)70 年代PC 行業(yè)的情況相仿，我們不可能準(zhǔn)確預(yù)測出究竟哪些用途將推動(dòng)這個(gè)新興行業(yè)進(jìn)入臨界狀態(tài)。不過看起來，機(jī)器人很可能在護(hù)理和陪伴老年人的工作上大展宏圖，或許還可以幫助殘疾人四處走走，并增強(qiáng)士兵、建筑工人和醫(yī)護(hù)人員的體力與耐力。目前，我國從事機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位200 多

7、家，擁有量為3500 臺(tái)左右，其中國產(chǎn)占20，其余都是從日本、美國、瑞典等40 多個(gè)國家引進(jìn)的。2000 年已生產(chǎn)各種類型工業(yè)機(jī)器人和系統(tǒng)300 臺(tái)套，機(jī)器人銷售額6.74 億元，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的年收益額為47 億元，我國對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求量和品種將逐年大幅度增加。1.3 機(jī)器人技術(shù)的前景展望機(jī)器人是人類的得力助手，能友好相處的可靠朋友，將來我們會(huì)看到人和機(jī)器人會(huì)存在一個(gè)空間里邊，成為一個(gè)互相的助手和朋友。機(jī)器人會(huì)不會(huì)產(chǎn)生飯碗的問題。我們相信不會(huì)出現(xiàn)“機(jī)器人上崗，工人下崗”的局面，因?yàn)槿藗冸S著社會(huì)的發(fā)展，實(shí)際上把人們從繁重的體力和危險(xiǎn)的環(huán)境中解放出來，使人們有更好的崗位去工作，去創(chuàng)造更好

8、的精神財(cái)富和文化財(cái)富，機(jī)器人來做這些危險(xiǎn)環(huán)境的工作，展望21 世紀(jì)機(jī)器人將是一個(gè)與20 世紀(jì)計(jì)算機(jī)的普及一樣，會(huì)深入地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，所以很多專家預(yù)測，在21 世紀(jì)的前20 年是機(jī)器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個(gè)重要時(shí)期，也是智能機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，目前國際上很多國家，也對(duì)機(jī)器人對(duì)人類社會(huì)的影響的估計(jì)提出了新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)，我們也可以看到機(jī)器人技術(shù)，涉及到多個(gè)學(xué)科，機(jī)械、電工、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)測量、人工智能、傳感技術(shù)等等，它是一個(gè)國家高技術(shù)實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。語音識(shí)別處理是語音功能的一個(gè)重要方面，目前計(jì)算機(jī)語音識(shí)別處理過程基本上一致，是一種基于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的理論。我國的語音識(shí)別研究起步于

9、五十年代，近年來發(fā)展很快，其研究水平基本與國外同步，在漢語語音識(shí)別技術(shù)上還有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)?？梢灶A(yù)計(jì)，語音技術(shù)的發(fā)展前景無限。2 機(jī)器人設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求2.1 機(jī)器人設(shè)計(jì)的內(nèi)容隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，特別是機(jī)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(jì)一具有簡單人體功能的、模擬舞蹈動(dòng)作的類人型機(jī)器人，完成簡單人的基本動(dòng)作：可以前進(jìn)后退，左右側(cè)行，左右轉(zhuǎn)彎和前后擺動(dòng)手臂，行走頻率為每秒兩步，舉手投足、轉(zhuǎn)圈、頭部動(dòng)作靈活、并具備的語音功能。通過語音識(shí)別技術(shù)，可以對(duì)小機(jī)器人進(jìn)行語音控制，通過發(fā)出語音命令，控制機(jī)器人的。

10、機(jī)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(yùn)動(dòng)的電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。通過電路控制和機(jī)械傳動(dòng)，可使機(jī)器人動(dòng)作。知識(shí)范圍涉及機(jī)構(gòu)學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能等。具體任務(wù)：1、深入了解類人型機(jī)器人的功能及工作要求，查找與課題有關(guān)的文獻(xiàn)資料及參考書目；2、學(xué)習(xí)掌握機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本知識(shí)和設(shè)計(jì)方法，了解控制對(duì)象舞蹈機(jī)器人的工作原理、動(dòng)作過程，進(jìn)行簡單舞蹈動(dòng)作及相應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；3、根據(jù)機(jī)器人構(gòu)成、工作原理、主要特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)，分析比較，加以論證，確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制最終方案，完成硬件電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)；4、制作舞蹈機(jī)器人模型，完成各種運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作模擬，調(diào)試

11、成功。5、規(guī)定的翻譯、論文工作。2.2 舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)和要求1、機(jī)器人身高80120 ，表演時(shí)機(jī)器人隨音樂翩翩起舞，動(dòng)作協(xié)調(diào)、靈活；2、表演各種的基本動(dòng)作，具體動(dòng)作可自行設(shè)計(jì)。涵蓋行進(jìn)、轉(zhuǎn)圈、舉手投足、頭部等動(dòng)作；3、整套動(dòng)作持續(xù)4 分鐘左右；4、機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，重量輕；5、靈活的多功能機(jī)器手臂：活動(dòng)空間大，可360 度旋轉(zhuǎn)。6、采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠3 方案設(shè)計(jì)及方案論證3.1 設(shè)計(jì)制作與調(diào)試流程設(shè)計(jì)就是根據(jù)題目的要求而對(duì)硬件和軟件進(jìn)行規(guī)劃，并選擇最合適的硬件電路和軟件程序來達(dá)到目的。硬件設(shè)計(jì)是通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析，對(duì)各種元器件的了解，而得出分立元件與集成塊的某些連接方法，

12、以達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求。并且把這些元器件焊接在一塊電路板上。它包括對(duì)各種元器件的功能和接法的了解，以及對(duì)各種元器件的選擇和設(shè)計(jì)方案的選擇。軟件設(shè)計(jì)是分析設(shè)計(jì)的硬件用程序?qū)崿F(xiàn)其功能，并且調(diào)試優(yōu)化產(chǎn)品功能。機(jī)器人的設(shè)計(jì)首先需作總體方案設(shè)計(jì)，包括機(jī)械和電氣兩部分。根據(jù)機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)，從整體上來講，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須與機(jī)器人所要完成的功能相適應(yīng)。機(jī)械部分設(shè)計(jì)主要包括底盤設(shè)計(jì)、尺寸選擇、驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)、電機(jī)選擇等；電氣是機(jī)器人最重要的部分，直接影響著機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)于否。舞蹈機(jī)器人要求完全自動(dòng)控制，必須采用單片機(jī)為控制核心，它類似于機(jī)器人的大腦，接收和處理所有外界信息，指揮并控制機(jī)器人的所有動(dòng)作。語音識(shí)別等功能

13、是制作機(jī)器人硬件的難點(diǎn)，它要求機(jī)器人具有一定的感覺系統(tǒng)。目前，機(jī)器人技術(shù)已日趨成熟，機(jī)器人感覺系統(tǒng)可通過各種各樣相應(yīng)的傳感器技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)。傳感器把接收到的外部信息輸入到單片機(jī)，再通過軟件進(jìn)行控制，從而單片機(jī)發(fā)出命令指揮機(jī)器人動(dòng)作。軟件編程可以豐富機(jī)器人的功能，使機(jī)器人動(dòng)作更加完善。總體方案設(shè)計(jì)框圖如圖3.1 所示。圖3.1機(jī)器人總體制作過程圖3.1機(jī)器人總體制作過程3.2 方案的比較論證及方案確定根據(jù)以上的制作流程圖，我們把設(shè)計(jì)分為兩大部分機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行論證，對(duì)多種方案進(jìn)行比較論證后，選出一個(gè)最佳的方案，最后再進(jìn)行軟件部分的設(shè)計(jì)。機(jī)械部分機(jī)械部分包括：底盤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、彎腰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)

14、身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)頭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、及材料與型材選擇。.1 底盤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)(行走設(shè)計(jì))（1）行走式簡圖如下圖3.2行走機(jī)器人簡圖行走式，能夠在平地上、凹凸不平的地上步行，能上下臺(tái)階，其粗糙路面性能較好，好的關(guān)節(jié)，穩(wěn)定好的牽引力。它的缺點(diǎn)是不能原地轉(zhuǎn)動(dòng)，速度慢，控制復(fù)雜，移動(dòng)困難，操縱性差，機(jī)械復(fù)雜，電機(jī)性能要求嚴(yán)格，價(jià)格昂貴。（2）移動(dòng)方式為履帶式簡圖如下圖3.3移動(dòng)方式圖履帶式移動(dòng)方式的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適合爬坡度比較大的地方，這是輪式所做不的。但缺點(diǎn)是加工制作比較麻煩，履帶一般是需要到市場上購買的，且摩擦力很大、能量損耗大（3）輪式差速驅(qū)動(dòng)圖3.4底盤移動(dòng)方式圖3.4底盤移動(dòng)方式采

15、用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)萬向輪，萬向輪用于平衡。機(jī)構(gòu)簡單，容易制造及裝配；能在原地旋轉(zhuǎn)以獲得不同的方向。因此它是比較適合的一種底盤機(jī)構(gòu)。.2 彎腰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)腰部的設(shè)計(jì)思路是，作為人形機(jī)器人的腰部，主要做要是承接了上部的重量，設(shè)計(jì)的時(shí)候腰部能做到水平的轉(zhuǎn)動(dòng)最好，如果不能將會(huì)極大地影響整個(gè)機(jī)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(dòng)的設(shè)計(jì)中不采用電機(jī)再經(jīng)傳動(dòng)其他機(jī)構(gòu)最后帶動(dòng)腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)方式，而是直接使用電機(jī)實(shí)現(xiàn)彎腰。(1)齒輪機(jī)構(gòu)簡圖如下圖3.5齒輪傳動(dòng)方式圖3.5齒輪傳動(dòng)方式齒輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是平穩(wěn)，自鎖性好，精度高。但加工比較困難，且不利于固定，造價(jià)也很高。（2）連桿機(jī)構(gòu)簡圖如下圖3.6連桿傳動(dòng)方式

16、結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，更重要的是它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律正好符合人體運(yùn)動(dòng)的原理。我們的機(jī)器人就是采用這樣的機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)彎腰的。(3)連桿機(jī)構(gòu)簡圖二具體實(shí)現(xiàn)方式如下：先通過一根軸穿過鞠躬機(jī)構(gòu)與機(jī)器人上半身的兩只手臂固定，然后電機(jī)通過一個(gè)搖桿連接到彎腰機(jī)構(gòu)的一個(gè)長方形槽中，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，帶動(dòng)鞠躬機(jī)構(gòu)做以與手臂固定軸為中心的前后彎腰鞠躬?jiǎng)幼鳎璧牧慵ㄒ桓S，一個(gè)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(gè)機(jī)構(gòu)上，能夠與手臂機(jī)構(gòu)相固定。機(jī)構(gòu)如圖3.7所示：圖3.7機(jī)器人鞠躬機(jī)構(gòu)鞠躬機(jī)構(gòu)的裝配順序如下：(1) 取適當(dāng)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

17、后穿過兩個(gè)支架并固定好(2) 加工可固定于電機(jī)軸上的搖桿，一端可固定住電機(jī)，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(3) 將電機(jī)固定在上身左邊支架的一側(cè)(4) 為了防止彎腰機(jī)構(gòu)前傾，用兩根橡膠帶做一定的固定，以使電機(jī)拉住機(jī)構(gòu)向下彎腰時(shí)更加穩(wěn)定在彎腰機(jī)構(gòu)中，如果將機(jī)構(gòu)的位置和方向調(diào)換過來，動(dòng)作就可變?yōu)榧绲淖笥覔u擺，因?yàn)樵O(shè)計(jì)水平有限，沒有將兩種動(dòng)作結(jié)合在一起的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出來。.3 轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)(1)連桿原理實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)圖3.8轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和彎腰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)，但具體的設(shè)計(jì)又和前面稍微不同。電機(jī)上腰部圖3.9 轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)

18、(2)電機(jī)做轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)圖3.10 機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)圖3.9機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人左右轉(zhuǎn)身的動(dòng)作，主要部件包括一個(gè)滾動(dòng)軸承、一個(gè)自行加工的可固定滾動(dòng)軸承內(nèi)部圓的零件，以及必備的其它固定零件。滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)在于當(dāng)內(nèi)圓固定時(shí)，外圓可以轉(zhuǎn)動(dòng)，反之亦然。機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)正是從這個(gè)特點(diǎn)出發(fā)制作的，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腰部左右轉(zhuǎn)動(dòng)，就讓滾動(dòng)軸承內(nèi)部圓與可固定電機(jī)軸的傳動(dòng)零件固定，同時(shí)該零件與機(jī)器人下身機(jī)構(gòu)固定，滾動(dòng)軸承與機(jī)器人上身機(jī)構(gòu)固定，再將電機(jī)與傳動(dòng)零件固定后又與上身機(jī)構(gòu)固定，這樣，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，利用軸承的作用，機(jī)器人下身機(jī)構(gòu)不動(dòng)時(shí)，由于上身機(jī)構(gòu)與軸承外圓固定，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了軸

19、承外圓的旋轉(zhuǎn)，于是，機(jī)器人上身就繞著軸承中心作轉(zhuǎn)身運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是電機(jī)軸受力較大，電機(jī)容易損壞，同時(shí)要求電機(jī)有足夠的轉(zhuǎn)矩。頭部電機(jī).4 手臂和頭部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖3.10手臂機(jī)構(gòu)手臂機(jī)構(gòu)的是機(jī)器人整體比較重要的環(huán)節(jié)，手臂自由度較多，機(jī)器人的很多動(dòng)作都通過手臂體現(xiàn)出來。由于頭部機(jī)構(gòu)比較簡單，在此和手部一起畫出來，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求沒有點(diǎn)頭動(dòng)作，我們只要一個(gè)電機(jī)來達(dá)到頭部動(dòng)作就可以了。手臂機(jī)構(gòu)就是機(jī)器人的兩只手臂，在本次設(shè)計(jì)中將機(jī)器人的手部的兩個(gè)電機(jī)與帶動(dòng)機(jī)器人頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)固定在了同一個(gè)機(jī)構(gòu)上，同時(shí)，將該手臂與前后彎腰的機(jī)構(gòu)相固定，構(gòu)成機(jī)器人的上半身機(jī)構(gòu)的一部分，然后該整體又與機(jī)器人的左右支架和腰部

20、機(jī)構(gòu)相結(jié)合，一起構(gòu)成機(jī)器人的上半身機(jī)構(gòu)。參看做的很好的機(jī)器人的例子，機(jī)器人的手臂是機(jī)器人復(fù)雜程度的重要標(biāo)志之一。手臂所具有的自由度越多，動(dòng)作時(shí)活動(dòng)的空間就越大，所做的動(dòng)作就越精細(xì)，完成的任務(wù)就越復(fù)雜。本次設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂由一根橫桿構(gòu)成，左右兩端分別固定左右手的兩個(gè)電機(jī)，可做前后360 度的旋轉(zhuǎn)，中間固定機(jī)器人的頭部電機(jī)，可帶動(dòng)頭部做360 度的旋轉(zhuǎn)，其中手臂的機(jī)構(gòu)還可以繼續(xù)擴(kuò)展，在肩部上和臂末端可再擴(kuò)展兩個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的動(dòng)作。如下圖所示：圖3.12 機(jī)器人的手臂機(jī)構(gòu)同時(shí)，為了防止手臂旋轉(zhuǎn)過度使動(dòng)作錯(cuò)亂，同左右轉(zhuǎn)腰的機(jī)構(gòu)一樣，可在機(jī)器人手臂轉(zhuǎn)動(dòng)限定角度內(nèi)裝上限位開關(guān)，以達(dá)到動(dòng)作的一致性。

21、裝配順序：(1) 選擇合適鋼性材料鉆好孔后將左右手兩個(gè)電機(jī)和頭部電機(jī)固定住(2) 將上述做好的機(jī)構(gòu)通過一塊鋼片鉆孔后用螺釘固定在前后彎腰的機(jī)構(gòu)上(3) 將兩個(gè)傳動(dòng)桿固定到左右兩個(gè)手臂電機(jī)上，在傳動(dòng)桿的另一端固定直徑大小適合的兩根鋼軸作為機(jī)器人的手臂用(4) 將一個(gè)傳動(dòng)桿固定在機(jī)器人的頭部電機(jī)的軸上，作為機(jī)器人可360 度轉(zhuǎn)動(dòng)的脖子.5 材料與型材選擇機(jī)器人制作前，必須選擇用于機(jī)器人本體的主要結(jié)構(gòu)材料。在進(jìn)行機(jī)器人制作時(shí)，特別要確定它自身的大小、輕重等，這就需要選擇合適的材料來滿足要求。對(duì)機(jī)器人本體材料選擇，不僅僅有助于確定它的強(qiáng)度、重量、尺寸，而且確定了整體結(jié)構(gòu)的難度水平、可能需要的特殊工具以

22、及達(dá)到可接受結(jié)果所需要的技術(shù)水平。因此在選擇材料時(shí)，一般是根據(jù)機(jī)器人以下原則進(jìn)行挑選：（1）零部件的形狀、大小有何要求（2）零部件需要多大的強(qiáng)度；（3）要選擇多大重量的零部件下表列出機(jī)器人結(jié)構(gòu)中使用的材料，比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。表1 結(jié)構(gòu)材料優(yōu)缺點(diǎn)比較根據(jù)以上分析：選擇機(jī)器人的本體材料，應(yīng)該從機(jī)器人的性能要求出發(fā)，滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作要求，所以應(yīng)在充分掌握機(jī)器人特性和各組成部分的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)思想出發(fā)。機(jī)器人本體是被用來支承、連接、固定機(jī)器人的各部分，也包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分。伴舞機(jī)器人臂部是運(yùn)動(dòng)的，其整體也是運(yùn)動(dòng)的，所以，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的材料質(zhì)量要輕。伴舞機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成左右對(duì)稱，高度適當(dāng)，上

23、下半身比例協(xié)調(diào)，確保結(jié)構(gòu)緊湊。關(guān)節(jié)連接件的設(shè)計(jì)合適，既要保證機(jī)器人行動(dòng)起來靈活自如，動(dòng)作順滑平穩(wěn)，又要具有一定的承受負(fù)載能力。所以選用了密度較小的鋁制作，因?yàn)殇X易于加工，質(zhì)量又輕，不會(huì)增加機(jī)器人的承載負(fù)擔(dān)。伴舞機(jī)器人是仿人機(jī)器人，材料截面對(duì)構(gòu)件質(zhì)量和剛度施加重要的影響，因此通過合理選擇構(gòu)件的截面可以較好地滿足機(jī)器人的使用要求，如空心圓截面，空心矩形截面，工字截面等。若空心矩形截面是邊長為a，壁厚為t 的正方形，空心圓截面的外圓直徑也為a，壁厚也為t，且令t0.2a，通過計(jì)算可以得出，在相同壁厚的條件下，正方形空心截面比空心圓截面的慣性矩高6984，而質(zhì)量僅增加27。壁厚越薄，則效果越明顯。若比

24、較條件改為空心矩形截面和空心圓截面型材的截面相等，且D0a，設(shè)空心圓截面壁厚tD0.2a，可以計(jì)算出正方形空心截面的壁厚為tF0.147a。此時(shí)，正方形空心截面比空心圓截面的剛度提高了4060。因此無論從何角度來衡量，空心矩形截面都比空心圓截面的剛性優(yōu)越。從設(shè)計(jì)，裝配的角度來看，矩形截面也有一定方便之處。綜上所述，機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。而常見的機(jī)器人聯(lián)接結(jié)構(gòu)有扣接零件、膠接、膠帶、鉚接、焊接等，下面通過表格逐一比較各種結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用，從而確定最后方案。表2 機(jī)器人常用聯(lián)接結(jié)構(gòu)伴舞機(jī)器人負(fù)載小，自重輕，對(duì)壽命要求不高，因此除特別講

25、究強(qiáng)度、剛度以及抗摩擦磨損性的機(jī)構(gòu)，機(jī)械連接上，應(yīng)使機(jī)器人具有較好的堅(jiān)固性，在機(jī)器人做舞蹈動(dòng)作或行進(jìn)過程中，各種接插件不能松動(dòng)、脫落，滿足合適的控制方案，所以選擇鉚接方式。電氣部分結(jié)構(gòu)應(yīng)用場合扣接零件小型玩具機(jī)器人膠接格局所需要的膠粘劑，可用于重量達(dá)數(shù)磅的機(jī)器人上膠帶暫時(shí)性結(jié)構(gòu)、輕型材料和元件的機(jī)器人上鉚接小型到中等尺寸的機(jī)器人，以及輕型到中等重量的機(jī)器人焊接大型和重型機(jī)器人，特別用于惡劣環(huán)境的機(jī)器人（1）方案1電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)的起動(dòng)電流和制動(dòng)時(shí)比較大，會(huì)造成電源電壓不穩(wěn)定容易對(duì)單片機(jī)和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

26、和單片機(jī)以及傳感器電路用TLP521-4 光耦隔離。提高電路的可靠性。同時(shí)還可以采用相互獨(dú)立的電源供電。以確保單片機(jī)正常運(yùn)行，進(jìn)而以保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作。在機(jī)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(jī)器人感知外界事物的關(guān)鍵。機(jī)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(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再通過軟件算法對(duì)所收集的信息進(jìn)行處理后，形成相應(yīng)的控制信號(hào)，通過端口去控制相關(guān)的電機(jī)動(dòng)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(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)上，使機(jī)械手臂動(dòng)作更準(zhǔn)確。行程開關(guān)用于位置的檢測，主要用在機(jī)器人，或機(jī)械手臂上。當(dāng)機(jī)器人行走，或機(jī)械手臂動(dòng)

27、作到達(dá)某種位置時(shí)給單片機(jī)一個(gè)電信號(hào)。讓單片機(jī)發(fā)出相宜的控制信號(hào)。此方案還待解決的就是傳感器的抗干擾能力還不夠高，其中主要是紅外光電器件容易受外界光的干擾。光電編碼器提高可靠性主要取決于光電編碼器的加工精度，光源和接收管。一般對(duì)于比賽機(jī)器人的精度要求不是很高，編碼器可以采用自制的就可以達(dá)到效果，而光電檢測（對(duì)射式光偶）器已經(jīng)可以從市場上很容易的購買到，所以要提高光電編碼器的抗干擾能力并不難辦到。機(jī)械開關(guān)的可靠性就更高了，他簡單實(shí)用。但是對(duì)機(jī)械開關(guān)安裝的位置一定要準(zhǔn)確，牢固。如果安裝不到位就無法觸碰就檢測不到電信號(hào)，又因?yàn)闄C(jī)器人經(jīng)常運(yùn)動(dòng)如果安裝不牢固開關(guān)就容易松動(dòng)。對(duì)于提高紅外傳感器的抗干擾能力可

28、以從以下幾個(gè)角度去加強(qiáng)：圖3.11方案一的電路方框圖（2）方案2圖2.9 電氣方案二框圖圖3.12方案二的電路方框圖方案二的電氣圖基本不變，只是把H 橋換成了繼電器，把紅外信號(hào)輸入換成光碼盤。繼電器就有其自身的優(yōu)勝，他相當(dāng)于短接沒有壓降，能承受的電流也可以很大,可以把電機(jī)電樞短路，即相當(dāng)于剎車。方案二的電氣方框圖中，機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)由光電編碼器，微動(dòng)開關(guān)，閉環(huán)電路，語音電路構(gòu)成?？梢姽馓筋^用于檢測白色引導(dǎo)線，光電編碼器，微動(dòng)開關(guān)和方案一的功能類似。電方案的比較與選擇3.2.3.1電氣方案比較（1）首先我們采用直流電機(jī)。電機(jī)的選取以方案（1）的普通直流電機(jī)為最佳選擇，其控制比較簡單，功率相對(duì)機(jī)

29、器人比賽是夠的；而步進(jìn)電機(jī)功率不夠，伺服電機(jī)太貴了；在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇上我認(rèn)為用繼電器構(gòu)成開關(guān)控制，因?yàn)閷?duì)電機(jī)的控制要求不一樣所以對(duì)不同的電機(jī)采用不同的控制方法。三極管構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路其優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行脈寬調(diào)速，缺點(diǎn)是三極管有壓降。用于行走的電機(jī)采用此種方法驅(qū)動(dòng)的力度不夠大，對(duì)完成動(dòng)作的電機(jī)可以采用由兩個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)停止。（2）傳感器選用以閉環(huán)傳感器為主，其他傳感器為輔，其中包括光碼盤，觸碰開關(guān)。（3）單片機(jī)控制系統(tǒng)采用單機(jī)形式。其可靠性能更高。綜上所述，電氣方案選擇最佳電氣方案（2）3.2.3.2機(jī)械方案比較通過以上各個(gè)機(jī)械方案的提出并描述了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比較得出所要設(shè)計(jì)的機(jī)器人的

30、結(jié)論為：（1）移動(dòng)方式以方案（1）的四輪移動(dòng)為最佳選擇，其速度要比履帶式移動(dòng)快，且其能量耗損相對(duì)較少；（2）機(jī)械手的設(shè)計(jì)模型已和人的手臂很相似，不會(huì)有很大的改動(dòng)。（3）轉(zhuǎn)身和彎腰機(jī)構(gòu)則是連桿機(jī)構(gòu)較為合理，其它機(jī)構(gòu)不是成本高，就是不易于實(shí)現(xiàn)，在此我們選用以設(shè)計(jì)好的連桿機(jī)構(gòu)。（4）機(jī)器人的材料我們以鋁材為主4 硬件電路設(shè)計(jì)4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路繼電器是本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)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(jī)電繼電器相比，是一種沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不含運(yùn)動(dòng)零件的繼電器，但它具有與機(jī)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(diǎn)開關(guān)元件，他利用電子元器件的點(diǎn)，磁和光特

31、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(yīng)管，單項(xiàng)可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達(dá)到無觸點(diǎn)，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(fù)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(shí)，通常使用兩個(gè)可控硅或一個(gè)雙向可控硅，直流輸出時(shí)可使用雙極性器件或功率場效應(yīng)管。固態(tài)

32、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、快速轉(zhuǎn)換、電磁干擾小的優(yōu)點(diǎn)。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(xiàng)目的要求。在直流電機(jī)電樞上加上一定幅度的直流電壓，電機(jī)便開始旋轉(zhuǎn)；改變電壓方向，電機(jī)轉(zhuǎn)向也隨之改變。如果電機(jī)以恒速運(yùn)動(dòng)，不調(diào)速可以采用一個(gè)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(gè)繼電器作為控制弱電到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的強(qiáng)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(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之電機(jī)反轉(zhuǎn)。兩開關(guān)同時(shí)斷開，電機(jī)停轉(zhuǎn)。兩開關(guān)同時(shí)閉合是不允許的，從電路可

33、看出，這會(huì)導(dǎo)致電源短路。圖4.1 直流電機(jī)的簡單雙向控制及繼電器圖電路原理圖如下：圖4.2 繼電器電路圖4.3 開關(guān)比賽機(jī)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(jī)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(jí)，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(duì)象有場地的道具，環(huán)境界限等，一般微動(dòng)開關(guān)即可。4.4 單片機(jī)控制系統(tǒng)采用單機(jī)完成控制的系統(tǒng)，在系統(tǒng)中P1 口作為光電傳感器的輸入端口，P0.0P0.3 作為行走電機(jī)的控制端口。P2 作為動(dòng)作電機(jī)的控制端口。P3.4P3.5 作為光電編碼器的記數(shù)口。P3 口的另外一些都用來接行程

34、開關(guān)。另外留出串行通信的端口以備以后使用圖如圖4.6 所示.圖4.6 控制系統(tǒng)的的電路圖當(dāng)P0 口作為一般的I/O 口用時(shí)我們要接上一個(gè)排阻作為上拉電阻。這是由單片機(jī)的內(nèi)部特性所決定的。單片機(jī)及其外圍接口電路包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外部接口擴(kuò)展電路等。單片機(jī)采用ATMEL89S51 系列單片機(jī)，它是十六位的高性能嵌入式控制器，具有40 個(gè)可編程的I/O 口，價(jià)格便宜，但功能強(qiáng)大且支持在線編程功能，使用十分方便。時(shí)鐘電路給單片機(jī)系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)采用12MHz 晶振。復(fù)位電路用于上電后使系統(tǒng)回復(fù)到初始狀態(tài)開始運(yùn)行。整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖如下：圖4.7 單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖4.7 語音部

35、分為了實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人最具特色的智能語音功能，經(jīng)仔細(xì)查資料分析論證后最終采用為凌陽公司的專用語音處理16 位單片機(jī)：SPCE061A，簡稱61 單片機(jī)。61 單片機(jī)能非常容易、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)，其16 位nSP CPU 工作電壓為，I/O口輸出電壓為，CPU 時(shí)鐘頻率在0.32MHz 到49.152MHz 間可調(diào)，具備14 個(gè)中斷源、2 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和串行接口設(shè)備，內(nèi)置了2K 的SRAM 和32K 的FLASH，并具有2 個(gè)10 位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道、7 通道10 位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，在聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道還內(nèi)置麥克風(fēng)放大器

36、和自動(dòng)增益控制(AGC)功能，并且相對(duì)于其它同類型單片機(jī)相比較，還具有一系列特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：(1) 內(nèi)部集成了D/A 和A/D 電路，但價(jià)格低廉，耗電量小，運(yùn)算效率高，速度快(2) 對(duì)IO 口操作方便，可以對(duì)32 個(gè)IO 口單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置(3) 利用凌陽公司開發(fā)的IDE 編譯環(huán)境，可使用標(biāo)準(zhǔn)C 語言和匯編語言進(jìn)行編程，同時(shí)可將C 語言和匯編語言相互嵌入編程，并且IDE 具有在線仿真和脫機(jī)仿真模式，在仿真時(shí)可對(duì)IO 口、中斷系統(tǒng)、各寄存器等數(shù)值方便的監(jiān)視(4) 在語音處理方面有成熟的技術(shù)和強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，凌陽公司不但提供有系統(tǒng)的語音開發(fā)API，并配套提供了齊全的說明資料供開發(fā)者使用61 單片機(jī)的封裝有PL

37、CC-84 和LQFP-80 兩種封裝，其中，80 腳封裝和它的內(nèi)部結(jié)61 單片機(jī)作為功能強(qiáng)大的語音處理型芯片，為配合它發(fā)揮出好的性能，凌陽公司開發(fā)了一套完整的具備基本功能的語音模塊電路，這就是凌陽公司推出的61 板。在61 板上，已集成有麥克風(fēng)錄入電路，揚(yáng)聲器放音電路等完成語音功能所需的標(biāo)準(zhǔn)模塊，并且將程序下載、在線仿真、鍵喚醒等功能的電路也集成在了一塊板子上，由于61 板的設(shè)圖4.11 61 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及引腳圖計(jì)合理，性能穩(wěn)定，單獨(dú)引出的IO口引腳方便開發(fā)，所以，本次設(shè)計(jì)直接采用了凌陽61板作為語音功能和控制功能部分的模塊電路使用，這樣，大大節(jié)省了硬件電路的開發(fā)時(shí)間，能將精力主要集中

38、于實(shí)現(xiàn)語音功能的軟件開發(fā)上，也能有更充分的時(shí)間深入了解軟硬件在現(xiàn)代相關(guān)音頻處理技術(shù)方面的一些基本原理和問題。下圖是61板的實(shí)物圖：圖4.12 61板實(shí)物圖61板各模塊電路原理如下：放音電路：在放音電路中，61板采用了SPY0030功放芯片，和LM386工作電壓需在4V 以上相比，SPY0030 僅需2.4V即可工作；LM386 輸出功率100mW 以下，SPY0030 約700mW。這樣，在給61板5V的工作電壓下，音量可達(dá)到較好效果，并且在運(yùn)放前端加上了1K的精密可調(diào)電阻可調(diào)節(jié)音量的大小。61 板電源由SPY0029 穩(wěn)壓提供。程序下載電路：該電路以74HC244 實(shí)現(xiàn)，同一般單片機(jī)下載電路

39、，在此不再詳述。麥克風(fēng)輸入電路：板麥克風(fēng)輸入電路麥克風(fēng)輸入電路對(duì)于語音識(shí)別的效果有最直接最重要的影響，在61 板的麥克風(fēng)輸入電路中，加入了許多濾波措施，并加入了AGC 增益，在對(duì)61 板語音輸入和語音識(shí)別的測試中，即使是用最普通最低廉的麥克風(fēng)，錄入語音都比較清晰，語音識(shí)別也非常敏感和正確，這也說明了61 板電路設(shè)計(jì)的合理性。61 單片機(jī)最小系統(tǒng)：SPCE061A的最小系統(tǒng)包括系統(tǒng)鎖相環(huán)PLL、晶振電路和復(fù)位電路，可按照61 單片機(jī)的引腳說明進(jìn)行連接，這里不再詳述。5.電機(jī)和能源的選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人的手和腳，即運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本組成部分。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作是比賽機(jī)器人創(chuàng)意與實(shí)踐的重要內(nèi)

40、容。它的任務(wù)不僅是向機(jī)器人傳遞動(dòng)力，而且要提供準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)定位和靈活的操作，是機(jī)器人制勝的法寶之一，因此其重要性是不言而喻的。通常機(jī)器人驅(qū)動(dòng)有電氣，液壓，氣壓三種方式。其中以電氣驅(qū)動(dòng)最常見，它按供電的方式又可以分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。機(jī)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(jī)按照其內(nèi)部結(jié)構(gòu)又可分為直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。直流電機(jī)外部接通直流電就能旋轉(zhuǎn)；步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理復(fù)雜些，必須按照一定的通電順序給電機(jī)供電，電機(jī)才能旋轉(zhuǎn)。5.1 直流電機(jī)的特性直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直流電機(jī)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(jī)身的圓桶狀部分，一般由永磁

41、材料或能產(chǎn)生磁場的線圈制成。轉(zhuǎn)子由一根旋轉(zhuǎn)軸及固定在軸上的硅鋼片構(gòu)成，是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)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(jī)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(jī)繞組供電。直流電機(jī)有普通直流電機(jī)和直流伺服電機(jī)之分，兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)在性能方面。伺服電機(jī)在調(diào)速范圍，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度，響應(yīng)快速性等方面均占優(yōu)，且當(dāng)控制電壓改變?yōu)榱銜r(shí)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)；普通電機(jī)則做不到。從結(jié)構(gòu)上比較，兩者的區(qū)別在于電樞鐵心的長度與直徑之比，伺服電機(jī)較大，而氣隙較小。因此在精密定位和寬調(diào)速范圍的應(yīng)用場合，一般都選用伺服電機(jī)。

42、直流電機(jī)的運(yùn)行特性對(duì)一般機(jī)器人用戶來說，驅(qū)動(dòng)的任務(wù)僅僅是在確定了機(jī)械結(jié)構(gòu)并計(jì)算出所需要的速度和驅(qū)動(dòng)力矩之后選擇合適的電機(jī)和相應(yīng)的控制方法，這就涉及到電機(jī)的運(yùn)行特性問題。機(jī)器人比賽規(guī)則往往對(duì)機(jī)器人的質(zhì)量有嚴(yán)格的限制，所以應(yīng)選用質(zhì)量小，功率適宜的永磁電機(jī)。它的勵(lì)磁磁通是恒定的。在控制系統(tǒng)鐘，通常用電樞電壓作為控制信號(hào)，電壓的大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，改變電壓極性，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向也隨之改變。圖4 .1 是電樞控制的原理圖。根據(jù)電樞反應(yīng)原理，電機(jī)轉(zhuǎn)速n 的計(jì)算公式為圖5 .1 電樞控制的原理圖n=n0-KhTem （5.1）式中n0Ua/Kt,Kh=Ra/KtKe ,而Ua 為電樞電壓，Kt 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，R

43、a 為電樞電阻，Ke為電勢(shì)常數(shù)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem 應(yīng)為TemCtIa= KtIa （5.2）式中Ia 為電樞電流，Ct 為常數(shù)，為磁通量。式（5.1）是電樞控制的靜態(tài)特性方程，即穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)方程，由此可得直流電機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。機(jī)械特性機(jī)械特性指控制電壓恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系。由轉(zhuǎn)速公式可得到直流電機(jī)的機(jī)械特性，如圖5.2 所示。機(jī)械特性是線性的，當(dāng)電壓一定時(shí)，轉(zhuǎn)速升高則轉(zhuǎn)矩下降。特性曲線與縱軸的交點(diǎn)即為電磁轉(zhuǎn)矩等于零時(shí)的理想空載轉(zhuǎn)速n0，即n0Ua/Ke可以看出，空載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓成正比。但實(shí)際電機(jī)空載運(yùn)行中，即使電機(jī)軸上不帶負(fù)載，因?yàn)樽陨淼目蛰d損耗，電磁轉(zhuǎn)矩并不為

44、零。機(jī)械特性曲線與橫軸的交點(diǎn)為電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)（n=0）的轉(zhuǎn)矩，即所謂的電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Td，Td=KtUa/Ra在圖5.2 中，機(jī)械特性曲線斜率k 的絕對(duì)值為k= tg= n0/Td=Ra/KtKe它表示機(jī)械特性的硬度，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩Tem 的改變而變化的程度。由圖5.2 可以看出，隨著控制電壓Ua 增大，電機(jī)的機(jī)械特性曲線平行地向轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩增加的方向移動(dòng)，但斜率不變，所以電樞控制時(shí)電機(jī)的機(jī)械特性是一組平行線。6 機(jī)器人的完整圖舞蹈機(jī)器人由以上機(jī)械本體和底盤設(shè)計(jì)、材料的選擇和連接方式的分析最后制作的機(jī)器人整體圖如下：圖6.1 機(jī)器人整體效果圖7 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在完成了硬件的設(shè)計(jì)之后，需要進(jìn)行相應(yīng)的

45、軟件設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人的控制的思想，是直接通過軟件程序表達(dá)的。因此，軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中最重要的部分之一，它關(guān)系到舞蹈動(dòng)作的編輯、存儲(chǔ)和執(zhí)行，關(guān)系到舞蹈機(jī)器人舞姿的“優(yōu)美”與否。從伴舞機(jī)器人的執(zhí)行過程來看，它由單片機(jī)的初始化程序，包括外部中斷、定時(shí)器中斷、串行中斷、舞蹈動(dòng)作初始化;舞蹈動(dòng)作的讀取、執(zhí)行和避障控制程序兩大部分組成。其中串行通信的開關(guān)控制量，不等于1，表示單片機(jī)進(jìn)入串行中斷等待，等于1，程序往下執(zhí)行;機(jī)器人開始跳舞的開關(guān)，等于1,表示機(jī)器人開始跳舞，否則，機(jī)器人保持原來狀態(tài)。7.1動(dòng)作的編輯動(dòng)作的編輯最顯著的特征是步調(diào)、節(jié)奏和動(dòng)作幅度，反映在機(jī)器人上就應(yīng)該控制機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的的電

46、機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢、時(shí)間和角度。要使機(jī)器人跳出讓觀眾賞心悅目的動(dòng)作，就應(yīng)該很好的編排動(dòng)作，充分利用機(jī)器人的特點(diǎn)來展現(xiàn)其動(dòng)作之美。因而，如何使伴機(jī)器人的動(dòng)作快慢變化錯(cuò)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(jì)機(jī)器人的動(dòng)作，首先需要選擇合適的曲子，然后根據(jù)曲子的節(jié)拍進(jìn)行動(dòng)作編排。一整套的動(dòng)作其實(shí)是由一個(gè)一個(gè)的單獨(dú)的舞姿構(gòu)成的，所以設(shè)計(jì)動(dòng)作就必須先設(shè)計(jì)好每個(gè)動(dòng)作，這時(shí)就需要通過電機(jī)的滑塊來實(shí)時(shí)觀察關(guān)節(jié)的位置是否合適，若是合適的話，就把這個(gè)動(dòng)作數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)庫模塊的動(dòng)作表中，接著再調(diào)試下一個(gè)動(dòng)作如此反復(fù)直到把所有的動(dòng)作都編排好了，那么動(dòng)作部分也就制作好了。這時(shí)可以把動(dòng)作數(shù)據(jù)表下載到單片機(jī)中，由單

47、片機(jī)來控制各個(gè)關(guān)節(jié)，順序執(zhí)行動(dòng)作表中的各個(gè)動(dòng)作。同時(shí)控制音樂播放器播放舞蹈音樂，那么我們就可以直觀觀看一到機(jī)器人在音樂聲中翩翩起舞了。要設(shè)計(jì)出一套完整的動(dòng)作，需要反復(fù)調(diào)試，還要通過對(duì)人類動(dòng)作行為作出的細(xì)致入微的觀察，并能根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)，把人類動(dòng)作轉(zhuǎn)變成對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制，才能獲得完美的控制效果。7.2 主程序設(shè)計(jì)根據(jù)前述的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)上的控制程序主要包括一個(gè)主程序和相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。本設(shè)計(jì)采用C 語言按模塊化的編程思想編寫。所有機(jī)器人的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)部分均在子函數(shù)中完成主函數(shù)中只負(fù)責(zé)對(duì)子函數(shù)的調(diào)用如此便保證了良好的維護(hù)性和清晰的代碼結(jié)構(gòu)。主程序中，首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，接著調(diào)用脈寬調(diào)速函數(shù)，使相應(yīng)電機(jī)獲得應(yīng)有的速度。然后進(jìn)入程序中的主循環(huán)，判斷當(dāng)前系統(tǒng)的工作模式是自動(dòng)狀態(tài)還是手動(dòng)狀態(tài)(設(shè)置變量用于標(biāo)識(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，在機(jī)器人剛通電時(shí)默認(rèn)進(jìn)入手動(dòng)控制狀態(tài))。主程序主要負(fù)責(zé)設(shè)置堆棧指針和中斷向量.對(duì)所用到的特殊寄存器進(jìn)行初始化和舞蹈動(dòng)作初始化.主程序軟件框圖如下：圖7.1 主程序流程圖7.3 子程序設(shè)計(jì)最主要的是考慮到電機(jī)控制信號(hào)的產(chǎn)生，采用定時(shí)器每隔一定的時(shí)間中斷以產(chǎn)生控制信號(hào)和加載舞蹈動(dòng)作。利用定時(shí)器中斷程序可以很容易的產(chǎn)生直流電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)。通過外部中斷，對(duì)機(jī)器人前后左右四個(gè)方向上的碰撞做出處理，以使機(jī)器人不會(huì)因?yàn)榕鲎灿绊懸院髣?dòng)作的執(zhí)行。對(duì)