行走机器人功能分析与调试毕业设计

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1、行走机器人功能分析与调试毕业设计行走机器人功能分析与调试毕业设计河北能源职业技术学院 行走机器人功能分析与调试40摘要：虽然机器人的研究、制作和使用已经有几十年的历史，但是双足直立行走的机器人世界上很少。主要因为稳定性控制及双足行走控制非常复杂，但为了研究生与人更加接近的机器人，这是必须克服的难关。主要是解决直立行走机器人腿部平衡的问题，包括硬件设计和软件的设计，侧重于对硬件的设计，即着重介绍直立行走 机器人腿部平衡系统的相关知识、设计目的、设计思路、方 案的确定、原理设计及分析、硬件调试。行走机器人是最典型的机电一体化数字化装备，是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术

2、 于一体的智能机器人。它代表了机器人的尖端技术，是当代科技的研究热点之一。目前，国内双足机器人研究与世界先进水平相比还有较大 差距,特别是在教学机器人方面的研究更是寥寥无几。为改善这种局面，提高我国高校师生的综合技能，本论文在 研制教学双足机器人方面进行了有益的尝试和大胆的实践设计并制作由了一款适用于高校教学开发使用的小型双足 行走机器人。本文详细阐述了双足机器人机构设计和控制系统的研发过程，包括控制系统的硬件电路设计和制作，机器人双足的外形设计与加工，以及双足行走机器人的驱动和控制技术。结合对人类行走步态的研究，规划了双足机器人行走的姿态及轨迹，推导了双足机器人稳定步行的条件，并据此进行了

3、实物实验，实现了稳定的低速静态步行。本论文重点讨论了静态步行的算法设计和仿真，详细分析了基于零力矩点的双足机器人动态步行运动规划方法，根据运动学约束条件计算由各个关节的运动轨迹。使用Matlab软件，以ZMP点的轨迹作为约束条件，进行了前 向离线规划试验和 ZMP误差补偿试验，实验证明本文所采用 的步态规划方法可以满足机器人连续稳定行走的要求。教学双足机器人运动平稳，系统控制精度高，具有良好的教学功能和广阔的应用开发前景。本文针对教学双足行走机器人方面进行了深入的研究，对他人今后进行教学双足机器人的研究提供了一套系统的研 究方法，对同行具有借鉴和引导作用。目录 序1 1、自动机器人平台总述 2

4、 1.1自动机器人平台 的总体构成3 1.2自动机器人平台按键部分 4 1.3机器人平台 的充电4 2、自动机器人平台系统结构 4 2.1自动机器人平台 机械部分4 2.1.1机器人平台机械部分组成 4 2.1.2机器人平 台运动详解5 2.2自动机器人平台控制系统 6 2.2.1概述6 3、自动机器人平台的装配和调试13 3.1机器人装配过程133.1.1主动轮电机装配 13 3.1.2电机安装至铝合金架板133.1.3从动轮及传感器安装 13 3.1.4电路板的安装13 3.2机器 人平台的调试14 4、可行性的上部机器手臂设计方案14 5、驱动软件的编写及调试 17 6、取得的成果 38

5、序2012年2 月，在寒假期间，比赛用机器人平台运抵学校，学校验收后 交付使用，3月份开学初，我和于长波组织学生开始筹备学 习机器人平台的使用，研究了平台的硬件电路和软件程序的 编写，因今年机器人比赛的题目没定下来，只能等待。2012年5月16日接到全国职业院校技能大赛规程，离正 式比赛仅有20天。需要添购通讯模块等部分设备，否则不准参赛，之后立即 申报购买部分设备，包括通讯模块，交通灯，工件，电源等， 同时组织学生学习研究通讯模块用法，并对参赛规程进行分 析，规划比赛场地，制定可行性设计方案，三易其稿并着手 采购机器人上部机构零件。期间攻坚克难无数，同学们非常辛苦。在规划场地时，比赛场地尺寸

6、：大小为8米*6米。其中外围档板高 10cm,材质为木工板，上面贴有30mm宽的白色引导条。我们采用普通透明胶带加普通打印纸来代替比赛用的白 色一道条，实验室场地场地不够大，仅有 6米*5米多。怎么办，若对每个方格都按比例缩小，那么小车将无法完 成正常转向，我们分析比赛规则后，规划由小车的理想行驶 轨迹，把部分不重要的方格由原来的 0.5米*0.5米压缩到0.5 米*0.2米，这样原来的的正方形格畸变成长方形，整个比赛 场地严重变形，经过大家的多次精密计算，最终解决了比赛 模拟场地面积不够的问题，同时白色导条也以最小的经济成 本得以解决。之后我们分析了机器人上部机构传动形式，分析各种电 机的运

7、动特点，排除了使用伺服电机，直流减速电机等驱动 形式。查找各种电机的型号，价位并上网采购步进电机及其配套 的驱动器，之后又分析链条，齿轮，导条的传动的特点，确 定采用导条为支撑和传动骨架，并上网查找配件型号同时进 行采购。咨询多位老教师（卢恩贵，李瑞春，魏国江等） ，排除了 谐波齿轮，滚珠丝杠等多种传动方法最后敲定了机器人手部 形式，如何能有效的夹取工件，由于目前技术原因，机器人 很多技术都不成熟，没有太多的有效资料可供参考，我们边 想边做，花费很多时间，进展很慢。另外采购角铝，电钻，方铁管等配件，期间费了很大周折。1、自动机器人平台总述自动机器人平台是专门为高职 类机器人大赛提供的一个统一的

8、机器人底盘。使用者可以根据大赛任务的要求，在此平台上进一步设 计制作各种抓取、投放机构，利用机器人平台提供的主控制 板实现整体机器人的控制。1.1 自动机器人平台的总体构成机器人平台包括主动车轮、从动车轮、铝合金框架、直流电机、电池、电路板以及 安装在底部的16路传感器组成。1.2 自动机器人平台按键部分自动机器人平台上共有三个按键，12V电源开关、24V电源开关以及启动按钮。在开机时，注意先打开12V电源开关，再打开24V电源开 关，最后按下启动按钮，机器人开始运行；关机时，先关闭 24V电源开关，再关闭12V电源开关。1.3 机器人平台的充电 机器人平台的电源为三节铅酸电池。电池充满电压可

9、以达到 13V,额定工作电压12V。其中一节电池专门给主控制板和传感器信号处理板供电，另2节电池串联成24V,给电机驱动板供电，用于驱动机器 人上的各种电机，为了提高整体的抗干扰性能，12V和24V的电池不要共地。电池可重复充电 1000次以上。充电时需先取由电池。我们可按下面步骤进行：1.关闭机器人平台的电源；2.拔掉连接线，将电池依次取由，充电3.重新装上充好的电池。每个平台配备了一个充电器，可以给一个电池充电，充 电时，充电器上面的指示灯呈蓝色，充电完毕呈红色。2、自动机器人平台系统结构2.1自动机器人平台机械部分2.1.1机器人平台机械部分组成机器人平台的机械部分是指机器人执行具体功能

10、时所要用到的机械部件，共有以下 几个部分：1.主动轮 机器人平台的主动轮有两只，金属铝芯，外包三 根O型圈，能够完成向前直走，向后转弯，左转，右转等这 些平地上的技术动作。2 .从动轮机器人平台有1只从动轮，和两只主动轮形成 三角支撑着机器人的身体。从动轮随着主动轮的方向改变自己的方向。众所周知，三点支撑结构是最稳定的结构，从动轮和两个 主动轮形成了一个稳定的支撑结构。3 .直流电机 机器人平台上有两个 2台额定电压24VDC、 150转/分、70W功率直流减速电机。4 .铝合金框架 机器人平台的框架使用了铝合金型材制 成，可以很方便地利用配备的专用螺母将设计的上部机构安 装在平台上。5 .铝

11、板 机器人平台上铺设了 5块4mm厚的铝板，可以根据自己的需要在这些铝板上打孔，用于固定安装上部机 构，若需要这些铝板，可以自行卸下，以减轻整体重量。2.1.2机器人平台运动详解 1 .机器人的动作 机器人一共 有三种动作：1）前进 两个电机等速正转时，机器人前进。2）后退 两个电机等速反转时，机器人后退。3）转弯 两个电机按一定比例不等速正转时，机器人转 弯。2.机器人运动原理机器人运动时，通过直流电机的轴转动来驱动两个主动轮的运动，利用两个主动轮来控制底盘 的各种运动（前进，后退或者转弯）。底盘前端的从动轮前端有一个传感器，用于探测地面白条 的位置。探测后把相关数据传给控制装置（单片机），

12、控制装置分析计算后把相应运动指令转化为 PWM脉宽调速信号来控制 电机的转速，从而使机器人能够沿着白条运行。2.2自动机器人平台控制系统2.2.1概述 自动机器人平台控制系统包括16路巡线传感器、传感器信号处理板、主 控制板、电机驱动板和其他待开发扩展部件组成。组成框图如图2.1所示。图2-1机器人平台控制系统组成框图图2-1中，虚线框中的部分是机器人平台已经配备的部分，其他部分需要在设计中根据所设计的上部机构的动作情况自行开发，并用主控 制板统一控制。1. 2.2主控制板1.概述主控制板是机器人的大脑，承担 着信息接收、处理、外部设备控制的重要任务，主控制板中 处理器选用了 STC12C5A

13、60S2芯片为主控芯片，控制板支持 两大类输入，既16通道专用巡线传感器输入，和 8通道传 感器输入；输生也是支持 2大类，即可调速行走电机控制输 由和不 可调速行走电机控制输生；具有一个可扩展接口。STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟 /机器周 期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快8-12倍。内部集成 MAX810 专用复位电路,2路PWM,8路高速10 位A/D转换(250K/S),抗干扰能力强，适合应用在强干扰场合。具体功能和参数可以参考STC12C5A60S2数据手册。主控制板使用的是 40个

14、引脚的单片机，共有 35个I/O接 口，其中，P0、P2和P4.6 口用于输入，共 17个端口，P1 和P3部分接口用于输由，共 12个端口。主控制板实物如图2-2所示。图中，12V电源输入插座连接12V电源，12V电源输由插 座连接传感器信号处理板的 12V电源插座(注意板子上的电 源正极标志，不要插反)，巡线传感器输入接口用于连接传 感器信号处理板，启动按钮输入插座连接面板上启动按钮, 左右车轮 电机接口连接驱动板上的电机信号控制插座，程序下载接口用于程序的在线下载，8通道传感器输入接口可以用于连接8个NPN型传感器，非调速电机输由接口用于 上部机构各种电机的控制。图2-2主控制板外形图图

15、中，为了减少对单片机端口的占用，使用了 2片74HC245总线驱动电路构成对单片机P2的复用，用单片机 P4.4 口的信号加以控制。当P4.4为低电平时，P2 口接收到的是16路传感的低8位 信号QQ0-QQ7,当P4.4为高电平时，P2 口接收到的是 16 路传感器的高8位信号Q8-QQ15。2. 8通道传感器输入接口8通道传感器输入接口用于连接光电、接近或者超声传感器等，可以在整体设机器人时， 充分利用各种传感器探测外部信息，其中4通道输入接口电路图如图2-3所示。图2-3通道传感器输入接口图中，展示了 4路传感器输入接口，输入信号使用了单片机的P0.0-P0.3 口，插座J8-J11分别接4个不同传感器，传感器直接使用市场现有的成熟产 品，主要有：图2-4所示的红外传感器，在机器人中，主要用来探测四周是否存在障碍或者是否到达预定物体附近，图2-4红外传感器 图2-5接近开关 其最大探测距离根据所用型号的不 同，有30cm、1m、2m多种；图2-5所示为接近开关，主要用在机器人上探测一些运动部件是否到位，探测距离一般在5mm以下。传感器上有3根引线，分别接J8-J11的3个引脚。需要注意的是：使用的传感器必须是 NPN型，工