武术擂台机器人设计报告说明书 -2

《武术擂台机器人》毕业设计说明书

系部：机电工程系

专业：机电一体化

班级：机电133班

学生姓名：程远东

学号：130212325

指导教师：尹伟锋

毕业设计（论文）开题报告

一、选题来源、目的和意义：

（一）选题来源：教师自拟

（二）选题目的及意义：目前，国内外的许多大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制开发针对特殊条件下的安全监测系统。其中包括研究使用远程、无人的方法来进行实现，如机器人、远程监控等。无线传输的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数据的速度变得很快甚至可以达到实时处理”。

该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。

通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹。灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。

（1）掌握基本构型和传感器的安装方法，并能搭建出能完成一定功能的机器人，利用创意之星组件，进行避障小车的组装，调试，利用红外传感器进行路障感应，完成避障功能。

（2）会用控制器联机调试舵机工作状态，会查询各种传感器的数据。

（3）能通过编程实现智能小车自主躲避障碍物的功能

（4）对避障小车的避障原理有充分的理解，掌握其避障的方法，能够对实验过程中出现的问题进行解决，发现问题，解决问题。

目录

第一章绪论 (1)

1.1课题背景 (1)

1.2典型机器人竞赛简介 (1)

1.2.1国际机器人赛事 (1)

1.2.2国内机器人赛事 (2)

1.2.3机器人竞赛的特点 (4)

1.3武术擂台机器人比赛规简介 (4)

1.3.1比赛场地 (8)

1.3.2竞赛方式 (8)

1.3.3胜负判定 (9)

1.4本文研究的主要内容 (9)

第二章竞赛策略 (9)

2.1规则分析 (11)

2.2应战策略 (11)

2.2.1将敌方机器人推下擂台 (12)

2.2.2避免被对方推下擂台 (13)

第三章擂台机器人总体设计方案 (11)

3.1基本内容和问题 (11)

3.2总体的设计方案及步骤 (11)

第四章擂台机器人机械结构设计 (13)

4.1底板舵机结构件和连接件 (13)

4.2 CDS55xx机器人舵机 (14)

4.3车轮选择 (15)

4.4红外接近传感器 (18)

第五章擂台机器人控制系统 (22)

5.1CDS55xx机器人舵机的调速软件 (22)

5.2MultiFLEX TM2-PXA270控制器的功能概述 (25)

5.3控制程序 (33)

第六章总结与展望 (35)

6.1总结 (35)

6.2对进一步的展望 (35)

参考文献 (36)

附录1 cds5500机器人舵机控制程序 (36)

附录2 控制器原理图 (36)

附录3机器实体照片 (36)

致谢 (36)

第一章绪论

1.1 课题背景

机器人技术是高度综合的现代科学技术，近年来，智能机器人技术飞速发展，智能机器人除了在先进制造领域发挥重要作用之外，已经越来越接近人们的日常生活，以清洁机器人为代表的家庭服务机器人已经在全世界范围内广泛应用。机器人学综合运用了基础科学和应用工程技术的最新成果，是21世纪发展最为迅速、应用前景最为广泛的科学技术领域之一。同时，由于机器人技术的综合性和趣味性，高等工程教育界已经广泛地使用教育机器人平台来开展工程综合实践和创新教育。

1.2典型机器人竞赛简介

机器人技术迅猛发展、教育理念不断更新，为推动机器人技术的发展，培养学生的创新能力，在全世界范围内相继出现了一系列的机器人竞赛。

机器人竞赛，融趣味性、观赏性、科普性为一体，给青少年学生们提供了越来越多充分展示聪明才智的舞台，也提供了一个充分表现科技思想和行动的舞台，培养了实际动手能力，团队协作能力，提高了创新能力。目前我国正掀起一股机器人竞赛的热潮。创新是我国大学生的精髓，参赛机器人都要从概念设计入手，经历设计、制作、调试，改进等过程最终选出最优方案参加比赛，通过此项赛事大学生的创造热情得到充分发挥创造思维和动手能力得到锻炼的培养。

机器人竞赛实际上是高技术的对抗赛，从一个侧面反映了一个国家信息与自动化领域基础研究和高科技发展的水平。机器人竞赛使研究人员能够利用各种技术，获得更好的解决方案，从而又反过来促进各个领域的发展，这也正是开展机器人竞赛的深远意义，同时也是机器人竞赛的魅力所在。

1.2.1国际机器人赛事

《机器人大擂台》是由英国TNN电视台发起组织的世界上规模最大的科普类游戏节目11年前在英国电视台首次公演。目前他的搏斗系列已经覆盖了全球27个国家：包括英国、美国、瑞典、意大利、荷兰。至今已经举办了4届。参赛者设计并制造无线电控制的战斗机器以角斗士的方式进行战斗，看谁的机器人更胜一筹。竞争者以来于他们闪电般快速的反应和驱动能力，以及他们对于机器人充满想象力和有效性的设计来击败对手。机器人之间不仅相互之间战斗，并且他们还要与主机器人周旋。这些主机器人在场上巡逻，摧毁并分解任何已无行为能力或不幸迷失在绝境中的机器人。在最终比赛中机器人在格斗场上相互格斗，直到其中一个机器人被击败，如果出现平局，专家委员会将根据以下四条标准，决定哪个机器人取得胜利。四个标准分别为：1 破坏程度2战斗风格3攻击性4. 控制。

从1954 年美国人Devol 颁布工业机器人专利至今已经半个世纪了。它的成长历程印证了这样的论断，机器人是20 世纪人类的伟大发明。机器人学的进步和应用是20 世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化。机器人技术将筑起21 世纪人类新的“长城”。

1.2.2国内机器人赛事

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、学术大会和展览，本项大赛吸引了中国现有最顶级、全部的机器人专家和日本、美国、德国众多知名机器人学者参与，是当今中国、乃至亚洲机器人尖端技术产业竞赛和国际顶尖人才汇集的活动之一国际RoboCup委员会中国分会设

在清华大学，由清华大学的孙增圻教授担任中国委员会主任。

特别介绍：中国机器人大赛——机器人武术擂台赛

机器人武术擂台赛是中国机器人大赛中一项新的赛事。它的主要内容是：两个完全自主的机器人在一个2米见方的擂台上，使用各种传感器来感知自身的位置、姿态，并感知对手的位置、方向，并利用各种执行器来互相攻击的机器人竞赛。

机器人武术擂台赛的参赛机器人需要包括各种传感器（检测自身位置、检测对手位置、检测自身姿态、检测擂台边缘等等）、一个控制器（参赛队员为其编

写程序，控制整个机器人的行为和策略），多个执行器（行走、击打辅助等），麻雀虽小，五脏俱全。并且学生需要根据比赛规则，通过机械、电子、策略等各方面的创新设计，来达到在对抗竞赛中压倒对手的目的，因此是工程创新实践教育的理想平台。

激烈而戏剧性的机器人竞赛对抗，能够极大地激发学生的好胜心和积极性。在训练和比赛的过程中，参赛者的综合工程素质，创新能力，团队协作能力都能得到全面的培养。

虽然比赛过程仅有短短几分甚至几秒钟的时间，打擂台的机器人尺寸也超不过30厘米，但其中包含了很高的科技含量。机器人装备了数据处理芯片、行走、格斗装置以位置探测器、边缘探测器红外探测器和超声波探测器等仪器，这些设备使机器机器人好像长了脑子、眼睛、耳朵和手脚，从而能够根据场地的不同情况，智能性地完成寻找敌方、格斗、防止自己掉下擂台等任务。目前，机器人武术擂台赛已成为全国最热门的智能机器人竞赛之一。

图1-1 各种机器人

1.2.3机器人竞赛的特点

各种类型的机器人竞赛，一般是在上世纪末兴起的。在不到十年的时间里，机器人竞赛的发展是一个从有到无、从单一到综合、从简单到复杂的过程。具体地说，机器人竞赛具有以下特点：

比赛的影响力不断增强。在机器人竞赛的同期，各个组委会都会举办各种机器人展览、相关论坛，旨在为参数选手及专家提供一个交流经验、互相学习的平台，并为机器人相关技术的发展以及机器人在娱乐、教育服务等各领域的应用起到推动作用。因此，会吸引各国科学家、科研人员、学生和企业界人士的共同参与，其影响力也相应得到提高。

促进学校教育。以机器人武术擂台赛为例，参加赛事的每个参赛队伍在每年的规则公布之后，会在大约8～12个星期的时间来做准备工作，在这些时间里，参赛选手要想赢的比赛，就必须在互联网上搜集资料、向指导老师请教问题、到图书馆查阅资料以及与其它伙伴交流、探讨问题等等，这同时也是一个面对实际问题、解决问题、克服障碍的过程。因此，参赛队员除了学到了机器人相关知识之外，还能够在自信心、团队合作能力、沟通能力、动手能力等方面等到提高。

1.3 武术擂台机器人比赛规则简介

1.3.1 比赛场地

如图1-2所示，比赛场地（即擂台）为大小是2400*2400*150mm的正方形矮台，擂台上表面即为擂台场地。

图1-2比赛场地

1.3.2 竞赛方式

1）机器人出发地点：比赛开始前，各方参赛机器人应该位于比赛场地旁边各自的出发区。

2）

3）比赛前双方队员需举手示意机器人已经准备好。开始后不能再触碰机器人，否则将被判本局负。

4）每局比赛时间不超过2分钟。比赛时间结束后，裁判员发出比赛结束指令。双方参赛队员在听到比赛结束指令后停止机器人。

5）在比赛过程中，一方的机器人出现无法自动恢复的故障、无法继续行动（例如翻倒后无法继续行动）、起火或者其它裁判员认为可能有危险的行为的，裁判员可以宣布中止本局比赛，并判本局比赛对方获胜。

6）在比赛过程中，双方机器人交缠在一起或处于僵持状态超过10秒钟，裁判员可以自由裁定，选择让双方机器人重新开始比赛，也可以让比赛继续。

7）比赛过程不允许暂停，除非裁判员认为不停止比赛将会危害现场安全或者造成事故。

1.3.3 胜负判定

1）获胜：

a)一方机器人离开擂台区域或者机器人的任意部分接触擂台外区域，则另一方获胜，本局比赛结束。

b) 一方机器人翻倒、损坏或者由于其他原因无法继续行动，裁判员将开始读秒。10秒钟内无法恢复的，则另一方获胜，本局比赛结束。

2）平局：

a) 双方在推挤过程中纠缠地离开擂台，则双方计为平局。

1.4 本文研究的主要内容

本文主要研究武术擂台机器人的整体结构.在理论上和实际应用上尽可能的使机器人实现高灵活的运动状态。根据比赛规则和以往的经验.提出结构设计方案 .设计武术擂台机器人的结构。机器人各部分设计包括攻击部分、驱动部分、检测部分.三部分对机器人设计都是至关重要的。设计铲子的结构.以致能使机器人的攻击力加强。选择合适舵机.使机器人的运行状态良好.比较灵敏的传感器是机器人运行起来比较灵活。对机器人进行结构设计.确定了机器人的整体布局.设计了机器人的主要活动部件、外形、电机和轮子。针对距离、位置的测试.选择了红外传感器。选择由博创科技公司提供的各种零件.对机器人进行搭建.并且对机器人运动状态进行测试和分析.以及为了达到更好的状态.对机器人测试中的不足之处进行改进。

第二章竞赛策略

2.1规则分析

根据比赛规则我们知道，机器人要在比赛中获胜，应当轻快灵巧，具有较快的行进速度，前进、后退、转动等动作自如流畅。此外，双方机器人在比赛过程中必然会激烈地冲撞，进行制约与反制约的较量，因此还要求机器人具有良好的稳定性，较强的刚度。所以擂台机器人应具备以下基本功能:

?能够检测擂台边缘，防止自身掉落擂台；

?能够检测对方的位置，并进行加速撞击；

?能够将对方推下擂台；

?具有快速灵活的反映能力，较强的动力和进攻能力。

2.2应战策略

2.2.1将敌方机器人推下擂台

推动敌方要做的事情，即：寻找敌方→推动敌方

我们还需要考虑，什么因素会影响小车的推力。在现实生活中我们会看到两种现象:

?一辆汽车在爬坡，但是动力不足，反而慢慢从坡上滑了下来；

?汽车在泥地上面行走，但走不快，因为轮子总是在打滑。

上面两个例子可以看出影响汽车行进效果的因素：

?动力不足；

?摩擦力不够。

如果动力不足，不但不能推动敌人，反而会被敌人推动。如果摩擦力不够，小车在推动敌方机器人时会出现轮子打滑，无法推动敌方。所以，在比赛规则允许的条件下，应尽量增加小车的重量动力输出轮子的接地面

积。理论上舵机越多，轮子越多，推力越强，但是超过四轮后，机器人转弯不好实现，而两轮的驱动方案重量和推力不足，因此，我们采用四轮驱动方案。

另外，要想容易的推动敌人，机器人需要进攻武器。在日常生活中，我们能见到的推力很强的机器，恐怕要属“推土机”了。推土机之所以推力强劲，是因为它具有一个强有力的大铲子。我们可以通过给机器人增加铲子来增强攻击能力。机器人有了铲子之后，可以铲入敌方机器人底部使其丧失推动力，从而将其推到擂台下面。

2.2.2避免被对方推下擂台

如果我方机器人在前进的时候被敌方从后面推挤，并且我方的机器人没有察觉，会出现什么情况呢？

此时我方机器人的动力方向和敌方机器人的动力方向一致，敌方可以毫不费力的将我方机器人推下擂台。所以我们需要能够察觉这种状态，并且能够通过掉头、转弯、后退等方式避开敌方的进攻。

第三章擂台机器人总体设计方案

3.1 基本内容和问题

根据机器人武术擂台的竞赛规则，以博创公司生产的创意之星机器人为基础设计可应用于RoboCup机器人大赛——机器人武术擂台赛的攻击型机器人的行为策略。设计具有竞争力的总体比赛方案。在比赛时在进攻、防守时机器人用何种速度和方式行进设计控制系统和比赛程序。在用“创意之星”模块化教学机器人套件搭建的机器人上进行调试，根据问题进行进一步的完善以提高其竞争力,使它能真正用在机器人武术擂台赛。

3.2 总体的设计方案及步骤

（1）阅读相关的机器人、传感器等文献，提出要研究的问题，并对要设计对象进行分析。

（2）研究设计，构建研究课题的理论模型，研究现有武术擂台机器人的机械结构特性、控制系统特性的理论及有关技术。

（3）在理论成熟的基础上选择设计运动机构和控制方法。

（4）把知识进行整理和汇总，对各个设计中遇到的问题进行分析解答，初步的完成整体设计。

（5）通过实验调试过程，对设计结果进行讨论和分析，找出设计方案不足。

（6）搭建智能小车，掌握基本构型的组装方法，主要包括舵机和轮子的连接、传感器的安装以及舵机和传感器的接线。

（7）通过编程控制智能小车的前进、后退、变速以及转向。

（8）将控制策略的流程图用真正的程序语言实现，并下载到控制器上，实现智能小车自主躲避障碍物的功能。

第四章擂台机器人的结构设计

4.1底板舵机结构件和连接件

底板：底板是创意之星套件中最大的结构件。它上面有许多对称分布的花键，可以用来安装电机、结构件、把各个部分组成一个整体，是使用频率很高的结构件，如图。底板的一面是平的用来安装其他零件，另一面具有加强筋，用来增强底盘的强度。

舵机框架：舵机框架是用来安装舵机的结构件，如图

操作步骤

步骤1：安装底盘和舵机架

连接底板和舵机结构件，如图

安装舵机框架时需要注意其两端并不完全对称，我们需要根据实际情况装配舵机以保证轮子的对称分布。

4.2 CDS55xx机器人舵机

静止不动的机器人时没有任何意义，人来设计机器人的初衷，就是让机器人可以代替人来做一些事情。因此，机器人首先需要具备运动能力。

机器人常用的运动执行机构有直流电机、步进电机、舵机等。

工作原理

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。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。CDS系列机器人舵机属于一种集成电机、伺服驱动、总线式通讯口为一体的集成伺服单元，它可以工作在舵机模式和电机模式。舵机模式时，它可以在0——300度的范围内摆动；电机模式时，它可以像电机一样整周旋转。因此，CDS 系列机器人舵机既具备舵机性能，也具备电机性能，技能用作机器人的关节，也可以用来驱动轮子，是一种拥有广泛应用前景的。

CDS55xx机器人舵机的特点如下：

●大扭矩：10Kgf.cm的持续转动输出扭矩，大于20Kgf.cm位置保持扭矩；

●位置伺服控制模式下转动范围0—300度；

●高转速：最高0.16s/60°输出转速；

●在速度控制模式下可连续旋转，调速；

●DC 6.5V～8.4V宽电压范围供电；

●总线连接，理论可串联254个单元；

●0.32°位置分辨率；

●高达1M通讯波特率；

●双端输出轴，适合安装在机器人关节；

●0.25KHzd的伺服更新率；

●高精度全金属齿轮组，双滚珠轴承；

●兼容Robotis Dynamixel通讯协议；

●连接处O型环密封，防尘防溅水；

●具备位置、温度、电压、速度反馈。

4.3车轮选择

在我们现实生活中，轮式机构是一种很常见的机构。轮式机器人底盘可以看做是轮式车辆的微缩。除了摩托车、自行车，轮式车辆一般至少有3个轮子同时着地，这样能够让车辆在任何时候都能保持平衡。对于只有两个轮子的结构，让其平衡是最大的工作，要完成本次的任务，两轮的结构显然不符合要求。本小车为四轮独立驱动方式，具有很强的机动能力，并且动力比较强劲，通过四个舵机让机器人能够灵活运动，四个电机转向和机器人底盘的运动方向对应关系如表所示

表电机与底盘的运动关系对照表

“创意之星”套件提供了两种轮子，如图和所示。为橡胶轮的连接件。

步骤3：安装橡胶轮

用图c所示的连接件安装轮子，并用螺丝钉固定，如图所示。

4.4红外接近传感器

红外接近传感器又称红外光电红外开关是红外线光电开关的简称，利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。现有的光电传感器优先使用的是波长780mm——3um的近红外光，并已有比较稳定的集成产品，与数字电路的接口也非常简单。

光电开关输出是开关量，只能判断在测量距离内有无障碍物，不能给出障碍的实际距离。但是通常该类传感器带有一个灵敏度调节旋钮，可以调节传感出发的距离。

第五章擂台机器人控制系统

5.1CDS55xx机器人舵机的调速软件

RobotServo Terminal具备以下功能：

?总线上的舵机ID搜索；

?设置参数，如ID、波特率、加速度以及位置限制等参数；查看舵机状态，如舵机当前温度，位置，载荷、电荷等；

?速度、位置、负载等关键参数动态曲线观测；

?舵机固件升级；

?舵机性能展示。

如图为舵机调试界面。

设置舵机ID

舵机出厂时ID默认为1，使用之前，一般需要修改ID。

具体操作步骤如下：

1.连接调试器，舵机和直流电源；

2.启动RobotServo Terminal软件；

3.在Com输入框输入调试器所对应的端口号，Baud选择1000000（默

认值），点击“Open”按钮打开串口；打开成功后，右侧的绿灯会变成

红色，如图所示

4.根据需要选择查询模式。如果只连接了一个舵机，请勾选“Single Node”复选框。如果没有改变舵机的波特率，请选择“Single Baud”,否则选择“ ALL Baud”；

5.设置好模式后，点击“Search”会变成“Stop”，如图所示

6.当所有舵机节点都出现在列表框中或者扫描结束时，可以点击“Stop”停止查询，如图所示，点击“Stop”后，即可隐藏右侧的搜索信息框。

7.在列表中点击选择要操作的舵机，这里选择ID为4的舵机，如图所示

8.切换到Operate操作页面（默认），在Primary Set组中ID输入框中选择要设置的舵机ID(范围0—253),输入1，点击设置即可修改舵机ID，如图所示。此时列表框中选中的舵机ID会相应修改为设定值，如图所示。需要注意的是，此步操作之前，必须先在列表框中点击选择要设置ID的舵机：

9.再次点击Search搜索舵机，设置成功，会看到新设置的舵机ID 出现在列表框。如图所示。点击Stop结束搜索，如图所示。

5.2 MultiFLEX TM2-PXA270控制器的功能概述

MultiFLEX TM2-PXA270控制器纯粹就是为智能机器人控制而存在的。它有以下特点：

高运算能力、低功耗、体积小。MultiFLEX TM2-PXA270控制器具备520MHz，32位的高性能嵌入式处理器和Linux操作系统，运算处理能力强大，而功耗不在2W；体积小巧，可以直接放入放机器人体内。

控制接口丰富。可以控制直流电机（需配合BDMC系列伺服驱动器）；可以控制各种信号的舵机；可以对机器人舵机进行调速、位置控制、力矩控制；可以同时控制多个回路的舵机/电机。

数据接口丰富。控制器具有12路双向可设置通用IO接口，8路10位精度的AD接口；还有RS-422总线、RS232接口，足够满足绝大多数运用场合。感知的丰富性是机器人区别于其它机器人的重要因素之一，要让机器人具有与众不同的功能，对各种外界刺激有合理的反应，需要给它添加各种各样的传感器。温度、光照、声强、距离等传感器可以通过IO和AD接口接入，姿态、语音、视觉传感器可以通过RS-232总线、RS-232接口、USB接口接入。

MultiFLEX TM2-PXA270控制器的详细功能如下所示