课程设计足球机器人行走机构

1绪论

1.1选题目的

机器人足球系统的研究涉及非常广泛的领域，包括机械电子学、机器人学、传感器信息融合、智能控制、通讯、计算机视觉、计算机图形学、人工智能等等，吸引了世界各国的广大科学研究人员和工程技术人员的积极参与。现在的足球机器人行走机构错在的控制不稳定，行走不灵活等一些问题，通过对足球机器人行走机构的设计，能提高对大学知识的实际运用，解决足球机器人行走稳定性的问题。

这次课程设计我选择了足球机器人行走装置的设计体现了机械结构设计等方面技术的运用。设计是一项结合机械设计，控制设计，工业设计等多方面设计技术的综合性的设计题目，通过这项设计，我可以综合大学四年学过的各项课程，提高自己的设计水平，为以后工作打基础。

1.2足球机器人的研究现状

1.2.1国外研究现状

足球机器人是当前机器人研究的一个热点，涉及机器人学、人工智能、智能控制、计算机视觉等多个领域。足球机器人系统作为一个典型的多智能体协作系统，为机器人学、多智能体系理论研究和技术应用提供了一个理想的实验平台。目前，国际上足球机器人已发展为两大系列，一是由国际机器人足联组织的微型机器人世界杯足球赛，另一个是国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛。国外机器人足球比较发达的国家主要有美国、韩国、日本等国。

1.2.2国内研究现状

我国足球机器人事业起步比较晚，但是充分利用后发优势，发展迅速，有些方面已经接近或者达到国际水平。我国的科研工作者域1997年才开始涉足机器人足球比赛相关领域的研究与探索，1997年东北大学人工智能域机器人研究所加入FIRA并研制开发出卫星足球机器人系统。1999年4月，中国机器人足球协会在哈尔滨成立，并正式加入FIRA。童年10月在哈尔滨工业大学举行首届中国机器人足球比赛。1999年8月，东北大学作为中国第一支代表队参加了在巴西举办的第四届机器人足球比赛，并取得了较好的成绩。在RoboCup比赛项目上，清华大学和中国科技大学代表了中国的最高水平。清华

大学在2001的RoboCup仿真组中第一次参加比赛即一举夺得金牌，实现了中国RoboCup 金牌零的突破，我国对机器人足球的研究起步较晚，但整体水平提高较快。今天中国的机器人足球正在逐步发展和壮大起来，引起社会各界的极大兴趣，国内已有十几所大学和科研团体在开展这方面的研究。

图1 机器人足球赛场全视图

2足球机器人行走机构的设计

2.1足球机器人行走方式

机器人在地面上移动的方式通常有三种：车轮式、履带式和步行式。

2.1行走机构选择

车轮式移动是最常见的一种地面行进方式。车轮式移动的优点是：能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，在无人工厂中用来搬运零部件, 用途广泛,而且技术比较成熟。它的缺点是对路面要求较高，适于平整硬质路面，最适合于平地行走, 但不能跨越障碍物, 不能爬楼梯常见的典型三轮和四轮小车机构如图 1 所示. 它们都有驱动轮和自由轮或者驱动轮和舵轮, 能精确控制行走路径和实现指定路径转弯. 图1a 为两种三轮结构自行小车, 图 1b 为一种四轮结构自行小车

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图2-1

步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，智能程度也相对较高。步行式机器人移动速度慢机构复杂. 它的主要特点是不仅能在平地行走, 而且也能在凹凸不平的地面行走, 跨越沟壑与障碍物 , 上下台阶，对环境适应性好，具有广泛的适用性 , 但是要考虑机器人行走时的重心移动及稳定性问题. 步行机器人常见的有两足和多足两类, 多足步行机器人又分为四足六足八足. 为了在凹凸不平的地面上步行和转向, 两足以上的步行机器人各足应有 3 个自由度两足步行机器人为了保证行走时的重心稳定性, 控制算法最为复杂. 四足机器人在静止状态是稳定的, 在步行时, 当一只脚抬起, 另三只脚支撑自重时, 必须移动身体 , 让重心落在三只脚接地点所组成的三角形内. 六足八足步行机器人由于行走时可保证至少有三足同时支撑机体, 在行走时较两足和四足机器人更容易得到稳定的重心位置人们解决步行机器人的转向问题往往从两个方面着手, 一方面完全依靠算法来实现, 称作软件转向 ; 另一方面, 则是从机构设计上想方法, 称作硬件转向 . 两种方法不能够完全分开. 步行机器人显然有较高的环境适应能力. 但是, 也存在着控制复杂性和步行速度低等缺点正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上也还不成熟，不适于在要求灵活和可靠性高的比赛中。

履带式实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。履带式的的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。

由于足球机器人主要适用于机器人足球赛，场地平坦，需要机器人快速稳定的移动，所以这次足球机器人行走机构的设计选择车轮式移动方式。

2.3机器人电路硬件选择

根据规则所描述，要求机器人尺寸较为小巧，直径为22cm，并且不允许人工干设其

操作，需要自动控制。因此选用单片机为核心的控制器件，小型直流电机作为动力驱动，可以达到比赛的基本要求。

单片机价格低廉，体积小巧，一般为20引脚或40引脚封装，其中包括了中央处理器，数据存储器、程序存储器输入输出设备。对于需要灵活机动，精度要求不高，有可扩展性及程序可擦写和简单成熟的编程平台等要求，单片机不失为最合适的选择。电机选择方面，考虑到机器人本身自重不大，必且场地尺寸有限，可选用小型直流伺服电机，可用电枢电压作为速度控制信号，但必须加装减速箱以适应低转速和大扭矩的应用环境。

2.4传感器元件及转换元件选择

通过对比赛规则的解读可以发现，对于球和场地基板的设计是该项比赛中最具特色内容，它对机器人的核心设计――传感器以及比赛的方式产生了决定性的影响。发出红外光的足球意味着机器人必须有红外传感器来对其进行检测。红外线波长介于可见光和无线电波之间，大约0.76nm - 1000nm，而光电传感器其所用到的波长选择在近红外区，即0.76 -930nm。常用的红外线接收元件为光电二极管和光电三极管。它们可以将接收到的光变化转变的电流变化。

比赛的场地图纸为纵向的黑白灰度渐变，这意味着机器人对进攻方向作出正确判断必须要能读出场地的灰度变化信息。要实现这一功能，则要用到红外光电反射式传感器。该元件由红外发光管和接受管组成。发光管材料一般为砷化钾半导体，发光波长范围在0.76 – 1.5nm，小功率的管压降1.0 – 1.3v，平均工作电流20 – 50mA，红外发管有指向角，光轴，波长，辉度等性能指标。红外接收管可用上述光电二极管或三极管。

红外元件所接收的信号，根据情况的需要，要进行模拟-数字量的转换，因此需要AD 转换芯片，AD转换的选择要根据所选用的的单片机来确定。本文所选用的51系列单片机，由于其端口的限制，需要AD转换器具有串口数据输出功能。

图2-2足球机器人系统结构