机器人课程设计说明书

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说明书

名称三自由度球坐标型机器人

院系

班级

姓名

系主任

教研室主任

指导教师

目录

第一章绪论 (1)

1.1概述 (1)

1.2机器人的技术组成 (1)

1.3课程设计的目的和要求 (1)

1.3.1目的 (1)

1.3.2要求 (1)

第二章硬件设计 (2)

2.1结构设计 (2)

2.2驱动方案 (3)

2.3传感器 (4)

2.3.1光强传感器 (4)

第三章软件设计 (7)

3.1步态设计 (7)

3.2控制策略 (7)

第四章设计总结 (9)

参考文献 (10)

第一章绪论

1.1概述

人形机器人是机器人研究中的重要分支，它涉及到机器人制造中的各个领域，如自主行为控制、人工智能、动态管理、机械设计等，在一定程度上代表着机器人研究的尖端水平，与其它机器人（工业机器人、蛇形机器人、轮式移动机器人等）相比，具有三个基本特征：（1）能在人们所处的现实环境中工作；（2）能使用人们所用的工具；（3）具有人的形状。此外，还有摄像处理、语音处理以及一系列传感器信号的处理，可见，人形机器人对各项技术领域提出了更高的要求。

1.2机器人的技术组成

机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成．这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统。

1.3课程设计的目的和要求

1.3.1目的

（1）进一步了解“创意之星”标准版套件；

（2）初步学习人形机器人的步态规划；

（3）深入学习AVR控制器的使用方法；

（4）深入学习模拟量传感器的使用方法。

1.3.2要求

（1）设计一个简单的双足机器人系统，该机器人能够模仿人类行走方式

迈步行进，能感知光源，并能转向光源，朝光源前进；

（2）进行结构设计，每个足要包括腕、膝、胯三个关节，画出机器人的机构运动简图；

（3）进行步态分析，并编写前进、左转、右转的步态流程；

（4）用NorthStar设计完整的双足机器人追光程序；

第二章硬件设计

机器人的硬件主要包括主控板、电机以及传感器。

2.1 结构设计

1)MultiFLEX2-AVR控制器，1块；

2)多功能调试器和线，1套；

3)光强传感器，2个；

4)舵机，8个；

5)连接件，若干。

舵机：

控制器：

人形机器人

2.2 驱动方案

驱动系统是向机械结构系统提供动力的装置。采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也就不同。驱动系统的传动方式主要有四种：液压式、气压式、电气式和机械式。电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式，其特点是电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵

活的控制方式，驱动电机一般采用步进电机或伺服电机，目前也有采用直接驱动电机，但是造价较高，控制也较为复杂。

电动机也称电机（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同布电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。

舵机是遥控模型控制动作的动力来源，不同类型的遥控模型所需的舵机种类也随之不同。

舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，伺服电机部的转子是永磁铁，驱动器控制的W

/三相电形成电磁

V

U/

场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱

动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

2.3 传感器

传感器是自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。传感器技术它综合了多方面的知识，在近几年体现尤为突出。人类具有五种感觉(视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉)。机器人需要通过传感器得到这些感觉信息。目前机器人只具有视觉、听觉和触觉，这些感觉是通过相应传感器得到的。

机器人传感器根据检测对象的不同可分为部传感器和外部传感器。

a.部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多为检测位置和角度的传感器。

b.外部传感器：用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。

2.3.1光强传感器

光强传感器是一种感应光的强弱并进行显示、处理的测量装置。使它可以完成多种光学实验，诸如比较光强和距离的关系；研究光的干涉、衍射、偏振；在不同光源下测量光的相对强弱；研究不同光源的明、暗变化等。常用于生物、化学实验中。

光强传感器结构

光强传感器结构图如下：为降低光敏元件的工作环境温度而在传感器外壳上装有两个引入冷却水的导管。