課程設(shè)計(jì)（論文）-少林銅人陣機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

湖南工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書名稱：少林銅人陣機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)院系機(jī)械工程學(xué)院班級(jí)機(jī)械電子工程0801姓名學(xué)號(hào)10指導(dǎo)老師2011年12月5日至2011年12月23日共3周-1-目錄一、緒論.21.1概述.21.2機(jī)器人的技術(shù)組成.21.3課程設(shè)計(jì)的目的及要求.2二、總體設(shè)計(jì).42.1總體模塊劃分.42.2自由度的分配.4三、機(jī)械部分設(shè)計(jì).53.1彎腰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).53.2轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).63.3手臂和頭部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).63.4聯(lián)結(jié)方式的選擇.73.5手臂和雙足的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析式的選擇.7四、電氣部分設(shè)計(jì).94.1電路總體結(jié)構(gòu).94.2主要部件的選擇.104.2.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的擇.104.2.2繼電器.114.2.3光電編碼器.124.2.4傳感器.134.2.5開關(guān).144.2.6電源.144.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).14五、軟件部分設(shè)計(jì).155.1軟件控制流程.155.2主程序設(shè)計(jì).165.3任務(wù)子程序設(shè)計(jì).185.4關(guān)節(jié)歸零子程序現(xiàn).185.5其它子程序.205.6武術(shù)動(dòng)作的編輯.20設(shè)計(jì)總結(jié).22參考文獻(xiàn).23-2-一、緒論1.1概述隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)大量應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)行業(yè)。如今，機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入娛樂領(lǐng)域，國內(nèi)外很多公司正在發(fā)展娛樂型機(jī)器人。武術(shù)機(jī)器人就是在這樣的大背景下產(chǎn)生的。作為機(jī)器人的一個(gè)分支，武術(shù)機(jī)器人將會(huì)是21世紀(jì)機(jī)器人主要民用用途之一。武術(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)涉及了機(jī)電一體化技術(shù)、檢測(cè)和傳感技術(shù)、精密加工和機(jī)械密封技術(shù)、現(xiàn)代化控制和管理技術(shù)、光電感應(yīng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)程序控制技術(shù)等多個(gè)方面。因此，武術(shù)機(jī)器人既具有極強(qiáng)的觀賞和趣味性，更是一個(gè)系統(tǒng)化的工程設(shè)計(jì)。人形機(jī)器人是機(jī)器人研究中的重要分支，它涉及到機(jī)器人制造中的各個(gè)領(lǐng)域，如自主行為控制、人工智能、動(dòng)態(tài)管理、機(jī)械設(shè)計(jì)等，在一定程度上代表著機(jī)器人研究的尖端水平，與其它機(jī)器人（工業(yè)機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、輪式移動(dòng)機(jī)器人等）相比，具有三個(gè)基本特征：（1）能在人們所處的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中工作；（2）能使用人們所用的工具；（3）具有人的形狀。此外，還有攝像處理、語音處理以及一系列傳感器信號(hào)的處理，可見，人形機(jī)器人對(duì)各項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域提出了更高的要求。1.2機(jī)器人的技術(shù)組成機(jī)器人由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成這三大部分可分成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個(gè)子系統(tǒng)。1.3課程設(shè)計(jì)的目的和要求1、機(jī)器人設(shè)計(jì)的內(nèi)容舉手投足、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)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(jiǎn)單人體功能的、模擬十八銅人動(dòng)作的類人-3-型機(jī)器人，完成簡(jiǎn)單人體的基本動(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，行語音控制，通過發(fā)出語音命令，控制機(jī)器人的。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。2、具體任務(wù)：1、了解機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，機(jī)器人設(shè)計(jì)原理及基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉機(jī)器人基本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制原理；2、通過分9組，分別完成8個(gè)機(jī)器人武術(shù)動(dòng)作設(shè)計(jì)（要求每個(gè)機(jī)器人能單獨(dú)完成34個(gè)武打動(dòng)作，動(dòng)作要流暢，不能有運(yùn)動(dòng)干涉及自鎖現(xiàn)象）；3、其中1組進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)的整體布局和陣法變換設(shè)計(jì)，完成8個(gè)機(jī)器人的布陣、陣形變換和收陣的機(jī)電系統(tǒng)及控制設(shè)計(jì)；其中要考慮機(jī)器人動(dòng)平衡、路徑控制、干涉、互鎖、自鎖等。4、通過設(shè)計(jì)說明書的編寫訓(xùn)練使學(xué)生掌握工程技術(shù)文件的編寫。3、進(jìn)度安排:1、下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)，查資料，分析課題，確定系統(tǒng)的總體方案3天2、分組課題設(shè)計(jì)方案的選擇與擬定，詳細(xì)機(jī)械設(shè)計(jì)及控制設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)、計(jì)算與驗(yàn)算7天3、根據(jù)分工，進(jìn)行各自部分的設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行，直至正確無誤2天4、按格式編寫設(shè)計(jì)說明書（12頁以上）、制作存儲(chǔ)介質(zhì)（分組刻盤）資料匯總，答辯3天4、時(shí)間安排：劉紅波（07）負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)；張?。?2）負(fù)責(zé)機(jī)械部分設(shè)計(jì)；李蕓（20）負(fù)責(zé)電氣部分設(shè)計(jì)；蔡楷賓（10）負(fù)責(zé)軟件部分設(shè)計(jì)。-4-二、總體設(shè)計(jì)2.1總體模塊機(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。銅人機(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。2.2自由度配置機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的雙足行走動(dòng)作，對(duì)機(jī)器人的自由度的分布和自由度的安裝位置，都有一定的要求?；谕ㄟ^盡量少的自由度，來實(shí)現(xiàn)盡量多的基本運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又要使這些運(yùn)動(dòng)盡量柔順美觀的出發(fā)點(diǎn)，配置機(jī)器人自由度。下肢行走機(jī)構(gòu)是雙足機(jī)器人最關(guān)鍵的部分，關(guān)系著機(jī)器人能否穩(wěn)定的行走。所以，對(duì)機(jī)器人下肢自由度的配置就成了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為重要的部分。通過對(duì)人體腿部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式的研究，發(fā)現(xiàn)可以利用12個(gè)自由度來近似實(shí)現(xiàn)人腿全部的運(yùn)動(dòng)功能本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人也具有12個(gè)自由度，其中2X3=6個(gè)自由度負(fù)責(zé)前行運(yùn)動(dòng)，22=4個(gè)自由度負(fù)責(zé)側(cè)向擺動(dòng)，2X1=2個(gè)自由度負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向。上肢是機(jī)器人的執(zhí)行部件，同時(shí)在機(jī)器人行走時(shí)維持身體平衡和在機(jī)器人倒地時(shí)配合機(jī)器人下肢使機(jī)器人站起立，本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人上肢有2X4=8個(gè)自由度。另外，頭部配置1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。這樣機(jī)器人共具有21個(gè)自由度，自由度分布及其正方向如圖所示。關(guān)節(jié)標(biāo)號(hào)y1y8為繞平行于Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)標(biāo)號(hào)xlx8為繞平行于X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)標(biāo)號(hào)z1z8為繞平行于Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)。-5-軸手臂與頭部機(jī)構(gòu)搖桿零件可前后搖動(dòng)正視圖側(cè)視效果固定用軸孔長方形槽三、機(jī)械部分機(jī)械部分包括：彎腰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)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)、材料與型材選擇及聯(lián)結(jié)方式的選擇。3.1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。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?，所需的零件包括一根軸，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。圖3.1機(jī)器人彎腰機(jī)構(gòu)彎腰機(jī)構(gòu)的裝配順序如下：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，軸穿過該鋁條后穿過兩個(gè)支架并固定好。-6-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。將電機(jī)固定在上身左邊支架的一側(cè)。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。3.2轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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。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)。3.3手臂和頭部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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