课程设计“少林十八铜人阵”机电系统设计

1、课程设计说明书课题名称 “少林十八铜人阵”机电系统设计 2011年 12月 5日 至 2011年12月23日共 3 周院 系 机械工程学院 班 级 机电0801 学 号 200802170127 姓 名 指导教师 目录绪论- 课题任务书- 详细设计- 机械机构设计- 电气驱动设计- - 动作分配设计- 程序设计-课题感想-参考资料- 绪论 近年来科学技术迅猛发展，特别是在机械自动化控制这一领域，于是许多基于自动控制设计生产玩具（如电子狗，遥控车，遥控飞机）家庭清机器人，工业机器人等等。无一不展现了这一技术的优越性和广阔的市场前景。在电子产品高度活跃的今天，电子自动化产品为我们带来了无尽的财富，

2、越来越多的产品进入我们的视线，成为我们生活中不可或缺的部分。最近十来年旅游业蓬勃发展，但是纵观各大历史古迹，风景名胜，除了一些手工简易的纪念品意外，还没有很好的做出真正高价值，高技术含量，高纪念意义的电子产品。今天，我们将为嵩山少林寺设计一款机器人“少林十八铜人”来展现中华武术的魅力。 此款机器人主要由18个仿人机器人组成，每个“铜人”将实现一套完整的武术动作，18个“铜人”将组成一个阵法以及阵势的变化。输入指令，这套“铜人”系统将自行完成武术动作和阵势变化。带给人们强烈的视觉冲击与震撼！在高端市场具有广阔前景！ 课题任务书课题名称：“少林十八铜人阵”机电系统设计设计要求：每四人一个小组设计单

3、个“铜人”，使“铜人”实现3到4个武术动作。主要内容：系统总体设计：系统的运动，机构设计，动作分配，控制系统方案设计。机械设计：机构设计，结构设计和零件设计。控制系统设计：电路设计，程序设计。1 机械部分设计和硬件选择 1.1整体设计 因为本次设计的是玩具型机器人，而且由十八个同样的机器人组成。所以机器人的重量和体积将是很重要的考量。考虑到作为一种景区纪念品，需要外形美观（此处不设计），便于携带。故将机器人外部参数设置如下表重量身高臂长腿长头部躯干两髋距离两肩距离5kg 500mm 200mm300mm50mm150mm100mm100mm 1.2材料的选择 因为机器人重量小并且是只完成动作，

4、不用考虑到因重物而带来的强度问题。故选用铝合金材料，它重量轻，密度小，强度符合要求。 1.3驱动电机选择目前在机器人的运动控制中较为常用的电机有直流伺服电机、舵机和步进电机，对它们的特性、工作原理与控制方式有分类介绍，下面总结如表1.11所示：电机类型主要特点构造与工作原理控制方式步进电机直接用数字信号控制，与计算机接口简单，没有电刷，维修方便，寿命长。缺点是能量转换效率低，易失步，过载能力弱。按产生转矩的方式可分为：永磁式，反应式和混合式。混合式能产生较大转矩，应用广泛。永磁式是单向励磁，精度高，但易失步，反应式是双向励磁，输出转矩大，转子过冲小，但效率低；混合式是单-双向励磁，分辨率高，运

5、转平稳。直流伺服电机接通直流电即可工作，控制简单；启动转矩大，转速和转矩容易控制，效率高；需要定时维护和更换电刷，使用寿命短，噪声大。由永磁体定子，线圈转子，电刷和换向器构成。通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动。转动控制采用电压控制方式，两者成正比。转矩控制采用电流控制方式，两者也成正比。舵机内带齿轮减速器功率适合小机器人易于安装接口简单由直流电机，减速器和反馈装置组成。利用ppm信号控制 （表1.11） 本次设计的机器人质量轻，仅5kg，所以选择小型号舵机和步进电机。舵机主要用于腿部驱动头部和腰部驱动，步进电机用于手臂驱动所需电机的功率计算：机器人受力简图(如图1

6、.31） ；：机器人移动需要的牵引力 （1.3-1） ；：自身重力而产生的阻力 （1.3-2） ；： 机器人移动所受摩擦力 （1.3-3）则有： （1.3-4）：摩擦系数 ：最大爬坡角度（据课题要求按0计算）则机器人在水平面上运动的功率为：p=fa*v=0.15*5*9.8*0.1=0.735w齿轮传动效率电机的传动功率：p=0.735/0.97=0.757w舵机选用t170a型，参数如下： 型号：t170a尺寸：31.5*16.5*28.5mm重量：17g工作电压：dc4.8v-6.0v角度偏差：50度 =3度回中角度：=2度速度：0.1s-0.13s/50度扭矩：1.7kg-2.3kg/c

7、m 手臂驱动，我们选择小功率步进电机，它的步距角最大不能超过3.6，才能使电机平稳的转动。为了比较准确的获得运动的精度和良好的稳定性，我们选择1.8的步距角(电机每转动1周，输出200步）。如果驱动脉冲的频率pps=600，那么 r/min=600脉冲/秒s*1转数/200转数*60秒/1分=180r/min根据公式：pm=t*w根据步进电机转矩-转速曲线图（图1.32）得出步进电机的功率为1.5w。1.4.机构设计 机器人自由度分配 1.41.手臂设计 本机器人的手臂是以人的手臂为参考。所以，具有4个自由度，手臂运动简图。（如图1.1所示） （图1.1） 1.42.腿部设计 腿部有5个自由度

8、。 腿部运动简图（如图1.2所示） （图1.2） 1.43.腰部和头部设计 腰部有1个自由度，头部有1个自由度 运动简图（如图1.5) (图1.5）机器人手部的运动速度参数：按设计需要，手部运动速度定为100mm/s，回转角180手臂部分质量0.5kg 100mm l1 100mm l2 1 2 机器人腿部的运动速度参数： 腿部相对于手部来说。运动速度要慢一些，更好的保持整个身体的平衡，设计腿部运动速度50mm/s。质量 1.2kg 1.44机器人位姿及静力计算 1.441手臂位姿计算机器人肩关节有向前和平伸2个自由度，肘关节有1个自由度，腕关节1个自由度。如图：l 手臂部分多连杆模型。建立d

9、-h坐标系 右手臂d-h参数：iai(mm)ai(rad)di(mm)i（rad)1100 /201210000230-/203450 -/204位姿矩阵ai c1 0 s1 150c1 c2 -s2 0 100c2 s1 0 -c1 150s1 s2 c2 0 100s2a1= 0 1 0 0 a2= 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 c3 0 -s3 0 c4 0 -s4 50c4 a3= s3 0 c3 0 a 4= s4 0 c4 50s4 0 -1 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1正向运动学方程t= a1*a2*a3*a4 =左手臂d-h参数：i

10、ai(mm)ai(rad)di(mm)i（rad)650/20670/20781000089100-/209位姿矩阵ai c6 0 s6 50c6 c7 0 s7 0a6= s6 0 -c6 50s6 a7= s7 0 - c7 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 c8 -s8 0 100 c8 c9 0 -s9 100 c9a8= s8 c8 0 100s8 a9= s9 0 c9 100s9 0 0 1 0 0 -1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1t=a6*a7*a8*a9=手臂静力计算：连杆1和连杆2的静力平衡条件是其上所受的合力和合力矩为零。力矩

11、平衡方程式为： 外界环境没有给机器人手臂一个作用力。机器人末杆只受到手臂的重力和关节电机的驱动力（摩擦忽略不计）。 右手的速度雅可比为 右手的力雅可比为 所以 当1和 2在某一瞬时，可以求出手部相对应的关节驱动力矩1.442腿部位姿计算 腿部踝关节侧向和前向关节，膝部的前向关节，髋部的前向和侧向关节，共有5个自由度。如图 腿部多连杆模型。建立d-h坐标系 支撑腿d-h参数iai(mm)ai(rad)di(mm)i（rad)10 /2012150002315000340-/204550/205位姿矩阵ai c1 0 s1 0 c2 -s2 0 150c2 s1 0 -c1 0 s2 c2 0 1

12、50s2a1= 0 1 0 0 a2= 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 c3 -s3 0 150c3 c4 0 -s4 0 s3 c3 0 150 s3 s4 0 c4 0 a3= 0 0 1 0 a4= 0 -1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 c5 0 s5 50c5 s5 0 -c5 50s5a5= 0 1 0 0 0 0 0 1t=a1*a2*a3*a4*a5= 摆动腿d-h参数iai(mm)ai(rad)di(mm)i（rad)750-/20780/2089150009101500010110-/2011位姿矩阵ai c7 0 -s7 50c7 c8 0 s8

13、 0 s7 0 c7 50s7 s8 0 -c8 0a7= 0 -1 0 0 a8= 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 c9 -s9 0 150c9 c10 -s10 0 150c10 s9 c9 0 150s9 s10 c10 0 150s10 a9= 0 0 1 0 a10= 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 c11 0 -s11 0 s11 0 c11 0a11= 0 -1 0 0 0 0 0 1t=a7*a8*a9*a10*a11=腿部静力计算： 外界没有给机器人施加力。只受到自身的重力。每条腿受到自身一半的重力以及其关节驱动力。 腿部的速度雅可比为 则腿部

14、的力雅可比为 当1和 2在某一瞬时，可求出与腿部断点力相应的关节驱动力矩1.443 腰部和头部位姿 腰部和头部简化为1根连杆连接。建立d-h坐标系 iai(mm)ai(rad)di(mm)i（rad)i（rad)范围1150/201位姿矩阵ai c1 0 s1 150c1 s1 0 -c1 150s1a1= 0 1 0 0 0 0 0 11.6动作分配1.61启动：机器人起步姿势立正 第一个动作：由立正变化为以右腿为支撑，左腿抬起，双臂水平伸开，似金鸡独立。如图所示： 对应位姿变换： 第二个动作：左腿放下往左跨出一步，膝盖弯曲。双手放于胸前做合十状（这招叫童子拜佛）如图： 第三个动作： 双腿保

15、持不变。左手收回，肘部弯曲放于腰部。右手出拳（这招叫马步冲拳）。如图： 2 电气驱动部分设计2.1 步进电机控制驱动设计 2.11步进电机的控制驱动方案 单条手臂有4个自由度。需要4个步进电机组成一个系统。左右共需8个步进电机。设计一个控制板，通过2个串口并行分别控制4个步进电机转动。（下图是步进电机驱动器，控制器） 2.12 步进电机的控制和驱动电路 由于步进电机分为单极性，双极性，它们使用相同的步进方式。如下表（2.13，2.14）所示单极性步进电机和双极性步进电机的2种步进方式，我们选用双极性步进方式作为手臂部分的驱动力。 单极性步进电机的单拍步进方式（表2.11）abcd1+2+3+4

16、+ 单极性步进电机的双拍步进方式（表2.12）abcd1+2+3+4+ 双极性步进电机的双拍步进方式（表2.13）a1a 2b1b21-+-+2-+-3+-+-4+-+ 双极性步进电机的单拍步进方式（表2.14）a1a 2b1b21-+2+-3+-4-+ 步进电机脉冲信号电路（图2.15） 通过查阅资料，我们选择cmos芯片来控制和驱动步进电机（图2.15，图2.16）cmos： 一种低耗电存储器，其主要作用是用来存放bios中的设置信息以及系统时间日期。应该把它和bios芯片区别开。早期的cmos芯片是一块单独的芯片mc146818a(dip封装)，共有64个字节存放系统信息。386以后的微

17、机一般将 mc146818a芯片集成到其它的ic芯片中(如82c206，pqfp封装)，586以后主板上更是将cmos与系统实时时钟和后备电池集成到一块叫做dallda ds1287的芯片中。随着微机的发展、可设置参数的增多，现在的cmos rom一般都有128字节及至256字节的容量。 为保持兼容性，各bios厂商都将自己的bios中关于cmos rom的前64字节内容的设置统一与mc146818a的cmos rom格式一致，而在扩展出来的部分加入自己的特殊设置，所以不同厂家的bios芯片一般不能互换，即使是能互换的，互换后也要对cmos信息重新设置以确保系统正常运行。 如果cmos中数据损

18、坏，计算机将无法正常工作，为了确保cmos数据不被损坏，主板厂商都在主板上设置了开关跳线，一般默认为关闭当要cmos数据进行更新时，可将它设置为可改写。为使计算机不丢失cmos和系统时钟信息，在cmos芯片的附近有一个电池给他持续供电。 cmos单极性控制驱动电路（图2.15）cmos双极性驱动电路（图2.16）步进电机控制电路（图2.17）步进电机的接线图（图2.18） 2.2 舵机的控制与驱动电路 2.21舵机的控制方案 由于一条腿有5个自由度，这样需要5个舵机来控制驱动单条腿的运动。我们采用单片机控制。用一根串口线将5个舵机联系起来，组成单条腿部运动系统。需要2片ferrettronics ft 639控制芯片并行工作。对其写入控制程序即可。我们选择futaba s3003舵机（如下图2.21