信电学院六足机器人技术报告课件

1、机器人大赛技术报告项目名称：六足机器人队伍名称：参赛队员：韩亮 赵迅恒 曹嘉 翟周林 刘晓带队教师：第一章 前 言机器人竞赛是一项体育与高科技结合的对抗项目，涉 及机械电子、智 能控制、计算机技术、人工智能等多种学科和研究领域，是培养信息、自动化科技人才，展示高科技成果，促进实用化和产业化的新途径。各类机器人大赛的举办，对于普及机器人科学技术，促 进人工智能与机器人技术的研究和应用都将产生重要推动作用。江苏省大学生机器人大赛每两年举行一次。继2004 年举办以来，经过近四年的努力和各方面的大力支持，江苏省的大学生机器人水平已走在全国前列，在中国机器人大赛、CCTV 杯电视机器人大赛、亚太机器人

2、挑战赛、ROBOTCUP 足球世界杯的国内外机器人大赛中屡创佳绩。我校高度重视在大学生中大力开展创新实践教育，鼓 励学生参与各类科技创新活动，其中机器人制作水平高，特点突出，比赛开展得如火如荼，学生在参加全国、行业协会等各项机器人赛事中，取得了不俗成绩：2003 年参加“马斯特杯”中国机器人大赛的舞蹈机器人和机器人游北京项目，获得二等奖1 项、三等奖2 项；在 第四届全国智能机器人大赛中获得 2 项二等奖；在 “ 动感地带杯”2 004年江苏省大学生机器人大赛中，获 冠军1 项，鼓 励奖2 项；在 “ 新科导航杯”2 005年中国机器人大赛中，我校参赛的5 个机器人全部获奖，夺得舞蹈组冠军、类

3、人组季军，获得舞蹈组一、二、三等奖各 1 项，类人组三等奖 2 项。2005 年 5 月中央电视台异想天开栏目以我校机器人大赛为背景，摄制了五集专题节目。在2007“银泉杯”中国机器人大赛中，我校26 支代表队在比赛中再获佳绩，共获得一等奖5 项、二等奖 4 项、三等奖 9 项。5 月31 日上午， 2008“百年矿大杯”第三届江苏省大学生机器人大赛在我校隆重开幕。江苏省教育厅高教处副处长经贵宝，江苏省科学技术协会科普部部长李树奎，江苏省科学技术协会学会部部长王安宁，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会主任孙增圻，江苏省自动化学会秘书长叶桦，我校校长葛世荣、副校长宋学锋，徐州师范大学副校长韩宝平

4、，本次大赛组委会、技术委员会、仲裁委员会、裁判委员会的部分委员等出席了开幕式并在主席台就座。各参赛队的领队老师和学生参加了开幕式。开幕式由我校信电学院院长马小平主持。开幕式开始之前，全体起立，向四川汶川地震中遇难的同胞默哀1 分钟。开幕式上，副校长宋学锋首先致欢迎辞。他简单介绍了我校的发展历史及取得的突出成就。他指出，多年来，我校对培养具有创新精神和能力的高素质人才始终给予了高度重视，切实加强创新教育，特别注重机械电子、智能控制、计算机技术、人工智能等相关学科的建设以及教育教学工作。近几年来，我校本科生共有1500 余人次获得省级以上科技竞赛奖励1000 多项，大 学生累计获得专利授权 110

5、 余项，先后有 11 篇博士论文入选全国百篇优秀博士论文。他表示，作为本次大学生机器人大赛的承办高校，我们将努力为参赛队员提供良好的比赛、生活条件，学校各有关部门和单位要同心协力，全力支持和配合大赛组委会、技术委员会和仲裁委员会，全 力以赴做好大赛的组织工作，保 证大赛的顺利有序进行，努力把本届大赛办成有水平、有特色、有影响的一届大赛。省教育厅高教处副处长经贵宝致辞。他说，本次机器人大赛是我省人工智能研究和应用领域交流的一次盛会，也是面向全省高校和研究机构规模最大、水平最高的机器人赛事。机器人大赛是一个非常好的平台，省教育厅非常重视大学生的竞赛，将其作为培养高素质创新人才的试验田，作为深化教学

6、改革的突破口，作为加快人才培养模式创新的助推器。大赛是培养大学生工程素养、创新实践能力、团队协作精神和展示才华的舞台；大赛可以激发学生探索求知的兴趣，提高学生学习的积极性、主动性和创造性；大赛也是老师提升自我的一个平台。他希望把本届大赛办成有水平、有特色、有影响的一届大赛；希望各参赛队员沉着迎战、相互学习，遵守规则、尊重裁判，赛出水平、赛出风格；希望广大裁判员同志和仲裁委员会恪守“公正、公平、公开”的原则，确保大赛的严肃性。中国人工智能学会副理事长，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会主任孙增圻致辞。他真诚地希望机器人竞赛不仅仅是一场比赛，而是通过比赛要更好地建立起高校创新与国家发展的桥梁，进

7、一步提升青少年的创新能力与发明精神，为国家经济和社会发展奉献力量。他强调指出，本届机器人大赛得到了江苏省教育厅、省科技协会及省自动化协会及中国矿业大学领导的高度重视，经过一年多的精心筹备，广泛宣传动员，参赛学校、人数和作品数量、质量等较前两届均取得了很大的突破，为大赛的顺利举行奠定了良好的基础。随后，参赛选手代表、裁判代表分别代表参赛队员和全体裁判员进行了宣誓。在热烈的掌声中，我校校长葛世荣宣布：2008“百年矿大”杯第三届江苏省大学生机器人大赛开始。此次机器人大赛由江苏省教育厅和江苏省科学技术协会主办、江苏省自动化学会和中国矿业大学承办，为期 2 天。全省共有 50 所高校的 278 支代表

8、队报名参赛，领队和教师200 余人，参赛学生达到833 人，大赛规模远远超过了前两届大赛。此次比赛项目主要包括 RoboCup 足球机器人比赛、FIRA 足球机器人比赛、舞蹈机器人比赛、机器人灭火比赛、机器人游江苏比赛、机器人分拣搬运比赛和机器人自主创新设计比赛。其中 RoboCup 足球机器人比赛包括 RoboCup仿真机器人11：1 1 2D 足球比赛、R oboCup 仿真机器人2：2 3D 足球比赛、R oboCup中型机器人1：1 足球比赛、RoboCup 中型机器人2：2 足球比赛、RoboCup 中型机器人4：4 足球比赛和RoboCup 类人组机器人2：2 足球比赛等 6 组比

9、赛；F IRA足球机器人比赛包括小型组和中型组2 类比赛。此外，在此次大赛期间，中国矿业大学还将邀请国内外知名学者和专家为参赛师生举办4 场以机器人技术的研发和应用为主题的机器人论坛，邀 请江苏省各高校自动化专业的院长、科 研机构的负责人举办以自动化学科的发展为主题的第二届江苏省自动化院长（主任）论坛。第二章 方案论证六足机器人整体有控制模块，腿部组件，关节处舵机卡口组件以及身躯组建构成。经过组内数次商讨研究，为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。2.1 舵机控制器模块采用Atmel公司的Atmaga16L单片机作为主控制器。Atmage16有如下特点：16K字节的

10、系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。且mega系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试产品特性。 高性能、低功耗的 8 位

11、AVR® 微处理器 先进的RISC 结构 131 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32个8 位通用工作寄存器 全静态工作 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 16K 字节的系统内可编程Flash擦写寿命: 10,000 次 具有独立锁定位的可选Boot 代码区通过片上Boot 程序实现系统内编程真正的同时读写操作 512 字节的EEPROM擦写寿命: 100,000 次 1K字节的片内SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) 符合JTAG 标准

12、的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC 四通道PWM 8路10 位ADC8 个单端通道TQFP 封装的7 个差分通道2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编

13、程的掉电检测 片内经过标定的RC 振荡器 片内/ 片外中断源 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby 模式 I/O 和封装 32 个可编程的I/O 口 40引脚PDIP 封装, 44 引脚TQFP 封装, 与44 引脚MLF 封装 工作电压: ATmega16L：2.7 5.5V ATmega16：4.5 5.5V 速度等级 0 8MHz ATmega16L 0 16MHz ATmega16 ATmega16L 在1 MHz, 3V, 25°C 时的功耗 正常模式: 1.1 mA 空闲模式: 0.35 mA 掉

14、电模式: < 1 A本来考虑过51单片机，但是由于其开发工具和单片机性能都不及AVR，所以就选用了AVR系列。至于ARM和其他类型的更好的MCU，由于AVR已经足够处理，所以也未考虑。2.2 腿部组件六足机器人的腿部从构造上决定了机器人整体的外观效果和动作灵活度。其选用的材料也决定着机器人的平衡稳定性能。可谓六足机器人的灵魂所在。我们考虑过一下两种方案作为机器人的腿部构造设想。方案1：采用3mm厚的铝板，以手工加工的方式制作如下图所示，有弧度的足部。中间留有卡槽配合卡口置放舵机。其CAD三维示意图如下图所示：经实施该方案后，我们发现，该种方案选取的材料硬度不足，立地点尖锐细小。会出现某一

15、只足部发生弯曲的现象。并且会产生舵机剧烈颤抖现象。因此我们放弃了该方案。方案2：吸收前一版失败的经验后，我们设计了以下腿部方案：采用8mm厚的有机塑料板。使用玻璃切割机处理成为以下形状：其CAD三维示意图如下图所示：最终我们采取该设计方案为最终方案。原因是：材料厚度及硬度足够，可以有效地避免舵机颤抖及材料弯曲情况的发生。多出的一部分几何设计更便于设想的舞蹈动作的实现。足部造型更加美观。2.3 关节舵机卡口组件关节舵机卡口的作用是通过连接两个舵机从而连接机器人的身体和足部，是该六足机器人中非常重要的一个部件。卡口的牢固与否决定了机器人的稳定性能，因此对其设计也有很高的要求。对此，我们设计了以下两

16、种方案： 方案一：其CAD图如下所示：此卡口用2mm厚的铝板制作而成，连接两个420舵机，但是其中一个舵机的扭力不足，完成不了预先设计的动作，而且也不能够很牢固地固定好舵机，所以我们放弃了该方案。 方案二：其CAD图如下所示：根据改进方案，我们用扭力更强的7955舵机替换了其中一个420舵机，所以卡口也在原有的基础上做了些改进，如上所示，其最大的改进就是在下面加了一块T形有机塑料板，该有机塑料板的作用有以下两点：1，支撑并连接上面的两个舵机，使它们更加的稳固，不易产生晃动；2，起到为7955舵机添加虚轴的作用。由于7955舵机没有虚轴，因此我们根据420舵机虚轴的特点，在有机塑料板上做了以下处

17、理，通过一个正六棱柱和圆柱的形状凿空有机板的一端，如下CAD图所示： 在凿空的六棱柱形状中放入同等大小的螺帽，螺丝通过下方的圆柱形空洞螺入，从而具有了420舵机虚轴的特点。加入7955舵机的整体效果图如下所示：2.4 身躯组件机器人主体的作用是置放舵机控制模块以及稳固各足部舵机。我们讨论过以下三种方案：方案一：圆形身体，圆形的好处是有高度的对称性。但缺点是视觉效果不好，卡口设计繁琐。此外，圆形的身体更为沉重，不利于机器人的灵活度。因此我们放弃了该方案。方案二：正六边形的身体，正六边形身体的也具有圆形的高度对称性的特点，并且比较美观，缺点是没有足够的余地来设计与舵机相切合的卡口。方案三：在综合考

18、虑方案一与方案二后，我们决定采用以下方案，如图所示：在正六边形的基础上给六个顶点添加突出的构造，目的是未来使舵机有足够的余地进行与卡口连结。事实证明，这种方案是极为正确的。参考文献：1邵贝贝 著.单片机嵌入式应用的在线开发方法.北京：清华大学出版社，2004.102张崇巍 李汉强.运动控制系统.武汉：武汉理工大学出版社，20023肖玲妮、袁增贵编著.Protel 99SE 印刷电路板设计教程.北京：清华大学出版社，20044吴守箴、藏英杰著.电气传动的脉宽调制控制技术.北京：机械工业出版社，19975杨国田著.摩托罗拉68HC12 系列微控制器原理、应用与开发技术.北京：中国电力出版社，2003.96王仲生著.智能检测与控制技术.北京：西北工业大学出版社，20027秦曾煌.电工学，上下册.北京：高等教育出版社，19988MC9S12DT128 Device User Guide V01.09.Motorola,Inc.20039欧阳慧平，戴文进一种新型转速检测方法微特电机，2004，6：4710李贺桥，杨怀栋，黄战华，彭志强光电开关位置编码测控技术及其应用光电工程，2002，1 （29）：28-4111Low power dual voltage compar