十自由度体操机器人

十自由度体操机器人设计与实现指导老师：MT答辩人：周梦华专业班级：自动化11-11.体操机器人研究意义与背景2.体操机器人初步结构3.体操机器人方案选型与设计4.机器人核心控制系统的设计5.体操机器人软件的设计与调试整体内容自由体操机器人简介1.自由体操机器人设计背景:十自由度体操机器人属于多关节类人机器人范畴；它是中国机器人大赛双足竞步组的一个重要比赛项目；该机器人主要的目的在于表演功能；它要实现倒立、劈叉、侧翻、前后滚翻和俯卧撑等高难度的体操动作。2.体操机器人研究的意义：体操机器人精度高、能耗小、控制简单、装配容易，它参考人体结构比例特征，进行结构设计；与其它工业机器人相比，类人体操机器人有更强的适应环境的能力与高度的灵活性。这类机器人未来将是家庭服务、娱乐开发的主要方向。研究本课题可以提高我们本科生的创新实践能力。自由体操机器人结构组成与要求一、整个体操机器人的外壳大致是由这几个部分组成的：1）能转动任意角度【0，180】的舵机。

2）一块核心的舵机控制板

3）各舵机之间连接的结构件因为本次研究的机器人拥有十个自由度，换句话说是拥有十个运动的关节；因此体操机器人应该配备十个舵机。二、因为十自由度体操机器人属于仿人形机器人，所以对它的要求必须是能明显区分机器人的手部、脚部、腹部等。因此要对机器人进行自由度的配置，也就是每个关节由一个舵机控制。最终十个舵机分布如下：头部一个（控制前肢）；腹部一个（控制躯干动作）；肩部、手部各两个；腿部和脚各两个完成舵机配置的机器人外观实物图如下体操机器人的整体方案设计

1.硬件设计机器人的结构设计机器人硬件控制模块的设计2.软件设计机器人的关节动作调试程序一、前期的硬件设计前期的硬件设计主要是机器人整体连接件的设计。包含：舵盘卡口的设计、肩膀与手臂相连部分的设计、脚板、手部、以及头部卡口的设计等上述各个连接件的设计都是通过CAD/PROE等辅助设计软件，先绘制出各部件加工图，然后用大块铝片等金属材料放在加工台上制作而成铝片作为硬件加工材料，优点是：易于加工，可以减轻机器人本体的重量；保证体操机器人的稳定性与机动性。1.Cad结构件图例

2.制作完成的结构件二、机器人控制模块设计机器人主控制器的选择

本机器人选取的是ATMEL公司开发的ATmega16L单片机。动力模块舵机的选型与设计舵机介绍：它是由直流伺服电机、减速齿轮组、位置传感器和控制电路构成的一套完整的自动控制系统。通过发送信号，指定输出轴旋转角度。舵机一般而言都有最大旋转角度（比如180度。）三条线：控制线、电源线、地线体操机器人所用舵机型号：SR—403PSR-403P舵机的控制原理以及技术参数舵机工作原理：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。舵机技术参数（SR-403P)体操机器人系统模块联系图本系统硬件主要有串口调试电路连接、舵机控制电路板的设计等，软件主要完成机器人体操动作程序的编辑调试与下载等功能。通过核心控制器ATmega16单片机控制输出PWM信号来控制舵机的转动，实现机器人关节运动形成一系列动作。体操机器人的电源模块选型与设计十自由度体操机器人要控制十个舵机，还要做一系列体操动作，因此耗电多是难免的。锂电池拥有易于安装固定、充电效率高且供电效果稳定的优点，最终选用7.4V锂电池作为体操机器人的供电模块。锂电池作为供电能源，要为单片机控制板、舵机这两部分供电；因为单片机芯片的标准供电电压是5V，当用锂电池供电时，系统会使用一个1117芯片进行降压稳压的过程，然后才能为单片机主控板供电。

基于单片机的舵机驱动原理及原理图介绍单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。

可见机器人各关节的不断变化，是由单片机产生的脉冲信号控制舵机的转角慢慢实现的。下图是舵机输出转角与接收到的脉冲关系基于单片机的舵机驱动板原理图体操机器人控制系统软件设计

本系统的软件设计分为主程序和子程序两部分。主程序的主要任务是完成系统硬件的初始化以及调用子程序里舵机的指令来进行机器人动作的控制。主程序流程图如下动作子程序里面包含的内容主要有舵机驱动程序设计以及每个舵机动作完成后的衔接指令。动作子程序的操作流程图大致如下所示

动作子程序流程体操机器人的动作调试机器人关节运动的调试原理：PC机上的调试软件（上位机软件）通过向单片机（下位机）传递伺服电机的角度状态值，以此来控制电机的转角，进而实现动作的调试。调试流程如下。机器人动作调试软件课题设计的工作总结1.前期查阅了很多相关的机器人方面的资料，逐渐认识到整个机