四组机器人技术报告

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1、2009年中国矿业大学舞蹈机器人大赛2009年中国矿业大学舞蹈机器人大赛技术报告项目名称：四足舞蹈机器人队伍名称：参赛队员：带队老师：12009年中国矿业大学舞蹈机器人大赛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。大学生参加各类机器人比赛，不但可以提高自己的动手、处理问题的能力，同时丰富

2、了大学生活，尝试过，都会或多或少的收获自己的果实，然而，这宝贵的经验将在我们人生的简历上，画上美妙的一笔。第二章方案论证机器人是一个很广泛的概念，涉猎很广，机器人根据其功能不同可以划分很多类，机器人在工业自动化方面起到了很大的作用，它克服了环境和人为因素的影响，完成一些指定的工作。对于我们大学生来说，主要制作的是舞蹈类机器人，这种机器人便于硬件实现，操控相对容易。此次，我们参赛的舞蹈机器人是四足类机器人。22009年中国矿业大学舞蹈机器人大赛这类机器人的模块很清晰，主要由以下几个模块构成：1.最小系统板1.1AVR单片机1.2稳压电路1

3、.3串行下载接口2.身体支架3.四足3.1舵机3.2步进电机四足机器人总体框架32009年中国矿业大学舞蹈机器人大赛一、四足机器人动力学模型研究对于由n个质量体和l个关节组成闭环或开环运动链系的机械系统,由摩擦、重力、执行器以及由外部环境和约束作用分别对各不同质量体施加力和转矩,并由牛顿2欧拉方程得到该质量体Si上的动力学方程：式中:Wl是6l维广义约束力矢量;Wr为6n维广义作用力(包括重力、摩擦力、外力、驱动力等);Λi为广义速度;Zi和ωi分别为6×6阶增广质量矩阵和增广角速度矩阵,于是可得这一质量体上的动力学模型:1.1关节空间

4、运动变化为使如式(1)所示的系统动力学模型在关节空间内显函地确定,并且只包含驱动关节变量θI,故在关节空间内进行运动学变换：42009年中国矿业大学舞蹈机器人大赛式中ÛθI为d维主动关节的速度向量,并得到在关节空间中系统动力学模型：其中:I是d×d阶广义惯性矩阵;C(θI,ÛθI)是d×d阶包含离心力和哥氏力项的矩阵;τm为d维广义驱动力向量;τf是d维广义摩擦力向量;τg是d维广义重力向量。1.2动力学模型图1为一个四足步行机器人受力示意图,机器人机构由矩形机体与四条腿连接构成,每条腿由多个连杆和脚构成,腿末端的连杆和脚之间使用球铰联

5、接，机器人的步行过程可以概括为“腿提起—腿摆动—脚落下”的运动序列,在每个不同的运动序列阶段j,动力学模型可以表达为：52009年中国矿业大学舞蹈机器人大赛式中:qj为步行运动序列j中的广义变量的数目;hji是机器人的qj×qj惯量矩阵;Hji为qj维包含哥氏力、向心力和重力的向量;τji是qj维广义关节力矩向量。二、模块功能及原理介绍1．最小系统板1.1AVR单片机采用Atmel公司的Atmaga16L单片机作为主控制器。Atmage16有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，RWW)，512字节EEPRO

6、M，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。62009年中国矿业大学舞蹈机器人大赛72009年中国矿业大学舞蹈机器人大

7、赛本来考虑过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。1.2稳压模块稳压模块则采取一般的直流稳压方式，只要目的只用来为舵机和步进电机提供一个稳定的电压源。1.3串口下载接口主要利用MAX232串口下载芯片完成此部分的内容。如图所示，为窗口下载接口的电路图：82009年中国矿业大学舞蹈机器人大赛将此串口和单片机的串行发送、接受端口相连就能实现程序的下载。2.机器人整体框架2.1躯体该四足机器人采用对称图形来构成身躯，设计方案巧妙

8、，不仅增大了四足的活动空间，同时减轻了重量，降低了舵机的符合，更加稳定敏捷。2.2四足该机器人四足的每条分肢由三个精心设计的卡口构成，在设计卡口的过程中，要着重注意强度和自由度的要求，要在满足强92009年