【正文】 ........................................................................................................... 44 附錄 ........................................................................................................................................ 44 附錄 1：主控板程序代碼 .............................................................................................. 44 附錄 2： LM629 控制程序 ............................................................................................. 44 附錄 3：總電路原理圖（ A0 圖） ................................................................................ 44 附錄 4： STM32 最小系統(tǒng)原理圖 （ A2 圖） ............................................................. 44 附錄 5： 手動機(jī)器人總裝配圖（ A1 圖） .................................................................. 44 1 手動機(jī)器人自控系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 生： 謝雨帆 指導(dǎo)老師：康 江 （湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 東方科技學(xué)院 ，長沙 410128） 摘 要 ： 在國內(nèi)外機(jī)器人競賽熱潮的背景下，作為人才新生主力軍的大學(xué)生，自制機(jī)器人參加各種比賽已經(jīng)成為了大學(xué)校園里一道亮麗的風(fēng)景線。本人作為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)參賽代表之一，參加了 20xx年亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽的各項活動，參與了機(jī)器人的設(shè)計和制作整個過程，在創(chuàng)新設(shè)計能力、動手能力和培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神等方面都得到了很大提高。而本次設(shè)計的手動機(jī)器人是一臺自動化程度較高、控制精確靈活的 機(jī)器人，這臺手動機(jī)器人由行走模塊、主控模塊和機(jī)械手臂等組成。需要完成一定難度的硬幣精確抓放，搬運(yùn)收集機(jī)器人并精確放置等工作（題目源于 20xx年亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽）。這對機(jī)器人的競爭力、靈活性、準(zhǔn)確性有較高要求。手動機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用基于 STM32的 CortexM3內(nèi)核的開發(fā)板作為底層控制模塊，充分利用 了 該款單片機(jī)高速處理能力與可靠性高的優(yōu)勢。 關(guān)鍵詞 ： 機(jī)器人 ；驅(qū)動；通信； PID 算法 ； PWM 調(diào)速； Manual robot control system design Author: Xie Yufan Tutor: Kang Jiang (Oriental Science amp。Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract: In the context of the robotics petition at home and abroad, as the main force of college students of talent newborn, homemade robot to participate in various petitions has bee a beautiful landscape in the university campus. As one of the participating representatives of Hunan Agricultural University, participated in the Universiade in 20xx, the AsiaPacific Robot Contest activities involved in robot design and production of the entire process, in terms of innovative design capabilities, ability and cultivate teamwork spirit have been greatly improved. The design of the manual is a high degree of automation, to control accurately flexible robot, robot manual robot by walking module, main control module and the mechanical arm. Need to plete a certain degree of difficulty of the coin 2 accurate pick and place handling robot collection and precise placement of the work (the title es from the AsiaPacific Robot Contest of College Students in 20xx). This robot petitiveness, flexibility, accuracy have higher requirements. Manual robot control system uses as the underlying control module development board based on the STM32 CortexM3 core, take full advantage of that subsection microcontroller highspeed processing capability and high reliability advantages. Key words: Robot。 drive。 munication。 PID algorithm。 PWM speed control； 1 前言 機(jī)器人涉及多學(xué)科交叉綜合；人工智能、機(jī)器 人技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息及編程技術(shù)、計算機(jī)學(xué)、材料學(xué)、電子技 術(shù)、傳動技術(shù)、接口技術(shù)、 單片機(jī)原理 、精密機(jī)械技術(shù)、自動控制理論、伺服傳動技術(shù) 等諸多領(lǐng)域的技術(shù)集成。因此難度高、技術(shù)綜合性極強(qiáng)，能充分鍛煉參與者多學(xué)科綜 合及設(shè)計能力和團(tuán)隊協(xié)作精神。 20xx年全國大學(xué)生機(jī)器人大賽機(jī)器人主要任務(wù)是由 手動操作者坐在 手動機(jī)器人 上控制機(jī)器人抓取硬幣放到硬幣箱，自動機(jī)器人抓取籃子放 到手動機(jī)器人運(yùn)動區(qū)域，然后手動機(jī)器人穿越障礙區(qū)搬運(yùn)搜集機(jī)器人到自動機(jī)器人上 ，由自動 機(jī)器人將搜集機(jī)器人送到包山所在區(qū)域，待搜集機(jī)器人到達(dá)包山，手動機(jī)器 人需抓取籃子回到出發(fā)點配合搜集機(jī)器人完成 “ 平安大吉 ” ，等搜集機(jī)器人將包山不同層的包子放到籃子 里面并沒有出現(xiàn)犯規(guī)動作時宣布 比賽結(jié)束 ，其中完成所有任務(wù)耗時少的一方獲勝 。 在這種互相干擾不大、主要比拼速度及精度的 競賽中，制作的機(jī)器人越穩(wěn)定，越高速，就越有可能取得比賽的勝利。本人參與 設(shè)計 制作 的 手動 機(jī)器人就是參加該項比賽的機(jī)器人之一。 20xx 年亞太機(jī)器人大賽比賽主題與規(guī)則 主題簡述 此次大賽的主題為 “ Peng On Dai Gat” ，中文意思為 “ 平安大吉（包山斗智顯平安） ” ，源于民俗活動，旨在祈求平安。 規(guī)則簡述 每只參賽隊伍要求有三臺機(jī)器人 :一臺手動機(jī)器人，一臺自動機(jī)器人和一臺收集機(jī)器人。首先，手動機(jī)器人從硬幣架上拿起硬幣投到硬幣箱中。然后，自動機(jī)器人啟動把公共區(qū)的籃子搬到手動區(qū)并回到啟動區(qū)，與此同時，手動機(jī)器人需要把收集機(jī)器人搬起運(yùn)到自動機(jī)器人上，由手動機(jī)器人把收集機(jī)器人搬運(yùn)到 自動機(jī)器人上 。最后，收集機(jī)器人爬上小島，把底層和中間層的包子抓取并放到籃子里，再由手動機(jī)器人把收 3 集機(jī)器人托起抓取頂層包子放到籃子里，完成任 務(wù)。期間不能違反比賽規(guī)定的限制要求，用時最少完成任務(wù)或得分最多的獲勝。 圖 1 比賽場地規(guī)格 Specifications of Game Field 手動機(jī)器人的主要任務(wù)簡介 手動機(jī)器人的主要任務(wù)有： 一、 手動機(jī)器人啟動后需要從硬幣架拿起硬幣并放入硬幣箱； 二、 在沒犯規(guī)的前提下，手動機(jī)器人必須穿越隧道，到達(dá)搜集機(jī)器人所在區(qū)域并搬運(yùn)搜集機(jī)器人至自動機(jī)器人 A（ 5 區(qū)）區(qū)域（見圖 2）； 三、 手動機(jī)器人搬運(yùn)放在手動區(qū)的籃子（ 4 區(qū)）按照圖中所示路線回到啟動區(qū)（ 6區(qū)）， 并將籃子放置在小島上的放籃區(qū)； 四、 手動機(jī)器人托起 搜集機(jī)器人夾取包山最頂層包子，手動機(jī)器人和搜集機(jī)器人之間通過非射頻方式通信； 五、 在比賽規(guī)定時間（三分鐘）的最后一分鐘內(nèi)，手動機(jī)器人可以直接從底層開始夾取包子； 六、 當(dāng)搜集機(jī)器人完成每層至少一個包子的夾取和投放，比賽立即宣布結(jié)束，完 4 成規(guī)定任務(wù)并耗時最短的獲勝，未完成任務(wù)按照得分多少衡量勝負(fù)。 規(guī)則限定：手動機(jī)器人抓取硬幣并將硬幣放置到硬幣箱中，完成速度較 快的另外兩臺機(jī)器人優(yōu)先啟動，這就要求手動機(jī)器人穩(wěn)定性高、速度快、定位精準(zhǔn)，所以對手動機(jī)器人的要求更高。 圖 2 手動機(jī)器人行動路線示意圖 schematic diagram of Manual robot walking route 2 機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計與方案 機(jī)器人一般組成 機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 驅(qū)動裝置 、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動副（轉(zhuǎn)動副或移動副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個數(shù)通常即為機(jī)器人的 自由度數(shù) 。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運(yùn)動坐標(biāo)形式的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、 極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類型。 驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機(jī)器人進(jìn)行動作。它輸入的是 電信號 ，輸出的是線、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動裝置主要是 電力 驅(qū)動裝置，如 步進(jìn)電機(jī) 、 伺服電機(jī) 等，此外也有采用 液壓 、氣動等驅(qū)動裝置。 檢測裝置的作用是實時檢測機(jī)器人的運(yùn)動及工作 情況 ，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動作符合預(yù)定的要求。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)器人的全部控制由一臺 微型計算機(jī) 完成。另一 種是分散式控制，即采用多臺 微機(jī) 來分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、 5 下兩級微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時， 主機(jī) 常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)計算，并向下級微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個 CPU，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和 伺服控制 處理，實現(xiàn)給定的運(yùn)動，并向主機(jī)反饋信息。 本次機(jī)器人設(shè)計原則 對于此次比賽的機(jī)器人來說，主要考驗的是機(jī) 器人的行走路線、機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性以及可操作性。通過總 結(jié)往屆的經(jīng)驗，小組制定了如下機(jī)器人設(shè)計原則。 1)機(jī)器人必須與大賽的主題相吻合，創(chuàng)意獨到， 在遵循規(guī)則的前提下能巧妙地合理地利用規(guī)則。 2)機(jī)器人必須具有較高的速度 (含 加速度 )，比賽中誰的速度快，誰就能在更的時間內(nèi)完成組裝搬運(yùn)工作，搶得比賽的先機(jī)，因 此小組制定了速戰(zhàn)速決的戰(zhàn)術(shù)。 3)機(jī)器人 必須穩(wěn)、準(zhǔn)。指機(jī)器人運(yùn)動的機(jī)動性、穩(wěn)定性 和組裝水燈的準(zhǔn)確性。速度只有與機(jī)動性、靈巧性和準(zhǔn)確性結(jié)合才能相 得益彰。才能在競爭激烈，賽況瞬息萬變的比賽中獲得勝利。 4)機(jī)器人應(yīng)具有高智能。目前大部分自動機(jī)器人 尚處于預(yù)編程的水平上，無法達(dá)到高要求的定位標(biāo)準(zhǔn)。如果機(jī)器人的智能水平 能夠有所提高，能夠正確的處理瞬息萬變的賽場信提高定位能力，那么就能更快更好 的完成組裝和搬運(yùn)。 5)機(jī)器人代表隊的配合默契程度。指自動機(jī)器人 、手控機(jī)器人的配合要好，因為比賽不是比拼單臺機(jī)器人的功能 ,小組特別強(qiáng)調(diào)機(jī)器人團(tuán)隊之間的協(xié)同作戰(zhàn)。 比賽策略 在比賽一開始手動機(jī)器人就以最短路線運(yùn)動到硬幣所在區(qū)域，并抓取硬幣投放到硬幣箱中，在抓取過程中可以用啟動按鈕控制機(jī)器人走自動程序精確定位并抓取，這樣有效地為自動機(jī)器人運(yùn)行爭取了部分時間，比賽過程中不同機(jī)器人之間使用非射頻方式進(jìn)行通信，可以更好的協(xié)調(diào)好不同機(jī)器人之間完成相應(yīng)任務(wù)。 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 整個手動機(jī)器人的主要框架結(jié)構(gòu)由壁厚為 、 25 25mm 的不銹鋼方管焊接而成。底盤采用后驅(qū)形式，兩后輪單獨用電機(jī)驅(qū)動，兩前輪采用萬向輪結(jié)構(gòu)。這個輪系結(jié)構(gòu)當(dāng)中，當(dāng)左右后輪電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時，帶 動不同的左右后兩輪的轉(zhuǎn)速，而前輪只是起支撐作用，從而實現(xiàn)校手動機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎，電機(jī)與驅(qū)動輪之間我們采用鏈條傳動方式。由于手動機(jī)器人在亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽中要抬起一臺和自身相當(dāng)