【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： 手動機器人總裝配圖（ A1 圖） .................................................................. 44 1 手動機器人自控系統(tǒng)設計 學 生： 謝雨帆 指導老師：康 江 （湖南農(nóng)業(yè)大學 東方科技學院 ，長沙 410128） 摘 要 ： 在國內(nèi)外機器人競賽熱潮的背景下，作為人才新生主力軍的大學生，自制機器人參加各種比賽已經(jīng)成為了大學校園里一道亮麗的風景線。本人作為湖南農(nóng)業(yè)大學參賽代表之一，參加了 20xx年亞太大學生機器人大賽的各項活動，參與了機器人的設計和制作整個過程，在創(chuàng)新設計能力、動手能力和培養(yǎng)團隊合作精神等方面都得到了很大提高。而本次設計的手動機器人是一臺自動化程度較高、控制精確靈活的 機器人，這臺手動機器人由行走模塊、主控模塊和機械手臂等組成。需要完成一定難度的硬幣精確抓放，搬運收集機器人并精確放置等工作（題目源于 20xx年亞太大學生機器人大賽）。這對機器人的競爭力、靈活性、準確性有較高要求。手動機器人的控制系統(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 該款單片機高速處理能力與可靠性高的優(yōu)勢。 關鍵詞 ： 機器人 ；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 機器人涉及多學科交叉綜合；人工智能、機器 人技術、通信技術、傳感器技術、信息及編程技術、計算機學、材料學、電子技 術、傳動技術、接口技術、 單片機原理 、精密機械技術、自動控制理論、伺服傳動技術 等諸多領域的技術集成。因此難度高、技術綜合性極強，能充分鍛煉參與者多學科綜 合及設計能力和團隊協(xié)作精神。 20xx年全國大學生機器人大賽機器人主要任務是由 手動操作者坐在 手動機器人 上控制機器人抓取硬幣放到硬幣箱，自動機器人抓取籃子放 到手動機器人運動區(qū)域，然后手動機器人穿越障礙區(qū)搬運搜集機器人到自動機器人上 ，由自動 機器人將搜集機器人送到包山所在區(qū)域，待搜集機器人到達包山，手動機器 人需抓取籃子回到出發(fā)點配合搜集機器人完成 “ 平安大吉 ” ，等搜集機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 比賽結束 ，其中完成所有任務耗時少的一方獲勝 。 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 設計 制作 的 手動 機器人就是參加該項比賽的機器人之一。 20xx 年亞太機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器人 :一臺手動機器人，一臺自動機器人和一臺收集機器人。首先，手動機器人從硬幣架上拿起硬幣投到硬幣箱中。然后，自動機器人啟動把公共區(qū)的籃子搬到手動區(qū)并回到啟動區(qū)，與此同時，手動機器人需要把收集機器人搬起運到自動機器人上，由手動機器人把收集機器人搬運到 自動機器人上 。最后，收集機器人爬上小島，把底層和中間層的包子抓取并放到籃子里，再由手動機器人把收 3 集機器人托起抓取頂層包子放到籃子里，完成任 務。期間不能違反比賽規(guī)定的限制要求，用時最少完成任務或得分最多的獲勝。 圖 1 比賽場地規(guī)格 Specifications of Game Field 手動機器人的主要任務簡介 手動機器人的主要任務有： 一、 手動機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，手動機器人必須穿越隧道，到達搜集機器人所在區(qū)域并搬運搜集機器人至自動機器人 A（ 5 區(qū)）區(qū)域（見圖 2）； 三、 手動機器人搬運放在手動區(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、 手動機器人托起 搜集機器人夾取包山最頂層包子，手動機器人和搜集機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)，手動機器人可以直接從底層開始夾取包子； 六、 當搜集機器人完成每層至少一個包子的夾取和投放，比賽立即宣布結束，完 4 成規(guī)定任務并耗時最短的獲勝，未完成任務按照得分多少衡量勝負。 規(guī)則限定：手動機器人抓取硬幣并將硬幣放置到硬幣箱中，完成速度較 快的另外兩臺機器人優(yōu)先啟動，這就要求手動機器人穩(wěn)定性高、速度快、定位精準，所以對手動機器人的要求更高。 圖 2 手動機器人行動路線示意圖 schematic diagram of Manual robot walking route 2 機器人創(chuàng)意設計與方案 機器人一般組成 機器人一般由執(zhí)行機構、 驅(qū)動裝置 、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復雜機械等組成。 執(zhí)行機構即機器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機構，其中的運動副（轉(zhuǎn)動副或移動副）常稱為關節(jié)，關節(jié)個數(shù)通常即為機器人的 自由度數(shù) 。根據(jù)關節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執(zhí)行機構可分為直角坐標式、圓柱坐標式、 極坐標式和關節(jié)坐標式等類型。 驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機構運動的機構，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人進行動作。它輸入的是 電信號 ，輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅(qū)動裝置主要是 電力 驅(qū)動裝置，如 步進電機 、 伺服電機 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器人的運動及工作 情況 ，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定信息進行比較后，對執(zhí)行機構進行調(diào)整，以保證機器人的動作符合預定的要求。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺 微型計算機 完成。另一 種是分散式控制，即采用多臺 微機 來分擔機器人的控制，如當采用上、 5 下兩級微機共同完成機器人的控制時， 主機 常用于負責系統(tǒng)的管理、通訊、運動學和動力學計算，并向下級微機發(fā)送指令信息；作為下級從機，各關節(jié)分別對應一個 CPU，進行插補運算和 伺服控制 處理，實現(xiàn)給定的運動，并向主機反饋信息。 本次機器人設計原則 對于此次比賽的機器人來說，主要考驗的是機 器人的行走路線、機器人運行的穩(wěn)定性、快速性、準確性以及可操作性。通過總 結往屆的經(jīng)驗，小組制定了如下機器人設計原則。 1)機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)完成組裝搬運工作，搶得比賽的先機，因 此小組制定了速戰(zhàn)速決的戰(zhàn)術。 3)機器人 必須穩(wěn)、準。指機器人運動的機動性、穩(wěn)定性 和組裝水燈的準確性。速度只有與機動性、靈巧性和準確性結合才能相 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)機器人應具有高智能。目前大部分自動機器人 尚處于預編程的水平上，無法達到高要求的定位標準。如果機器人的智能水平 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。 5)機器人代表隊的配合默契程度。指自動機器人 、手控機器人的配合要好，因為比賽不是比拼單臺機器人的功能 ,小組特別強調(diào)機器人團隊之間的協(xié)同作戰(zhàn)。 比賽策略 在比賽一開始手動機器人就以最短路線運動到硬幣所在區(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器人走自動程序精確定位并抓取，這樣有效地為自動機器人運行爭取了部分時間，比賽過程中不同機器人之間使用非射頻方式進行通信，可以更好的協(xié)調(diào)好不同機器人之間完成相應任務。 機械結構設計 整個手動機器人的主要框架結構由壁厚為 、 25 25mm 的不銹鋼方管焊接而成。底盤采用后驅(qū)形式，兩后輪單獨用電機驅(qū)動，兩前輪采用萬向輪結構。這個輪系結構當中，當左右后輪電機轉(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)校手動機器人的轉(zhuǎn)彎，電機與驅(qū)動輪之間我們采用鏈條傳動方式。由于手動機器人在亞太大學生機器人大賽中要抬起一臺和自身相當