【正文】 驅(qū)動(dòng)輪 從動(dòng)輪 導(dǎo)向輪 圖 履帶式移動(dòng)方式的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適合爬坡度比較大的地方， 這是輪式所做不的。特別是能通過將輪向正交速度方向?qū)崿F(xiàn)急停。但由于 前后啟動(dòng)慣性不一樣 ， 導(dǎo)致機(jī)器人的不平衡，特別是重心高的機(jī)器人。 機(jī)構(gòu)簡單，容易制造及裝配；能在原地旋轉(zhuǎn)以獲得不同的方向。 彎腰 機(jī)構(gòu) 的 設(shè)計(jì) 腰部的設(shè)計(jì)思路是，作為人形機(jī)器人的腰部，主要做要是承接了上部的重量，設(shè)計(jì)的時(shí)候腰部能做到水平的轉(zhuǎn)動(dòng)最好，如果不能將會(huì)極大地影響整個(gè)機(jī)器人的平衡；所以盡量減少可變的環(huán)節(jié)，故在腰部轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)中不采用電機(jī)再經(jīng)傳動(dòng)其他機(jī)構(gòu)最后帶動(dòng)腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)方式， 而是直接使用電機(jī)實(shí)現(xiàn)彎腰。但加工比較困難，且不利于固定，造價(jià)也很高。我們的舞蹈機(jī)器人就是采用這樣的機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)彎腰的。并且考慮在這個(gè)機(jī)構(gòu)上，下腰部 腿部 電機(jī) 軸手臂與頭部機(jī)構(gòu)搖桿零件可前后搖動(dòng)正視圖側(cè)視效果 固定用軸孔長方形槽能夠與手臂機(jī)構(gòu)相固定。 轉(zhuǎn)身 機(jī)構(gòu) 的 設(shè)計(jì) (1)連桿原理實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)身 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和彎腰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理差不多，在此就不做多的比較論證了。 正視圖安裝方向電機(jī)滾動(dòng)軸承固定裝置頂視圖軸承外圓軸承內(nèi)圓及固定孔腳腳手手 圖 轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu) (2)電機(jī)做轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu) 圖 機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu) 機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人左右轉(zhuǎn)身的動(dòng)作，主要部件包括一個(gè)滾動(dòng)軸承、一個(gè)自行加工的可固定滾動(dòng)軸承內(nèi)部圓的零件，以及必備的其它固定零件。機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)正是從這個(gè)特點(diǎn)出發(fā)制作的，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腰部左右轉(zhuǎn)動(dòng)，就讓滾動(dòng)軸承內(nèi)部圓與可固定電機(jī)軸的傳動(dòng)零件固定，同時(shí)該零 件與機(jī)器人下身機(jī)構(gòu)固定，滾動(dòng)軸承與機(jī)器人上身機(jī)構(gòu)固定，再將電機(jī)與傳動(dòng)零件固定后又與上身機(jī)構(gòu)固定，這樣，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，利用軸承的作用，機(jī)器人下身機(jī)構(gòu)不動(dòng)時(shí)，由于上身機(jī)構(gòu)與軸承外圓固定，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了軸承外圓的旋轉(zhuǎn)，于是，機(jī)器人上身就繞著軸承中心作轉(zhuǎn)身運(yùn)動(dòng)。 手臂 和頭部 機(jī)構(gòu) 的 設(shè)計(jì) 電機(jī) 上腰部 頭部電機(jī)手臂電機(jī)安裝方向 安裝方向固定用可擴(kuò)展到多個(gè)自由度正視圖 擴(kuò)展設(shè)想安裝方向 圖 手臂機(jī)構(gòu) 手臂 機(jī)構(gòu)的是機(jī)器人整體比較重要的環(huán)節(jié)， 手臂自由度較多，機(jī)器人的很多動(dòng)作都通過手臂體現(xiàn)出來。 手臂機(jī)構(gòu)就是機(jī)器人的兩只手臂，在本次設(shè)計(jì)中將機(jī)器人的手部的兩個(gè)電機(jī)與帶動(dòng)機(jī)器人頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)固定在了同一個(gè)機(jī)構(gòu)上，同時(shí)，將該手臂與前后彎腰的機(jī)構(gòu)相固定，構(gòu)成機(jī)器人的上半身機(jī)構(gòu)的一部分，然后該整體又與機(jī)器人的左右支架和腰部機(jī)構(gòu)相結(jié)合，一起構(gòu)成機(jī)器人的上半身機(jī)構(gòu)。手臂所具有的自由度越多，動(dòng)作時(shí)活動(dòng)的空間就越大，所做的動(dòng)作就越精細(xì)，完成的任務(wù)就越復(fù)雜。如圖 所示： 圖 機(jī)器人的手臂機(jī)構(gòu) 同時(shí)，為了防止手臂旋轉(zhuǎn)過度使動(dòng)作錯(cuò)亂，同左右轉(zhuǎn)腰的機(jī)構(gòu)一樣，可在機(jī)器人手臂轉(zhuǎn)動(dòng)限 定角度內(nèi)裝上限位開關(guān)，以達(dá)到動(dòng)作的一致性。在進(jìn)行機(jī)器人制作時(shí)，特別要確定它自身的大小、輕重等，這就需要選擇合適的材料 來滿足要求。因此在選擇材料時(shí)，一般是根據(jù)機(jī)器人以下原則進(jìn)行挑選： （ 1） 零部件的形狀、大小有何要求 （ 2） 零部件需要多大的強(qiáng)度； （ 3） 要選擇多大重量的零部件 下表列出機(jī)器人結(jié)構(gòu)中使用的材料，比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。機(jī)器人本體是被用來支承、連接、固定機(jī)器人的各部分，也包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分。伴舞機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成左右對稱，高度適當(dāng)，上下半身比例協(xié)調(diào)，確保結(jié)構(gòu)緊湊。所以選用了密度較小的鋁制作，因?yàn)殇X易于加工，質(zhì)量又輕，不會(huì)增加機(jī)器人的承載負(fù)擔(dān)。 若空心矩形截面是邊長為 a，壁厚為 t 的正方形，空心圓截面的外圓直徑也為 a，壁厚也為 t，且令 t＝ ，通過計(jì)算可以得出，在相同壁厚的條件下，正方形空心截面比空心圓截面的慣性矩高 69％～ 84％，而質(zhì)量僅增加 27％。 若比較條件改為空心矩形截面和空心圓截面型材的截面相等，且 D0＝ a，設(shè)空心圓截面壁厚 tD＝ ，可以計(jì)算出正方形空心截面的壁厚為 tF＝ 。因此無論從何角度來衡量，空心矩形截面都比空心圓截面的剛性優(yōu)越。 綜上所述，機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為空心矩形截面，由鋁材加工而成。而常見的機(jī)器人聯(lián)接結(jié)構(gòu)有扣接零件、膠接、膠帶、鉚接、焊接等，下面通過表格逐一比較各種結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用，從而確定最后方案。 （ 1）方案 1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用 繼電器構(gòu)成橋式換向電路，繼電器和主控制電路間用光電隔離器。提高電路的可靠性。以確保單片機(jī)正常運(yùn)行，進(jìn)而以保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作。機(jī)器人通過傳感器收集外界信息，通過電路把這種信息轉(zhuǎn)變成 CPU 能識別的數(shù)字信號，再通過軟件算法對所收集的信息進(jìn)行處理后，形成相應(yīng)的控制信號，通過端口去控制相關(guān)的電機(jī)動(dòng)作。使用光 電編碼器判斷角位移和行程位移。行程開關(guān)用于位置的檢測，主要用在機(jī)器人，或機(jī)械手臂上。讓單片機(jī)發(fā)出相宜的控制信號。光電編碼器提高可靠性主要取決于光電編碼器的加工精度，光源和接收管。機(jī)械開關(guān)的可靠性就更高了，他簡單實(shí)用。如果安裝不到位就無法觸碰就檢測不到電信號，又因 為機(jī)器人經(jīng)常運(yùn)動(dòng)如果安裝不牢固開關(guān)就容易松動(dòng)。繼電器就有其自身的優(yōu)勝，他相當(dāng)于短接沒有壓降，能承受的電流也可以很大 ,可以把電機(jī)電樞短路，即相當(dāng)于剎車?？梢姽馓筋^用于檢測白色引導(dǎo)線，光電編碼器，微動(dòng)開關(guān)和方案一的功能類似。電機(jī)的選取以方案（ 1）的普通直流電機(jī)為最佳選擇，其控制比較簡單，功率相對機(jī)器人比賽是夠的；而步進(jìn)電機(jī)功率不夠，伺服電機(jī)太貴了；在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇上我認(rèn)為用繼電器構(gòu)成開關(guān)控制，因?yàn)閷﹄姍C(jī)的控制要求不一樣所以對不同的電機(jī)采用不同的控制方法。用于行走的電機(jī)采用此種方法驅(qū)動(dòng)的力度不夠大，對完成動(dòng)作的電機(jī)可以采用由兩個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)停止。 （ 3）單片機(jī)控制系統(tǒng)采用單機(jī)形式。 綜上所述，電氣方案選擇最佳電氣方案（ 2） 機(jī)械 方案比較 通過以上各個(gè) 機(jī)械方案的提出并描述了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比較得出所要設(shè)計(jì)的機(jī)器人的結(jié)論為： （ 1）移動(dòng)方式以方案（ 1）的四輪移動(dòng)為最佳選擇，其速度要比履帶式移動(dòng)快，且其能量耗損相對較少 ； （ 2） 機(jī)械手的設(shè)計(jì)模型已和人的手臂很相似，不會(huì)有很大的改動(dòng)。 （ 4）機(jī)器人 的材料我們以鋁材為主， 4 硬件電路設(shè)計(jì) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 繼電器是本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 本系統(tǒng) 選用 D4810型固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器 (SSR)與機(jī)電繼電器相比，是一種沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不含運(yùn)動(dòng)零件的繼電器，但它具有與機(jī)電繼電器本質(zhì)上相同的功能。 固態(tài)繼電器有三部分組成 :輸入電路，隔離 (耦合 )和輸出電路。有些輸入控制電路還具有與 TTL/CMOS兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。固態(tài)繼電器 有 壽命長 、 可靠性高 、 靈敏度高 、 控制功率小 、 電磁兼容性好 、 快速 轉(zhuǎn)換 、 電磁干擾 小 的優(yōu)點(diǎn) 。 在直流電機(jī)電樞上加上一定幅度的直流電壓，電機(jī)便開始旋轉(zhuǎn)；改變電壓方向， 電機(jī)轉(zhuǎn)向也隨之改變。它采用兩個(gè)繼電器作為控制弱電到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的強(qiáng)電之間的轉(zhuǎn)換器。兩開關(guān)同時(shí)斷開，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 圖 直流電機(jī)的簡單雙向控制 及繼電器圖 電路原理圖如下： 圖 繼電器電路圖 光電編碼器 編碼器是一種員簡單的數(shù)字式位移電感器，它能夠把角位移或線位移經(jīng)過簡單的變換變成效字量。根據(jù)編碼器檢測原理和檢測對象的不同，可以把編碼器分為兩種類型。 角度數(shù)字編碼器由敏感元件和碼盤組成。角度數(shù)字編碼器有增量式碼器和絕對式編碼器兩種基本類型。這種編碼器由光源、碼盤和光電敏感元件組成。光學(xué)編碼器的碼盤是在一個(gè)基體上形成透明和不透明碼區(qū)，代表了二進(jìn)制碼 0 和 1。光學(xué)編碼器通常采用照相技術(shù)和光刻技術(shù)制作。光源是光學(xué)編碼器中最容易發(fā)生故障的 元件。光源的工作溫度范圍要寬。為了提高輸出邏輯電壓，還需要加接各種電壓放大器，而且每個(gè)軌道對應(yīng)的光電敏感元件要接一個(gè)電壓放大器。為了減小聲的影響，在光路中要加入透鏡和談縫裝置。光學(xué)編碼器的基本構(gòu)成如圖 3 .14 所示。它是一種非標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制碼。所以，在連續(xù)的兩個(gè)數(shù)碼中，若發(fā)現(xiàn)數(shù)碼的變化超過一位．就認(rèn)為是非法的讀數(shù)，從而具有一定的糾錯(cuò)能力，可提高可靠性。若電機(jī)電流大，但編碼器無輸出，說明機(jī)器人撞到對方而無退讓，己方機(jī)器人就須要調(diào)整戰(zhàn)術(shù)。最近 內(nèi)藏整形電路直接以矩形波輸出的編碼器已問世，可以直接接入計(jì)算機(jī)。在帶有明暗方格的碼盤兩側(cè)分別安置發(fā)光元件和光敏元件，隨著碼盤旋轉(zhuǎn)，光敏元件接收的光通量與方格的間隔同步變化。根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)，可以知道與碼盤固接的旋轉(zhuǎn)軸的角位移。按鈕開關(guān)在機(jī)器調(diào)試階段可以方 便地提供人工輸入。接觸開關(guān)則用于檢測是否觸碰，檢測的對象有場地的道具，環(huán)境界限等，一般微動(dòng)開關(guān)即可。 P2 作為動(dòng)作電機(jī)的控制端口。 P3 口的另外一些都用來接行程開關(guān)。 圖 控制系統(tǒng)的的電路圖 當(dāng) P0 口作為一般的 I/O 口用時(shí)我們要接上一個(gè)排阻作為上拉電阻。 單片機(jī)及其外圍接口電路包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外部接口擴(kuò)展電路等。時(shí)鐘電路給單片機(jī)系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)采用 12MHz 晶振。 整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖如下： 圖 單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖 信號隔離模塊 在實(shí)際的電 子 電路系統(tǒng)中， 不 可避免地存在各種各樣的干擾信號，若電路的抗干擾 能力差將導(dǎo)致測量、控制準(zhǔn)確性的降低。 常見的信號隔離方法有光電 耦合 和變壓器隔離 等，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用光電耦合方式對電機(jī)控 制信號進(jìn)行隔離，以消除模擬信號對數(shù)字信號的干擾。 信號隔離最 重要的一點(diǎn)就是將數(shù)字與模擬或強(qiáng)電與弱電部分在供電上要完全隔開，否則就不能達(dá)到真正意義上的 隔離。輸入的電信號驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（ LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器光敏三極管接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出 ， 這就完成了電 — 光 — 電的轉(zhuǎn)換 。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容?。?2pf 左 P1 P0 AT89S51 P3 P2 電機(jī) 1 電機(jī) 2 電機(jī) 3 … 電機(jī) 電機(jī) 時(shí)鐘、復(fù)位、中斷部分 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 部分 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分 右）耐壓高 ( 左右 )，故共模抑制比很高。此外，因其輸入電阻?。s 10Ω ），對高內(nèi)阻源的噪聲相當(dāng)于被短接。 實(shí)際中，光耦兩側(cè)使用了兩組不同的電源。 74HC595 具有一個(gè) 8 位串行輸入并行輸出的移位寄存器和一個(gè) 8 位輸出鎖存器。 1243U 7 2P5VR 7 42kCER 3 5 25 1 0 R （ 1） 應(yīng)用原理 以點(diǎn)亮 LED 數(shù)碼管顯示 “0” 為例！ 1. 并口輸出： 共用 P1 八個(gè)口，輸出用一條指令 MOV P1,3FH 即可。但輸出必須先將 3FH 逐位移入 595 移位寄 存器內(nèi) (即串入 )，再鎖存輸出 (即并出 )。 移位方式： 11111100，由低到高。 11腳：移位時(shí)鐘接 。 圖 74HC595 的 原理 圖 （ 3） 應(yīng)用三步曲 第一步：目的：將要準(zhǔn)備輸入的位數(shù)據(jù)移入 74HC595 數(shù)據(jù)輸入端上。 第二步：目的：將位數(shù)據(jù)逐位移入 74HC595，即數(shù)據(jù)串入 方法： 產(chǎn)生一上升沿，將 上的數(shù)據(jù)移入 74HC595 中 .從低到高。即數(shù)據(jù)并出 方法： 產(chǎn)生一上升沿，將由 上已移入數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù) 送入到輸出鎖存器。即可輸出數(shù)據(jù)的 同時(shí)移入數(shù)據(jù)。其 方法是： 3FH，后送 06H。應(yīng)用如圖二 ，數(shù)據(jù)被鎖存并出現(xiàn)在 IC1 和 IC2 的并行輸出口上顯示。 61 單片機(jī) 能非常容易、快速地處理復(fù)雜 的數(shù)字信號，其 16 位μ ’nSP? CPU 工作電壓為 ， I/O口輸出電壓為 ， CPU 時(shí)鐘頻率在 到 間可調(diào)，具備 14 個(gè)中斷源、 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器和串行接口設(shè)備，內(nèi)置了 2K 的 SRAM 和 32K 的 FLASH，并具有 2個(gè) 10 位 DAC(數(shù) 模轉(zhuǎn)換 )輸出通道、 7通道 10位電壓模 數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)和單通道聲音模 數(shù)轉(zhuǎn)換器，在聲音模 數(shù)轉(zhuǎn)換