仿生機器狗的機構設計

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1、仿生機器人機器狗的機構設計前言摘要、關鍵詞目錄機器狗功能設計機器狗總體設計機器狗的機構設計1 頭部的機構設計2 尾巴的機構設計3 腿部的機構設計4軀體的機構設計驅動裝置的選擇及機器人功率計算步態(tài)分析及其實現(xiàn)關鍵技術分析及實現(xiàn)結論心得，體會&意見，建議參考書目與附錄專業(yè)技術資料翻譯摘要 機器人是機構學、運動學、控制理論等學科發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)，是當前國內(nèi)外研究的熱點問題之一。在各高校機器人設計活動也已經(jīng)很廣的開展起來，這種氛圍對我國機器人的研制開發(fā)特別以及專業(yè)方面人才的培養(yǎng)是具有積極意義的。從仿生學的角度，動物的生理構造及行為是比較不易模仿的，“仿生機器狗”正是在模仿四足行走的動物，該機器人是一

2、個仿生4足行走的機器人，通過對伺服電機（舵機）的精確控制模擬四足動物的行走步態(tài)，實現(xiàn)行走、后退、轉彎等各種步態(tài)行為.。相應的傳感器可以使機器狗在前進過程躲避障礙物順利，實現(xiàn)智能化。在機器狗內(nèi)部語音識別技術，當人發(fā)出命令是狗狗可以通過判斷是哪一個命令然后執(zhí)行。同時在軀體上安置觸摸鍵，當人觸碰到相應的按鍵時候播放相應的語音。通過控制系統(tǒng)不同的程序可以使機器狗做各種動作。就是她具有相應的狗的功能。如，看門，發(fā)出汪汪叫聲，歌唱，做搞笑的動作，跳舞等 關鍵詞：仿生學，智能玩具，機器人，語音技術，舵機，步態(tài)，傳感器。前言智能化已成為玩具行業(yè)的新趨勢，讓語音技術融入到玩具中，不僅可以賦予玩具“聽”“說”的交

3、流能力，使其更加生動、智能，還有利于在兒童中普及現(xiàn)代科學技術，推動語音技術產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。一些領先技術被應用于今天的玩具領域如：無線電、紅外通訊、傳感器、語音識別等等。本文介紹的是基于SPCE061A的一種具有語音識別功能的玩具產(chǎn)品，不但具備微控制器的功能，還具有DSP運算功能，可以用來進行數(shù)字語音信號處理，實現(xiàn)語音的播放、識別、錄制等功能。本產(chǎn)品就是利用SPCE061A的該功能設計的一款智能玩具。該玩具可以在人的語音指令下完成“前進”、“后退”、“變速”、“演奏”等動作，和人有良好的互動性，實現(xiàn)了玩具的智能化。 機器狗的功能設計項目背景及意義仿生機器人（Humanoid Robot）是先進機器

4、人技術的高級發(fā)展階段，它綜合體現(xiàn)了高級機器人的機構學、運動與動力學、現(xiàn)代設計理論、信息檢測和感知、微電子學、控制理論等諸多方面的研究和發(fā)展水平，是一個復雜的綜合系統(tǒng)。大學生科研訓練計劃（Student Research Training Program-SRTP）是我校大力開展本科教育改革，實施理論教學、實踐教學、科學研究三位一體教學模式的重要組成部分，其目的是組織學生在教師的指導下，通過自主進行課題研究和探索。了解和掌握基本的科學研究方法和手段，培養(yǎng)大學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和團隊合作精神，提高大學生的研究創(chuàng)新能力和綜合實踐能力?？傮w功能設計：本設計的仿生機器狗具有實用以及智能玩具的

5、特征。在一般情況下，機器狗處于房間的某個角落，頭部不斷檢測，發(fā)現(xiàn)有人進來即報警（因為不能馬上識別主人或是外人）；但是他能通過語音識別，他內(nèi)部存儲有特定的信號，相當與狗的名字或是秘密接頭暗號。假如是主人或是親密朋友就會反饋給機器狗一個語音信號，比如是：愛狗狗！特定的名字或是句子。機器狗通過判斷正確的話就停止叫聲，隨即發(fā)出：親愛的主人，您回來了，請休息一下吧！或者其他親切柔和的語音（事先通過語音錄制存儲好的句子）。假如主人說：過來！機器狗就開始啟動行走功能。隨著主人的移動，搜索到感應信號，反饋到控制系統(tǒng)，跟隨主人前進。并能自動避過障礙物來到主人身邊。接下來根據(jù)主人的命令做相應的動作逗主人開心。搖尾

6、巴、點頭、搖頭、唱歌以及跳舞等。同時機器狗身上布置好多感應器，觸碰到相應的開關就回發(fā)出相應的聲音。比如，撫摸頭部就回播放輕音樂，摸肚子會發(fā)出咕咕叫聲，假裝肚子餓了仿生功能：具有四足動物的共同特征：如，行走（前進、后退，轉彎）。具有狗的部分特征：如看門，汪汪叫，肢體語言如搖頭、點頭、搖尾巴?？撮T功能：在睡眠狀態(tài)下，頭部不斷檢測周圍的移動物體，當發(fā)現(xiàn)什么動靜時候會報警，汪汪叫，吸引主人注意。當主人反饋某個信號表示來者是朋友是就停止報警。開始友善的表示。如發(fā)出親切的問候，搖尾巴娛樂功能：當狗狗靜止狀態(tài)時，在狗狗的身上不同部位安裝觸摸鍵，當人觸摸到相應的按鍵時候狗狗會發(fā)出不同的語音。如：背部按鍵 ，臉

7、部觸摸鍵， 肚部觸摸鍵等。通過一個開關控制玩具的啟動、停止，首次下載程序后或按下重錄鍵可以進行語音命令訓練。訓練內(nèi)容有：前進、后退、轉彎、變速、唱歌、跳舞等。 用戶發(fā)出“變速”的命令時，小狗可以做出相關響應，將電機的轉度改變。 用戶發(fā)出“前進”或“后退”的命令時，小狗會做出前進或后退的動作。在前進過程中如果遇到障礙物，會自動轉彎躲避障礙物繼續(xù)前進。 用戶發(fā)出 “唱歌” 命令時，小狗會進行樂曲播放。 用戶發(fā)出 “跳舞” 命令時，小狗會開始翩翩起舞等。機器狗的總體設計設計理論方案自從人類發(fā)明機器人以來，各種各樣的機器人日漸走入我們的生活。仿照生物的各種功能而發(fā)明的各種機器人越來越多。作為移動機器平

8、臺，步行機器人與輪式機器人相比較最大的優(yōu)點就是步行機器人對行走路面的要求很低，它可以跨越障礙物，走過沙地、沼澤等特殊路面，用于工程探險勘測或軍事偵察等人類無法完成的或危險的工作；也可開發(fā)成娛樂機器人玩具或家用服務機器人。四足機器人在整個步行機器中占有很大大比重，因此對仿生四足步行機器人的研究具有很重要的意義。一.裝置的原理方案構思和擬定：隨著社會的發(fā)展，現(xiàn)代的機器人趨于自動化、高效化、和人性化發(fā)展，具有高性能的機器人已經(jīng)被人們運用在多種領域里。特別是它可以替代人類完成在一些危險領域里完成工作。科技來源于生活，生活可以為科技注入強大的生命力，基于此，我們在構思機器人的時候想到了動物，在仔細觀察了

9、貓.狗等之后我們找到了制作我們機器人的靈感，為什么我們不可以學習小動物的走路呢，于是我們有了我們機器人行走原理的靈感。為了使我們所設計的機器人在運動過程中體現(xiàn)出特種機器人的性能及其運動機構的全面性，我們在構思機器人的同時也為它設計了一些任務：如前所述的，看門功能、娛樂功能等。 二.原理方案的實現(xiàn)方案流程：機器狗的方案主要考慮的是他的自由度的問題，因為自由度直接關系著運動的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，以及運動的花樣多少。其中，最主要的的腿部的自由度問題。設計是從4足機器人的一個肢體開始的，因為4個肢體的設計是非常相似的。為了能夠充分利用伺服電機的輸出轉矩，我把電機輸出的軸直接作為轉臂，或者輸出軸上齒輪直接就

10、和機器人的關節(jié)處軸上齒輪直接嚙合，這樣就大大提高了輸出功率的利用率。想到四足動物的步行狀態(tài)，即做前后擺動前后，左右轉動。于是原理方案設計如下：單純的考慮走路，而且要求協(xié)調(diào)性不高的時候，四足動物可以采用兩條腿一起移動邁步，即左前和右后可以一起行動，這樣可以共用一個電機，節(jié)省費用。但是如果有穩(wěn)定性要求，及其要使機器狗具備更做的功能和娛樂性質的話，最好采用單腿單獨控制，這樣它就能夠擁有更多的功能。本設計采用單腿單獨電機驅動，走路時候由3條腿同時著地，1 條腿邁步這樣穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性比較好。同時可以每條腿可以單獨擁有自己的動作。實現(xiàn)智能化。單腿單獨驅動時候，自由度方案如下：6自由度：尾巴、頸部各一個電機

11、控制，腿部四個自由度，兩個電機控制。肩膀處一個電機放在下身軀殼 內(nèi)，帶動腿部做前后擺動，腿部和腳部設計為一個整體，按照狗的腿部曲線設計。這樣一條腿就由單個電機控制向前行走，同時走路時候，左前腳可以和右后腳一起用一個電機。比較簡單，控制起來方便。但是行走起來比較機械，10自由度：由于6自由度8電機機構的運動比較單一，而且在運動的協(xié)調(diào)性上不易控制。通過改進小腿處關節(jié)再安裝一個電機，小腿饒著小腿關節(jié)的軸前后轉動。這樣大小腿各有自己的轉動自由度度。通過兩個電機的獨立轉動帶動肢體關節(jié)轉動，這樣在機器人行走的過程中就可以比較協(xié)調(diào)，而且我們的機器人的自由度也增加了4個，電機增加了4個，協(xié)調(diào)性已經(jīng)穩(wěn)定性都得到

12、了提高。15自由度：機器狗能夠進行基本的行走還不夠，為了使其能夠具有娛樂性質，要求它具備更多的自由度，從而行動起來更優(yōu)美、可愛。比如跳舞時候要求它的關節(jié)出自由度盡可能的多，這樣動作才更好看，所以，在此，把每一條腿肩膀關節(jié)處再增加一個自由度可以向外邊左右擴展運動。這樣總共增加4個自由度4個電機。同時，頭部只有一個左右轉動的自由度還不夠，在頸部再增加一個上下轉動自由度，小狗能夠表達的感情就更加豐富了。于是在頸部再安裝一個電機，控制頸部帶動頭部上下轉動。這樣一個既能夠行走，又能夠表達感情，做可愛動作的智能玩具就誕生了。具體的協(xié)調(diào)性分析及其行走的步態(tài)分析將在下面作詳細介紹。最終方案為：15自由度 15

13、電機15個伺服馬達分別位于：4條腿，每條腿有3個自由度；頸部，2個自由度；尾部，1個自由度。通過15個伺服馬達的協(xié)調(diào)動作，可令機器狗具備前后行走、轉彎、趴下、倒立、直立、舞蹈等千變?nèi)f化的動作。每條腿分別各有3的電機控制它的兩條腿的抬伸和大腿的外伸。根據(jù)每只腿的邁步先后實現(xiàn)機器人的前進，后退，左轉和右轉，在機器人腿邁出的同時，它也會相應地進行抬伸，具體實現(xiàn)情況會在下文詳細說明。圖 ：機器狗的整體布置圖任務的實現(xiàn)主要是利用單片機來控制電機的轉動從而控制機器人的四條腿以及幾個傳感器的共同工作，并通過它們的協(xié)調(diào)工作來完成的。如圖 中所示，讓機器人不斷進行掃描，如果發(fā)現(xiàn)有目標出現(xiàn)在它的視野之內(nèi)，它就會做

14、出相應的動作。機器狗機構設計機器狗的頭部機構設計機器狗頭部有左右轉動自由度，一個電機控制，實現(xiàn)檢測移動物體，表達她的情緒。在娛樂的時候可以做為運動的部位協(xié)調(diào)身體運動。機器狗頭部在一定角度不段旋轉，相隔數(shù)秒改變一次頭的轉向，檢測有無移動物體。當發(fā)現(xiàn)運動物體時候立即點亮報警燈，同時發(fā)出汪汪的叫聲，類似真實的狗一樣。頭部如圖：機器狗頭部的左右擺動采用電機直接驅動機構，定期的給電機發(fā)射極短的脈沖，以便改變機器狗頭部角度。頸部設計機器狗頸部有上下轉動自由度，帶動頭部上下轉動，表達她的情緒，在做動作的時候可以做為運動的部位協(xié)調(diào)身體運動。頸部一個電機控制實現(xiàn)上下轉動。在這為了方便，我采用大腿部的結構用做頸部

15、。通過軸與軀體上殼聯(lián)接。內(nèi)部結構與腿部完全一樣，內(nèi)部有電機，電機輸出軸上的齒輪與關節(jié)軸齒輪嚙合。通過電機旋轉帶動齒輪旋轉從而帶動頸部圍繞軸上下轉動。只不過轉動角度稍微改變大了，控制不同罷了。頸部如圖所示：頸部與頭部裝配如圖機器狗的尾部設計尾巴部分，一個轉動自由度。電機輸出軸連接尾巴轉盤，通過控制電機轉動角度使尾巴上下?lián)u擺，可愛。同時可以協(xié)助后腿成三角機構實現(xiàn)機器狗的坐下。在翻身的時候支撐身體等。尾巴機構如圖：2.2-2 機器狗腿部機構設計 如方案最后確定所述，腿部最終選擇為共12個自由度，每一條腿3個自由度，一個肩膀帶動大腿前后轉動，一個小腿圍繞關節(jié)前后轉動，一個大腿圍繞關節(jié)軸左右轉動。大小腿

16、內(nèi)部結構一樣。肩膀機構設計（腿部和軀體聯(lián)接機構）肩膀結構是實現(xiàn)腿部和下殼體的連接，同時實現(xiàn)電機帶動腿部前后轉動。所以肩膀得能夠實現(xiàn)回轉，肩膀內(nèi)部與身軀體內(nèi)的電機軸直接接觸，由電機帶動肩膀，外部通過關節(jié)軸連接大腿。帶動大腿轉動。肩膀處結構如圖：大腿內(nèi)部結構如圖內(nèi)部有電機，電機減速器輸出軸上的齒輪與關節(jié)軸齒輪嚙合。通過電機旋轉帶動大腿左右外伸。為了裝配方便通過凸唇結構與蓋子連接。大腿蓋子如圖大小腿部的連接桿連接大小腿。上面與大腿固定，下面的不完全齒輪裝在小腿關節(jié)軸上。連接桿如圖：小腿結構和大腿一樣，只是下面裝配的不一樣所以連接的部分不一樣小腿與腳連接處通過凸唇結合。小腿結構：小腿蓋子-腳如圖：因為

17、走路前后角度接觸不一樣所以要設計成原弧狀。但是考慮接觸摩擦力的問題，所以設計成半圓柱形狀，走路時候就是線接觸增加了摩擦力又不妨礙前后角度造成的不穩(wěn)定。腳結構如圖：另外，腳處也可以增加一個自由度，作為腳趾（此設計此處可以自由轉動，但是不要有電機或者什么驅動，單純的軸連接活動關節(jié)）因為腿在前邁步的時候有一定角度，這樣垂直距離就不夠，四個腿不在同一個平面上，身體不能保持平衡。所以，增加一個靈活的腳趾的話，如，彈簧結構，能恢復彈性的三角結構等，可以調(diào)節(jié)平衡造成的麻煩。小腿和腳裝配如圖：2.3 軀體的機構設計軀體是連接肢體的關鍵部分，軀體的結構設計也顯得十分重要，我們從電機的結構出發(fā)，結合實際四足動物的

18、形體特征，我們的軀體設計分為兩部分，上殼體和下殼體。軀體機構的三維圖上殼體主要是連接頸部，和下殼體閉和起來組成封閉的結構，使體內(nèi)的各部件不受損壞。露出尾巴的擺動。上殼體如圖下殼體主要安放肩膀前后轉動自由度的電機，以及尾巴電機結構的。同時存貯電路控制部分的電路板等下殼體如圖：下殼體通過肩膀把腿連接起來，實現(xiàn)腿部帶動軀體的運動。下殼體和腿部裝配如圖： 通過軀體機構我們就可以把四個電機肢體很好的連接在一起了，并且通過肩膀可以讓機器人有充分的靈活性，這樣機器人的整體機構就組合好了，過控制9個伺服電機就可以讓它“行動自如”了。整體機構圖（主視）驅動裝置的選擇與機器人功率計算機器人是由15個微型伺服電機即

19、舵機驅動，整個機器人的機構設計也是以伺服電機為基礎的，微型伺服電機的機構及工作特性如下：微型的伺服電機在無線電業(yè)余愛好者的航?；顒又惺褂靡延泻荛L一段歷史，而且應用最為廣泛，國內(nèi)亦稱之為“舵機”，含義為：“掌舵人操縱的機器”?？梢姡⑿退欧姍C主要用作運動方向的控制部件。伺服電機本質上是可定位的電機。當伺服電機接受到一個位置指令，它就會運動到指定的位置。因此，個人機器人模型中也常用到它作為可控的運動關節(jié)，這些活動關節(jié)我們也常稱它為自由度。一個微型伺服電機內(nèi)部包括了一個小型直流電機；一組變速齒輪組；一個反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉動的直流電機提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組

20、，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服電機的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉動的速度也愈低。我們正是依靠伺服電機的兩個輸出轉矩作為驅動的來源。微型伺服電機的三維模擬圖：初步估算機器狗的總重量不超過1.5kg，腿部每個自由度一個電機驅動，單純的走路就有8個電機驅動，腿長65mm，初步估算所需電機扭距為1.2 kg/cm考慮電機尺寸、重量和價格問題，選擇下列電機：型號：CJ9009 品牌：金多利 外形尺寸：22.5*12*26.5(mm);重量：9克；工作電壓：4.8V; 堵轉扭矩：1.2kg*cm;速度：0.12秒/60度；控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信

21、號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應舵盤的位置為0180度。機器狗功率的計算行走機器人需要不斷的提腿，當腿向后伸直的時候，摩擦力驅使機器人向前移動。所以摩擦力就是機器人前進的動力。因為機器狗一般在室內(nèi)活動，所以水平面的摩擦力就是重力作用引起的即： 機器狗重量約為 mg=1.5kg k=9.8N/kg=0.3腿長為 L=65mm=6.5cm=0.065m 則機器人一條腿的功率為： 步行速度：機器人腿長為65mm。，則腿上舵盤的軸心到與地面接觸的距離為65mm，每一步舵機轉過的角度為60那么步幅為：步幅電機速度：0.12秒/60度，每一步所需要時間為0.48s，那么可以算出機器狗的速度

22、為當然，以上的估算都是以理想條件為前提進行的，這樣得出的速度相對來說還是太快了。因為腿部運動實際上是圓弧，所以換算成直線運動時候會產(chǎn)生一些損失。另外，步行機器人在行走的時候都有滑動的趨勢，這樣也會使得機器人每一步的實際步幅變小。盡管這些估算是不是非常精確的，但是這種方法對于估算機器人的速度還是比較適合的。步態(tài)分析及其實現(xiàn)步態(tài)哺乳類四足動物的運動和人類手腳并用爬行的樣子很相似。膝關節(jié)向前而肘關節(jié)向后。著意味著向前運動的主要動力來自后腿，前腿主要是向前伸展著地。觀察四足動物行進方式主要包括：爬、走、慢步、快步、慢跑、飛奔等。圖：四足動物的肢體快步時候，兩條腿支撐地面，兩條腿騰空。成對角的兩條腿是一

23、組，即左前腿和右后腿這一組離開地面的同時，右前腿和左后腿這一組留在地面上。那么大腿和小腿之間是如何協(xié)調(diào)運動的呢？DanMichaels()對哺乳動物的行進作了研究，認為以下方法是快步的最佳方式。由于機器人沒有動態(tài)平衡機能，因此抬腿不能過快，在斜線上不能允許太大的晃動，否則就必須在機器人中使用大腳掌結構的靜態(tài)平衡方法。行進過程中，大腿和小腿的運動如圖圖：直立行走這種行進模式稱為直立行走。凡是腿推進軀體前進時，都是始于發(fā)力點而終于結束點。在復原過程中，腿重新回到發(fā)力點準備下一次運動。這種步行運動方式最困難的地方在于如何協(xié)調(diào)腿之間的運動。如果機器人（或者以這種方式運動的動物）的身體很短，在后腿完成復

24、原之前，同側的前腿尚未完成他的發(fā)力過程，兩條腿就回相撞。如果想讓機器人的運動看起來更優(yōu)美，也需要考慮這個問題。以下是機器人的行進過程，前提是機器人的一組腿已經(jīng)開始運動了：1按要求前行速度移動機器人處于對角的一組腿，控制大腿和小腿張開的角度。一組中的兩條腿運動時候必須保持同步。2同時，調(diào)整處于對角的另一組腿的角度，使之擺脫地面的約束，并擺動到下次前行的發(fā)力點，為邁下一步做好準備。3一旦第一步中的一組腿到達推進過程的結束點，將第二步的一組小腿伸開。4調(diào)換兩組腿的角色，回到第一步，開始下一次循環(huán)。顯然，為了順利地移動，對機器人小腿彎曲的瞬間時刻和腿的移動速度進行調(diào)整是必要的。大腿和小腿間的夾角不同，

25、機器人呢表現(xiàn)出來的心情可能也不一樣。角度很大機器人看起來隱秘而小心；角度垂直時顯得很開心。當然，這是身體語言的范圍。但是使機器人看起來更有生命活力正是設計者的目的。以這種步態(tài)為基礎可以設計類似的有用的或者有趣的步態(tài)。如果機器人的腿很長，它在不平整的地面、斜坡或者其他的障礙路面（當然是機器人能夠跨的過去的）前進時的控制性能比較良好。步行原理：根據(jù)四足動物的步行原理，建立起步行運動的模型，將四足動物的運動進行簡化，抽象出四足運動的基本原理，并制作出了一個理論驗證模型，可以實現(xiàn)前進、后退、左轉、右轉、避障等動作。單足行為每一條腿有兩種狀態(tài)：向前走和向后走，對于每一個動作狀態(tài)來講，分為兩步：邁腿和收腿

26、。這兩步連續(xù)不斷的循環(huán)，設其周期 為 T，邁腿的時間為收腿時間的1/3，為整個周期的1/4，這個動作對于每條腿都是一樣的：每相鄰的兩個抬腿動作之間的相位差為1/4周期，由此可得出機器人在行走式的四條腿之間的時序關系，如圖 所示：圖 四條腿之間的時序關系四足協(xié)調(diào)機器人要實現(xiàn)穩(wěn)定的行走，必須保證每時刻都有三條腿著地，而另外一條腿用來行走。全部行走的奧秘在于當一條腿抬起來時，其它三條腿是同時著地并且向后退的，這樣，機器人把抬起的腿向前邁一步再放下，就走完了一步，之后輪流邁其它的腿，機器人就可以連續(xù)向前走了。各種動作順序如下（四條腿分別記為右后、右前、左后、左前，每條腿向前邁記為“”，向后邁腿記為“”

27、）：前進：右后 右前 左后 左前；后退：右后 右前 左后 左前；左轉：右后 右前 左前 左后；右轉：右前 右后 左后 左前。各條腿動作的時序關系如圖 所示。選擇不同的動作順序則可以實現(xiàn)不同的行走方式。關鍵技術的分析與實現(xiàn)整體運動框圖：2程序執(zhí)行框圖：前進與后退運動的實現(xiàn)：四足機器人最重要的是要協(xié)調(diào)好它的行走，但是想要協(xié)調(diào)好它的四肢的邁步情況較其他的多足機器人難。在反復觀察動物行走以及仔細考慮機器人自身的特點后，我們覺得讓機器人按以下方式行走是比較恰當?shù)?先讓機器人兩側相錯的腿同時抬起，然后邁步，再把腿放下。例如：先邁右前、左后腿，機器人的腿原先處在狀態(tài)1，進行一次邁腿過程后，兩條腿處于狀態(tài)2的

28、位置，當邁左前、右后腿時，右前、左后腿就由電機驅動返回狀態(tài)1，因為右后、左前腿著地，左前、右后腿邁出離地，此時身體就會向前移動，達到了“行走”的目的。由于機器人的四肢邁步銜接的較為緊密，很大程度上避免了機器人走路時的不穩(wěn)定。同理，后退時，腿的狀態(tài)由狀態(tài)2開始向狀態(tài)1運動，然后依次循環(huán)。 轉彎運動的實現(xiàn)：轉彎的原理是：當右邊兩條腿前進時，左邊的兩條腿向后退，這樣就實現(xiàn)了左轉的目的，同樣的道理，當左邊的兩條腿前進的時候，右邊的兩條腿后退，這樣就實現(xiàn)了右轉的目的。總結以上分析，其實前進、后退、左轉和右轉只是四只腿不同的邁步方式，只要協(xié)調(diào)好四條腿是向前邁還是向后邁就可以調(diào)整好機器人的行走運動了。 目標

29、的識別：我們設計的機器人的任務是讓搜索來到身邊的事物，當然這離不開感應器的幫助，在這個機器人上我們安裝了一個紅外光電反射式感應器，讓它尋找目標,還裝有一個測距傳感器用它來控制機器人和目標物體的距離，使得機器狗能發(fā)現(xiàn)并報警。在控制系統(tǒng)方面我們采用分布式控制，即每條腿上有一個單片機信號來控制本條腿的動作，有一個中央控制中心負責給各條腿發(fā)送控制信號，協(xié)調(diào)各條腿之間的動作。同時中心還接收來自感器傳來的信號，辨別是否有障礙物在前方，以采取不同的行走方式，達到避障的目的。傳感器：普通的人體傳感器采用的原理都是檢測人體發(fā)出的紅外線，機器狗采用的原理是檢測可見光的光點，以及光強度的變化量。這一方法僅使用于運動

30、物體。另外存在缺點，比如窗簾搖晃也有所反應。避障系統(tǒng)：機器狗在行進過程中，會遇到墻角，桌子腿等其他障 礙物，怎么才能順利避過這些障礙繼續(xù)前行呢？這些是必須考慮的。超聲波傳感器以其價格低廉、硬件容易實現(xiàn)等優(yōu)點，被廣泛用作測距傳感器，以實現(xiàn)移動機器人避障、定位及環(huán)境建模等。本超聲測距系統(tǒng)用于移動機器人避障，采用渡越時間法測距，即D=ct2，其中D為移動機器人與被測物之間的距離，c為聲波在介質中傳播速度，t為超聲波從發(fā)射到返回的時間間隔，即渡越時間。該測距方法主要是測量渡越時間t。在這里測距主要是用于移動機器人避障，測距精度要求不是很嚴格，因此忽略溫度對測距的影響，一般認為c為常數(shù)，通常 取c=34

31、0ms。本超聲測距系統(tǒng)共有8對超聲波傳感器，分為3組。第1組4對傳感器，其中2隊置于正前方，1對置于左前方，1對置于右前方；第2組2隊傳感器置于正左方；第3組2隊傳感器置于正右方，分別用于探測各自方向上障礙物的信息。在硬件設計上，采用上、下位機結構，下位機主要完成測距數(shù)據(jù)的采集處理，上位機則根據(jù)下位機采集的距離等數(shù)據(jù)完成復雜的避障算法。下位機采用AT89C51單片機對8路超聲信號進行循環(huán)采集，并將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存儲，同時還把所采集的距離數(shù)據(jù)及時傳給上位機。上位機采用PC機，一旦下位機有數(shù)據(jù)發(fā)送就立即啟動中斷接收子程序接收。上位機與下位機通過RS一232串行口相連。在軟件設計上，下位機采用M

32、CS一51單片機匯編語言完成，上位機采用C語言編程。該測距系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，測距系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)送、接收、計測時間、單片機控制等部分組成。室內(nèi)自主式移動機器人的基本控制結構對于自主能力要求較高的室內(nèi)移動機器人，模型匹配是主要的定位方法，機器人完全靠自身配置的傳感器和先驗環(huán)境信息進行定位和導航。這類機器人的通用控制結構$&如圖% 所示。整個系統(tǒng)可分為環(huán)境感知、地圖匹配、位姿估計、軌跡規(guī)劃及運動執(zhí)行五個部分。機器人在接受任務后，首先需要進行全局路徑規(guī)劃，應用線段、圓弧或樣條曲線擬合運動路徑，形成一系列運動曲線段，然后依據(jù)規(guī)劃的路徑，在每一段運動曲線上進行局部軌跡規(guī)劃，實時生成參考運動軌跡，

33、在遇到障礙或異常碰撞時需要在當前位置重新規(guī)劃路徑及運動軌跡，產(chǎn)生參考運動狀態(tài)! ( 及驅動控制輸入信號)輸入機器人運動控制器。傳感器測量并識別環(huán)境特征信息，經(jīng)過特征提取后與先驗環(huán)境地圖進行匹配，然后結合里程計測量信息進行實時數(shù)據(jù)處理及必要的信息融合，利用有效的位姿估計算法，產(chǎn)生更加精確的當前位姿估計，與參考輸入信號進行比較，形成閉環(huán)控制，修正機器人的位姿狀態(tài)。為了提高運動性能，控制系統(tǒng)中加入了動力學補償控制算法，增加了系統(tǒng)運動的穩(wěn)定性。基于超聲波測距的路標定位移動機器人首先憑借自身的概略位姿確定路標的位姿，當移動機器人識別到這些路標后，通過傳感器測量機器人與這些路標的距離與方向，再通過三角法等

34、幾何運算獲得移動機器人的位姿。此法的關鍵是移動機器人必須能夠識別這些路標。 使用主動超聲作為路標，即在一個室內(nèi)環(huán)境的六個位置放置超聲波發(fā)射器并依次發(fā)射，移動機器人裝有8 個超聲波接收器，組成一個環(huán)，間隔45度。移動機器人和超聲波路標的距離通過兩點間距離公式計算，方向使用反正切函數(shù)得到，將距離和方位測量融入EKF 公式，再結合DR給出的運動模型來估計移動機器人的位姿。娛樂功能的實現(xiàn)語音識別在機電一體化領域中，語音識別技術是當今倍受矚目的技術之一。若能通過語音識別技術實現(xiàn)通過一個開關控制玩具的啟動、停止，首次下載程序后或按下重錄鍵可以進行語音命令訓練。訓練內(nèi)容有：前進、后退、變速、溫度。 用戶發(fā)出

35、“變速”的命令時，小狗可以做出相關響應，將電機的轉度改變。 用戶發(fā)出“前進”或“后退”的命令時，小狗會做出前進或后退的動作。同時相應的發(fā)光二極管會點亮。 在前進過程中如果遇到障礙物，小狗會發(fā)出“汪汪汪”的狗叫聲，并停止運動。 用戶發(fā)出 “演奏” 命令時，小狗會進行大合唱。硬件組成框圖如圖所示：主要由電池盒、61B板、傳感器組、電機控制電路、電機、顯示電路等部分組成。圖 硬件框圖按鍵觸摸系統(tǒng)硬件結構框圖如圖 2.1所示：主要由按鍵輸入電路、觸摸鍵輸入電路、直流電機驅動電路、光敏器件輸入電路、單片機最小系統(tǒng)等部分組成。 圖 2.1 系統(tǒng)整體框圖 整個系統(tǒng)工作于4.5V電壓下，由3節(jié)5號電池提供4.

36、5V電壓，經(jīng)過SPY0029穩(wěn)壓到3.3V為單片機系統(tǒng)供電。整個系統(tǒng)在無操作時，處于睡眠狀態(tài)，當3個按鍵、2個觸摸鍵被觸發(fā)時，睡眠被喚醒，進入相應的操作，執(zhí)行完操作后1分鐘內(nèi)無任何按鍵觸發(fā)，則再次進入睡眠。光敏器件在睡眠前不斷采集光線強度，如果跟環(huán)境光線有較大變化，則會進入語音識別模式，MIC、直流電機、揚聲器則是各動作的相應輔助器件。 觸摸鍵輸入電路 觸摸鍵主要由555集成電路來實現(xiàn)，其原理如圖 3.2所示，左邊的觸摸片為金屬銅片，正常情況下，人本身會產(chǎn)生幅度為80100mv的正弦波電壓，當人手觸摸到金屬片時，產(chǎn)生的感應電壓疊加在偏置電壓上(偏置電壓設置在0.6V)，使得三極管導通，觸發(fā)55

37、5集成電路使之3腳產(chǎn)生單穩(wěn)態(tài)輸出，從而系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)被喚醒。IC輸入電路和揚聲器輸出電路 MIC采用駐極體電容話筒，這種話筒具有靈敏度高、無方向性、重量輕、體積小、頻率響應寬、保真度好等特點。SPCE061A內(nèi)置專門用于語音信號采集的具有自動增益控制放大器（AGC）的麥克風輸入通道（MIC_IN）。語音信號經(jīng)麥克風轉換成電信號，由隔直電容隔掉直流成分，然后輸入至內(nèi)部前置放大器，最后通過ADC轉換成數(shù)字信號。揚聲器采用一般的喇叭，電壓不超過5V。凌陽SPCE061A單片機自帶雙通道DAC音頻輸出，DAC1、DAC2轉換輸出的模擬量電流信號分別通過 AUD1和AUD2管腳輸出，DAC輸出為電流型輸

38、出，61板自帶音頻放大電路，所以外接一喇叭即可。 主程序流程及說明 整個系統(tǒng)的外部輸入包括：按鍵、觸摸鍵、感光控制及語音控制，其中語音控制需等到感光喚醒之后才能進行。當各控制鍵觸發(fā)后，系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)喚醒，通過判斷標志位，進入相應的處理子程序，之后在主程序中不斷檢測，1分鐘內(nèi)若無任何操作，則再次進入睡眠狀態(tài)。具體程序中，通過判斷gKeyDoubleUseSign的值來確認執(zhí)行何種操作，當為1時，進入鍵處理子程序；為2時，進入復用鍵處理程序；為0時，不執(zhí)行任何操作，認為是出錯或出現(xiàn)異常情況。在鍵處理子程序中，根據(jù)標志位gKeyID來判斷進入哪一個處理程序，如表 4.1所示。 gKeyID的值 對應

39、處理 1 左手按鍵處理 2 背部按鍵處理 3 臉部觸摸鍵處理 4 肚部觸摸鍵處理 5右手按鍵處理 0 異常情況 主程序包括端口的初始化，提示語音的播放，主循環(huán)以及進入睡眠狀態(tài)前中斷的初始化、端口的初始化。主循環(huán)包括：鍵掃描，判斷標志位及相應子程序，AD轉換及比較。端口的初始化包括A口和B口的初始化，A口的IOA0IOA4設置為帶喚醒的下拉電阻輸入，IOA6設置為懸浮輸入的光敏器件輸入端；B口的IOB9設置為低電平輸出，作為TimerA脈寬調(diào)制輸出；其余未使用的端口設置為低電平輸出。提示語音的播放即“您好”的播放，主要應用于系統(tǒng)重新啟動以及復位鍵的觸發(fā)，在這里，復位鍵既可當一個功能按鍵來使用，也

40、可以在系統(tǒng)無反應時當作重啟鍵來使用。 進入睡眠狀態(tài)前的系統(tǒng)初始化包括：端口A口的重新初始化，保證系統(tǒng)運行的可靠性；喚醒中斷的允許、開中斷；睡眠信號的寫入。 其主流程見圖 4.1： 圖 4.1 主程序流程圖4.2 S480語音播放子程序 SACM-S480自動方式程序流程如圖 4.2：圖 4.2 SACM-S480自動方式程序流程4.3 語音的識別及訓練程序流程圖 語音的識別取材于凌陽語音庫bsrv222SDL.lib及相關頭文件，如bsrSD.h。SPCE061只有特定發(fā)音人模式，即只能辨識特定的使用者，辨識前需由單個人訓練，且最多識別6條命令，序號范圍從0x100到0x105，每條命令只有1

41、.3秒，超出了1.3秒只有前1.3秒命令有效。在本系統(tǒng)中，利用通過光敏電阻的暗電阻較大，分壓值也較大的原理，產(chǎn)品觸發(fā)后通過AD采樣，與原環(huán)境光線采集值比較有較大變化時，置標志位，從而在主循環(huán)中進入識別模式。而訓練模式通過左手按鍵經(jīng)IOA0觸發(fā)，訓練模塊和語音識別框圖如下所示： 圖 4.3 訓練模塊圖 4.4 語音識別框圖在辨識主循環(huán)中，辨識得到確認后就可以執(zhí)行相應的處理子程序，整個流程如圖4.5所示。 圖 4.5 語音辨識處理子程序4.4 按鍵動作執(zhí)行子程序 當外部輸入的按鍵、觸摸鍵觸發(fā)時，進入睡眠喚醒中斷。在中斷中獲取光敏器件采集到的AD值，主程序中掃描鍵盤，將取得的鍵值寫入gKeyID，再

42、根據(jù)gKeyID寄存器來判斷到底進入哪個子程序。具體的執(zhí)行子程序如下各圖所示： 圖 4.6 左手按鍵處理子程序圖 4.7 背部按鍵、肚子上觸摸鍵處理子程序圖 4.8 臉部觸摸鍵處理子程序圖 4.9 右手鍵處理子程序 在實踐中提高自己 -談 作本次機械設計課程設計的心得體會作為一名機械系，機械設計制造及自動化大三的學生，我覺得能做類似的課程設計是十分有意義，而且是十分必要的。在已度過的大三的時間里我們大多數(shù)接觸的是專業(yè)基礎課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)基礎課的理論面，如何去鍛煉我們的實踐面？如何把我們所學到的專業(yè)基礎理論知識用到實踐中去呢？我想做類似的大作業(yè)就為我們提供了良好的實踐平臺。在做本

43、次大作業(yè)的過程中，我感觸最深的當數(shù)查閱大量的設計手冊了。為了讓自己的設計更加完善，更加符合工程標準，一次次翻閱機械設計手冊是十分必要的，同時也是必不可少的。我們是在作設計，但我們不是藝術家。他們可以拋開實際，盡情在幻想的世界里翱翔，我們是工程師，一切都要有據(jù)可依.有理可尋，不切實際的構想永遠只能是構想，永遠無法升級為設計。作為一名專業(yè)學生掌握一門或幾門制圖軟件同樣是必不可少的，由于本次大作業(yè)要求用Solid works 制圖、PROTEL繪制電路圖、VC+編程等，所以我們還要好好掌握這幾門軟件。雖然過去從未獨立應用過它們，但在學習的過程中帶著問題去學我發(fā)現(xiàn)效率好高，記得大一學CAD時覺得好難就

44、是因為我們沒有把自己放在使用者的角度，單單是為了學而學，這樣效率當然不會高。邊學邊用這樣才會提高效率，這是我作本次課程設計的第二大收獲。但是由于水平有限，難免會有錯誤，還望老師批評指正。 談談我的意見和建議： 首先，我覺得老師給我們作類似的課程設計是十分必要的，這不僅可以提起我們對這門課的學習興趣，同時還可以在專業(yè)上用實踐鍛煉一下我們，使我們不但不在對所學專業(yè)感到陌生，而且還可以培養(yǎng)大家的積極性。其次，我覺得應該培養(yǎng)我們的團隊合作精神，讓幾個人一起作這樣的課程設計我想會更好的發(fā)揮我們的特長。結語 使用SPCE061A進行智能玩具的開發(fā)具有明顯的優(yōu)勢。該單片機具有DSP的功能，在此基礎上可以實現(xiàn)

45、語音識別、語音播放等算法，與專用語音處理芯片相比具有結構簡單、成本低廉等特點。而現(xiàn)成的語音API函數(shù)也大大加快了產(chǎn)品開發(fā)的進程，提高了效率。IOB8、IOB9的PWM功能使得電機控制非常的容易。由于功能比較簡單，很多IO口和內(nèi)部資源沒有用到，本產(chǎn)品外圍還可以增加多個傳感器以實現(xiàn)障礙物的智能躲避或目標的跟蹤等。參考書目雷思孝、李伯成、雷向莉，單片機原理及實用技術凌陽16位單片機原理及應用 陜西：西安電子科技大學出版社AT89S51系列單片機原理與接口技術單片機原理及應用機械設計手冊 USB接口設計 串口技術 8051單片機C語言控制與應用 單片機應用技術選編附錄 Scope of CAD/CAM

46、Computer-aided design is the use of computer systems to facilitate the creation , modification , analysis , and optimization of a design . In this context the term computer system means a combination of hardware and software . Computer-aided manufacturing is the use of computer system to plan , mana

47、ge , and control the operation of a manufacturing plant . An operation of the scope of CAD/CAM can be obtained by considering the stages that must be completed in the design and manufacturing of a product , as illustrated by product cycle shown in Fig.1. The inner loop shows of this figure includes

48、the various steps in the product cycle and the outer loop shows some of the function of CAD/CAM superimposed on the product cycle .Based on market and customer requirements , a product is conceived , which may be a modification of previous products . This product is then designed in detail , includi

49、ng any required design analysis , and drawings and parts lists are prepared . Subsequently , the various components and assemblies are planned for production , which involves the selection of sequences of processes and machine tools and the estimation of cycle times , together with the determination

50、 of process parameter , such as feeds and speeds . When the product is in production , scheduling and control of manufacture take place , and the order and timing of each manufacturing step for each component and assembly is determined to meet an overall manufacturing schedule . The actual manufactu

51、ring and control of product quality then takes place according to schedule and the final products are delivered to the customers .Computer-based procedure have been or are being developed to facilitate each of these stages in the product cycle , and these are shown in the loop of Fig.1. Computer-aid

52、ed design and drafting techniques have been developed . These allow a geometric model of the product and its components to be created in the computer . This model can then be analyzed using specialized software packages , such as those for finite element stress analysis , mechanisms design ,and so o

53、n . Subsequently , drawings, and parts lists can be produced with computer-aided drafting software and plotters . Computer-aided process-planning systems , including the preparation of CN programs . Are available that product work plans ,estimates , and manufacturing instructions automatically from

54、geometric descriptions of the components and assemblies . For scheduling and production control , large amounts of data and numerous relatively simple calculations must be carried out . One example is the determination of order quantities by subtracting stock levels from forecasts of the number of i

55、tems required during a particular manufacturing period . Many commercial software packages are available for scheduling , inventory control , and shop floor control , including materials requirements planning (MRP) systems . At the shop-floor level computers are used extensively for the control and

56、monitoring of individual machines .There is a difference in the time scale required for processing data and the issuing of instruction for these various application of computers in the product cycle . For example ,design and process-planning functions are carried out once for each new product and th

57、e time scale required is on the order of weeks to years for the completion of the whole task . Scheduling and production control tasks will be repeated once every production period (usually one week) throughout the year . At the machine-control level instructions must be issued continually with a ti

58、me scale of micro-or nanoseconds in many cases .One of the major objectives of CAM is the integration of the various activities in the product cycle into one unified system , in which dada is transferred from one function to another automatically . This leads to the concept of computer-integrate (CI

59、M) , with the final objective being the “paperless” factory . Several developments have take place , but no totally integrated CIM systems have yet been achieved . Since the design and process-planning functions are carried out once in the product cycle ,these are the most suitable functions for int

60、egration . This integration is particularly desirable because the geometric data generated during the design process is one of the basic inputs used by process planning when determining appropriate manufacturing sequences and work plans . Consequently , various activities in design and process plann

61、ing can share a common design and manufacturing data base , as illustrated in Fig.2. With such a system ,geometric models of the products and components are created during the design process . This data is then accessed by various downstream activities , including NC programming , process planning,

62、and robot programming. The programs and work plans generated by these activities are also added to the data base. Production control and inventory programs can then access the work plans , time estimates , and parts lists (bill of materials file ) , in preparing the manufacturing schedules , for example .Computer-aideddesignComputer-autommateddrafting and documentationProductconceptDesignengineeringDraftingComputer-aided process planningOrder newequipmentand toolingCustomersand arkentsProcessplanningSched