窄足机器人
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目录
1 引言 ........................................................................................................................... 1
2 方案设计 ................................................................................................................... 2
3 机械结构 ................................................................................................................... 3
3.1 选型 ..................................................................................................................... 3
3.2 实物图 ................................................................................................................. 3
3.3 零件设计CAD图 ................................................................................................ 4
4 驱动设计 ................................................................................................................... 6
4.1 电机选型 ............................................................................................................. 6
4.2 电机介绍 ............................................................................................................. 6
5 电源设计 ................................................................................................................... 8
6 自由度与动作设计 ................................................................................................... 8
6.1 自由度分析 ......................................................................................................... 8
6.2 动作设计 ............................................................................................................. 8
7 控制模块 ................................................................................................................. 10
7.1 控制板简介 ....................................................................................................... 10
7.2 使用方法 ........................................................................................................... 11
8 测试与调试 ............................................................................................................. 12
9 总结 ......................................................................................................................... 13
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1 引言
机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。
它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。
国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处！
为拓展大学生的动手及实践能力，让学生更热衷于科学技术的研究，同时进一步推进大学生创新教育，提高大学生的创新意识和创新实践能力，锻炼青年学生综合素质，我院王军老师开展了机器人创新技术课程。本次课程的主要目标是通过窄足机器人的设计和制作，加强我校学生在实践创新能力，而为期六周的课程也取得了应有的效果。
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2 方案设计
此次设计的体操机器人主要由机械结构和控制系统组成，如果认为机械结构是人的骨架，那么控制系统就被认为是人的大脑，所以机 器人的先进程度与功能强弱通常都直接与其控制系统的性能密切相关。机器人控制系统是根据指令及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。作为机器人的核心部分，机器人控制系统是影响机器人性能的关键部分之一，它从一定程度上影响着机器人的发展。
机器人技术的实现不仅取决于其机械机构的优化，在很大程度上还依赖于一个性能优良的智能控制系统;而一个工作稳定、精度可靠的、实时性强的控制系统不仅需要高级的控制算法，还需要实现控制算法的手段。很长时间以来国内外的学者提出了诸多的控制算法，也设计出实现某些算法的控制器，但整个技术还处在实验阶段，没有进入市场，特别是一些高级控制方法在实际中效果根本不理想，所以机器人控制系统有待进一步研究。
设计并制作一种能够完成指定动作的窄足机器人。可以根据预先设计的动作，以及定制的指令程序完成一系列高难度的动作，包括前滚翻、后滚翻其研究领域涉及到3D模型绘制及动力学仿真、单片机、电路理论、自动控制、电机原理与拖动、接口技术、结构力学、电子工艺等多方面的内容，以实现其智能控制。
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3 机械结构
3.1 选型
我们设计的窄足机器人主要由金属铝条构成，，身高约为20cm，结构尺寸比例是在研究人体下半身运动的大量图片、视频，最终确定一个原始模型后，跟据比例缩放得到的，在制作前进行了大量的仿真与实验。由实验室老师提供图纸资料，通过打印图纸来加工所需要的夹件，卡件和连接件。最后对应图纸进行精加工，打孔，使用螺丝装配，从而实现整个机器人的机械机构的设计。
3.2 实物图
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3.3 零件设计CAD图 舵盘卡口、连接件：
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脚板：
顶板：
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4 驱动设计
4.1 电机选型
常用的电机有直流电机、步进电机、舵机等。下面我们大概对直流电机、步进电机、舵机进行一下对比,
由于本研究制作的机器人是重量很轻的作实验用的小型双足步行机器人。因此机器人的各关节是选择使用舵机驱动。舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中，飞行器的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。在市场上收集到了三种不同型号的舵机，它们的性能、价格也不尽相同。本机器人采SR403P机器人专用舵机。
4.2 电机介绍
特性如下
产品重量：67g（2.37盎司）
线：30CM
工作速度：0.21 sec/60（6.0V），0.19 sec/60（7.4V）
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失速扭矩：12.2公斤厘米，169.7扭力 （6.0V）;13.6公斤厘米，189.2扭力的（7.4V）
旋转角度：180机器人伺服，塑料齿轮，单球轴承，旋转范围range180
PWM码控制，180度转动范围（0.5--2.5ms)并行连接，双侧接口，圆形输出轴，使用电压7.4V。
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5 电源设计
出于安全考虑，实验室内使用开关电源供电，向控制板和舵机提供7.4V的稳定电压。
6 自由度与动作设计
6.1 自由度分析
对机器人进行具体的设计。首先对机器人的自由度安排进行考虑，以使其可以完成预先设想的动作。其次是考虑各个连接部件如舵机，卡口，电池和控制板的尺寸具体设计各卡口的形状尺寸以及电池和电路板的尺寸等。
要使双足机器人实现人类的一些动作，那么双足步行机器人必须有它的独特性。事实上，关于运动灵活性，人类大约拥有四百个左右的自由度。因此，机器人的关节的选择、自由度的确定是很必要的，步行机器人自由度的配置对其结构有很大影响。自由度越少，结构越简单，可实现功能越少，控制起来相对简单；自由度越多，结构越复杂，可实现功能越多，控制过程相对复杂。因此自由度的配置必须合理
6.2 动作设计
首先分析一下步行机器人的运动过程(向前)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、 左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左
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移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髋关节与踝关节必须各自配置有 1 个自由度以配合实现支撑腿、上躯体的移动和实现重心转移。另外膝关节处配置1个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，保证步行时落足平稳。这样最终决定髋关节配置1个自由度，膝关节配置1个俯仰自由度，踝关节配置有1个偏转自由度。这样，每条腿配置3个自由度，两条腿共6个自由度。髋关节和膝关节俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向) 内的直线行走功能；踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。步行运动中普遍存在结构对称性。运动的对称性和腿机构的对称性之间存在相互关系。在单足支撑阶段，对称性的机身运动要求腿部机构也是对称的。根据这点，在结构设计时也采用对称性布置。
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7 控制模块
7.1 控制板简介
舵机控制模块采用广泛使用的32路舵机控制板。
舵机控制器说明图解如下：
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7.2 使用方法
控制板使用专门的上位机软件控制，方便灵活，操作简便，适合初学者。
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8 测试与调试
制作、组装机器人期间出现的问题:
1.钻孔容易钻歪。
因为当时为了保证一开始钻点位置能准确，所以就没有把外面的图纸撕掉。但是因为上面有胶带，所以有点滑，很容易就钻偏了。后来我们在柜子里找到尖的东西，钻之前先用那个在对应的位置上打出一个小孔，这样钻头就不容易偏。
2.铝板折弯的位置不容易把握。
因为把铝条夹在台子上时，就不容易让该折弯的那条线正好伸出来，再加上铝条本身就有一个厚度，所以有的部位装上舵机后就发现舵机是歪的，所以就要把铝条扳正了重新再找位置折弯，有的时候要重复多次。
3.脚板装配
脚板图纸就有问题，那上面的两对孔间距太大了，然后我们把两个脚板对应的同一边保持不动，另一边都重新打了孔，才让舵机正好能装上。
4.摩擦
组装完毕后发现两腿动起来后脚板会有摩擦，其他有的组把左右腿调换了一下，使中间间距非常大，但是我们三个考虑到换过后机器人左右摆动的幅度会受很大限制，我们怕影响后期的调试，就没敢换，因为这，我们组还得了一个C。
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9 总结
在原有动作及实现的功能基础上，进一步完善结构设计及改进，在结构完善的基础上，再来调试及完成更复杂的动作功能设计，比如可以加快行动速度，反转速度，完善动作转变协调性，加入一些尝试动作，具体的可进一步设计。机器人设计及开发随着经济及科技的发展，这些年来得到了巨大发展，但好多的机器人设计还是停留在简单的加工和调试上，真正的智能控制没能充分融入其中，所以下一步应加大对智能控制的机器人的科研投入研究力度，鼓励高校和科研机构开展更多的研究机器人的项目。
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第二篇：机器人技术及应用-报告模板
期末考查报告
专业：嵌入式系统开发与应用 学号：1109114132
姓名：任校东
课程名称：机器人技术 任课教师：毕津滔
哈尔滨工业大学华德应用技术学院
计算机应用技术系
20xx年12月2日
基于履带式机器人在军事的发展概述
摘 要:
侦察机器人系统整合了机械技术，控制技术，计算机技术，通信技术，计算机图形学技术，感测技术等 多种理论学科，是机器人技术的的一个较新的分支，地面机器人主要是指智能或遥控的轮式和履带式车辆.地面军用机器人又可分为自主车辆和半自主车辆。自主车辆依靠自身的智能自主导航,躲避障碍物,独立完成各种战斗任务;半自主车辆可在人的监视下自主行使,在遇到困难时操作人员可以进行遥控干预，本文主要是介绍：履带式机器人。侦察机器人利用自身体积小、隐蔽性好的特点在反恐侦察、长期潜伏中具有重要作用。在侦察探测过程中，操作人员可以将机器人投向待侦察地域，通过遥控的方式调整机器人的位置及姿态，机器人通过无线视频将现场情况发送到远程操作端，达到远程侦察及长期潜伏的目的。
关键词: 移动机器人，行走机构，履带地盘，地面侦察机器人车；Ground Surveillance Robot ；
1 概述
现代的人类社会已经进入微电子时代,电子计算机特别是微型计算机技术已经渗透到社会发展的各个领域,人们正在从许多繁杂的体力劳动中和危险的工作岗位上解放出来,代之以计算机控制的机器人去完成这些任务。工作中机器人的参预同样有助于排除许多不正常的人为因素干扰,使工作精度和工作效率大大提高。 从某种意义上来说,战场是最危险,工作任务最繁重,工作精度要求最高的工作岗位。没有什么岗位能比在枪林弹雨中冲锋陷阵
更危险,战场的警戒,弹药的运输和装填都是很紧张、很繁重的工作任务。子弹、炮弹和导弹的发射更是要求有极高的精度,否则若不能首发命中就会暴露自己,反被敌人消灭。因此,在军事岗位上使用机器人,对保存部队有生力量,有效地杀伤敌人,在未来的战争中立于不败之地具有十分重要的意义。同样,在若干军工危险岗位上,使用机器人工作,也将有助于减少不必要的人员伤亡,保障军工生产的顺利进行,其意义也是重大的。.军事进攻方面 机器人在军事进攻方面的应用是多方面的,它能够在若干危险或艰苦的战位上代替人进行战斗,不但能够减少战斗人员的体力消耗和伤亡,而且能够争取时间,节约战斗空间。
2 机器人系统总体描述
整个系统分为上位机和下位机两部分,上位机为PC机,下位机为机器人,上位机通过无线通讯模块遥控机器人作业,实现机器人前进、后退、转弯和越障以及摄像装置运动等动作,下位机利用无线通讯模块,通过传感装置把机器人的移动速度、摄像头转角、转弯半径等信息传回上位机。本文重点对机器人移动载体技术进行研究。
整个系统流程为：通过控制端来控制履带式机器人，使履带式机器人到达某一地区去侦察，当履带式机器人发现在危险信号时就把信号发送到服务端，这时服务端就做出相应的解决方法来解决。
图1可变履带式机器人示意图
3 摄像头导航系统
本系统是基于计算机视觉库OpenCv而设计的，OpenCv由一
系列 C 函数和少量 C++ 类构成，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法，拥有包括 300 多个C函数的跨平台的中、高层 API。它不依赖与其它的外部库，尽管也可以使用某些外部库。 OpenCV 对非商业应用和商业应用都是免费（FREE）的。
系统的工作流程如图2所示：
图2 摄像头系统工作流程图
程序运行时，首先打开摄像头，开始采集图像数据，经过处理得到二值化图像，并在屏幕上显示。然后进行摄像头调整，在实时图像里出现分别位于图像四个角的四个矩形，这时调整摄像头，使位于写字板上的四个参考坐标点分别落在四个矩形内，即可进行摄像头标定，后就可以使电脑和机器人之间建立连接，进行通讯。
3.履带式机器人虚拟设计技术的发展现状：
虚拟设计是20世纪90年代发展起来的一个新的研究领域，是计算机图形学、人式智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产物。它以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，集计算机图形学、人工智能、并行工程、网络技术、
多媒体技术和怄气现实技术为一体，在虚拟的条件下对产品进行构思、设计、制造、测试和分析从而提高产品在时间、质量、成本、服务环境等 多目标中的决策水平，达到全局优化和次性工发成功的目的。
通过虚拟设计可以完成多感官移动机器人的虚拟设计，虚拟装配，虚拟运动仿真等工作，并且在虚拟设计中，设计人员可以使用各种装配工具对设计的机构进行装配检验，确定零部件的安装有无困难，零部件之间是否有干涉现象等 。若有则可以随时进行改进设计，从而避免了由于设计上的疏忽而造成大批零件的报废。
4.3多感官传感器
本题目为多感官移动式履带机器人，因此在移动平台上加装了视觉传感器、测距、声音传感器多种传感器。视觉传感器采用摄像头，在摄像头旁边装有LED灯，可以在夜晚使用，在摄像头的下方装有红外线灯，以备特殊情况使用。同时传感器的本身可以９０旋转，增加了灵活性和视角。如图４.３.１所示。
总体设计方案：
本设计的多感官履带式机器人移动平台包括移动平台的机械系统和动力系统。机械系统又包括底盘和传动系统。总体布局如
图3.1所示。
图4.1多感官履带式机器人平台总体布局 4 机器人的结构特点：
1.机动部件
该车采用M114装甲人员输送车底盘，整车重6.8t，在陆地使用时，该车转向是依靠把内侧履带速度减至外侧履带速度的一半。车辆采用电气促动器控制。转向和加速控制装置直接由电动机驱动，而制动、变速及水陆转换促动器均通过循环球式促动器驱动。所有促动器均可在无动力时采取应急驱动方式，由此可以快速完成车辆的直接人工控制和电气控制之间的转换。所有促动器反应时间都小于0.1s，快于人的反应时间。
2.控制方式
该车有手动、操纵杆和计算机3种控制方式。手动控制系为操作手配置的控制装置，仅在该车出厂时使用。在试验时，利用操纵杆控制车辆前进方向，并调整模拟控制元件。计算机控制方式是把该车改进成自主式车辆的基础，控制命令可从车载健盘输入或由车载计算机自行产生。
3.电子仪器设备
车上装有15台车载微处理机，内存8.5兆字节；还装备有侧倾和俯仰角度传感器(监视高度)以及连续波多普勒雷达(提供陆上车速)。其他子系统还有卫星导航系统、声学接近感传感器、激光测距仪和磁罗盘等。观
察系统为1台高分辩率摄像机，装在罗盘控制的活动平台上，它和激光测距仪的联合使用使得该车能准确地模拟周围地形。若无人指引，该车能跟随其他车辆越障。近期计划是论证该车利用车载传感器跨越简单障碍物的能力，远期目标是验证该车通过未知地区的环航能力。
4无线控制的实现：
以一种履带式移动机器人作为控制平台,利用无线收发一体数字传输MODEM模块PTR2000芯片抗干扰能力较强的FSK调制/解调原理,通过移动机器人身上单片机对机器人各个关节步进电机的控制,实现了移动机器人与PC之间数据的无线传输;采用微波开路电视传输系统MTVT 91卫星通讯传输技术,完成了对图像的实时传输。成功地实现了履带式移动机器人的无线控制,以及对远程机器人的实时监控。
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主要研究内容：
本文主要研究的内容是设计行走底盘和履带式机器人是怎样通过摄像发现危险信号以及发送到控制端的。对履带式机器人的局部作了具体分析。
5 应用环境：
三、 应用环境: 有限空间的侦察任务。 矿业等地下工作环境中救援、搬运、勘探的任务载体。 机舱、车厢内的反恐任务。 化学工业环境、有毒气体环境下的勘察、搬运任务。 核辐射环境下的反恐、侦查、搬运任务。 消防行业机器人的任务载
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技术指标
机器人本体:
外形尺寸:690×550×200mm
自重:≤17kg(不含电池)
机器人负载能力: ≥30kg
最大速度:-1.5m/s，
远程控制无级 变速
转向半径:地旋转
越障能力:200mm障碍| 32°楼梯| 35°斜坡，能适应草地、沙地、雪地、碎石等环境
电池容量:锂电24V15AH(可扩展)
工作时间:2.5小时巡航 防护等级:IP65
底盘高度:最低处距地面45mm
抗跌落能力:0.5m 行车摄像头:150°广角观察,红外感应
夜视 摄像头观察高度: 80mm
摄像头数量:1
行车摄像头:彩色CCD相机，高亮LED照明，红外感应夜视 电器扩展插头:1路RS485、1路图像接口、1路24V/5A供电、1路12V/2A供电 通讯:无线通讯:野外无干扰、无遮挡环境下可达200m
有线通讯:≥500m 任务模块:可定制专用的任务模块 。
6.国内机器人发展现状
相比国外有声有色的机器人的应用，国内的机器人似乎仍然公公出现在高校研究之中，因为设计水平、通用性、价格等 诸多方面的原因，民用领域的机器人应用几乎是空白，同样的，国内工业领域的自动化程度很低。在国外拥有无人工厂或者无人车间很多年之后，绝大多数工厂都 还是人占据绝对的主导地位。要改变目前的状况，就需要设计生产出一系列通用的、美观的、便宜的=易操作的、以及易维护的产品.