1、 毕业设计(论文)(填写题目)教学单位：机电工程学院专业名称：（填写专业全称，不要写成班级名称）学 号：学生姓名：指导教师：姓名（职称）指导单位：完成时间：（填写全学院统一时间）电子科技大学中山学院教务处制发I武术擂台仿人机器人系统及电路设计摘 要本文围绕武术擂台仿人机器人的设计，从中国机器人大赛武术擂台赛比赛规则入手，分析合理的比赛策略，系统地介绍了武术擂台仿人机器人的硬件与软件构成、技术特点以及战术策略等方面的内容，主要包括硬件设计、决策系统以及干扰与抗干扰措施。该仿人机器人结构设计巧妙，可以通过简单的动作完成仿人形态到车形态的变形，从而有效降低重心。机器人共有 7 个自由度，整体重量 4
2、.19kg，高 40cm，底部投影尺寸30cm*30cm，符合比赛要求。底盘骨架采用 4mm*4mm*3mm 镂空角铝连结，四壁采用 0.8mm不锈钢板包围，结构有一定的刚性，经测试可以抵抗进攻和防守中发生的激烈冲撞。传感器部分采用了红外开关与红外测距传感器相配合。自行设计以 Mega128 为核心的通用小型机器人控制器。该控制器板载 5V3A 开关电源，具有 RS232 以及 RS422 总线接口，具有数字舵机接口以及模拟舵机接口，并且有设备过流保护、电源过压、欠压保护等功能。经测试，该仿人机器人运行稳定，有较好的攻击、防御能力。关键词:机器人武术擂台赛；仿人机器人；AVR 单片机 IICo
3、mbat Humanoid Robot System and Circuit DesignAbstractThis article around the humanoid robot design, start from robot competition from Chinese robot competition rules, discuss the reasonable strategy, systematic introduction to the combat robot hardware and software, the technical characteristics and
4、 tactical strategies and other aspects, including hardware design, decision-making system and the interfere and anti-interference measures. With ingenious design of structure, the robot can simply form humanoid to vehicle deformation, and thus reduce the center of gravity. This robot has total of se
5、ven degrees of freedom, weight 4.19kg, high 40cm, and the bottom of the projection size 30cm*30cm, which is with the competition requirements. Chassis frame with 4mm*4mm*3mm hollow aluminum link 0.8mm stainless steel plate surrounded, the structure has some rigidity, were resistant to attack and def
6、ense in the fierce clash.IR switchers and IR distance sensors were compatible built in.The controller using Atmels Mega128, which onboard 5V3A Switching Power Supply. The controller have RS422 and RS232 bus interface, and the RC and digital servo interfaces, while has over-current protection, Power
7、supply over voltage, under voltage protection.The testing experiments show that, the humanoid robot is stable, and has good attack and defense capabilities. Keyword: combat robot competition; humanoid robot; AVR MCUIII目 录1 绪 论 .11.1 机器人武术擂台赛背景 .11.2 机器人武术擂台赛介绍 .11.3 机器人武术擂台赛竞赛环境 .21.4 本设计的意义及应用 .22
8、竞赛策略 .32.1 规则分析 .32.2 设计目标 .32.3 应战策略 .42.3.1 登上擂台 .42.3.2 将棋子推下擂台 .42.3.3 将敌方推下擂台 .42.3.4 避免被敌方推下擂台。 .54 决策系统设计 .64.1 软件体系结构 .64.2.2 机器人舵机 .66.4 红外测距传感器的标定 .76.4 红外开关的校准 .76.5 运动轨迹的调校 .77 总结与展望 .8参考文献 .9附录 1 CDS5500 机器人舵机控制程序 .10附录 2 控制器原理图 .14附录 3 机器实体照片 .15致 谢 .1611 绪 论机器人技术融合了电子、机械、传感器、自动控制和人工智能
9、等众多先进技术，通过设计、制作、调试, 可以激发我们大学生的想象力和工程潜质, 培养设计能力、创新能力、动手能力、合作精神。机器人武术擂台赛是机器人技术较量的平台之一，该赛事在国外备受关注，目前在国内已经悄然兴起。1.1 机器人武术擂台赛背景中国机器人大赛暨 RoboCup 公开赛是中国最权威、最具影响力的机器人技术大赛、学术大会，是当今中国、乃至亚洲机器人尖端技术产业竞赛和国际顶尖人才汇集的活动之一。大赛从 1999 年起至今已举办十届。本届大赛由国家科技部高技术研究发展中心、中国自动化学会机器人竞赛工作委员会、RoboCup 中国委员会等机构共同主办。大赛项目包括机器人足球赛、机器人武术擂
10、台赛、机器人舞蹈赛、水中机器人竞赛、空中机器人竞赛、机器人救援赛、机器人仿真赛等，其中最受关注和最精彩的是机器人足球赛和机器人武术擂台赛。1.2 机器人武术擂台赛介绍机器人武术擂台赛是中国机器人大赛中一项新的赛事。它的主要内容是：两个完全自主的机器人在一个 2.4*2.4 米的擂台上，使用各种传感器来感知自身的位置、姿态，并感知对手的位置、方向，并利用各种执行器来互相攻击的对抗性机器人竞赛。该赛事的主要目的在于促进智能机器人技术(尤其是自主识别、自主决策技术)的普及。参赛队需要在竞赛规则范围内，以各自组装或者自制的自主机器人互相搏击，并争取在比赛中获胜，以对抗性竞技的形式来推动相关机器人技术在
11、大学生、青少年中的普及与发展。机器人武术擂台赛的参赛机器人需要包括各种传感器（检测自身位置、检测对手位置、检测自身姿态、检测擂台边缘等等）、一个控制器（参赛队员为其编写程序，控制整个机器人的行为和策略），多个执行器（行走、击打、辅助等），麻雀虽小、五脏俱全。并且我们需要根据比赛规则，通过机械、电子、策略等各方面的创新设计，来达到在对抗竞赛中压倒对手的目的，因此是激发想象力和工程潜质, 培养设计能力、创新能力、动手能力、合作精神和跨专业的综合应用能力理想平台。激烈而戏剧性的机器人竞赛对抗，能够极大地激发我们学生的好胜心和积极性，让我们把对待竞技体育的精神如篮球、踢足球的积极态度来对待工程创新实践
12、。在训练和比赛的过程中，我们的综合工程素质、创新能力、团队协作能力都能得到全面的培养。本项赛事未来的发展目标是：比赛中，两个使用双腿自主行走的仿人形机器人互相搏击并将对方打倒或者打下擂台。21.3 机器人武术擂台赛竞赛环境在指定的擂台上有双方机器人和 5 个中国象棋棋子 1。双方机器人模拟中国古代擂台搏击的规则，互相击打或者推挤。如果一方机器人整体离开擂台区域或者不能再继续行动，则另一方获胜。如果双方均未离开擂台且都能自主移动，则在比赛时间结束后，推下擂台上象棋棋子数量多的一方获胜，否则双方判为平局。比赛场地（即擂台，如图 1-1 所示）大小为长、宽分别为是 2400mm，高 150mm 的正
13、方形矮台，台上表面即为擂台场地。底色从外侧四角到中心分别为纯黑到纯白渐变的灰度。 场地的两个角落设有坡道，机器人从出发区启动后，沿着该坡道走上擂台。场地四周围 700mm 处有高 500mm 的方形白色围栏。比赛开始后，围栏内区域不得有任何障碍物或人。图 1-1 擂台赛场地整体效果1.4 本设计的意义及应用本设计主要的工作有：策略的分析与制定、结构与外观的设计、电机以及电机驱动的选取、传感器电路的设计与运用、控制器电路的设计与制作、软件的编写与调试、最终对机器人进行综合的实地测试，发现问题并找出解决方案。在论文完成之前，以上问题均得到解决，并且设计出一款抗干扰能力强的红外探测模块，该模块可以用
14、于机器人避障、循迹等，以及其他需要对对障碍物进行检查的场合。与此同时设计了一款高性能通用小型机器人控制器，该控制器板载 5V3A 开关电源，具有 RS232 以及 RS422 总线接口，具有数字舵机以及模拟舵机接口，并且有设备过流保护、电源过压、欠压保护等功能。本文正是一个本着学习、实践和创新的思想设计机器人。设计思路基于机器人武术擂台赛比赛规则，设计的最终目标是：结合当前流行的机器人技术，制作出一台能够适3应比赛现场复杂环境的自主战斗机器人。42 竞赛策略本章从机器人武术擂台赛比赛规则入手，分析出合理的比赛策略，系统地介绍了设计目标以及应战策略。2.1 规则分析由于比赛场地表面是灰度渐变的，
15、所以机器人的自定位可以通过读取场地的灰度信息来实现。机器人的重心应该尽可能地降低。变形方案很好地解决了由于重心高带来的晃动等问题。当需要降低重心的的候，机器人进行机械变形，增强作战稳定性。要在比赛中取得“制高点”，在不考虑棋子的情况下应该尽快抢得中心区或离中心区域最近，机器人应轻巧灵活, 前进、后退、转动动作应自如流畅，并具有较高的加速度和较快的行进速度，刹车要及时。同时，双方机器人在攻防过程中将发生激烈冲撞，进行制约与反制约的较量，因此机器人要求稳定性好，结构有一定的刚度，四壁要有推挡板 2。有效的进攻是最好的防守。制作仿人机器人的基本思想是：该机器人以进攻为主、防守为辅，在出发区出发后，在
16、没有探测到棋子的情况下，首先抢占中心区域，然后在探到敌方机器人的方位后，把自己坚固的防守部位面向敌方机器人，使敌方机器人的攻击失效，确保自己始终占领中心区域，然后再寻找机会迷惑或攻击敌方机器人 3。当探测到棋子的时候，要对场地环境、敌方位置、敌方运动方向等进行多方位的综合判断，确保不怠慢作站时机。2.2 设计目标根据以上思想，本设计确定了如下的设计目标：（1）从出发区出发，10秒内自主登上擂台区域；（2）确定我方机器人在场地的大概位置和方向；（3）能自主寻找中心区域，以在未探测到对方时自主找到擂台中心区；（4）寻找并接近棋子、寻找并接近敌方机器人；（5）推动棋子到达擂台边沿；（6）与敌方机器人
17、对抗，避免被推下擂台，能够推动敌方；（7）在遭受敌方机器人攻击时能保护自己（如具备一定的隐身和迷惑功能等，减少和避免受到敌方机器人的攻击） ，并具有一定的反击能力；（8）检测擂台的范围，避免掉下擂台；（9）检测我方姿态，防止摔倒，摔倒时能够快速自行站立；（10）能够识别圆柱体，并作举起动作；5（11）具备有效的抓举装置，能够举起圆柱体；（12）能够检测举起任务是否成功，如果不成功能够重新尝试举起。2.3 应战策略2.3.1 登上擂台在机器人启动后，机器人依靠边缘检测传感器群引导到擂台中心，不启动其他传感器的检测；2.3.2 将棋子推下擂台推棋子时，机器人需要做三件事情：寻找棋子，推动棋子，自身
18、定位。寻找棋子的实现主要依赖于灰度传感器和测距传感器。传感器的布局至关重要，机器人必须能够通过灰度传感器定位自己的位置，通过测距传感器确定棋子的位置。因此，构型设计时必须合理布置传感器位置。比赛中输赢的关键是把敌方推出场外，所以可以采用被动式策略寻找棋子，即机器人按照某种策略漫游，如果检测到棋子就把棋子推出场外，否则机器人继续漫游。当把棋子推出场外时，机器人会接近擂台边沿，此时机器人需要适当调整自己状态(速度，位置) 以防止掉出擂台 4。这个过程中机器人的自身定位非常重要。找到棋子之后，如何将它们推下擂台呢？两种方法：1、闷头往前直走，不管怎么都不转弯，这样一定能走到擂台的边沿，也能够将棋子推
19、下擂台。2、通过识别场地的灰度，判断出机器人的位置和方向，对准最近的边沿前进。方案一胜在简单，程序实现难度小。但是可能出现机器人需要推动棋子走过超过半个场地才能到达边沿的情况。这个过程可能出现敌方干扰、推挤，失败的概率很高。方案二实现的难度比较高一些，但是效率高。2.3.3 将敌方推下擂台我们可以想象，两只斗牛相互推挤，赢的一定是力气比较大的一方。首先需要考虑，什么因素会影响机器人的推力。在现实生活中我们会看到两种现象：（1）一辆汽车在爬坡，但是动力不足，反而慢慢从坡上滑了下来；（2）汽车在泥地上面行走，但走不快，因为轮子总是在打滑。上面两个例子可以得到影响汽车行进效果的两个因素：1、动力不足
20、。2、摩擦力不够。如果动力不足，我们的机器人可能会被敌方的小车推得轮子倒着转。如果摩擦力不够，机器人在推挤时轮子会打滑，轮子一直在转，但机器人就是不能往前走。推动敌方和推动棋子要做的事情是一样的，即：寻找敌方推动敌方自身定位。不同的是，推动敌方需要更大的动力，而且自身定位更加重要。如果己方被敌方推动时，己方就必须能够及时摆脱或者进行抵抗。所以，在比赛规则允许的条件下，机器人质量尽可能接近所要求的最大值，尽量增6加机器人的动力输出、以及轮子的接地面积。我们采用四轮驱动方案，两轮驱动方案重量和推力都不够。六轮驱动方案不好转弯，机器人不够灵活。2.3.4 避免被敌方推下擂台。如果我方机器人在前进时被敌方从后面推挤，并且我方的机器人没有察觉，会出现什么情况呢？我方机器人的动力方向和敌方机器人的动力方向刚好一致，敌方不费吹灰之力就可以将我方机器人推下擂台。所以机器人需要能够察觉这种正在被推挤的状态，并且能够通过掉头、转弯、后退等手段避开或对抗敌方机器人的推挤。
