摘要：機器人是一種在計算機控制下具有某些擬任功能的自動機器。機器人機械設計是機器人技術的一個重要方面。機器人機械設計與機器人伺服控制密切相關。本書圍繞機器人機械設計的特點展開，內容包括：導論、機器人運動學設計和分析、機器人靜力和動力分析、機器人位姿誤差、機器人典型機械結構、機器人移動技術、步行機分析與設計、特殊表面移動機器人、關節伺服控制與關節傳動的機電一體化設計、諧振、摩擦、空程、傳動誤差及其估算、關節伺服中的位置檢測裝置等。

　　關鍵詞：機器人設計,機械工程,設計師論文發表

　　國際上對機器人的概念已經逐漸趨近一致。一般來說，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。聯合國標準化組織采納了美國機器人協會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機;或是為了執行不同的任務而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統。”它能為人類帶來許多方便之處!

　　為了使機器人能更好的應用于工業，各工業發達國家的大學、研究機構和大工業企業對機器人系統開發投入了大量的人力財力。在美國和加拿大，各主要大學都設有機器人研究室，麻省理工學院側重于制造過程機器人系統的研究，卡耐基—梅隆機器人研究所側重于挖掘機器人系統的研究，而斯坦福大學則著重于系統應用軟件的開發。德國正研究開發“MOVEAND PLAY”機器人系統，使機器人操作就像人們操作錄像機、開汽車一樣。擂臺機器人以“2009 中國機器人大賽武術擂臺賽”為背景設計，目的在于促進智能機器人技術(尤其是自主識別、自主決策技術)的普及。參賽隊需要在規則范圍內以各自組裝或者自制的自主機器人互相搏擊，并爭取在比賽中獲勝。比賽中，兩個使用自主行走的擂臺賽機器人互相搏擊并將對方打倒或者打下擂臺。

　　1 機器人硬件設計

　　本設計是基于中國機器人大賽武術擂臺賽項目要求，采用STM32 作為控制核心單元，通過傳感器來實現感知功能，電機來實現行動功能。本文采用紅外傳感器電路實現對手檢測和識別，灰度傳感器實現自身位置識別系統，通過傳感器系統的采集數據，處理返回到控制芯片，然后由控制芯片調控電機的正反轉和加速、減速，實現機器人的前進后退，轉彎功能。擂臺賽機器人軟件系統可以實現機器人進攻和防守策略，達到機器人比賽“保證自己在擂臺上，將對方機器人擊倒或擠下擂臺”的目的。

　　1.1 系統總體設計

　　控制核心電路采用意法半導體的STM32 處理器，該處理器具有高速，片上資源豐富和外設強大的特點,能夠很好的滿足該設計要求的多種傳感器協同運行并對采集信號快速判斷決策的要求。STM32 系列32 位微控制器特性:基于ARM@Cortex TM-M3 內核、哈佛總線結構;DMA 控制器、單周期乘法指令、硬件除法指令;與ARM7 相比運行速度最多可快35%且代碼最多可節省45% ; 72MHZ 主頻運行的CPU; 2 個16 通道 12 位模數轉換器，1 微秒的轉換時間;高速通訊口：USB、USATR、CAN、SPI;帶喚醒功能的低功耗模式、內部RC 震蕩器、內置復位電路。

　　在機器人硬件結構上，由于機器人擂臺賽的目的是在規定的場地上尋找對手，攻擊對手，然后將對手推下擂臺，因此在機器人的外形設計上要考慮到攻擊和防守的因素。在重量上應該盡可能讓機器人達到比賽規定的最大重量，這樣可以有較好的穩定性。根據力矩的計算關系，機器人的外形設計成金字塔形，這樣能夠在受到攻擊時，起到良好的防守功能。

　　根據擂臺賽的要求，配以紅外測距傳感器，灰度傳感器，通過兩路PWM 控制兩只電機以驅動滅火機器人。

　　1.2 系統電源部分

　　系統采用單電源供電電路時比較簡單，但是考慮到電動機起動瞬間電流很大，會造成電源電壓不穩，影響單片機和輸入電路工作的穩定性和可靠性，因此采用雙電源供電方案。將電機電源和單片機電源完全隔離。單片機以及傳感器電路使用8V 供電，電動機使用12V 供電。提高電動機的供電電壓，可以提高機器人的運行速度，從而可以提高比賽的成績。

　　1.3 電機驅動部分

　　機器人需要控制在一個合適的速度行駛，在尋找對手的過程中既要以較快的速度找到對手，又要防止因為速度過快導致剎車失誤，因此機器人的速度是有兩只直流電機控制。L298驅動芯片是性能優越的小型直流電機驅動芯片之一。它可被用來驅動兩個直流電機或者是雙極性步進電機。在6—46V 的電壓下，可以提供2A 的額定電流。L298 還有過熱自動關斷功能，并有反饋電流檢測功能。為保證L298 正常工作，建議加裝片外續流二極管[2]。

　　在機器人中我們采用脈寬調制方式來調整電機的轉速和轉向，脈寬調制時通過改變發出的脈沖寬度來調節輸入到電機的平均電壓，也就是機器人提供給電機的信號是方波，通過不同方波的平均電壓不同來改變電機轉速。

　　在機器人的控制中，傳感器就是機器人的眼睛和耳朵，機器人的所有行動都要通過傳感器來反饋給機器人，從而讓機器人能夠正確合理的進行一系列的操作。在擂臺機器人的設計中，因為首先要保證自己在場地上能夠自如的運動，因此要用到灰度傳感器來識別地面的顏色，使自己能夠安全的在場上尋找對手而不掉下場地。灰度傳感器在機器人小車的底部安裝4 個，為了有最大范圍的搜尋，因此灰度傳感器應盡量靠近機器人的外邊緣。為了尋找到對手，需要暗轉紅外測距傳感器，建議前后各安裝3 個，左右各安裝一個，這樣通前后的6個傳感器，可以達到精確的定位，左右的測距傳感器能夠讓機器人感知對手從而立刻調整方向攻擊對手。

　　由于擂臺機器人劇烈的運動和碰撞的因素，傳感器的信號要進行很好的處理，才能達到精確的運算功能，這里我們采用了二階有源濾波來實現對傳感器信號的硬件處理[3]。

　　2 機器人軟件設計

　　系統控制軟件采用模塊化設計，采用C 語言編寫，主要完成傳感器與機器人運動的控制，傳感器返回數據的軟件濾波處理，機器人智能控制的算法設計等工作。

　　2.1 傳感器和機器人運動的控制

　　各種傳感器由于原理不同需要控制核心STM32 處理器進行合理的控制。機器人運動依賴電機，良好的電機驅動程序可以對使機器人運動的又快又穩。因為比賽目的是保證機器人自身不離開擂臺，并推下對手，所以運動控制程序關系到整個機器人的安危，格外重要[4]。

　　2.2 傳感器返回數據的軟件處理

　　傳感器的種類原理不同使得控制方式和返回的信號類型不同，所以需要不同的采集方式，比如有的傳感器返回的是模擬信號所以需要AD 轉換再把數字信號再送給處理器處理。由于各種傳感器因為擺放位置和運動震動等因素不可避免的使傳感器的返回信號有抖動。由于抖動帶來的誤檢測會對機器人的決策產生致命的危險，所以要對返回信號進行有效的處理盡最大可能消除抖動帶來的誤檢測[5]。可以利用STM32 處理器的高速性能對傳感器多次采集的數據做均值濾波來使得采集到信號誤檢測的概率降到最低。