机器人创新实践PPT课件.ppt

1、1机器人创新实践训练主要内容2l 课程介绍、参考资料 l 机器人基础知识、典型机器人介绍、爬行和轮式机器人l 竞赛机器人，机器人所需能力、涉及技术、实现方法 l 博创模块化机器人开发器材l NorthStar环境下开发机器人控制程序l 多功能调试器的连接和使用l 示例1：绚丽的霓虹灯l 机器人常用传感器l 基于RobotServo Terminal进行舵机设置和检测、调试器检测l 示例2：轮式搬运机器人、舵机控制（对舵机的不同姿态进行控制）l 课程设计：能躲避障碍的四足爬行机器人NorthStar 北斗星; robotrbt 机器人; servo s:v 舵机课程介绍3课程名称：创新实践训练I

2、课程性质： 限选开设学期： 大二第一学期学分：1学时：18学时（一个星期）场地：实验中心C301课程内容： 基于北京博创尚和科技有限公司的创意之星(InnoStar) 模块化机器人套件，开发设计并组装一个可避开障碍物的四足爬行机器人，通过创新实践训练，掌握机器人基础知识、单片机控制技术、传感器技术、程序开发、电机和舵机控制，并对机器人竞赛有一定了解。innovate inveit vi. 改革，创新；vt. 引入（新事物、思想或方法） 参考资料4l InnoSTAR实验指导书.pdfl 多功能调试器用户手册.pdfl 创意之星：模块化机器人创新设计与竞赛.北京航空航天大学出版社（部分内容与实际

3、不符）l 构型资料图片l 创意之星机器人套件组装指南.pdfl 舵机原理知识.pdfl 四足机器人.pptl 四足机器人步态规划与仿真.pdf机器人基础知识l 机器人与普通机器的区别：机器人具有人或生物的某些智能能力。如看到墙壁可以躲开，可以寻找设定目标，可以与外界交流等。普通机器是靠人来操控的，本身并不具备智能能力。l 我国科学家对机器人的定义：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。l 机器人的外形：与普通机器可能没什么区别，事实上，大多数机器人并不像人，有的甚至没有一点人的模

4、样。一个重要原因是，在许多场合类人机器人不如其它外形的机器人更适合现场工作环境。5典型机器人介绍6l“勇气”号火星探测器：六轮驱动越障能力强，计算机控制核心，机械手上带有多种工具，全景摄相机及各种传感器l排爆机器人：轮式与履带结构，6自由度机械手，摄像机，电子点火武器，与前者均属未知、危险环境探测机器人，依靠远程操纵人员控制，有局部的、一定程度的自主能力。l清洁机器人：属服务机器人，2004年美国iRobot公司推出的智能机器人吸尘器Roomba，垃圾刷子、真空吸尘器、传感器感知周边环境，自主充电l仿人机器人：2000年，本田技研株式会社发布了ASIMO仿人型机器人，是世界上第一台可遥控有两条

5、腿会行动的仿人机器人，可完成行走、上下台阶、弯腰、握手、跳舞；2005年发布的新一代ASIMO可在办公室等环境中作业，包括手推车搬运物品、接待、向导、递送等。l工业机器人：KUKA公司推出的Titan工业机器人，6自由度（6轴），串联式关节型机器人，包括腰部回转、肩关节旋转、肘关节旋转、腕关节回转、腕关节俯仰、末端回转共6个自由度。机器人与人的类比7爬行机器人l 四足爬行机器人8机器人的大脑机器人的大脑-控制器控制器机器人的肌肉机器人的肌肉-舵机舵机机器人的五官机器人的五官-传感器传感器机器人的骨骼机器人的骨骼-结构件结构件俯视图俯视图左视图左视图主视图主视图 机器人常用的运动驱动部件有：l直

6、流电机（有刷、无刷）l步进电机l舵机9视频视频1:1:四足爬行机器人四足爬行机器人术语：l腿的自由度l步态轮式机器人10l 四轮机器人视频视频2:2:四轮机器人四轮机器人转向策略11l 四轮机器人另一种转向策略12l 三轮机器人视频视频2:2:三轮机器人三轮机器人国际、国内机器人赛事13国际机器人赛事：l机器人足球赛lFIRA系列机器人足球赛lRoboCup系列机器人足球赛l机器人综合竞赛l国际机器人奥林匹克竞赛lFLL世锦赛lABU大学生机器人电视大赛国内机器人赛事：lFIRA中国机器人足球锦标赛l中国机器人大赛暨RoboCup公开赛l全国大学生机器人电视大赛l中国青少年机器人竞赛竞赛机器人

7、l 中国机器人大赛暨RoboCup公开赛l 规定动作技术挑战赛l 动作投影技术挑战赛l 网络机器人对抗赛l 各分项比赛中l 比赛规则l 机器人所需能力l 涉及的技术l 实现的方法14视频视频:2015:2015全国机器人大赛全国机器人大赛机器人开发器材：主控板l 主控板：MultiFLEX2-AVR控制器，其处理器是ATMEL公司出品的AVR系列ATmega128单片机，该单片机能在16MHz的频率下运行，对于轻量级的自动控制系统有足够的数据处理能力。AVR系列单片机是当前最为流行的单片机种类之一，接口丰富，开发简单是它最显著的特点。15 MultiFLEX2-AVR控制器功能高度集成，具有众

8、多IO、AD接口，能够控制R/C舵机、机器人舵机，具有RS232接口和RS422接口，开发简单，使用图形化集成开发环境，只需编写程序逻辑流程就能够自动生成C代码，将其下载到控制器后便可实现机器人的各种功能控制。开放所有底层函数接口，用户可直接调用这些函数，从而专注于机器人上层算法的研究和编写。机器人开发器材：多功能调试器16 UP-Debugger多功能调试器是MultiFLEX2-AVR控制器的主要下载、调试工具。可进行程序下载程序下载、串口通信串口通信、舵机调试舵机调试。 调试器的配线一端是10针IDC头，另一端是3针和5针杜邦头，杜邦头有三角形标记的为GND。调试器配线调试器配线机器人开

9、发器材：直流稳压电源17l 控制器内置一组7.4V锂离子电池，一般情况下使用电池供电，电池电量不足时，使用直流稳压电源给控制器供电l 锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，但对日常维护要求较高，使用中需注意：电池输出电压会随电量下降而下降，充满电时约8.4V，使用中会降至6.5V，电池电压过低（低于6.5V）时，欠压报警症状：控制器蜂鸣器短促鸣叫，控制器电源指示灯以2s的时间间隔闪烁，此时应切断电源，给电池充电，继续使用会使电池过度放电，造成永久性损伤；过压报警症状：蜂鸣器短促鸣叫，控制器电源指示灯以200ms的时间间隔闪烁l 直流稳压电源输出为12V/5A，峰值电流可达8A机器人开

10、发器材：舵机18l 舵机：控制舵面的电机l 组成：一般由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等几部分组成。l 舵机的输入线有3条：电源线、地线、控制信号线l CDS55xx机器人舵机：舵机模式和电机模式。舵机模式时，输出轴的位置可以在0-300内摆动，电机模式时，可整周旋转，既可以作机器人的关节，又可以驱动轮子，是拥有广阔应用前景的执行机构。l R/C舵机：使用模拟电路控制的舵机称为模拟舵机或者R/C舵机l 直流电机：功率大，需使用电机驱动模块，适合驱动轮子 CDS5516 CDS5516机器人舵机机器人舵机 CDS5401 R/C CDS5401 R/C舵机舵机2342 2

11、342 直流电机直流电机NorthStar环境下开发机器人控制程序l NorthStar是一个图形化机器人控制程序开发软件，操作简单，功能强大l 拖动模块图标、设置模块属性、连线，即可编写控制程序，创建复杂的逻辑l 编译，下载到控制器中运行l 软件下载：l 安装软件及驱动19示例1：绚丽的霓虹灯l 绚丽的霓虹灯：对4个LED灯进行控制l 具体要求：开机4个灯全亮按下碰撞传感器0亮1灭2亮3灭0.5s后0灭1亮2灭3亮0.5s后0亮1灭2亮3灭0.5s后0灭1亮2灭3亮（重复），放开碰撞传感器，4个灯全亮，没有闪烁l 硬件需要l MultiFLEX2-AVR控制器1块l 多功能调试器和电缆1套l

12、 LED灯4个l 结构件l 碰撞开关1个20NorthStar下开发控制程序，编译21l新建文档l工程设置l拖出模块l属性设置l连线l保存l工具/编译l工具/下载编辑窗口编辑窗口模块窗口模块窗口代码窗口代码窗口输出窗口输出窗口常见问题l 编译失败 若出现Compile failed的情况，可选用如下方法l 将安装文件夹的安全属性设为完全控制l 安装到其它盘l 下载失败安装驱动：“AVR单片机开发环境”文件夹下l AVRStudio4b528.exel AVRStudio4.13SP2.exe22多功能调试器的连接和使用l 通过调试器将编译好的程序下载到控制器l 将调试器接入电脑USB口，标准U

13、SB连接电脑，方口USB连接调试器l 首次使用调试器需安装驱动，在win7下系统自动识别l 下载调试线一端IDC10，一端5针杜邦头和3 针杜邦头23下载调试线下载调试线方口方口USBUSB线线IDC10 IDC10 连接调试器连接调试器调试器与控制器的连接24l 5针杜邦头插入中间的排针，注意三角形标记是第一脚，对应电路板上的三角形标记，且杜邦头上的三角形标记朝向外壳；3 针杜邦头插入左侧排针，且是中间的三个针（GND,TXD,RXD），三角形标记对应GND，朝向外壳。 3 3针杜邦头针杜邦头5 5针杜邦头针杜邦头25下载l 打开AVR控制器电源，按下调试器的模式选择按键，使模式切换为AVR

14、 ISP；l NorthStar菜单栏中“工具”菜单中，选择“下载”l 下载成功后的界面如图，下载完成后，先关电源，拔掉下载调试线，重新开机l 看到0、2灯亮，0.5s后，1、3灯亮，反复循环绚丽的霓虹灯组装效果图26用电源适配器给控制器充电用电源适配器给控制器充电IOIO口插入口插入4 4个个LEDLED灯灯增加传感器的绚丽的霓虹灯27视频视频3 3：绚丽的霓虹灯：绚丽的霓虹灯机器人常用传感器l 碰撞传感器l 红外接近传感器l 红外测距传感器l 灰度传感器28l 声音传感器l 姿态传感器机器人舵机调试系统RobotServo Terminall 机器人舵机（CDS55XX）专用调试环境l 可

15、用于舵机设置、舵机检测、调试器检测l 连接调试器、舵机、直流电源，调试器切换到Servo模式 29连接舵机连接舵机ServoServo模式模式30lCom框输入对应端口号,点击Open打开串口，打开后，界面绿灯变红，调试器上通讯指示灯闪烁打开串口打开串口l设置查询模式l单击Serch搜索舵机，如果连接正确，列表框中出现舵机ID和波特率l注意：不插舵机电源搜不到舵机！搜索舵机搜索舵机31停止搜索停止搜索l单击Stop停止查询l列表框中选择要操作的舵机，切换到Operate操作界面，可设置ID（输入）设置设置IDID（人工输入）（人工输入）32基于RobotServo Terminal进行舵机检测

16、视频视频4 4：舵机调试：舵机调试舵机操作舵机操作状态监测状态监测告警指示告警指示l 舵机操作区，在舵机模式下拖动位置滑动条，观察舵机动作；在电机模式下，拖动速度滑动条，观察舵机动作l 检查通讯接口l 检查紧固螺口警示！l 舵机测试时注意一定要断电接线断电接线，很多同学在带电的情况下插拔舵机的控制线，导致舵机烧毁多台，损失重大！l 调试板一端是舵机电源接口，先断舵机电源，再接插舵机先断舵机电源，再接插舵机控制线控制线l 若软件界面串口开的情况下拔USB线，程序会死机；若先在软件界面断开串口，再拔USB线则不会，但由于接下来要再插入，所以不必拔，只需软件见面关串口；l 实际发现：USB线一直插、

17、软件界面串口一直开，不会导致问题，所以，只需拔舵机电源，再插舵机控制线。l AVR控制器也这样操作，即开关打到关闭（OFF）时接插电源或控制线，接好后才可以打到ONl 一般电类实验中应遵守“先接线后通电，先断电后拆线先接线后通电，先断电后拆线”，可见接线要先断电，拆线也要先断电，禁止带电插拔接线要先断电，拆线也要先断电，禁止带电插拔。33舵机电源舵机电源示例2：轮式搬运机器人l 机器人构型：由特定零件、执行器、传感器等搭建组合而成的，能够完成某些动作或行为的机械、控制、传感的总和称为机器人构型。l 安装底板和舵机架：“面接触、键连接、螺钉紧固面接触、键连接、螺钉紧固”的方式，工具：十字螺丝刀、

18、尖嘴钳、工具刀。（镊子）注意不可太用力，以免将螺钉十字弄花l 注意安装顺序，舵机线需先安装，否则可能出现没有足够操作空间的情况l 拧螺丝九分紧即可；注意螺丝长度，一般情况下尽量用短的；舵机架紧固螺丝如果后装可能会没有安装空间，一般对角线方向装2个足够34典型连接方式典型连接方式注意区别注意区别安装过程35橡胶轮的安装橡胶轮的安装安装安装4 4个舵机个舵机安装安装4 4个橡胶轮个橡胶轮安装舵盘安装舵盘36通过花键固通过花键固定于结构件定于结构件滑动轴承，滑动轴承，实际需加实际需加垫片垫片安装机械手安装机械手安装舵机架安装舵机架底板上安装机架底板上安装机架机械手机械手肘关节舵机肘关节舵机有机械手的

19、有机械手的四轮搬运车四轮搬运车组装带机械手的搬运车使用NorthStar编程l 新建工程、参数设置，将小车的四轮驱动舵机编号为1-4，设置为电机模式，机械手的舵机编号为5、6、7，设置为舵机模式l 增加启动开关：开关流程图如下，一个变量（variable）模块组成一个软开关，与声音（碰撞）传感器对应，可实现拍手（按钮）启动机器人37多个模块设置38l将舵机模块拖入编辑窗口，双击设置属性，所有舵机作为一个集合对应一种机器人运行状态，单击ID，设置转速、位置，正负号对应不同方向。l电机正值，逆时针转动；负值，顺时针转动。速度取值范围-10231023，绝对值越大转速越快。l小车前进：舵机速度为左正

20、（逆时针）右负（顺时针），后退相反。l左转：四轮全顺时针转，右转相反l停止（四轮速度都为0）l拖动数字输出模块，设置LED灯亮灭39流程图流程图前进前进- -转弯流程图转弯流程图增加开关等待夹持物增加开关等待夹持物给机械手编写动作l 基本步骤：卸载卸载-扳到合适位置扳到合适位置-查询位置查询位置-保存位置保存位置l 舵机在线调试准备（1）连接PC、调试器、控制器，切换调试器到AVR ISP模式，打开控制器电源；（2）单击舵机属性中的“启动服务”按钮，下载服务程序；（3）下载结束后，将调试器切换到RS232模式；（4）端口号中输入正确的端口号，单击“打开”按钮打开串口l 舵机在线调试 打开串口后

21、，在列表中选择一个舵机，选择“调试”复选框，拖动角度或速度滑动条，相应ID的舵机就会运动。l 张开机械手 选中“卸载全部” （切断转矩输出），用手扳动到合适位置，单击“获取位置”，舵机位置滚动显示，选中“保存位置”复选框，则保存当前位置到列表中，单击“确定”保存位置。拖入一个延时模块，让机械手张开足够时间，等待物体放入钳口40打开串口成功启动服务成功调试舵机：NorthStar工具/调试舵机，可用于测试舵机性能、设置舵机模式、查询舵机位置。在线调试查询保存位置机械手动作及小车动作41l夹持物体 拖入一个舵机，双击打开属性，物体放入钳口中，手扳动机械手钳口，夹住物体，查询舵机位置，舵机位置滚动显

22、示，选中“保存位置”复选框，保存当前位置到列表中，单击“确定”按钮保存设置。 拖入一个延时模块，设置延时。l小车后退 参考前进，数值相反；机械手舵机位置必须保持夹持状态数值，不能为默认的512；拖入延时模块，设置时长。l左转、前进、回到原处l松开机械手恢复原状l连线、编译、下载l程序调试：程序调试：机器人放到场地，打开电源开关运行，看是否与规划任务一致，若不一致则修改程序，再次编译、下载、运行查看效果；此过程需反复进行，直至实现规定的任务。夹持物体课程设计：能躲避障碍的四足爬行机器人1.1.任务背景：任务背景： 足式机器人更接近于生物，适应各种地形，有广阔的应用前景，是研究热点。2.2.任务要

23、求：任务要求： 搭建一个能躲避障碍的四足爬行机器人，需要完成如下任务：（1）可通过打开电源开关，或通过传感器软启动使机器人运动，向前爬行；（2）机器人由起点出发沿U形通道前进，测试人员开始计时，要求不碰撞墙壁。S形通道由包装纸箱搭建而成，两侧都为纸箱搭建的墙壁，有入口但无出口；（3）到达U通道终点，测试人员停止计时，记录爬行所需时间。3.3.材料准备：材料准备： MultiFLEX2-AVR控制器，调试器和线缆，舵机，直流电源，传感器，结构件。4.4.参考资料：参考资料：l 四足机器人.pptl 四足机器人步态规划与仿真.pdfl InnoSTAR实验指导书.pdfl 舵机原理知识.pdf42

24、435.5.完成要求：完成要求： 在一周时间内开发设计并组装一个可避障碍的四足爬行机器人，分小组完成机器人作品。6.6.评分细则：评分细则：备注：备注：机器人作品无法启动可能是主控或者舵机出问题，给两次机会，第一次不能启动或者测试失败可以在重新调试后给第二次机会。提示l 在组装四足机器人过程中，应分步骤组装，不要一下子全部按照样板装好，应先装一条腿试一试，编程，分析清楚各个关节的运动规律后，再全部组装好整机。l 直接用NorthStar提供的四足机器人构型进行编程。创新并非新手可为，应立足于把前人的成果理解和掌握。44忠告45l 本课程的考核严格，机器人作品未完成者无法及格，在一周的时间内，完成较复杂的可以躲避障碍物的四足爬行机器人，颇有难度，请慎重决策是否选修该课程。l 主动查找需要的资料l 爱护设备，禁止暴力装拆l 保持环境整洁，不得在实验室内进食 提问与解答环节Questions And Answers谢谢聆听 学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal