仿生机器狗的机构设计

仿生机器人机器狗的机构设计前言摘要、关键词目录机器狗功能设计机器狗总体设计机器狗的机构设计1 头部的机构设计2 尾巴的机构设计3 腿部的机构设计4躯体的机构设计驱动装置的选择及机器人功率计算步态分析及其实现关键技术分析及实现结论心得，体会&意见，建议参考书目与附录专业技术资料翻译摘要 机器人是机构学、运动学、控制理论等学科发展水平的综合体现，是当前国内外研究的热点问题之一。在各高校机器人设计活动也已经很广的开展起来，这种氛围对我国机器人的研制开发特别以及专业方面人才的培养是具有积极意义的。从仿生学的角度，动物的生理构造及行为是比较不易模仿的，“仿生机器狗”正是在模仿四足行走的动物，该机器人是一个仿生4足行走的机器人，通过对伺服电机（舵机）的精确控制模拟四足动物的行走步态，实现行走、后退、转弯等各种步态行为.。相应的传感器可以使机器狗在前进过程躲避障碍物顺利，实现智能化。在机器狗内部语音识别技术，当人发出命令是狗狗可以通过判断是哪一个命令然后执行。同时在躯体上安置触摸键，当人触碰到相应的按键时候播放相应的语音。通过控制系统不同的程序可以使机器狗做各种动作。就是她具有相应的狗的功能。如，看门，发出汪汪叫声，歌唱，做搞笑的动作，跳舞等 关键词：仿生学，智能玩具，机器人，语音技术，舵机，步态，传感器。前言智能化已成为玩具行业的新趋势，让语音技术融入到玩具中，不仅可以赋予玩具“听”“说”的交流能力，使其更加生动、智能，还有利于在儿童中普及现代科学技术，推动语音技术产业化的发展。一些领先技术被应用于今天的玩具领域如：无线电、红外通讯、传感器、语音识别等等。本文介绍的是基于SPCE061A的一种具有语音识别功能的玩具产品，不但具备微控制器的功能，还具有DSP运算功能，可以用来进行数字语音信号处理，实现语音的播放、识别、录制等功能。本产品就是利用SPCE061A的该功能设计的一款智能玩具。该玩具可以在人的语音指令下完成“前进”、“后退”、“变速”、“演奏”等动作，和人有良好的互动性，实现了玩具的智能化。 机器狗的功能设计项目背景及意义仿生机器人（Humanoid Robot）是先进机器人技术的高级发展阶段，它综合体现了高级机器人的机构学、运动与动力学、现代设计理论、信息检测和感知、微电子学、控制理论等诸多方面的研究和发展水平，是一个复杂的综合系统。大学生科研训练计划（Student Research Training Program-SRTP）是我校大力开展本科教育改革，实施理论教学、实践教学、科学研究三位一体教学模式的重要组成部分，其目的是组织学生在教师的指导下，通过自主进行课题研究和探索。了解和掌握基本的科学研究方法和手段，培养大学生严谨的科学态度、创新创业意识和团队合作精神，提高大学生的研究创新能力和综合实践能力。总体功能设计：本设计的仿生机器狗具有实用以及智能玩具的特征。在一般情况下，机器狗处于房间的某个角落，头部不断检测，发现有人进来即报警（因为不能马上识别主人或是外人）；但是他能通过语音识别，他内部存储有特定的信号，相当与狗的名字或是秘密接头暗号。假如是主人或是亲密朋友就会反馈给机器狗一个语音信号，比如是：爱狗狗！特定的名字或是句子。机器狗通过判断正确的话就停止叫声，随即发出：亲爱的主人，您回来了，请休息一下吧！或者其他亲切柔和的语音（事先通过语音录制存储好的句子）。假如主人说：过来！机器狗就开始启动行走功能。随着主人的移动，搜索到感应信号，反馈到控制系统，跟随主人前进。并能自动避过障碍物来到主人身边。接下来根据主人的命令做相应的动作逗主人开心。摇尾巴、点头、摇头、唱歌以及跳舞等。同时机器狗身上布置好多感应器，触碰到相应的开关就回发出相应的声音。比如，抚摸头部就回播放轻音乐，摸肚子会发出咕咕叫声，假装肚子饿了仿生功能：具有四足动物的共同特征：如，行走（前进、后退，转弯）。具有狗的部分特征：如看门，汪汪叫，肢体语言如摇头、点头、摇尾巴。看门功能：在睡眠状态下，头部不断检测周围的移动物体，当发现什么动静时候会报警，汪汪叫，吸引主人注意。当主人反馈某个信号表示来者是朋友是就停止报警。开始友善的表示。如发出亲切的问候，摇尾巴娱乐功能：当狗狗静止状态时，在狗狗的身上不同部位安装触摸键，当人触摸到相应的按键时候狗狗会发出不同的语音。如：背部按键 ，脸部触摸键， 肚部触摸键等。通过一个开关控制玩具的启动、停止，首次下载程序后或按下重录键可以进行语音命令训练。训练内容有：前进、后退、转弯、变速、唱歌、跳舞等。 用户发出“变速”的命令时，小狗可以做出相关响应，将电机的转度改变。 用户发出“前进”或“后退”的命令时，小狗会做出前进或后退的动作。在前进过程中如果遇到障碍物，会自动转弯躲避障碍物继续前进。 用户发出 “唱歌” 命令时，小狗会进行乐曲播放。 用户发出 “跳舞” 命令时，小狗会开始翩翩起舞等。机器狗的总体设计设计理论方案自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。一.装置的原理方案构思和拟定：随着社会的发展，现代的机器人趋于自动化、高效化、和人性化发展，具有高性能的机器人已经被人们运用在多种领域里。特别是它可以替代人类完成在一些危险领域里完成工作。科技来源于生活，生活可以为科技注入强大的生命力，基于此，我们在构思机器人的时候想到了动物，在仔细观察了猫.狗等之后我们找到了制作我们机器人的灵感，为什么我们不可以学习小动物的走路呢，于是我们有了我们机器人行走原理的灵感。为了使我们所设计的机器人在运动过程中体现出特种机器人的性能及其运动机构的全面性，我们在构思机器人的同时也为它设计了一些任务：如前所述的，看门功能、娱乐功能等。 二.原理方案的实现方案流程：机器狗的方案主要考虑的是他的自由度的问题，因为自由度直接关系着运动的稳定性和协调性，以及运动的花样多少。其中，最主要的的腿部的自由度问题。设计是从4足机器人的一个肢体开始的，因为4个肢体的设计是非常相似的。为了能够充分利用伺服电机的输出转矩，我把电机输出的轴直接作为转臂，或者输出轴上齿轮直接就和机器人的关节处轴上齿轮直接啮合，这样就大大提高了输出功率的利用率。想到四足动物的步行状态，即做前后摆动前后，左右转动。于是原理方案设计如下：单纯的考虑走路，而且要求协调性不高的时候，四足动物可以采用两条腿一起移动迈步，即左前和右后可以一起行动，这样可以共用一个电机，节省费用。但是如果有稳定性要求，及其要使机器狗具备更做的功能和娱乐性质的话，最好采用单腿单独控制，这样它就能够拥有更多的功能。本设计采用单腿单独电机驱动，走路时候由3条腿同时着地，1 条腿迈步这样稳定性和协调性比较好。同时可以每条腿可以单独拥有自己的动作。实现智能化。单腿单独驱动时候，自由度方案如下：6自由度：尾巴、颈部各一个电机控制，腿部四个自由度，两个电机控制。肩膀处一个电机放在下身躯壳 内，带动腿部做前后摆动，腿部和脚部设计为一个整体，按照狗的腿部曲线设计。这样一条腿就由单个电机控制向前行走，同时走路时候，左前脚可以和右后脚一起用一个电机。比较简单，控制起来方便。但是行走起来比较机械，10自由度：由于6自由度8电机机构的运动比较单一，而且在运动的协调性上不易控制。通过改进小腿处关节再安装一个电机，小腿饶着小腿关节的轴前后转动。这样大小腿各有自己的转动自由度度。通过两个电机的独立转动带动肢体关节转动，这样在机器人行走的过程中就可以比较协调，而且我们的机器人的自由度也增加了4个，电机增加了4个，协调性已经稳定性都得到了提高。15自由度：机器狗能够进行基本的行走还不够，为了使其能够具有娱乐性质，要求它具备更多的自由度，从而行动起来更优美、可爱。比如跳舞时候要求它的关节出自由度尽可能的多，这样动作才更好看，所以，在此，把每一条腿肩膀关节处再增加一个自由度可以向外边左右扩展运动。这样总共增加4个自由度4个电机。同时，头部只有一个左右转动的自由度还不够，在颈部再增加一个上下转动自由度，小狗能够表达的感情就更加丰富了。于是在颈部再安装一个电机，控制颈部带动头部上下转动。这样一个既能够行走，又能够表达感情，做可爱动作的智能玩具就诞生了。具体的协调性分析及其行走的步态分析将在下面作详细介绍。最终方案为：15自由度 15电机15个伺服马达分别位于：4条腿，每条腿有3个自由度；颈部，2个自由度；尾部，1个自由度。通过15个伺服马达的协调动作，可令机器狗具备前后行走、转弯、趴下、倒立、直立、舞蹈等千变万化的动作。每条腿分别各有3的电机控制它的两条腿的抬伸和大腿的外伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。图 ：机器狗的整体布置图任务的实现主要是利用单片机来控制电机的转动从而控制机器人的四条腿以及几个传感器的共同工作，并通过它们的协调工作来完成的。如图 中所示，让机器人不断进行扫描，如果发现有目标出现在它的视野之内，它就会做出相应的动作。机器狗机构设计机器狗的头部机构设计机器狗头部有左右转动自由度，一个电机控制，实现检测移动物体，表达她的情绪。在娱乐的时候可以做为运动的部位协调身体运动。机器狗头部在一定角度不段旋转，相隔数秒改变一次头的转向，检测有无移动物体。当发现运动物体时候立即点亮报警灯，同时发出汪汪的叫声，类似真实的狗一样。头部如图：机器狗头部的左右摆动采用电机直接驱动机构，定期的给电机发射极短的脉冲，以便改变机器狗头部角度。颈部设计机器狗颈部有上下转动自由度，带动头部上下转动，表达她的情绪，在做动作的时候可以做为运动的部位协调身体运动。颈部一个电机控制实现上下转动。在这为了方便，我采用大腿部的结构用做颈部。通过轴与躯体上壳联接。内部结构与腿部完全一样，内部有电机，电机输出轴上的齿轮与关节轴齿轮啮合。通过电机旋转带动齿轮旋转从而带动颈部围绕轴上下转动。只不过转动角度稍微改变大了，控制不同罢了。颈部如图所示：颈部与头部装配如图机器狗的尾部设计尾巴部分，一个转动自由度。电机输出轴连接尾巴转盘，通过控制电机转动角度使尾巴上下摇摆，可爱。同时可以协助后腿成三角机构实现机器狗的坐下。在翻身的时候支撑身体等。尾巴机构如图：2.2-2 机器狗腿部机构设计 如方案最后确定所述，腿部最终选择为共12个自由度，每一条腿3个自由度，一个肩膀带动大腿前后转动，一个小腿围绕关节前后转动，一个大腿围绕关节轴左右转动。大小腿内部结构一样。肩膀机构设计（腿部和躯体联接机构）肩膀结构是实现腿部和下壳体的连接，同时实现电机带动腿部前后转动。所以肩膀得能够实现回转，肩膀内部与身躯体内的电机轴直接接触，由电机带动肩膀，外部通过关节轴连接大腿。带动大腿转动。肩膀处结构如图：大腿内部结构如图内部有电机，电机减速器输出轴上的齿轮与关节轴齿轮啮合。通过电机旋转带动大腿左右外伸。为了装配方便通过凸唇结构与盖子连接。大腿盖子如图大小腿部的连接杆连接大小腿。上面与大腿固定，下面的不完全齿轮装在小腿关节轴上。连接杆如图：小腿结构和大腿一样，只是下面装配的不一样所以连接的部分不一样小腿与脚连接处通过凸唇结合。小腿结构：小腿盖子-脚如图：因为走路前后角度接触不一样所以要设计成原弧状。但是考虑接触摩擦力的问题，所以设计成半圆柱形状，走路时候就是线接触增加了摩擦力又不妨碍前后角度造成的不稳定。脚结构如图：另外，脚处也可以增加一个自由度，作为脚趾（此设计此处可以自由转动，但是不要有电机或者什么驱动，单纯的轴连接活动关节）因为腿在前迈步的时候有一定角度，这样垂直距离就不够，四个腿不在同一个平面上，身体不能保持平衡。所以，增加一个灵活的脚趾的话，如，弹簧结构，能恢复弹性的三角结构等，可以调节平衡造成的麻烦。小腿和脚装配如图：2.3 躯体的机构设计躯体是连接肢体的关键部分，躯体的结构设计也显得十分重要，我们从电机的结构出发，结合实际四足动物的形体特征，我们的躯体设计分为两部分，上壳体和下壳体。躯体机构的三维图上壳体主要是连接颈部，和下壳体闭和起来组成封闭的结构，使体内的各部件不受损坏。露出尾巴的摆动。上壳体如图下壳体主要安放肩膀前后转动自由度的电机，以及尾巴电机结构的。同时存贮电路控制部分的电路板等下壳体如图：下壳体通过肩膀把腿连接起来，实现腿部带动躯体的运动。下壳体和腿部装配如图： 通过躯体机构我们就可以把四个电机肢体很好的连接在一起了，并且通过肩膀可以让机器人有充分的灵活性，这样机器人的整体机构就组合好了，过控制9个伺服电机就可以让它“行动自如”了。整体机构图（主视）驱动装置的选择与机器人功率计算机器人是由15个微型伺服电机即舵机驱动，整个机器人的机构设计也是以伺服电机为基础的，微型伺服电机的机构及工作特性如下：微型的伺服电机在无线电业余爱好者的航模活动中使用已有很长一段历史，而且应用最为广泛，国内亦称之为“舵机”，含义为：“掌舵人操纵的机器”。可见，微型伺服电机主要用作运动方向的控制部件。伺服电机本质上是可定位的电机。当伺服电机接受到一个位置指令，它就会运动到指定的位置。因此，个人机器人模型中也常用到它作为可控的运动关节，这些活动关节我们也常称它为自由度。一个微型伺服电机内部包括了一个小型直流电机；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流电机提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服电机的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。我们正是依靠伺服电机的两个输出转矩作为驱动的来源。微型伺服电机的三维模拟图：初步估算机器狗的总重量不超过1.5kg，腿部每个自由度一个电机驱动，单纯的走路就有8个电机驱动，腿长65mm，初步估算所需电机扭距为1.2 kg/cm考虑电机尺寸、重量和价格问题，选择下列电机：型号：CJ9009 品牌：金多利 外形尺寸：22.5*12*26.5(mm);重量：9克；工作电压：4.8V; 堵转扭矩：1.2kg*cm;速度：0.12秒/60度；控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0180度。机器狗功率的计算行走机器人需要不断的提腿，当腿向后伸直的时候，摩擦力驱使机器人向前移动。所以摩擦力就是机器人前进的动力。因为机器狗一般在室内活动，所以水平面的摩擦力就是重力作用引起的即： 机器狗重量约为 mg=1.5kg k=9.8N/kg=0.3腿长为 L=65mm=6.5cm=0.065m 则机器人一条腿的功率为： 步行速度：机器人腿长为65mm。，则腿上舵盘的轴心到与地面接触的距离为65mm，每一步舵机转过的角度为60那么步幅为：步幅电机速度：0.12秒/60度，每一步所需要时间为0.48s，那么可以算出机器狗的速度为当然，以上的估算都是以理想条件为前提进行的，这样得出的速度相对来说还是太快了。因为腿部运动实际上是圆弧，所以换算成直线运动时候会产生一些损失。另外，步行机器人在行走的时候都有滑动的趋势，这样也会使得机器人每一步的实际步幅变小。尽管这些估算是不是非常精确的，但是这种方法对于估算机器人的速度还是比较适合的。步态分析及其实现步态哺乳类四足动物的运动和人类手脚并用爬行的样子很相似。膝关节向前而肘关节向后。着意味着向前运动的主要动力来自后腿，前腿主要是向前伸展着地。观察四足动物行进方式主要包括：爬、走、慢步、快步、慢跑、飞奔等。图：四足动物的肢体快步时候，两条腿支撑地面，两条腿腾空。成对角的两条腿是一组，即左前腿和右后腿这一组离开地面的同时，右前腿和左后腿这一组留在地面上。那么大腿和小腿之间是如何协调运动的呢？DanMichaels()对哺乳动物的行进作了研究，认为以下方法是快步的最佳方式。由于机器人没有动态平衡机能，因此抬腿不能过快，在斜线上不能允许太大的晃动，否则就必须在机器人中使用大脚掌结构的静态平衡方法。行进过程中，大腿和小腿的运动如图图：直立行走这种行进模式称为直立行走。凡是腿推进躯体前进时，都是始于发力点而终于结束点。在复原过程中，腿重新回到发力点准备下一次运动。这种步行运动方式最困难的地方在于如何协调腿之间的运动。如果机器人（或者以这种方式运动的动物）的身体很短，在后腿完成复原之前，同侧的前腿尚未完成他的发力过程，两条腿就回相撞。如果想让机器人的运动看起来更优美，也需要考虑这个问题。以下是机器人的行进过程，前提是机器人的一组腿已经开始运动了：1按要求前行速度移动机器人处于对角的一组腿，控制大腿和小腿张开的角度。一组中的两条腿运动时候必须保持同步。2同时，调整处于对角的另一组腿的角度，使之摆脱地面的约束，并摆动到下次前行的发力点，为迈下一步做好准备。3一旦第一步中的一组腿到达推进过程的结束点，将第二步的一组小腿伸开。4调换两组腿的角色，回到第一步，开始下一次循环。显然，为了顺利地移动，对机器人小腿弯曲的瞬间时刻和腿的移动速度进行调整是必要的。大腿和小腿间的夹角不同，机器人呢表现出来的心情可能也不一样。角度很大机器人看起来隐秘而小心；角度垂直时显得很开心。当然，这是身体语言的范围。但是使机器人看起来更有生命活力正是设计者的目的。以这种步态为基础可以设计类似的有用的或者有趣的步态。如果机器人的腿很长，它在不平整的地面、斜坡或者其他的障碍路面（当然是机器人能够跨的过去的）前进时的控制性能比较良好。步行原理：根据四足动物的步行原理，建立起步行运动的模型，将四足动物的运动进行简化，抽象出四足运动的基本原理，并制作出了一个理论验证模型，可以实现前进、后退、左转、右转、避障等动作。单足行为每一条腿有两种状态：向前走和向后走，对于每一个动作状态来讲，分为两步：迈腿和收腿。这两步连续不断的循环，设其周期 为 T，迈腿的时间为收腿时间的1/3，为整个周期的1/4，这个动作对于每条腿都是一样的：每相邻的两个抬腿动作之间的相位差为1/4周期，由此可得出机器人在行走式的四条腿之间的时序关系，如图 所示：图 四条腿之间的时序关系四足协调机器人要实现稳定的行走，必须保证每时刻都有三条腿着地，而另外一条腿用来行走。全部行走的奥秘在于当一条腿抬起来时，其它三条腿是同时着地并且向后退的，这样，机器人把抬起的腿向前迈一步再放下，就走完了一步，之后轮流迈其它的腿，机器人就可以连续向前走了。各种动作顺序如下（四条腿分别记为右后、右前、左后、左前，每条腿向前迈记为“”，向后迈腿记为“”）：前进：右后 右前 左后 左前；后退：右后 右前 左后 左前；左转：右后 右前 左前 左后；右转：右前 右后 左后 左前。各条腿动作的时序关系如图 所示。选择不同的动作顺序则可以实现不同的行走方式。关键技术的分析与实现整体运动框图：2程序执行框图：前进与后退运动的实现：四足机器人最重要的是要协调好它的行走，但是想要协调好它的四肢的迈步情况较其他的多足机器人难。在反复观察动物行走以及仔细考虑机器人自身的特点后，我们觉得让机器人按以下方式行走是比较恰当的:先让机器人两侧相错的腿同时抬起，然后迈步，再把腿放下。例如：先迈右前、左后腿，机器人的腿原先处在状态1，进行一次迈腿过程后，两条腿处于状态2的位置，当迈左前、右后腿时，右前、左后腿就由电机驱动返回状态1，因为右后、左前腿着地，左前、右后腿迈出离地，此时身体就会向前移动，达到了“行走”的目的。由于机器人的四肢迈步衔接的较为紧密，很大程度上避免了机器人走路时的不稳定。同理，后退时，腿的状态由状态2开始向状态1运动，然后依次循环。 转弯运动的实现：转弯的原理是：当右边两条腿前进时，左边的两条腿向后退，这样就实现了左转的目的，同样的道理，当左边的两条腿前进的时候，右边的两条腿后退，这样就实现了右转的目的。总结以上分析，其实前进、后退、左转和右转只是四只腿不同的迈步方式，只要协调好四条腿是向前迈还是向后迈就可以调整好机器人的行走运动了。 目标的识别：我们设计的机器人的任务是让搜索来到身边的事物，当然这离不开感应器的帮助，在这个机器人上我们安装了一个红外光电反射式感应器，让它寻找目标,还装有一个测距传感器用它来控制机器人和目标物体的距离，使得机器狗能发现并报警。在控制系统方面我们采用分布式控制，即每条腿上有一个单片机信号来控制本条腿的动作，有一个中央控制中心负责给各条腿发送控制信号，协调各条腿之间的动作。同时中心还接收来自感器传来的信号，辨别是否有障碍物在前方，以采取不同的行走方式，达到避障的目的。传感器：普通的人体传感器采用的原理都是检测人体发出的红外线，机器狗采用的原理是检测可见光的光点，以及光强度的变化量。这一方法仅使用于运动物体。另外存在缺点，比如窗帘摇晃也有所反应。避障系统：机器狗在行进过程中，会遇到墙角，桌子腿等其他障 碍物，怎么才能顺利避过这些障碍继续前行呢？这些是必须考虑的。超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现等优点，被广泛用作测距传感器，以实现移动机器人避障、定位及环境建模等。本超声测距系统用于移动机器人避障，采用渡越时间法测距，即D=ct2，其中D为移动机器人与被测物之间的距离，c为声波在介质中传播速度，t为超声波从发射到返回的时间间隔，即渡越时间。该测距方法主要是测量渡越时间t。在这里测距主要是用于移动机器人避障，测距精度要求不是很严格，因此忽略温度对测距的影响，一般认为c为常数，通常 取c=340ms。本超声测距系统共有8对超声波传感器，分为3组。第1组4对传感器，其中2队置于正前方，1对置于左前方，1对置于右前方；第2组2队传感器置于正左方；第3组2队传感器置于正右方，分别用于探测各自方向上障碍物的信息。在硬件设计上，采用上、下位机结构，下位机主要完成测距数据的采集处理，上位机则根据下位机采集的距离等数据完成复杂的避障算法。下位机采用AT89C51单片机对8路超声信号进行循环采集，并将数据送到数据缓冲区存储，同时还把所采集的距离数据及时传给上位机。上位机采用PC机，一旦下位机有数据发送就立即启动中断接收子程序接收。上位机与下位机通过RS一232串行口相连。在软件设计上，下位机采用MCS一51单片机汇编语言完成，上位机采用C语言编程。该测距系统结构框图如图1所示，测距系统主要由超声波发送、接收、计测时间、单片机控制等部分组成。室内自主式移动机器人的基本控制结构对于自主能力要求较高的室内移动机器人，模型匹配是主要的定位方法，机器人完全靠自身配置的传感器和先验环境信息进行定位和导航。这类机器人的通用控制结构$&如图% 所示。整个系统可分为环境感知、地图匹配、位姿估计、轨迹规划及运动执行五个部分。机器人在接受任务后，首先需要进行全局路径规划，应用线段、圆弧或样条曲线拟合运动路径，形成一系列运动曲线段，然后依据规划的路径，在每一段运动曲线上进行局部轨迹规划，实时生成参考运动轨迹，在遇到障碍或异常碰撞时需要在当前位置重新规划路径及运动轨迹，产生参考运动状态! ( 及驱动控制输入信号)输入机器人运动控制器。传感器测量并识别环境特征信息，经过特征提取后与先验环境地图进行匹配，然后结合里程计测量信息进行实时数据处理及必要的信息融合，利用有效的位姿估计算法，产生更加精确的当前位姿估计，与参考输入信号进行比较，形成闭环控制，修正机器人的位姿状态。为了提高运动性能，控制系统中加入了动力学补偿控制算法，增加了系统运动的稳定性。基于超声波测距的路标定位移动机器人首先凭借自身的概略位姿确定路标的位姿，当移动机器人识别到这些路标后，通过传感器测量机器人与这些路标的距离与方向，再通过三角法等几何运算获得移动机器人的位姿。此法的关键是移动机器人必须能够识别这些路标。 使用主动超声作为路标，即在一个室内环境的六个位置放置超声波发射器并依次发射，移动机器人装有8 个超声波接收器，组成一个环，间隔45度。移动机器人和超声波路标的距离通过两点间距离公式计算，方向使用反正切函数得到，将距离和方位测量融入EKF 公式，再结合DR给出的运动模型来估计移动机器人的位姿。娱乐功能的实现语音识别在机电一体化领域中，语音识别技术是当今倍受瞩目的技术之一。若能通过语音识别技术实现通过一个开关控制玩具的启动、停止，首次下载程序后或按下重录键可以进行语音命令训练。训练内容有：前进、后退、变速、温度。 用户发出“变速”的命令时，小狗可以做出相关响应，将电机的转度改变。 用户发出“前进”或“后退”的命令时，小狗会做出前进或后退的动作。同时相应的发光二极管会点亮。 在前进过程中如果遇到障碍物，小狗会发出“汪汪汪”的狗叫声，并停止运动。 用户发出 “演奏” 命令时，小狗会进行大合唱。硬件组成框图如图所示：主要由电池盒、61B板、传感器组、电机控制电路、电机、显示电路等部分组成。图 硬件框图按键触摸系统硬件结构框图如图 2.1所示：主要由按键输入电路、触摸键输入电路、直流电机驱动电路、光敏器件输入电路、单片机最小系统等部分组成。 图 2.1 系统整体框图 整个系统工作于4.5V电压下，由3节5号电池提供4.5V电压，经过SPY0029稳压到3.3V为单片机系统供电。整个系统在无操作时，处于睡眠状态，当3个按键、2个触摸键被触发时，睡眠被唤醒，进入相应的操作，执行完操作后1分钟内无任何按键触发，则再次进入睡眠。光敏器件在睡眠前不断采集光线强度，如果跟环境光线有较大变化，则会进入语音识别模式，MIC、直流电机、扬声器则是各动作的相应辅助器件。 触摸键输入电路 触摸键主要由555集成电路来实现，其原理如图 3.2所示，左边的触摸片为金属铜片，正常情况下，人本身会产生幅度为80100mv的正弦波电压，当人手触摸到金属片时，产生的感应电压叠加在偏置电压上(偏置电压设置在0.6V)，使得三极管导通，触发555集成电路使之3脚产生单稳态输出，从而系统从睡眠状态被唤醒。IC输入电路和扬声器输出电路 MIC采用驻极体电容话筒，这种话筒具有灵敏度高、无方向性、重量轻、体积小、频率响应宽、保真度好等特点。SPCE061A内置专门用于语音信号采集的具有自动增益控制放大器（AGC）的麦克风输入通道（MIC_IN）。语音信号经麦克风转换成电信号，由隔直电容隔掉直流成分，然后输入至内部前置放大器，最后通过ADC转换成数字信号。扬声器采用一般的喇叭，电压不超过5V。凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过 AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，61板自带音频放大电路，所以外接一喇叭即可。 主程序流程及说明 整个系统的外部输入包括：按键、触摸键、感光控制及语音控制，其中语音控制需等到感光唤醒之后才能进行。当各控制键触发后，系统从睡眠状态唤醒，通过判断标志位，进入相应的处理子程序，之后在主程序中不断检测，1分钟内若无任何操作，则再次进入睡眠状态。具体程序中，通过判断gKeyDoubleUseSign的值来确认执行何种操作，当为1时，进入键处理子程序；为2时，进入复用键处理程序；为0时，不执行任何操作，认为是出错或出现异常情况。在键处理子程序中，根据标志位gKeyID来判断进入哪一个处理程序，如表 4.1所示。 gKeyID的值 对应处理 1 左手按键处理 2 背部按键处理 3 脸部触摸键处理 4 肚部触摸键处理 5右手按键处理 0 异常情况 主程序包括端口的初始化，提示语音的播放，主循环以及进入睡眠状态前中断的初始化、端口的初始化。主循环包括：键扫描，判断标志位及相应子程序，AD转换及比较。端口的初始化包括A口和B口的初始化，A口的IOA0IOA4设置为带唤醒的下拉电阻输入，IOA6设置为悬浮输入的光敏器件输入端；B口的IOB9设置为低电平输出，作为TimerA脉宽调制输出；其余未使用的端口设置为低电平输出。提示语音的播放即“您好”的播放，主要应用于系统重新启动以及复位键的触发，在这里，复位键既可当一个功能按键来使用，也可以在系统无反应时当作重启键来使用。 进入睡眠状态前的系统初始化包括：端口A口的重新初始化，保证系统运行的可靠性；唤醒中断的允许、开中断；睡眠信号的写入。 其主流程见图 4.1： 图 4.1 主程序流程图4.2 S480语音播放子程序 SACM-S480自动方式程序流程如图 4.2：图 4.2 SACM-S480自动方式程序流程4.3 语音的识别及训练程序流程图 语音的识别取材于凌阳语音库bsrv222SDL.lib及相关头文件，如bsrSD.h。SPCE061只有特定发音人模式，即只能辨识特定的使用者，辨识前需由单个人训练，且最多识别6条命令，序号范围从0x100到0x105，每条命令只有1.3秒，超出了1.3秒只有前1.3秒命令有效。在本系统中，利用通过光敏电阻的暗电阻较大，分压值也较大的原理，产品触发后通过AD采样，与原环境光线采集值比较有较大变化时，置标志位，从而在主循环中进入识别模式。而训练模式通过左手按键经IOA0触发，训练模块和语音识别框图如下所示： 图 4.3 训练模块图 4.4 语音识别框图在辨识主循环中，辨识得到确认后就可以执行相应的处理子程序，整个流程如图4.5所示。 图 4.5 语音辨识处理子程序4.4 按键动作执行子程序 当外部输入的按键、触摸键触发时，进入睡眠唤醒中断。在中断中获取光敏器件采集到的AD值，主程序中扫描键盘，将取得的键值写入gKeyID，再根据gKeyID寄存器来判断到底进入哪个子程序。具体的执行子程序如下各图所示： 图 4.6 左手按键处理子程序图 4.7 背部按键、肚子上触摸键处理子程序图 4.8 脸部触摸键处理子程序图 4.9 右手键处理子程序 在实践中提高自己 -谈 作本次机械设计课程设计的心得体会作为一名机械系，机械设计制造及自动化大三的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。在已度过的大三的时间里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次大作业的过程中，我感触最深的当数查阅大量的设计手册了。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅机械设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在作设计，但我们不是艺术家。他们可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是工程师，一切都要有据可依.有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，由于本次大作业要求用Solid works 制图、PROTEL绘制电路图、VC+编程等，所以我们还要好好掌握这几门软件。虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率好高，记得大一学CAD时觉得好难就是因为我们没有把自己放在使用者的角度，单单是为了学而学，这样效率当然不会高。边学边用这样才会提高效率，这是我作本次课程设计的第二大收获。但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。 谈谈我的意见和建议： 首先，我觉得老师给我们作类似的课程设计是十分必要的，这不仅可以提起我们对这门课的学习兴趣，同时还可以在专业上用实践锻炼一下我们，使我们不但不在对所学专业感到陌生，而且还可以培养大家的积极性。其次，我觉得应该培养我们的团队合作精神，让几个人一起作这样的课程设计我想会更好的发挥我们的特长。结语 使用SPCE061A进行智能玩具的开发具有明显的优势。该单片机具有DSP的功能，在此基础上可以实现语音识别、语音播放等算法，与专用语音处理芯片相比具有结构简单、成本低廉等特点。而现成的语音API函数也大大加快了产品开发的进程，提高了效率。IOB8、IOB9的PWM功能使得电机控制非常的容易。由于功能比较简单，很多IO口和内部资源没有用到，本产品外围还可以增加多个传感器以实现障碍物的智能躲避或目标的跟踪等。参考书目雷思孝、李伯成、雷向莉，单片机原理及实用技术凌阳16位单片机原理及应用 陕西：西安电子科技大学出版社AT89S51系列单片机原理与接口技术单片机原理及应用机械设计手册 USB接口设计 串口技术 8051单片机C语言控制与应用 单片机应用技术选编附录 Scope of CAD/CAMComputer-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 , manage , 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 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 , including 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 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 manufacturing 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-aided 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 on . 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 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 items 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 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 the 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 time 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 (CIM) , 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 integration . 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 planning 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, 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