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机器人技术结课竞技体操机器人.docx
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机器人技术结课竞技体操机器人.docx
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摘要
体操机器人是仿人型机器人里的一种,也是研究仿人型机器人的基础。体操机器人不
仅能够提高我们的动手能力和实践能力,还能增强我们的创新意识和创新实践能力,锻炼
我们的综合素质,让我们更热衷于科学技术的研究。本体操机器人以十自由度为基础,能
够完成摆手、滚翻、俯卧撑、侧翻、倒立等多项高难度动作。它具有多自由度并集成了现
代化控制技术、人机交换技术等机电一体化技术。目前体操机器人主要用来供人们娱乐欣
赏使用,它在人们的生活扮演着越来越重要的角色。
此次设计的体操机器人主要由机械结构和控制系统组成,首先机械结构设计,根据制
作材料、舵机型号初步设计出体操机器人的机械外形,然后在 SolidWorks 下对机器人进行
虚拟三维建模,对存在的问题进行修改。最后对其进行运动学仿真和运动学分析。检查是
否能够完成指定的动作,对速度、加速度、位置能问题进行分析。再次是控制系统设计。
控制系统的硬件以飞思卡尔公司的 MK60DN512ZVLQ10 芯片为核心,在 Altium Designer
Winter 09 软件中开始设计体操机器人的控制电路。经过系统调试,通过上位机软件实现
对机器人的控制。采用嵌入式 C 语言,设计和调试程序,最终使机器人能过自主完成体操
动作。此次比赛的创新之处在于不仅能够完成指定动作,还能完成打排球能高难度动作。
关键词: 体操机器人;舵机;十自由度;SolidWorks;Altium Designer
Gymnastics robot
Abstract
Gymnastics robot is a kind of humanoid robot, which is the basis for the study of humanoid robot. Gymna
stics robot can not only improve our manipulative ability and practice ability, but also can enhance our innovat
ion consciousness and innovation ability, which exercise our comprehensive quality and let us more interest in
the study of science and technology. On the basis of 10 degrees of freedom, the robot can accomplish a numbe
r of difficult moves such as motioning with his hand, rolls, push-ups and side turn. It has more degrees of freed
om and mechanical and electrical integration technology such as the modern control technology and man-mach
ine exchange technology. Nowadays gymnastics robots are mainly used for people to appreciate the use enterta
inment, and it will play a more and more important role in people's lives.
The design of the gymnastics robot is mainly composed of mechanical structure and control system. First of
all, the mechanical structure design is the most important part, according to production materials, steering gear
model, gymnastics robot's mechanical shape is designed. Then, under the SolidWorks the virtual 3D modeling
is designed, the existing problems of the robot is modified. Finally, the kinematics simulation and kinematic an
alysis are carried. Besides, we check whether it can complete the specified action and analyze the problems of t
he speed, acceleration, position. Again, the control system is designed. Hardware of the control system is Frees
cale company's MK60DN512ZVLQ10 chip, in Altium Designer in Winter 09 software, we began to dance rob
ot control circuit design. After the system debugging, through the PC software we control the robot. Using em
bedded C language, program design and debugging, we eventually make robots independently complete the gy
mnastics movements. Innovation is not only able to complete this match specified action, but also to complete
difficult moves, such as playing volleyball.
Keywords:Gymnastics robot;Steering gear;Ten degrees of freedom; SolidWorks;Altium Designer
目 录
1. 综述................................................................................................................................1
1.1 课题的研究目的及意义 ..........................................................................................1
1.2 机器人研究发展现状 ..............................................................................................1
1.3 比赛相关内容及分析 ..............................................................................................2
2. 系统整体设计................................................................................................................2
2.1 竞技体操机器人机械部分材料分析 ......................................................................2
2.2 动力元件分析 ..........................................................................................................3
3. 机械结构设计................................................................................................................4
3.1 体操机器人的整体设计 ..........................................................................................4
3.2 机器人的零件尺寸形状设计 ..................................................................................5
4. 竞技体操机器人控制系统硬件介绍............................................................................7
4.1 K60 核心板图 ...........................................................................................................7
4.1.1 K60 核心板图 ................................................................................................7
4.1.2 晶振模块 .......................................................................................................7
4.1.3 复位模块电路图 ...........................................................................................8
4.1.4 JTAG 接口电路 .............................................................................................8
4.2 舵机控制电路 ..........................................................................................................9
4.2.1 核心板控制舵机的接口布局图 ...................................................................9
4.2.2 舵机驱动电路 .............................................................................................10
5. 系统开发调试..............................................................................................................11
5.1 机器人调试模式 ....................................................................................................11
5.2 机器人动作运行模式 ............................................................................................12
6. 结论..............................................................................................................................13
参考文献 ...............................................................................................................................14
1. 综述
1.1 课题的研究目的及意义
当今 21 世纪是科技快速发展的时期,机器人研发面临着各种困难。它是计算机工程、
机械电子工程、控制工程、电气工程和材料工程等多学科相互交汇融合的综合性技术,它
在人类的生产和生活活动中发挥的巨大的作用,是人类生活中的必需品。它代表着当代最
新科技水平。但是机器人学无疑是当代最具影响力的产业之一。它集中了多门学科的技术
核心,代表着机械与电子行业的最高成就。自上个世纪七八十年代以来,机器人被应用到
工业发展中已经有着不可替代的意义。机器人可分为仿人机器人、工业机器人等,其中仿
人机器人又分为体操机器人、竞速机器人等。如今的机器人类型多样化,被应用于不同领
域的不同工作。机器人代替人类工作,不但提高了工作效率,还可以应用到一些人类无法
接触的危险工作环境中以保护类安全。而今,全球有近一百万台各种类型的机器人正在运
行,并成为了一个具有强大活力的新兴产业。大量的机器人从事着人类生活和生产的各个
领域的工作,体操机器人便应运而生。
体操机器人的课题研究是近代衍生的一门学科,有接近四十年的研究历史。在这四十
年来,体操机器人的课题研究经历了一个跌宕起伏的过程。在国内的很多机器人大赛中,
都可以看见它的身影。它的功能是能够模仿人类完成一系列动作,包括翻滚、倒立、侧翻
等。体操机器人自由度高、精度高、能耗低、装配容易、控制方法多样。主要参考人类的
身体结构对其进行结构设计。与其它品种机器人相比,这种机器人有很多特点。它有很强
的环境适应能力,很高的灵活性,可以应用于服务业等。研究体操机器人,这有利于普及
机器人技术、提高学生的科技素质。
1.2 机器人研究发展现状
目前体操机器人的研究主要有欠驱动单杠体操机器人的研究,国外很多采用 Acrobot
的欠驱动两杆体操机器人模型。Acrobot 是一种具有 2 自由度和 1 主动关节的二连杆机器
人,它能简单粗略的模拟体操运动员在单杆上的摆起、倒立、大回环等动作。
国内主要为各种类型的复杂人形机器人的研究,可以实现体操动作。各大高校通过各
类机器人比赛来展示自己的研究成果,同时交流技术,促进体操机器人的发展。
在国外,制造业机器人取得了辉煌的发展,在工业界里得到了普遍应用并广受好评,
因此形成了许多有着非常影响力的企业。如德国的库卡、奥地利的威猛、瑞士的 ABB、日
本的安川和车乐美等。这方面的权威人士说,机器人产业是继汽车、计算机产业之后又一
个重大的,新兴的高科技产业,并一定会像汽车、计算机一样普及大众。但是目前无论在
生产、使用还是出口方面,日本始终占据着第一位,当今日本具备拥有一百三十多家专业
的机器人研发生产企业的能力,并且这些机器人强国发展的势头依然没有减弱。
我国机器人行业起步较晚,与那些机器人发展大国的差距还是较大的。二十世纪七十
年代国家才开始有自己的机器人工业,七五期间我国政府开始扶植机器人行业,实现了自
己国家的工业机器人的整套技术的发展目标,出现了许多类型的机器人,比如:爬坡、喷
涂、电焊等。近年,国家在制造业的机器人和机器人机械化生产线以及与机器人相关的工
程项目、还有与其附加产业的年产值达到了五亿元。体操机器人在机器人领域是重要的一
部分,党和政府在体操机器人方向加大了发展力度。每年,国内举办很多相关竞赛来促进
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