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1. 根本组成局部概述

1.1 机械构造局部

【机械臂主体构造】

机械臂主体全手工制造，由15种零件，合共25件零件构成，其中包括3根规格不同的轴，2种规格不同的轴承算计5个，支架1种合共2件，支座1种合共1件，第一级机械臂1种合共2件，第二级机械臂1种合共2件，第三级机械臂1种算计2件，机械臂间衔接件3种共4件，轴固定件2种算计4件，另有用于各个零件间固定的角铁算计8件。其中除轴承外均为铝合金制件，机械臂手臂局部由平行铝合金板构成双立式构造，第三级机械臂共有两边，辨别可自在活动，其由单块铝合金板组成，一端直接与舵机相连，另一端固定鼓棒。轴分为竖直轴与程度轴，竖直轴与步进电机相套，程度轴由轴固定件与轴承辨别衔接各级机械臂。

全体出现单支双臂式构造，合共有5个自在度，其中3个自在度有电机驱动，其中位于底座下方的步进电机用于转动，而位于第二级与第三级机械臂之间衔接的舵机用于带动第三级机械臂转动。铝合金板零件之间运用自制淬火角铁停止固定，防止对铝合金制件停止钣金任务，以减低本钱和制造工夫；轴与铝合金工件之间采用轴衔接件与轴承混合固定的方式停止配合与固定。全体机械臂合共运用了将近200g的螺丝与螺母，次要用于角铁与铝合金板件的紧固处置，另外也有运用大批紧固螺钉停止轴与固定件或许电机之间的固定。舵机下面也装有四个带有齿孔的固定件，用于夹持第三级机械臂。（详见图1.1）

图1.1 机械臂主体构造实物图

【底座构造】

机器人底座由2块平行无机玻璃构成，其中由4根螺柱衔接2块玻璃板。面板装有轴承，经过轴承自带的小孔与无机玻璃地板停止螺丝固定。底板经过角铁夹住步进电机，使步进电机本身不能转动，竖直轴穿过轴承与步进电机相连，竖直轴底部为空心处置，并且使电机轴套入竖直轴中，并运用紧固螺钉停止两者的固定。面板同时有9根固定螺钉，用于支撑鼓。2块底板之间的空间用于放置主控制电路电路板PIC，步进电机驱动及其中一个电源。（详见图1.2及1.3）

图1.2 底座局部外部实物表示图

图1.3 底座局部全体实物图

1.2 电子电路局部

【全体电路零碎】

整个机器人的电路零碎由3个次要局部组成辨别为由PIC组成的主控制电路，由声响传感器与触碰开关组成的子控制电路，以及由单片机控制的电机及其配套电路，其中电机及其配套电路又细分为舵机的直接控制与运用步进电机驱动电路停止对步进电机的控制。

【主控制电路】

机器人主控制电路由开发板和最小零碎板组成，开发板次要结构包括有PIC单片机，时钟电路零碎，蜂鸣器电路，复位电路零碎，配套的LED灯显示零碎，数字显示零碎，外接数据线零碎等组成（见图1.4），外有与PIC婚配5V电压电源零碎相连，向主控制电路提供波动的电压。应用主控制电路上的排针设备，可以运用电路衔接线衔接各个子控制电路、舵机与步进电机驱动器的相关接口，经过主控制电路接纳子控制电路的反应信息，经过对应的判别向舵机、步进电机输入相应的脉冲，控制电机运动。其控制流程如下：

图1.4 主控制电路控制流程表示图

【子控制电路】

机器人子控制电路由手工制造的电路板组成，其中子控制电路又分为声控子电路与触控子电路；其中声控电路局部次要由声响传感器及指示灯零碎构成，可以接纳环境变量中的声响重量，经过调理可变电阻可以使声响传感器接纳适宜范围的声强，并经过整波电路与缩小电路将相关的信息传递到单片机中；触控电路次要局部由触碰开关构成，触碰开关将在设计中外接，经过击打触碰开关，使开关经过电流，经过电流后全体经过各类比拟器、缩小器、整波元件完成向PIC单片机输入有高电平经过的信息功用。其控制流程如下所示:

图1.5 子控制电路全体表示图

【步进电机驱动电路】

步进电机驱动电路为现成集成模块，内部与15V电压相连，逻辑电源接单片机VCC，经过单片机输入脉冲完成一定角速度转动，同时由DIR（方向）接口决议步进电机转动方向，FREE（使能）接口决议步进电机的启动与中止速度。

2. 根本功用概述

【击鼓功用】

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机器人经过第三级机械臂及其衔接的鼓棒完成击鼓的功用，其中第三级机械臂由舵机带动，调理舵机的上下电平延时工夫完成对舵机的转速、击打力度的控制，经过上下电平输入的循环完成转角的控制，同时调用相关的顺序，使机器人可以依照一定的节拍或许现场示教人员的指示停止有规律的击煽动作。

如下图所示，机器人当给予舵机延时2400us的高电平以及20ms低电平的脉冲信号（详见图3.5）并且将该顺序循环40次，舵时机从图1.9所示地位A挪动到图1.10地位B,同时经过第三级机械臂、舵机本身、鼓棒构成一个三级构造，击打鼓，使鼓收回一定的响声；而当给予舵机延时600us的高电平以及20ms低电平的脉冲信号（详见图3.7）并且将该顺序循环40次，舵时机从图1.6所示地位回复到图1.5所示地位，并且经过其本身的机械零点停止回复。

经过单片机事后编写的顺序或许示教的形式，机器人依照一定的规律停止击鼓，其击鼓的频率约为0.7-1.0秒/次，其中下行工夫约为0.3-0.5秒，下行工夫约为0.4-0.6秒，经过调理左右舵机输入不同的脉冲信号，可以完成交替击打（见图1.7，图1.8），交替极大可以完成全体机器人均匀击鼓频率在0.3-0.5秒/次，而经过双臂仅能同时使全体机器人的击鼓频率在0.8-1.0秒/次左右。

而步进电机可以使机器人经过本身的转动，击打到不同地位的鼓，经过对步进电机的输入脉冲的个数停止控制，依据步矩角实际则可以使步进电机转动一定的角度，经过计算可以测反击打左侧两个鼓与击打右侧两个鼓需求转动的角度，即循环的次数，使步进电机转动要求的角度，并且完成击打的鼓的机械转换。

图1.6 击鼓功用控制流程图

图1.7 机器人同步击打A地位实物表示图

图1.8 机器人同步击打B地位实物表示图

图1.9 机器人异步击打实物表示图A

图1.10 机器人异步击打实物表示图B

【离线编程功用】

经过在事后在PIC单片机中离线编写好的顺序，顺序中停止对舵机与步进电机的脉冲信号输入，其中包括有舵机的异步控制办法、同步控制办法以及步进电机的控制；异步控制办法为单片机对两个舵机中的一个输入脉宽为2.4ms的高电平和20ms低电平而对另外一个电机输入脉宽为0.6ms的高电平和20ms（详见图1，13），循环一定次数之后交流两个电机的输入脉冲（详见图1.14），这样两个舵机将会呈现一个左侧机械臂下行同时右侧机械臂下行，然后左侧机械臂下行右侧机械臂下行的交替击打；同步控制办法为PIC单片机对两个舵机同时输入脉宽为2.4ms的高电平和20ms的低电平（详见图1.15）循环一定次数之后同时再输入脉宽为0.6ms的高电平和20ms的低电平，这样两个舵机将会呈现同时击打同时复位的状况。步进电机运用占空比为50%的上下电平调控，可以完成一定的步矩角的转动。

离线编程零碎经过屡次反复地不同地调用舵机异步控制、舵机同步控制、步进电机控制的子顺序，可以完成机器人在步进电机一边转动一边舵机同步击打、步进电机一边转动一边舵机异步击打，步进电机停动同时舵机同步击打、步进电机停动同时舵机异步击打四种次要状况，经过交替、屡次、反复、并排运用这些子顺序和状况，可以使机器人全体在围绕三个鼓之间停止屡次的来回往复击打，同时可以停止左右臂同时击打（见图1.7，图1.8）和左右臂交替击打的控制(见图1.9，图1.10)。

图1.11 两舵机异步控制脉冲信号表示图A

图1.12 两舵机异步控制脉冲信号表示图B

图1.13 两舵机同步控制脉冲信号表示图

【示教功用】

经过在声响传感子控制电路，经过可变电阻调整声响传感器的接纳范围，可以辨认现场的声响，机器人经过从子控制零碎反应的声响信息，可以实时输入相应的舵机同步控制脉冲信号，舵机同时击鼓，机器人跟随声响停止运动；经过触感子控制电路，可以辨认人能否对示教的模仿鼓停止击打，假如是则输入相应的脉冲信号使一侧舵机停止跟随运动。

二、目的与意义

1. 创作意图与灵感来源

【创作意图】

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大白菜作为一个击鼓机器人，其次要功用并不局限与击鼓。我们创作这个机器人的意图是作为后续项目的后期制造，对后续项目中运用到的机械手停止实际的论证，以及对其停止局部制造，大白菜是后续项目中机械手的简化版本，我们也在大白菜上预留足够的空间以及添加电机的空间，用于日后在项目中对其停止改装与添加自在度。

【灵感来源】

大白菜的灵感来源于多个方面：

（1）、根本构造：为了顺应后续项目中的仿人式机械手而采用的单支双臂式构造，第一级机械臂与第二级机械臂也采用与人类似的设计；

（2）、根本功用：由于在竞赛中强调可展现性，强调可以调动现场氛围的才能，因而简化了原有纪录位姿的功用，单纯采用单片机的控制而取消对电机转角、转速的测量，从而萌发使机械手停止击煽动作的设计；

（3）、附加功用：包括声响控制与触感控制，则源于在最近完毕的上海世博会中在上海企业结合馆中的等候区节目，第一个为由观众现场的拍掌，使场馆的LED灯依据现场拍掌的节拍而闪亮，第二个为由现场观众喊出相应的字母，机器人捡起对应的箱子，仿照这2个节目我们设计出经过现场观众拍掌的声响控制机器人以及经过现场击鼓的展现使机器人纪录示教人的击打信息偏重现的附加功用。

2. 项目目的

（1）、作为一款参与机器人竞赛展现类的机器人，该机械臂可以停止根本的击煽动作；而在附加功用上，则经过不同的传感零碎，记载示教人员的击鼓节拍，并在示教完成之后机器人可以重现该击鼓的举措以及节拍。

（2）、作为一种单支双臂式的机器人（机械臂），其仿人的设计用于作者对该实际的一种验证，经过对仿人的设计，使机械手可以模拟人的运动，而大白菜仅是作为对前期仿人机器人的设计与制造的一个后期步骤停止相关的研讨与制造。

（3）、作为一个预留了少量改良空间的机器人，该机器人可以在多个方面停止不同的改良，包括预留添加自在度的地位，添加电机的地位，添加编码盘测量电机转角转速，缩减底座面积等多个改良方向，经过不同方面改良可以为日后研讨机器人（机械臂）的运动、仿真、测量、多机器人协作等扩展功用提供了少量的理想数据、机器人实体和空间。

3.项目意义

（1）作为大赛的参赛作品，本机器人的最大功用与意义在于可以完成最根本的击鼓功用。并在击鼓功用的根底上添加附加功用，完成以离线编程形式与示教形式控制机器人的功用。可以为观众带来对机器人的一种新的感受，一种新的乐趣，并且让更多观众参与到机器人当中。

（2）作为一种单支双臂式的机器人（机械臂），本机器人的意义在于可以经过舵机对其控制，完成击鼓的功用；同时，也是作为对该类机械臂的构造的一种新考虑的理论与验证。

（3）作为一个预留少量改良空间的机器人，本机器人的意义在于为后续的设计与制造提供少量的理想数据与机器人实体，并且为日后的各个探求方面的选择提供了更多的参考数据材料，可以使日后项目组成员的后续探求设计更为完善与周详。

4. 可行性总结

【技术可行性】

表1 探求进程中使用的技术及运用范围

使用范畴

技术称号

技术功用

机械设计

CAD制图

交付制造机械臂主体

三维建模软件

根本表示及大致剖析

普通力学剖析

测算自在度受力

机械制造

机械加工

制造机械臂主体

普通钳工

组装及固定全体机器人

自动控制

单片机控制

全体机器人控制

电机伺服控制

控制电机以希冀速率、幅度运动

电子电路

传感器

接纳环境变量信息

电路处置

缩小、优化、整理电路信息

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上述各种技术曾经全部成熟及成型，只需求在掌握这些技术的根底上运用它们，并不需求经过自行设计技术来完成；同时并且经过运用这些技术，完成机器人的每个局部细节的处置，就可以最终完成机器人的全体制造与调试，整个机器人的制造中运用的技术都是可行的。

【使用可行性】

本机器人作为一款根本参与大赛的作品，在参赛的使用方面由于其拥有良好的展现性与文娱性，该方面使用是可行的；另外，由于预留了少量的改良空间，即使是在竞赛之后，需求停止多方面的改良，在将来，依然可以运用这个机器人现有的本体作后续的研讨，该方面使用同时可行。

三、技术参数

1. 机械局部

【全体质量与尺寸参数】

（1）、全体质量：2.5Kg

（2）、全体尺寸：40cm X 30cm X 40cm （长X宽X高）

【机械任务参数】

（1）、全体任务最大宽度：49cm

（2）、全体任务最大高度：53cm

（3）、全体任务最低温度：45℃

（4）、全体任务最高温度：-10℃

（5）、舵机任务最大转角幅度：90°

（6）、步进电机任务最大转角幅度：30°

【电机参数】

表2 步进电机的物理参数

步进电机型号

57H46403(带加速)

步矩角

1.8°

最大转动角

360°

相数

相电流

2.4A

静力矩

定位力矩

2.8

表3 舵机的物理参数

舵机型号

TOWER PRO MG945 （辉盛）

静力矩

1.2

最大转速

0.25sec/60°(4.8V)

最大转角

185°

任务电压

4.8-7.2V

【机械臂主膂力矩参数】

（1）、自在度计算

将支架和臂简化为杆件，由于构造对称性，将两舵机旋转副、每个轴的旋转副和两三级臂各只作一个，另外由于有两个旋转副（两个轴所在的旋转副）被限制，因而简化后果如图3.1：

图3.1 机械臂全自在度简化表示图

活动组件n=2高副P =0,低副P =2，自在度为：

（1）

两个自在度辨别由舵机和步进电机控制，满足机构波动要求。

（2）、舵机静力矩校核

取铝合金密度为：

（2）

将三级臂上孔去掉，简化为一实体长方体块，则三级臂体积为：

（3）

由（2）、（3）式数据可得三级臂质量为：

（4）

三级臂重心在其几何中心，间隔舵机旋转轴间隔为：

（5）

敲击棒质量取 ,其重心距舵机旋转轴间隔为：

（6）

当三级臂和敲击棒处于图示程度时,舵机旋转轴所需静扭矩最大，其简化构造图见图3.2

图3.2 第三级机械臂长度简化表示图

可以得第三级机械臂的静力矩为：

（7）

（8）

（3）、全体波动性校核

计算施加在轴2上扭矩

取该局部臂前端角铁和螺钉、舵机总质量m =120g,二三级衔接板尺寸：

（9）

其质量为：

kg （10）

异样当三级臂程度时，如图3.3，所施加的静力矩为最大

图3.3 第二级、第三级机械臂静力矩简化表示图

此时重心距轴为L =100mm，将前端角铁和螺钉、舵机总重心距轴2间隔也取L =100mm

（11）

（12）

取 =0.25

底座圆盘半径R=66mm,厚t=8mm,质量为：

（13）

kg （14）

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假定全体受轴2上扭矩而倾斜，角度很小，则底盘边缘一点与地接触，此时，校验要使全体不倒条件 ,设所需全体局部构造（底盘至轴2间部件）质量为m，其重心在全体中心轴上,如图3.4所示

图3.4 假定构造倾斜受力简化表示图

当倾角a很小时，底座重心、局部构造重心距倾角原点处间隔均为R，列均衡条件：

（15）

k为动载荷扭矩时绝对于静载荷比值，k取大越波动，取2

（16）

由（16）式可得m>0.45kg

应用UG计算得AI已经渗透到了生活中的方方面面。在智能交通领域，人工智能技术也正在发挥作用。实践m约0.70kg,这样在底座、底座至轴局部构造重力力矩作用下，零碎会有摆正趋向，即a变小，可以保证要求，而且在中心轴作用下，全体会更波动不倒

2. 电子电路局部

【声响传感器】

表4 声响传感器模块次要技术参数

尺寸

次要芯片

LM393，驻极体话筒

任务电压

4V-6V

【步进电机驱动器】

表5 步进电机驱动器技术参数与接口

步进电机驱动型号

QDQ241

驱动最大电流

2.1A

驱动最大相数

可选细分数

1/2，1/4，1/10，1/15

任务电压

0-32V

（1）、+COM 接单片机VCC5V，假如接24V，则CP,DIR各串接一个2K电阻

（2）、CP 接脉冲频率输出，决议快慢

（3）、DIR 方向控制，0V反转，空正转，决议方向

（4）、FREE 使能接口，接0V停转，电机自在形态

（5）、A+ A相正输出

（6）、A- A相负输出

（7）、B+ B相正输出

（8）、B- B相负输出

（9）、+DC 接外接驱动电源，9-32V

（10）、接0V

【电源】

（1）、逻辑电源电压：5V

（2）、步进电机驱动外加电压：15V

3. 控制局部

【舵机输出脉冲信号】

图3.5 舵机正转脉冲信号表示图

图3.6 舵机反转脉冲信号表示图

【步进电机输出脉冲信号】

图3.7 步进电机脉冲信号控制

四、运用阐明

1. 常用控制与运用阐明

【罕见按钮与衔接】

图4.1 步进电机驱动与电源衔接方式实物表示图

【运用留意事项】

（1）、防止使机器人在倾斜面上任务，以免从高处跌落形成损坏；

（2）、机械臂运动时请勿用手触摸任务局部；

（3）、呈现电机在通电形态却不任务的状况，请立即切断电源，以免电机损坏；

（4）、声控开关和触控开关为易损部件，请勿暴力操作；

2. 形式运用阐明

声控形式适宜一切用户运用，运用时将机器人摆在平台上，平台面积应足够大，以确保机器人击鼓时发生的震动不会使机器人跌落平台。反省电路衔接能否有断线、短路。确保无误后接通电源，人站在左近1m处，双手合拍，察看机器人能否呈现敲煽动作，假如机器人没有反响，则掌声可以拍大一点，直至察看到机器人执行敲煽动作。若此时让机器人击鼓所需掌声还比拟小，人可以离机器人举措远一点拍掌察看机器人能否敲鼓。这样即可调理坏人运用该机器人的掌声大小和间隔范围。每次拍掌机器人会敲鼓一次，也可延续拍掌，但延续拍掌时速度不可过快，以留机器人反响工夫。拍掌频率掌握好后，人可以改动拍掌频率，机器人则会以相反频率做反击煽动作。假如人依据一首歌曲节拍延续拍掌，机器人将记忆该节拍并在人拍掌后击鼓重现该节拍，从而完成文娱功用。运用终了后应及时封闭电源，以免电路元件发热影响机器人运用寿命。

【触感形式开启与运用】

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触控形式可以适宜一切用户运用，运用时将机器人摆在平台上，平台面积应足够大，以确保机器人击鼓时发生的震动不会使机器人跌落平台。反省电路衔接能否有断线、短路。确保无误后接通电源，单手触摸一下左臂上任一个触摸开关，察看机器人左击鼓手能否执行击煽动作。异样方式反省右手击鼓功用能否正常。若左右击鼓手均正常，则可以每次触摸机器人任一击鼓手上的触摸开关，使机器人执行击煽动作。也可同时双手触摸两击鼓手触摸开关，左右击鼓手同步执行击煽动作。人可以经过调整触摸频率、触摸地位来使机器人打出富有旋律和动感的击鼓声。运用终了后应及时封闭电源，以免电路元件发热影响机器人运用寿命。

【再离线编程功用运用】

再离线编程功用次要由初级用户运用。运用时请将电路的次要衔接线全部移开，使PIC单片机所在的主控制电路板独立出来运用，并同时翻开您的电脑，调试您电脑的串口线或许其它烧录PIC单片机的设备处于正常任务形态。在确保您可以向单片机烧入顺序的状况之下，您可以开端编写顺序，我们建议运用罕见的KEIL软件停止单片机顺序的编写和项目的树立和调试。顺序由次要几个局部组成，我们建议您尽量不要对我们附上的顺序的次要构造、零碎、头文件、舵机和步进电机的延时工夫等方面停止更改，否则会招致机器人的某些局部或许全体无法任务；请您对如各个舵机、步进电机的子顺序停止某些次第的变化，或许对舵机的循环次数停止修正，这样可以依据您的爱好，调理机械臂的包括击鼓的转动角度范围、步进电机的转动范围以及舵机交替击鼓与同步击鼓的次第停止调整，使机器人的扮演愈加具有您团体的特征。运用该功用的时分请您特别留意PIC单片机的数位与存储范围。完成烧录之后将电路重新接回，开启离线编程形式之后机器人就可以按您的设定停止运动。

3. 罕见成绩与处理

【罕见成绩及处理QA】

（1）Q：为何通电之后PIC单片机指示灯不亮，同时驱动器指示灯微亮？

A：请您确定您曾经给两个电路接入正确的电压，PIC单片机接的是5V的逻辑电压，电机驱动器接的是15V的外加电压，假如二者弄反了，能够会招致逻辑电路烧坏的状况。而驱动器在低于9V的电压条件下不能拖动步进电机任务，因而请保证您曾经为机器人接入正确的电源。

（2）Q：我曾经接入正确的电源，为何舵机不能任务？

A：请您确定您如今运用的形式是什么，假如您运用的是离线编程形式，能够是由于PIC单片机内没有预设的顺序，或许是您在本机器人再离线编程零碎运用中给舵机输入的脉冲信号不正确，本舵机运用的是伺服控制技术，高电平延时2.4ms，低电平延时20ms为舵机正转，高电平延时0.6ms，低电平延时20ms时为舵机反转，一但延时工夫缺乏，能够招致舵机不能任务；假如您运用的是声控形式或许触控形式，请确定您曾经正确开启这些形式，经过声控零碎指示灯和触控零碎指示灯可以判别零碎能否接纳到您所击打的信号。

（3） Q：我曾经接入正确的电源，为何步进电机不能任务？

A：请您确定你给步进电机输入的脉冲是正确的，假如您运用再离线编程零碎给步进电机输入的脉冲信号不正确，脉冲频率过低会使步进电机转动不分明或许不转动，脉冲频率过高会使步进电机发作跳动并发生逆耳的高频声响。本步进电机的任务频率幅度比拟大，为了保证足够的欣赏性和平安功能，建议您运用上下电平交替的方波信号，两者延时工夫均为1.2±0.5ms

（4）Q：为何我的舵机挥舞手臂但打不到鼓？

A：假如您运用了再离线编程形式，请您确定您对舵机输入的脉冲的循环次数，假如输入的脉冲循环次数过低，会招致舵机的转动角度大幅增加，这样机器人就无法击鼓了。

（5）Q：我明明曾经给机器人声响信号，为何机器人依然没有反响？

A：请您首先确定您运用的声控形式，假如不是，请将其调至声控形式再给予声控信号；若您确定已运用声控形式，请您首先察看声控形式的指示灯在您击打鼓的时分有亮，假如没有亮的话则能够是您给予的声响信号不够强，此时可以经过调理声响传感器一侧的可变电阻以调理其灵敏度；假如灯在您击打的时分有亮，但电机依然不转动，则表示PIC单片机在接纳到信号的条件下无法带动电机，此时请反省您能否曾运用过再离线编程功用，能否对舵机的驱动子顺序停止过修正，如是则请按前面提供的源顺序列表恢复；假如您不曾运用过在离线编程功用，则能够是由于电路方面衔接呈现成绩招致。

五、探求进程

1. 设计思绪

大白菜的灵感来源与我们对机械臂方面研讨的兴味，整个探求进程的设计采取以一个中心点动身停止扩展的设计思绪，其思绪表达如下：

图5.1 设计思绪流程图

2. 探求进程简述

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首周作为确定标题和参赛的一周，次要任务在于对确定参赛的类型，项目组成员停止相关的构思与设计，虽然曾经拥有一个确定的方向，但是依然需求确定设计的全体思绪与方案，以及停止接上去任务的一些物资与材料预备。

次周作为机器人制造的开端，次要任务在于机械设计方面，尤其是以机械臂的主体构造停止CAD及UG等软件方面的设计为重，同时对机器人停止相应的受力剖析以及对应的细节处置，并将初稿提交给指点教师停止审定与修正；电路方面停止初期的购置物资，确定元器件类型与数量，对开发板与最小零碎板停止对应的初步伐试。

机械机构局部

电路与控制局部

CAD与UG软件制图

受力剖析

细节处置

指点教师修正机械设计方案

确定元器件类型与数量

购置物资

调试PIC单片机开发板

第三周任务进入片面展开的形态，由于机械互联网电子商务和移动商务消费渠道的普及，使得支付市场将在不久的将来继续呈现更加美好的增长前景。设计方面呈现不少的成绩，需求屡次修正机械设计局部，如轴、各级机械臂、衔接件等方面都呈现了如孔径不均、钣金件尺寸不标准、轴没有分级等多种成绩，需求屡次与指点教师沟通并作出修正；另外，购置轴承、螺钉等紧固件与衔接件，确定需求机械零件的参数与普通选定条件；电路与控制方面则开端停止相关子控制电路的制造，声响控制零碎与触感控制零碎的设计以及普通算法的编写与设计。

机械机构局部

电路与控制局部

机械设计修正

购置紧固件、轴承等

确定零件参数规格

子控制电路设计与制造

普通算法设计与编写

第周围任务比拟繁重，次要集中在机械设计方面持续定稿与制造，并提交到加工方停止受理与制造，而同时依据之前测得的机械臂的主体构造受力数据等方面停止电机参数的选择，购置舵机与步进电机；电路与控制方面开端对新购置的舵机、步进电机、步进电机驱动器停止相应的调试，由于供货商方面提供的材料并不完好，因而在电机的调试上呈现很多的成绩，如占空比的掌握、步进电机脉冲的频率调整等未能使电机转动。

机械机构局部

电路与控制局部

机械设计定稿

交付加工

确定电机参数并购置电机

对电机停止运动测试

第五周由于等候机械加工的缘由，在机械方面并没有太多的任务，只是一些购置复杂组装工具的任务；而任务重心则次要都集中在整个团队关于新的电机的调试方面，辨别向《机器人设计与制造》任课教师、电工电子实验中心教师、机电学院研讨生等多方面停止相应的讨教，终于使舵机可以转动，而步进电机则呈现收回尖叫声的成绩。

机械机构局部

电路与控制局部

购置组装工具

对电机停止运动测试

第六周机械加工完成，机械机构方面停止相应的组装任务，次要集中在对机械臂主体的组装、电机的装入与固定、底座的制造等配套任务；而控制方面则对曾经调整好的舵机停止相应的控制测试，同时再对步进电机停止调试，终于在运用高频信号发作器之下使步进电机转动，并且根本掌握步进电机的任务频率与任务电压，以及步进电机驱动的控制技巧。

机械机构局部

电路与控制局部

机械零件组装

配套零碎制造

舵机停止控制测试

步进电机运动测试

第七周需求放慢任务进度，机械方面曾经成型，构造曾经失掉确定，并且各个自在度运动在任务条件下运动正常；而任务都集中在电路与控制方面，次要是全体顺序的编写与各个子电路的测试，以及各个示教零碎对电机的控制调试。

机械机构局部

电路与控制局部

自在度微调

全体与子顺序编写

各个子零碎对电机调试

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第八周次要任务在于零件调试以及编写项目报告；零件调试任务次要集中在对机械臂的主体构造停止PIC单片机控制，模仿现场状况停止各个子控制零碎的调试，模仿各种能够呈现的成绩停止相关的预备与设计。

全体任务

全体机械臂调试

编写总结报告

模仿及想象成绩及预备处理方案

3. 探求进程呈现的成绩与采取的处理办法

3.1

【成绩】机械设计不标准，如轴、各级机械臂、衔接件等方面都呈现了如孔径不均、钣金件尺寸不标准、轴没有分级等多种成绩。

【处理办法】经过与指点教员的沟通与屡次交流，并将机械设计图交给教师审阅与修正，由指点教员提供改良的意见，我们经过4次的大型修正，最终确定了如今的机械构造：运用角铁衔接机械臂、多级轴构造、法兰与轴承分边固定等机械构造，并在11月中下旬终于将机械设计图最终定稿并交付加工方停止相应的机械加工与制造。

3.2

【成绩】整个机械臂主体加工精渡过低，招致机械臂多个中央的衔接呈现成绩，轴与轴承的配合过盈太多，主体构造的通孔间隙过大，平行机械臂构造的通孔没有对准等多种机械加工精度成绩。

【处理办法】由于本机器人是交付到里面的加工方停止相应的机械加工和机械制造，而为了节省本钱，选择了精度比拟低的手控机床来停止加工，因而机械加工的精度存在相当的成绩。为理解决上述的成绩，我们在设计的时分曾经相应添加了一定的过盈量以防加工失误招致间隙过大等无法补偿的成绩；同时，我们在取得零件的时分曾经停止相关的反省，保证了一定的精度，但是依然存在过盈或许间隙过大等一系列的成绩，最终处理办法是采用我们本人停止前期再加工，如对轴、机械臂构造等停止打磨，同时对过盈量过大的工件停止锉刀慢锉以减低过盈量等，最终顺利将所以工件组装起来并完成机械臂的全体构造。

3.3

【成绩】由于没有完好的技术材料，舵机在给予一定脉冲的时分不转动，或许呈现跳动等景象。

【处理办法】出于没有相关技术材料的缘由，我们首先是在网上寻觅MG945这款舵机的相关控制材料，但是没有完好的占空比的信息，因而我们又找到了电工电子实验中心的同窗、《机器人设计与制造》的任课教师征询，最终综合网上的论坛材料与教师提供的信息，最初应用单片机停止脉宽调理，最终确定了低电平延时20ms，高电平在1.5±1ms的伺服信号，并且添加循环等顺序的控制下使电机可以依照一定的周期摆动，并且在装上机械臂后可以使机械臂依照一定的角度停止上下的摆动。

3.4

【成绩】由于没有完好的技术材料，步进电机在运用单片机控制下不转动、或许跳动并收回锋利声响

【处理办法】异样由于技术材料不完好以及供货方方面提供的信息有误，步进电机不能正常转动，其次要景象是前者在步进电机驱动上电的状况之下步进电机对信号完全没有反响；后则则是在给予的脉冲有反映，但收回声响。我们在面对着两种状况的时分辨别寻觅了机电学院的研讨生与电工电子技术的教师停止相关的征询和调试，最初依据相关的材料，得出了步进电机的控制办法是经过一个上下电平的变化使步进电机发作一个步矩角的转动的相关信息，可以确定是由于我们在衔接的时分，给予步进电机的脉冲频率过高，到达了10000Hz，远超越步进电机的反响速度，因而后来将频率调至350-700Hz左右的时分，步进电机就可以正常任务。

3.5

【成绩】步进电机运动与其步矩角参数等实际值不对应，如给定50个上下变化的脉冲，但是步进电机转动的角度大于90度。

【处理办法】我们最终选择疏忽这个成绩，虽然无法量化地控制电机，但是经过屡次的调试，最终可以将电机的转角调到一个适宜的范围；另外，依据供货方提供的信息，本成绩的成因很能够是由于步进电机的驱动器有个细分数可选，而这个细分数可以将步矩角细分到一定的范围，因而能够招致给定的上下电平变化使步进电机的输入角度变小，从而是角度与其原来的实际值不相符。

3.6

【成绩】步进电机与其电机驱动需求较高电压电源，而且电机需求一个独立电源，单片机需求一个独立逻辑电源。

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【处理办法】依照原来的方案，我们是计划应用7805芯片停止相应的电压调整，使整个机器人只需求一个电源零碎，但是后来依据指点教师的建议，以为逻辑电源与外接电源不宜分歧，因而，应该运用两个独立电源；同时，由于步进电机的转动最低要求9V的电压，而最好是有15V的电压，因而在参与竞赛的时分，则需求运用到外加的先生电源停止相关的驱动。

3.7

【成绩】两个舵机运用顺序无法停止调平

【处理办法】呈现这个成绩的基本缘由是由于选用的舵机有个机械零点，它具有上电自动复位的功用，因而在运用的时分就会由于每次单片机上电是舵机复位而招致无法停止调平，无论我们的顺序怎样编写都没有方法使其适宜击鼓的需求。为理解决这个成绩，我们只能采用机械调平的办法处置，经过调零件械臂与舵机的不同角度的衔接，从而改动其初始的角度，以及将两个机械臂调成平行的，使其适宜击鼓的形态。

3.8

【成绩】击鼓的时分击打的声响并不分明

【处理办法】这个成绩的次要成因是由于舵机属于高扭矩的舵机，而其代价则是其转速比拟慢，仅为0.25sec/60°，同时在电机的伺服控制当中为了保证其有足够的转角，其速度也不能调得过快，否则会招致第三级机械臂与舵机之间的衔接呈现较大的成绩。为理解决这个成绩，我们只可以在转速、转角、击打力度之间获得一个均衡，我们也屡次改动舵机的伺服控制顺序，包括对上下电平的脉宽停止相关调理，以及对循环的次数停止调理，只能得呈现在的这个状况，即使是在当前停止改良的时分，也只能在硬件方面，如添加鼓棒分量，改动鼓的构造或许运用架子鼓的发声比拟强的鼓停止展现。

3.9

【成绩】声响传感器过灵敏，致使超越了舵机的反响速度

【处理办法】这个成绩的次要成因是由于声响传感器自身的精度成绩惹起的，因而处理的办法有多种，一个是调理声响传感器自身，而另外一种则是在声响传感器与单片机的相连的电路零碎中添加可变电阻零碎，我们选择了后者；在电路中添加可调的可变电阻，然后经过现场对可变电阻的调理，可以满足对声响传感器在其任务范围内的声响探测才能的调制，进而可以是机器人拥有更为普遍的顺应性与适用性。

3.10

【成绩】局部电路不波动，使在声控形式下舵机运动并不规律，如在一次声响信号输出之下，舵机反复运动。

【处理办法】这个成绩的次要成因比拟复杂，能够是由于电路的缘由形成的，也能够是由于顺序的编写失误或许是调用失误招致的，因而至今我们也没能明白这个成绩的次要成因是什么。但是我们采用了多种手腕，包括调整顺序的构造、重新编写子顺序与调用的构造、重新设计电路与重新规划排版、添加施密特触发器停止整波等手腕，最终使声控电路可以正常任务。

六、评价与改良方案

1. 自我总结与评价

【自我总结】

经过2个月的设计与制造，终于将机器人完好地完成，可以说着2个月过得痛并高兴着。毕竟这个机器人是整个项目组成员曾经经过了近半年的实际论证最终失掉的实体，虽然其功用与原来的想象并不完全分歧，但是至多给了我们一个参与竞赛的时机，同时给了一个制造一台真正机器人实体的时机，因而我们要感激这次大赛，也感激每一个支持与协助过我们的教师、同窗。

机器人的设计与制造总是随同着那几个不可短少的根本点，之所以我们参与竞赛一来是为了愈加贴近理想的机器人学，二来是为了对项目的后续开展带来更大的协助。因而我们选择了制造不断机械臂，虽然参与竞赛的功用目前还只是击鼓，但是置信在更久远的将来，它会走得更远。

正如之前所说的，我们曾经经过将近半年的实际验证，从很多中央曾经省下了不少工夫，包括我们曾经搜集了足够多的材料，也曾经对机械臂的实体停止过相关的简易建模研讨，因而在参与本次竞赛的时分可以随心所欲。而在这次竞赛当中，我们确实学到了更多，虽然在之前实际验证阶段曾经有了一定的数据与相关材料，但是依然缺乏实践操作的空间。而在这次制造大白菜的进程中，首先学到的是机械设计方面的知识，在设计机械臂的时分无可防止地要与机械设计打交道，虽然之前有过相关的经历，但是依然缺乏以应对十几样零件的设计，因而我们在很多中央也做得缺乏，也在很多细节上存在很多破绽；然后学到的就是加工方面的一些知识，虽然我们不是亲身去加工这些零件，但是怎样才干愈加快愈加省钱的完成这些零件的制造，是我们需求思索的成绩，因而我们省略了很多不用要的设计，也减去了一些在本次竞赛不需求的自在度和相关零件；还有学到了电机的控制方面的知识，包括舵机、步进电机、直流电机的控制办法，是如何停止PWM脉冲调理，或许是假如控制步进电机的这些知识有了初步的理解；最初就是电路与顺序方面的调试，虽然电路并不复杂，但是全体由于机构比拟大、功用复杂，因而各个组合的配合需求花很多心思去完成。

总结这次参与竞赛，我们失掉了一个可以击鼓的机器人，播种了包括机械、电子、控制方面的知识，也看法到本人很多中央的缺乏与改良之处。

【自我评价】

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虽然每团体的参与水平与参与范围不同，但是整个项目组都处于一种合一的形态。同时，每团体依据本人的才能所在停止相应方面的研讨，由于我们设计与制造的不是一架普通的小车，而是一个机械臂，我们也需求在受力剖析、三维建模、CAD制图、机械加工与制造方面投入更多的工夫，因而项目组成员次要都是偏机械方向，而在电路设计、顺序控制、电机调测等方面也有相应的投入。由于任务组的不懈努力，无论是后期的预备，中期的制造与拆卸，还是前期的调试都停止得有条不紊，成员各司所职，将本人本分做好，也去协助遇到困难的同伴，大家将本人所晓得的，所掌握的知识投入到本次竞赛中，再从中播种更多的知识。

2. 自我改良方案

【改良方案】

由于参与本次竞赛是曾经经过相当多实际的验证，因而在竞赛之后，我们可以依据原来设定的方案持续停止机器人方面的探求。

依据原来的方案，机械臂局部拥有大约9个自在度，其中第三级机械臂处会添加4个自在度，同时会为一切自在度配上舵机或许步进电机，同时也会在轴局部添加编码盘或许其它可以测量电机转动角速度的器件，而在控制方面则着重与对机械臂转速与转动角度的量化测量，并且纪录机械臂的对应时辰的位姿与速度，可以完成测量臂的功用，并且可以同时应用控制零碎将其原来的示教进程中机械臂的位姿与速度重现，到达一种可以记忆机械臂示教运动偏重现的最终功用。

拥有这种功用的机器人的使用方面普遍，而针对特定的状况以及我们的制造程度与机器人的规模大小，最终估计会确定用于医疗方面，例如针对中风病人停止按摩，在医护人员停止相关的示教之后，机器人可以自动重现示教的举措，对病人自动停止按摩。

附件：

1. 机械设计零件图及拆卸图

1.1 机械零件CAD图

【轴1】 1件