基于3M人形机器人系统说明书.doc

3M机器人系统说明书系统说明书———基于3M人形机器人工程部北京科创机器人技术有限公司 目 录一．机器人机械系统 11．外观 1（1）前视图 2（2）后试图 3（2）后试图 4（3）机器人尺寸 5（4）机器人自由度分配 6（5）机器人自由度编号 62．机器人动作介绍 7二．机器人电子系统 111．电路结构 112．电路板外形尺寸 123．专用串口线 134．舵机连接线 14三．机器人软件系统 151.KEIL C 152.STC_ISP_V3.5 16四．科创品牌机器人专用舵机介绍 181．伺服舵机5大特点 18五．电池介绍 19一．机器人机械系统小型双足机器人对机械系统的要求很高，其最大的特点是小巧玲珑它主要包含1个头部、1个躯干、2个手臂、2条腿这些精密零件由上百个连接件紧固而成，而且绝不采用胶水粘接；另外还要为其装配全套的控制系统，如此堪称小型机器人中的技术之冠1．外观北京科创机器人有限公司生产的3M型人形机器人，在舵机连接中大量采用“U形件”与“十字件”该方案能够紧固所有舵机 此外，还专门配有强劲的硬质铝合金胸、背、肩结构件和腰部复合结构件，使强度达到最高值，而且尽可能地减轻机器人质量。

小型双足机器人的结构设计关键在于如何排布数量繁多的伺服舵机1）前视图踝关节转动角度较小，注意调试过程中的舵机位置，尽量避免烧毁舵机的现象跨部关节的活动角度很大，对表现高难度动作有利如劈叉等 膝盖关节转动角度大，对表现高难度动作有利如前、后滚翻等这些为相同型号的带丝舵盘这些舵盘都，能传递动力动作范例这4个关节可以构成4杆机构，完成身体侧倾2）后试图背腔内包含24路伺服电路板，属于单片机控制系统CPU型号：STC12C5410AD这些为不同型号的双端支撑舵盘这些舵盘都不带丝，不能传递动力电子系统主要为机器人后背的计算机控制系统，其为总控器；另外，每个舵机内部包含1个分立的舵机控制电路板，用以采集舵机位置，驱动舵机转动和接受来自CPU的电信号 （3）机器人尺寸 机器人身高----358毫米机器人肩宽----194毫米机器人身厚----120毫米（4）机器人自由度分配图为RB-3人形机器人除去胸部件的示意图手臂----3×2 = 6 腿部----5×2 = 10头部----1×1 = 1总计自由度 = 17图中机器人的17个自由度，已经用矢量法标出。

手臂舵机----金属齿轮腿部舵机----金属齿轮头部舵机----塑料齿轮（5）机器人自由度编号一般的，我们进行双足机器人研究时总是先从双腿入手，所以将腿部关节自由Z 7Z 817度定为1—10 科创公司机器人出厂自由度设置如下：P 5P 7P 6注意：机械系统中的自由度编号与电子系统中的编号统一，并能够与机器人操作软件相对应P 8P 3P 1Z 1Z 4Z 5Z 2Z 6Z 3P 4P 22．机器人动作介绍初始站立姿势手臂自然下垂腿部自然下垂腿部完全弯曲手臂自然下垂下蹲姿势小幅劈叉姿势手臂伸平胯部小幅展开腿部完全弯曲仰望天空姿势手臂上倾腿部适当弯曲踝部适当弯曲双胯均小幅展开抛掷垒球姿势右手下垂双胯均适当展开右腿完全弯曲单手、单脚朝天侧劈神功单手、单脚着地二．机器人电子系统1．电路结构由于3M人形机器人的结构比较复杂，采用17个伺服电机（也称舵机）构成所以需要控制的对象比较多我们在此采用分布式集总控制方式，将每个伺服电机作为独立的被控对象，用1个主CPU对它们进行控制通信方式：由于每个舵机采用PWM的控制格式，详细参见“舵机详解”，所以主CUP也采用PWM的通信格式主CPU通过17根信号线分别连接17个舵机，向每个舵机发送控制信息。

信息采用角度格式，即PWM信号的宽窄表示舵机的角度，通过实时向舵机发送位置数据进行速度空制机器人的舵机分布：舵机在机器人中的安装位置不同，所发挥的用处也不同根据加藤一郎的结构划分，身体的16个舵分布在2个平面内即Z平面和P平面内，那么我们就如下划分P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8CPUP平面舵机：P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8Z平面舵机：Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z82．电路板外形尺寸小型双足机器人对电子系统的要求很高，其最大的特点是小巧玲珑它包含一个CPU、一个FLASHROM、一个串口芯片、若干各小型插头，还要安装24个伺服电机的数据插头我们采用单片机主控系统，用以尽量减小体积串口通讯芯片名词解释：CPU----中央处理器目前采用美国“艾特美尔”公司生产的型号为ATMEL89C52--24PC单片机性能参数请查阅《艾特美尔产品手册》串口通讯芯片----负责将TTL电平信号转变成232电平信号电源开关----电路板电源输入端连接电池或电源适配器，输入DC 6V—7.4V。

RS232接口----连接个人PC有3根线缆，分别为GND、TX、RXGND为最上边一根，通过电路板的走线层可以清楚看出，其与地线的覆铜相连接线端子----2.54级插针用于连接舵机，最多容纳24个轴，距离CPU近的一排是信号线，另外2根是正极和地线，可以明显看出地线连接覆铜 第1页附加连接线小型转接插头3．专用串口线延长线附加过渡处串口9针插头串口线增加“大转小”连接线，目的在于减小机器人的自重，和插拔方便工厂标配的机器人不带附加过渡处，用户可以自行购买加装工厂标配的机器人不带延长线，用户可以自行购买加装USB转串口线普通串口线2种串口线均可以方便使用，目前工厂标准配置为普通串口线3M型机器人介绍正确错误4．舵机连接线红色----电源正极黑色----电源负极 白色或其他颜色----控制信号线国际标准中规定红色线“+”在中间，目的在于避免插头反接造成电子器件烧毁如右图所示的接法，将红线至中，黑线至右即可舵机线转接法将插头连线拔出将塑料片轻微撬开将插头连线插入三．机器人软件系统 STC单片机是基于51控制核的高速单片机。

对于程序的编译和链接，我们可以使用KEIL C 帮助完成在对芯片进行编程时，我们使用STC公司提供的烧录软件STC_ISP_V3.51.KEIL C我们使用的单片机是STC12C5410D，是51的内核指令周期都优大幅度的缩减，运行速度自然提高由于我们使用的是51内核，所以我们可以使用支持C51的开发软件帮助编辑程序和编译链接程序KEIL C就是这样一款软件KEIL C的软件界面如下：功能菜单系统信息区编辑区项目文件列表图3-1在项目中我们可以建立自己的工程，根据工程添加编辑程序文件最终使用“完全编译”功能完成编译在烧录单片机之前还应该生成对应的“.HEX”INTEL 二进制文件有了这个文件，我们才能使用STC提供的软件进行烧写单片机的操作2.STC_ISP_V3.5STC _ISP_V3.5是由STC开发的程序烧写测试综合软件它可以通过普通的串口（COM）烧写单片机的程序软件运行稳定操作相对方便软件的操作界面如下：4321111111 111111111111111图3-2下面给出操作的具体步骤：1. 选择芯片类型；2. 选择要烧写的HEX文件；3. 设置串行端口和波特率，这里要注意端口号，波特率的选择比较任意一般为38400；4. 选择外部晶振；与下载无关；清FLASH区；5. 点击下载按钮后，打开单片机供电电源。

在上电后单片机会自动进入编程状态通过提示可以判断是否下载完成14325图3-3注意：1. 在选择芯片时一定要看清型号，很容易选错2. 应选择外部晶振，如果选择内部晶振，单片可以工作，但是舵机的控制会出现问题3. 一定要先点编程按钮，然后在开控制板上的电源，要不下载不会成功由于中国的人形机器人还处于发展初期阶段，所以使用者的技术积累较少，因此北京科创科技出售的该款机器人产品随即提供“片内程序源代码”而且附有“基于微分方程的步伐函数解析”所以，软件采用完全开放式，如上面图示：提供片内源程序，上面的事例中采用的是基于STC12C5410AD型CPU的汇编语言和C语言用户可以在其中进行指令编辑、子程序构建、操作系统程序编制等工作右面的区域可以实时显示CPU的工作状态并可以划分出许多存储器区域，进行大量且多样化的数学运算 四．KJ品牌机器人专用舵机介绍小型双足机器人的技术关键主要包括3部分：其一是数控系统，也指电子部分，其二是伺服舵机，其三是机械结构件由于机器人的结构十分复杂，所以要将机器人的零件尽量减轻尽管如此，为了保证机器人动作灵敏、行动有力，一般的舵机不能达到要求根据目前国际的研究经验数据，小型双足机器人腿部大多需要10公斤·厘米以上的伺服舵机，然而一般的航模伺服舵机只需要3—9公斤·厘米的伺服舵机。

在2003年以前，这些大扭矩舵机国产不了，要依赖于日本进口，直至。