仿生機(jī)器狗的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、 仿生機(jī)器人——機(jī)器狗的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 前言 摘要、關(guān)鍵詞 目錄 機(jī)器狗功能設(shè)計(jì) 機(jī)器狗總體設(shè)計(jì) 機(jī)器狗的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 頭部的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 尾巴的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 腿部的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4軀體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇及機(jī)器人功率計(jì)算 步態(tài)分析及其實(shí)現(xiàn) 關(guān)鍵技術(shù)分析及實(shí)現(xiàn) 結(jié)論 心得，體會(huì)&意見，建議 參考書目與《附錄》 專業(yè)技術(shù)資料翻譯 摘要 機(jī)器人是機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制理論等學(xué)科發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題之一。在各高校機(jī)器人設(shè)計(jì)活動(dòng)也已經(jīng)很廣的開展起來(lái)，這種氛圍對(duì)我國(guó)機(jī)器人的研制開發(fā)特別以及專業(yè)方面人才的培養(yǎng)是具有積極意義的。從

2、仿生學(xué)的角度，動(dòng)物的生理構(gòu)造及行為是比較不易模仿的，“仿生機(jī)器狗”正是在模仿四足行走的動(dòng)物，該機(jī)器人是一個(gè)仿生4足行走的機(jī)器人，通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)（舵機(jī)）的精確控制模擬四足動(dòng)物的行走步態(tài)，實(shí)現(xiàn)行走、后退、轉(zhuǎn)彎等各種步態(tài)行為.。相應(yīng)的傳感器可以使機(jī)器狗在前進(jìn)過(guò)程躲避障礙物順利，實(shí)現(xiàn)智能化。 在機(jī)器狗內(nèi)部語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，當(dāng)人發(fā)出命令是狗狗可以通過(guò)判斷是哪一個(gè)命令然后執(zhí)行。同時(shí)在軀體上安置觸摸鍵，當(dāng)人觸碰到相應(yīng)的按鍵時(shí)候播放相應(yīng)的語(yǔ)音。通過(guò)控制系統(tǒng)不同的程序可以使機(jī)器狗做各種動(dòng)作。就是她具有相應(yīng)的狗的功能。如，看門，發(fā)出汪汪叫聲，歌唱，做搞笑的動(dòng)作，跳舞等…… 關(guān)鍵詞：仿生學(xué)，智能玩具，機(jī)器人，語(yǔ)

3、音技術(shù)，舵機(jī)，步態(tài)，傳感器。 前言 智能化已成為玩具行業(yè)的新趨勢(shì)，讓語(yǔ)音技術(shù)融入到玩具中，不僅可以賦予玩具“聽”“說(shuō)”的交流能力，使其更加生動(dòng)、智能，還有利于在兒童中普及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，推動(dòng)語(yǔ)音技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。一些領(lǐng)先技術(shù)被應(yīng)用于今天的玩具領(lǐng)域如：無(wú)線電、紅外通訊、傳感器、語(yǔ)音識(shí)別等等。本文介紹的是基于SPCE061A的一種具有語(yǔ)音識(shí)別功能的玩具產(chǎn)品，不但具備微控制器的功能，還具有DSP運(yùn)算功能，可以用來(lái)進(jìn)行數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的播放、識(shí)別、錄制等功能。本產(chǎn)品就是利用SPCE061A的該功能設(shè)計(jì)的一款智能玩具。該玩具可以在人的語(yǔ)音指令下完成“前進(jìn)”、“后退”、“變速”、“演奏”等動(dòng)作

4、，和人有良好的互動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)了玩具的智能化。 機(jī)器狗的功能設(shè)計(jì) 項(xiàng)目背景及意義 仿生機(jī)器人（Humanoid Robot）是先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的高級(jí)發(fā)展階段，它綜合體現(xiàn)了高級(jí)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、信息檢測(cè)和感知、微電子學(xué)、控制理論等諸多方面的研究和發(fā)展水平，是一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng)。 大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃（Student Research Training Program---SRTP）是我校大力開展本科教育改革，實(shí)施理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、科學(xué)研究三位一體教學(xué)模式的重要組成部分，其目的是組織學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過(guò)自主進(jìn)行課題研究和探索。了解和掌握基本的科學(xué)研究方法和手段

5、，培養(yǎng)大學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作精神，提高大學(xué)生的研究創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力。 總體功能設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器狗具有實(shí)用以及智能玩具的特征。 在一般情況下，機(jī)器狗處于房間的某個(gè)角落，頭部不斷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有人進(jìn)來(lái)即報(bào)警（因?yàn)椴荒荞R上識(shí)別主人或是外人）； 但是他能通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別，他內(nèi)部存儲(chǔ)有特定的信號(hào)，相當(dāng)與狗的名字或是秘密接頭暗號(hào)。假如是主人或是親密朋友就會(huì)反饋給機(jī)器狗一個(gè)語(yǔ)音信號(hào)，比如是：愛狗狗！特定的名字或是句子。機(jī)器狗通過(guò)判斷正確的話就停止叫聲，隨即發(fā)出：親愛的主人，您回來(lái)了，請(qǐng)休息一下吧！或者其他親切柔和的語(yǔ)音（事先通過(guò)語(yǔ)音錄制存儲(chǔ)好的句子）。 假如主人說(shuō)：過(guò)來(lái)！機(jī)

6、器狗就開始啟動(dòng)行走功能。隨著主人的移動(dòng)，搜索到感應(yīng)信號(hào)，反饋到控制系統(tǒng)，跟隨主人前進(jìn)。并能自動(dòng)避過(guò)障礙物來(lái)到主人身邊。 接下來(lái)根據(jù)主人的命令做相應(yīng)的動(dòng)作逗主人開心。搖尾巴、點(diǎn)頭、搖頭、唱歌以及跳舞等。同時(shí)機(jī)器狗身上布置好多感應(yīng)器，觸碰到相應(yīng)的開關(guān)就回發(fā)出相應(yīng)的聲音。比如，撫摸頭部就回播放輕音樂，摸肚子會(huì)發(fā)出咕咕叫聲，假裝肚子餓了…… 仿生功能：具有四足動(dòng)物的共同特征：如，行走（前進(jìn)、后退，轉(zhuǎn)彎）。具有狗的部分特征：如看門，汪汪叫，肢體語(yǔ)言如搖頭、點(diǎn)頭、搖尾巴。 看門功能：在睡眠狀態(tài)下，頭部不斷檢測(cè)周圍的移動(dòng)物體，當(dāng)發(fā)現(xiàn)什么動(dòng)靜時(shí)候會(huì)報(bào)警，汪汪叫，吸引主人注意。當(dāng)主人反饋某個(gè)信號(hào)表示來(lái)

7、者是朋友是就停止報(bào)警。開始友善的表示。如發(fā)出親切的問候，搖尾巴…… 娛樂功能： 當(dāng)狗狗靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，在狗狗的身上不同部位安裝觸摸鍵，當(dāng)人觸摸到相應(yīng)的按鍵時(shí)候狗狗會(huì)發(fā)出不同的語(yǔ)音。如：背部按鍵 ，臉部觸摸鍵， 肚部觸摸鍵等。 通過(guò)一個(gè)開關(guān)控制玩具的啟動(dòng)、停止，首次下載程序后或按下重錄鍵可以進(jìn)行語(yǔ)音命令訓(xùn)練。訓(xùn)練內(nèi)容有：前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、變速、唱歌、跳舞等。 用戶發(fā)出“變速”的命令時(shí)，小狗可以做出相關(guān)響應(yīng)，將電機(jī)的轉(zhuǎn)度改變。 用戶發(fā)出“前進(jìn)”或“后退”的命令時(shí)，小狗會(huì)做出前進(jìn)或后退的動(dòng)作。在前進(jìn)過(guò)程中如果遇到障礙物，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)彎躲避障礙物繼續(xù)前進(jìn)。 用戶發(fā)出 “唱歌” 命

8、令時(shí)，小狗會(huì)進(jìn)行樂曲播放。 用戶發(fā)出 “跳舞” 命令時(shí)，小狗會(huì)開始翩翩起舞等。 機(jī)器狗的總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)理論方案 自從人類發(fā)明機(jī)器人以來(lái)，各種各樣的機(jī)器人日漸走入我們的生活。仿照生物的各種功能而發(fā)明的各種機(jī)器人越來(lái)越多。作為移動(dòng)機(jī)器平臺(tái)，步行機(jī)器人與輪式機(jī)器人相比較最大的優(yōu)點(diǎn)就是步行機(jī)器人對(duì)行走路面的要求很低，它可以跨越障礙物，走過(guò)沙地、沼澤等特殊路面，用于工程探險(xiǎn)勘測(cè)或軍事偵察等人類無(wú)法完成的或危險(xiǎn)的工作；也可開發(fā)成娛樂機(jī)器人玩具或家用服務(wù)機(jī)器人。四足機(jī)器人在整個(gè)步行機(jī)器中占有很大大比重，因此對(duì)仿生四足步行機(jī)器人的研究具有很重要的意義。 一.裝置的原理方案構(gòu)思和擬定： 隨著社會(huì)的

9、發(fā)展，現(xiàn)代的機(jī)器人趨于自動(dòng)化、高效化、和人性化發(fā)展，具有高性能的機(jī)器人已經(jīng)被人們運(yùn)用在多種領(lǐng)域里。特別是它可以替代人類完成在一些危險(xiǎn)領(lǐng)域里完成工作。 科技來(lái)源于生活，生活可以為科技注入強(qiáng)大的生命力，基于此，我們?cè)跇?gòu)思機(jī)器人的時(shí)候想到了動(dòng)物，在仔細(xì)觀察了貓.狗等之后我們找到了制作我們機(jī)器人的靈感，為什么我們不可以學(xué)習(xí)小動(dòng)物的走路呢，于是我們有了我們機(jī)器人行走原理的靈感。 為了使我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中體現(xiàn)出特種機(jī)器人的性能及其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的全面性，我們?cè)跇?gòu)思機(jī)器人的同時(shí)也為它設(shè)計(jì)了一些任務(wù)： 如前所述的，看門功能、娛樂功能等。

10、 二.原理方案的實(shí)現(xiàn) 方案流程： 機(jī)器狗的方案主要考慮的是他的自由度的問題，因?yàn)樽杂啥戎苯雨P(guān)系著運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，以及運(yùn)動(dòng)的花樣多少。其中，最主要的的腿部的自由度問題。 設(shè)計(jì)是從4足機(jī)器人的一個(gè)肢體開始的，因?yàn)?個(gè)肢體的設(shè)計(jì)是非常相似的。為了能夠充分利用伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，我把電機(jī)輸出的軸直接作為轉(zhuǎn)臂，或者輸出軸上齒輪直接就和機(jī)器人的關(guān)節(jié)處軸上齒輪直接嚙合，這樣就大大提高了輸出功率的利用率。想到四足動(dòng)物的步行狀態(tài)，即做前后擺動(dòng)前后，左右轉(zhuǎn)動(dòng)。于是原理方案設(shè)計(jì)如下： 單純的考慮走路，而且要求協(xié)調(diào)性不高的時(shí)候，四足動(dòng)物可以采用兩條腿一起移動(dòng)邁步，即左前和右后可以一起行動(dòng)，這樣可以共用一

11、個(gè)電機(jī)，節(jié)省費(fèi)用。但是如果有穩(wěn)定性要求，及其要使機(jī)器狗具備更做的功能和娛樂性質(zhì)的話，最好采用單腿單獨(dú)控制，這樣它就能夠擁有更多的功能。 本設(shè)計(jì)采用單腿單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，走路時(shí)候由3條腿同時(shí)著地，1 條腿邁步這樣穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性比較好。同時(shí)可以每條腿可以單獨(dú)擁有自己的動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)智能化。 單腿單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)候，自由度方案如下： 6自由度：尾巴、頸部各一個(gè)電機(jī)控制，腿部四個(gè)自由度，兩個(gè)電機(jī)控制。肩膀處一個(gè)電機(jī)放在下身軀殼 內(nèi)，帶動(dòng)腿部做前后擺動(dòng)，腿部和腳部設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，按照狗的腿部曲線設(shè)計(jì)。這樣一條腿就由單個(gè)電機(jī)控制向前行走，同時(shí)走路時(shí)候，左前腳可以和右后腳一起用一個(gè)電機(jī)。比較簡(jiǎn)單，控制起來(lái)方便。但是

12、行走起來(lái)比較機(jī)械， 10自由度：由于6自由度8電機(jī)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)比較單一，而且在運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性上不易控制。通過(guò)改進(jìn)小腿處關(guān)節(jié)再安裝一個(gè)電機(jī)，小腿饒著小腿關(guān)節(jié)的軸前后轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣大小腿各有自己的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度度。通過(guò)兩個(gè)電機(jī)的獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)肢體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣在機(jī)器人行走的過(guò)程中就可以比較協(xié)調(diào)，而且我們的機(jī)器人的自由度也增加了4個(gè)，電機(jī)增加了4個(gè)，協(xié)調(diào)性已經(jīng)穩(wěn)定性都得到了提高。 15自由度：機(jī)器狗能夠進(jìn)行基本的行走還不夠，為了使其能夠具有娛樂性質(zhì)，要求它具備更多的自由度，從而行動(dòng)起來(lái)更優(yōu)美、可愛。比如跳舞時(shí)候要求它的關(guān)節(jié)出自由度盡可能的多，這樣動(dòng)作才更好看，所以，在此，把每一條腿肩膀關(guān)節(jié)處再增加一個(gè)自由

13、度可以向外邊左右擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)。這樣總共增加4個(gè)自由度4個(gè)電機(jī)。同時(shí)，頭部只有一個(gè)左右轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度還不夠，在頸部再增加一個(gè)上下轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，小狗能夠表達(dá)的感情就更加豐富了。于是在頸部再安裝一個(gè)電機(jī)，控制頸部帶動(dòng)頭部上下轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣一個(gè)既能夠行走，又能夠表達(dá)感情，做可愛動(dòng)作的智能玩具就誕生了。具體的協(xié)調(diào)性分析及其行走的步態(tài)分析將在下面作詳細(xì)介紹。 最終方案為：15自由度 15電機(jī) 15個(gè)伺服馬達(dá)分別位于：4條腿，每條腿有3個(gè)自由度；頸部，2個(gè)自由度；尾部，1個(gè)自由度。通過(guò)15個(gè)伺服馬達(dá)的協(xié)調(diào)動(dòng)作，可令機(jī)器狗具備前后行走、轉(zhuǎn)彎、趴下、倒立、直立、舞蹈等千變?nèi)f化的動(dòng)作。 每條腿分別各有3的電機(jī)控制它的兩

14、條腿的抬伸和大腿的外伸。根據(jù)每只腿的邁步先后實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，在機(jī)器人腿邁出的同時(shí)，它也會(huì)相應(yīng)地進(jìn)行抬伸，具體實(shí)現(xiàn)情況會(huì)在下文詳細(xì)說(shuō)明。 圖 ：機(jī)器狗的整體布置圖 任務(wù)的實(shí)現(xiàn)主要是利用單片機(jī)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)從而控制機(jī)器人的四條腿以及幾個(gè)傳感器的共同工作，并通過(guò)它們的協(xié)調(diào)工作來(lái)完成的。如圖 中所示，讓機(jī)器人不斷進(jìn)行掃描，如果發(fā)現(xiàn)有目標(biāo)出現(xiàn)在它的視野之內(nèi)，它就會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作。 機(jī)器狗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器狗的頭部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器狗頭部有左右轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，一個(gè)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)移動(dòng)物體，表達(dá)她的情緒。在娛樂的時(shí)候可以做為運(yùn)動(dòng)的部位協(xié)調(diào)身體運(yùn)動(dòng)。 機(jī)器狗頭部在一定角度不

15、段旋轉(zhuǎn)，相隔數(shù)秒改變一次頭的轉(zhuǎn)向，檢測(cè)有無(wú)移動(dòng)物體。當(dāng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體時(shí)候立即點(diǎn)亮報(bào)警燈，同時(shí)發(fā)出汪汪的叫聲，類似真實(shí)的狗一樣。 頭部如圖： 機(jī)器狗頭部的左右擺動(dòng)采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，定期的給電機(jī)發(fā)射極短的脈沖，以便改變機(jī)器狗頭部角度。 頸部設(shè)計(jì) 機(jī)器狗頸部有上下轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，帶動(dòng)頭部上下轉(zhuǎn)動(dòng)，表達(dá)她的情緒，在做動(dòng)作的時(shí)候可以做為運(yùn)動(dòng)的部位協(xié)調(diào)身體運(yùn)動(dòng)。頸部一個(gè)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)上下轉(zhuǎn)動(dòng)。在這為了方便，我采用大腿部的結(jié)構(gòu)用做頸部。。 通過(guò)軸與軀體上殼聯(lián)接。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與腿部完全一樣，內(nèi)部有電機(jī)，電機(jī)輸出軸上的齒輪與關(guān)節(jié)軸齒輪嚙合。通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)頸部圍繞軸上下轉(zhuǎn)動(dòng)。只不過(guò)

16、轉(zhuǎn)動(dòng)角度稍微改變大了，控制不同罷了。 頸部如圖所示： 頸部與頭部裝配如圖 機(jī)器狗的尾部設(shè)計(jì) 尾巴部分，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。電機(jī)輸出軸連接尾巴轉(zhuǎn)盤，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度使尾巴上下?lián)u擺，可愛。同時(shí)可以協(xié)助后腿成三角機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器狗的坐下。在翻身的時(shí)候支撐身體等。 尾巴機(jī)構(gòu)如圖： 2.2-2 機(jī)器狗腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 如方案最后確定所述，腿部最終選擇為共12個(gè)自由度，每一條腿3個(gè)自由度，一個(gè)肩膀帶動(dòng)大腿前后轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)小腿圍繞關(guān)節(jié)前后轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)大腿圍繞關(guān)節(jié)軸左右轉(zhuǎn)動(dòng)。大小腿內(nèi)部結(jié)構(gòu)一樣。 肩膀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（腿部和軀體聯(lián)接機(jī)構(gòu)） 肩膀結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)腿部和下殼體的連接，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶動(dòng)腿部前

17、后轉(zhuǎn)動(dòng)。所以肩膀得能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)，肩膀內(nèi)部與身軀體內(nèi)的電機(jī)軸直接接觸，由電機(jī)帶動(dòng)肩膀，外部通過(guò)關(guān)節(jié)軸連接大腿。帶動(dòng)大腿轉(zhuǎn)動(dòng)。 肩膀處結(jié)構(gòu)如圖： 大腿內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 內(nèi)部有電機(jī)，電機(jī)減速器輸出軸上的齒輪與關(guān)節(jié)軸齒輪嚙合。通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)大腿左右外伸。為了裝配方便通過(guò)凸唇結(jié)構(gòu)與蓋子連接。 大腿蓋子如圖 大小腿部的連接桿連接大小腿。上面與大腿固定，下面的不完全齒輪裝在小腿關(guān)節(jié)軸上。 連接桿如圖： 小腿結(jié)構(gòu)和大腿一樣，只是下面裝配的不一樣所以連接的部分不一樣 小腿與腳連接處通過(guò)凸唇結(jié)合。 小腿結(jié)構(gòu)： 小腿蓋子--腳如圖： 因?yàn)樽呗非昂蠼嵌冉佑|不一樣所以要設(shè)

18、計(jì)成原弧狀。但是考慮接觸摩擦力的問題，所以設(shè)計(jì)成半圓柱形狀，走路時(shí)候就是線接觸增加了摩擦力又不妨礙前后角度造成的不穩(wěn)定。 腳結(jié)構(gòu)如圖： 另外，腳處也可以增加一個(gè)自由度，作為腳趾（此設(shè)計(jì)此處可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但是不要有電機(jī)或者什么驅(qū)動(dòng)，單純的軸連接活動(dòng)關(guān)節(jié)）因?yàn)橥仍谇斑~步的時(shí)候有一定角度，這樣垂直距離就不夠，四個(gè)腿不在同一個(gè)平面上，身體不能保持平衡。所以，增加一個(gè)靈活的腳趾的話，如，彈簧結(jié)構(gòu)，能恢復(fù)彈性的三角結(jié)構(gòu)等，可以調(diào)節(jié)平衡造成的麻煩。 小腿和腳裝配如圖： 2.3 軀體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 軀體是連接肢體的關(guān)鍵部分，軀體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也顯得十分重要，我們從電機(jī)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合實(shí)際四足動(dòng)物的形

19、體特征，我們的軀體設(shè)計(jì)分為兩部分，上殼體和下殼體。 軀體機(jī)構(gòu)的三維圖 上殼體主要是連接頸部，和下殼體閉和起來(lái)組成封閉的結(jié)構(gòu)，使體內(nèi)的各部件不受損壞。露出尾巴的擺動(dòng)。 上殼體如圖 下殼體主要安放肩膀前后轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的電機(jī)，以及尾巴電機(jī)結(jié)構(gòu)的。同時(shí)存貯電路控制部分的電路板等 下殼體如圖： 下殼體通過(guò)肩膀把腿連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)腿部帶動(dòng)軀體的運(yùn)動(dòng)。 下殼體和腿部裝配如圖： 通過(guò)軀體機(jī)構(gòu)我們就可以把四個(gè)電機(jī)肢體很好的連接在一起了，并且通過(guò)肩膀可以讓機(jī)器人有充分的靈活性，這樣機(jī)器人的整體機(jī)構(gòu)就組合好了，過(guò)控制9個(gè)伺服電機(jī)就可以讓它“行動(dòng)自如”了。 整體機(jī)構(gòu)圖（主視） 驅(qū)動(dòng)裝

20、置的選擇與機(jī)器人功率計(jì)算 機(jī)器人是由15個(gè)微型伺服電機(jī)即舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也是以伺服電機(jī)為基礎(chǔ)的，微型伺服電機(jī)的機(jī)構(gòu)及工作特性如下： 微型的伺服電機(jī)在無(wú)線電業(yè)余愛好者的航?；顒?dòng)中使用已有很長(zhǎng)一段歷史，而且應(yīng)用最為廣泛，國(guó)內(nèi)亦稱之為“舵機(jī)”，含義為：“掌舵人操縱的機(jī)器”。可見，微型伺服電機(jī)主要用作運(yùn)動(dòng)方向的控制部件。伺服電機(jī)本質(zhì)上是可定位的電機(jī)。當(dāng)伺服電機(jī)接受到一個(gè)位置指令，它就會(huì)運(yùn)動(dòng)到指定的位置。因此，個(gè)人機(jī)器人模型中也常用到它作為可控的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，這些活動(dòng)關(guān)節(jié)我們也常稱它為自由度。 一個(gè)微型伺服電機(jī)內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流電機(jī)；一組變速齒輪組；一個(gè)反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制

21、板。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流電機(jī)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服電機(jī)的輸出扭力也愈大，也就是說(shuō)越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低。我們正是依靠伺服電機(jī)的兩個(gè)輸出轉(zhuǎn)矩作為驅(qū)動(dòng)的來(lái)源。 微型伺服電機(jī)的三維模擬圖： 初步估算機(jī)器狗的總重量不超過(guò)1.5kg，腿部每個(gè)自由度一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單純的走路就有8個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，腿長(zhǎng)65mm，初步估算所需電機(jī)扭距為1.2 kg/cm 考慮電機(jī)尺寸、重量和價(jià)格問題，選擇下列電機(jī)： 型號(hào)： CJ9009 品牌：金多利 外形尺寸：22.5*12*26.5(mm); 重量：9克；工作電壓：4.8V

22、; 堵轉(zhuǎn)扭矩：1.2kg*cm; 速度：0.12秒/60度； 控制信號(hào)為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0－180度。 機(jī)器狗功率的計(jì)算 行走機(jī)器人需要不斷的提腿，當(dāng)腿向后伸直的時(shí)候，摩擦力驅(qū)使機(jī)器人向前移動(dòng)。所以摩擦力就是機(jī)器人前進(jìn)的動(dòng)力。 因?yàn)闄C(jī)器狗一般在室內(nèi)活動(dòng)，所以水平面的摩擦力就是重力作用引起的 即： 機(jī)器狗重量約為 mg=1.5kg k=9.8N/kg =0.3 腿長(zhǎng)為 L=65mm=6.5cm=0.065m 則機(jī)器人一條腿

23、的功率為： 步行速度： 機(jī)器人腿長(zhǎng)為65mm。，則腿上舵盤的軸心到與地面接觸的距離為65mm，每一步舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為60那么步幅為： 步幅 電機(jī)速度：0.12秒/60度，每一步所需要時(shí)間為0.48s，那么可以算出機(jī)器狗的速度為 當(dāng)然，以上的估算都是以理想條件為前提進(jìn)行的，這樣得出的速度相對(duì)來(lái)說(shuō)還是太快了。因?yàn)橥炔窟\(yùn)動(dòng)實(shí)際上是圓弧，所以換算成直線運(yùn)動(dòng)時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一些損失。另外，步行機(jī)器人在行走的時(shí)候都有滑動(dòng)的趨勢(shì)，這樣也會(huì)使得機(jī)器人每一步的實(shí)際步幅變小。盡管這些估算是不是非常精確的，但是這種方法對(duì)于估算機(jī)器人的速度還是比較適合的。 步態(tài)分析及其實(shí)現(xiàn) 步態(tài) 哺乳類四足動(dòng)物的

24、運(yùn)動(dòng)和人類手腳并用爬行的樣子很相似。膝關(guān)節(jié)向前而肘關(guān)節(jié)向后。著意味著向前運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?lái)自后腿，前腿主要是向前伸展著地。觀察四足動(dòng)物行進(jìn)方式主要包括：爬、走、慢步、快步、慢跑、飛奔等。 圖：四足動(dòng)物的肢體 快步時(shí)候，兩條腿支撐地面，兩條腿騰空。成對(duì)角的兩條腿是一組，即左前腿和右后腿這一組離開地面的同時(shí)，右前腿和左后腿這一組留在地面上。那么大腿和小腿之間是如何協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的呢？DanMichaels()對(duì)哺乳動(dòng)物的行進(jìn)作了研究，認(rèn)為以下方法是快步的最佳方式。由于機(jī)器人沒有動(dòng)態(tài)平衡機(jī)能，因此抬腿不能過(guò)快，在斜線上不能允許太大的晃動(dòng)，否則就必須在機(jī)器人中使用大腳掌結(jié)構(gòu)的靜態(tài)平衡方法。 行進(jìn)過(guò)程

25、中，大腿和小腿的運(yùn)動(dòng)如圖 圖：直立行走 這種行進(jìn)模式稱為直立行走。凡是腿推進(jìn)軀體前進(jìn)時(shí)，都是始于發(fā)力點(diǎn)而終于結(jié)束點(diǎn)。在復(fù)原過(guò)程中，腿重新回到發(fā)力點(diǎn)準(zhǔn)備下一次運(yùn)動(dòng)。 這種步行運(yùn)動(dòng)方式最困難的地方在于如何協(xié)調(diào)腿之間的運(yùn)動(dòng)。如果機(jī)器人（或者以這種方式運(yùn)動(dòng)的動(dòng)物）的身體很短，在后腿完成復(fù)原之前，同側(cè)的前腿尚未完成他的發(fā)力過(guò)程，兩條腿就回相撞。如果想讓機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)看起來(lái)更優(yōu)美，也需要考慮這個(gè)問題。以下是機(jī)器人的行進(jìn)過(guò)程，前提是機(jī)器人的一組腿已經(jīng)開始運(yùn)動(dòng)了： 1按要求前行速度移動(dòng)機(jī)器人處于對(duì)角的一組腿，控制大腿和小腿張開的角度。一組中的兩條腿運(yùn)動(dòng)時(shí)候必須保持同步。 2同時(shí)，調(diào)整處于對(duì)角的另一

26、組腿的角度，使之?dāng)[脫地面的約束，并擺動(dòng)到下次前行的發(fā)力點(diǎn)，為邁下一步做好準(zhǔn)備。 3一旦第一步中的一組腿到達(dá)推進(jìn)過(guò)程的結(jié)束點(diǎn)，將第二步的一組小腿伸開。 4調(diào)換兩組腿的角色，回到第一步，開始下一次循環(huán)。 顯然，為了順利地移動(dòng)，對(duì)機(jī)器人小腿彎曲的瞬間時(shí)刻和腿的移動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)整是必要的。大腿和小腿間的夾角不同，機(jī)器人呢表現(xiàn)出來(lái)的心情可能也不一樣。角度很大機(jī)器人看起來(lái)隱秘而小心；角度垂直時(shí)顯得很開心。當(dāng)然，這是身體語(yǔ)言的范圍。但是使機(jī)器人看起來(lái)更有生命活力正是設(shè)計(jì)者的目的。 以這種步態(tài)為基礎(chǔ)可以設(shè)計(jì)類似的有用的或者有趣的步態(tài)。如果機(jī)器人的腿很長(zhǎng)，它在不平整的地面、斜坡或者其他的障礙路面（當(dāng)然是機(jī)

27、器人能夠跨的過(guò)去的）前進(jìn)時(shí)的控制性能比較良好。 步行原理： 根據(jù)四足動(dòng)物的步行原理，建立起步行運(yùn)動(dòng)的模型，將四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，抽象出四足運(yùn)動(dòng)的基本原理，并制作出了一個(gè)理論驗(yàn)證模型，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、避障等動(dòng)作。 單足行為 每一條腿有兩種狀態(tài)：向前走和向后走，對(duì)于每一個(gè)動(dòng)作狀態(tài)來(lái)講，分為兩步：邁腿和收腿。這兩步連續(xù)不斷的循環(huán)，設(shè)其周期 為 T，邁腿的時(shí)間為收腿時(shí) 間的1/3，為整個(gè)周期的1/4，這個(gè)動(dòng)作對(duì)于每條腿都是一樣的：每相鄰的兩個(gè)抬腿動(dòng)作之間的相位差為1/4周期，由此可得出機(jī)器人在行走式的四條腿之間的時(shí)序關(guān)系，如圖

28、所示： 圖 四條腿之間的時(shí)序關(guān)系 四足協(xié)調(diào) 機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的行走，必須保證每時(shí)刻都有三條腿著地，而另外一條腿用來(lái)行走。全部行走的奧秘在于當(dāng)一條腿抬起來(lái)時(shí)，其它三條腿是同時(shí)著地并且向后退的，這樣，機(jī)器人把抬起的腿向前邁一步再放下，就走完了一步，之后輪流邁其它的腿，機(jī)器人就可以連續(xù)向前走了。各種動(dòng)作順序如下（四條腿分別記為右后、右前、左后、左前，每條腿向前邁記為“↑”，向后邁腿記為“↓”）： 前進(jìn)：右后↑ → 右前↑ → 左后↑ → 左前↑； 后退：右后↓ → 右前↓ → 左后↓ → 左前↓； 左轉(zhuǎn)：右后↑ → 右前↑ → 左前↓ → 左后↓； 右轉(zhuǎn)：右前↓ → 右后↓ →

29、 左后↑ → 左前↑。 各條腿動(dòng)作的時(shí)序關(guān)系如圖 所示。選擇不同的動(dòng)作順序則可以實(shí)現(xiàn)不同的行走方式。 關(guān)鍵技術(shù)的分析與實(shí)現(xiàn) 整體運(yùn)動(dòng)框圖： 2．程序執(zhí)行框圖： 前進(jìn)與后退運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)： 四足機(jī)器人最重要的是要協(xié)調(diào)好它的行走，但是想要協(xié)調(diào)好它的四肢的邁步情況較其他的多足機(jī)器人難。在反復(fù)觀察動(dòng)物行走以及仔細(xì)考慮機(jī)器人自身的特點(diǎn)后，我們覺得讓機(jī)器人按以下方式行走是比較恰當(dāng)?shù)?先讓機(jī)器人兩側(cè)相錯(cuò)的腿同時(shí)抬起，然后邁步，再把腿放下。例如：先邁右前、左后腿，機(jī)器人的腿原先處在狀態(tài)1，進(jìn)行一次邁腿過(guò)程后，兩條腿處于狀態(tài)2的位置，當(dāng)邁左前、右后腿時(shí)，右前、左后腿就由電機(jī)驅(qū)動(dòng)返回狀態(tài)1，因

30、為右后、左前腿著地，左前、右后腿邁出離地，此時(shí)身體就會(huì)向前移動(dòng)，達(dá)到了“行走”的目的。由于機(jī)器人的四肢邁步銜接的較為緊密，很大程度上避免了機(jī)器人走路時(shí)的不穩(wěn)定。 同理，后退時(shí)，腿的狀態(tài)由狀態(tài)2開始向狀態(tài)1運(yùn)動(dòng)，然后依次循環(huán)。 轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)： 轉(zhuǎn)彎的原理是：當(dāng)右邊兩條腿前進(jìn)時(shí)，左邊的兩條腿向后退，這樣就實(shí)現(xiàn)了左轉(zhuǎn)的目的，同樣的道理，當(dāng)左邊的兩條腿前進(jìn)的時(shí)候，右邊的兩條腿后退，這樣就實(shí)現(xiàn)了右轉(zhuǎn)的目的。 總結(jié)以上分析，其實(shí)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)只是四只腿不同

31、的邁步方式，只要協(xié)調(diào)好四條腿是向前邁還是向后邁就可以調(diào)整好機(jī)器人的行走運(yùn)動(dòng)了。 目標(biāo)的識(shí)別： 我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人的任務(wù)是讓搜索來(lái)到身邊的事物，當(dāng)然這離不開感應(yīng)器的幫助，在這個(gè)機(jī)器人上我們安裝了一個(gè)紅外光電反射式感應(yīng)器，讓它尋找目標(biāo),還裝有一個(gè)測(cè)距傳感器用它來(lái)控制機(jī)器人和目標(biāo)物體的距離，使得機(jī)器狗能發(fā)現(xiàn)并報(bào)警。 在控制系統(tǒng)方面我們采用分布式控制，即每條腿上有一個(gè)單片機(jī)信號(hào)來(lái)控制本條腿的動(dòng)作，有一個(gè)中央控制中心負(fù)責(zé)給各條腿發(fā)送控制信號(hào)，協(xié)調(diào)各條腿之間的動(dòng)作。同時(shí)中心還接收來(lái)自感器傳來(lái)的信號(hào)，辨別是

32、否有障礙物在前方，以采取不同的行走方式，達(dá)到避障的目的。 傳感器：普通的人體傳感器采用的原理都是檢測(cè)人體發(fā)出的紅外線，機(jī)器狗采用的原理是檢測(cè)可見光的光點(diǎn)，以及光強(qiáng)度的變化量。這一方法僅使用于運(yùn)動(dòng)物體。另外存在缺點(diǎn)，比如窗簾搖晃也有所反應(yīng)。 避障系統(tǒng)： 機(jī)器狗在行進(jìn)過(guò)程中，會(huì)遇到墻角，桌子腿等其他障 礙物，怎么才能順利避過(guò)這些障礙繼續(xù)前行呢？這些是必須考慮的。超聲波傳感器以其價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作測(cè)距傳感器，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人避障、定位及環(huán)境建模等。本超聲測(cè)距系統(tǒng)用于移動(dòng)機(jī)器人避障，采用渡越時(shí)間法測(cè)距，即D=ct／2，其中D為移動(dòng)機(jī)器人與被測(cè)物之間的距離，c為聲波在介質(zhì)

33、中傳播速度，t為超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間間隔，即渡越時(shí)間。該測(cè)距方法主要是測(cè)量渡越時(shí)間t。在這里測(cè)距主要是用于移動(dòng)機(jī)器人避障，測(cè)距精度要求不是很嚴(yán)格，因此忽略溫度對(duì)測(cè)距的影響，一般認(rèn)為c為常數(shù)，通常 取c=340m／s。 本超聲測(cè)距系統(tǒng)共有8對(duì)超聲波傳感器，分為3組。第1組4對(duì)傳感器，其中2隊(duì)置于正前方，1對(duì)置于左前方，1對(duì)置于右前方；第2組2隊(duì)傳感器置于正左方；第3組2隊(duì)傳感器置于正右方，分別用于探測(cè)各自方向上障礙物的信息。在硬件設(shè)計(jì)上，采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，下位機(jī)主要完成測(cè)距數(shù)據(jù)的采集處理，上位機(jī)則根據(jù)下位機(jī)采集的距離等數(shù)據(jù)完成復(fù)雜的避障算法。下位機(jī)采用AT89C51單片機(jī)對(duì)8路超聲信號(hào)

34、進(jìn)行循環(huán)采集，并將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存儲(chǔ)，同時(shí)還把所采集的距離數(shù)據(jù)及時(shí)傳給上位機(jī)。上位機(jī)采用PC機(jī)，一旦下位機(jī)有數(shù)據(jù)發(fā)送就立即啟動(dòng)中斷接收子程序接收。上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)RS一232串行口相連。在軟件設(shè)計(jì)上，下位機(jī)采用MCS一51單片機(jī)匯編語(yǔ)言完成，上位機(jī)采用C語(yǔ)言編程。 該測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，測(cè)距系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)送、接收、計(jì)測(cè)時(shí)間、單片機(jī)控制等部分組成。 室內(nèi)自主式移動(dòng)機(jī)器人的基本控制結(jié)構(gòu) 對(duì)于自主能力要求較高的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人，模型匹配是主要的定位方法，機(jī)器人完全靠自身配置的傳感器和先驗(yàn)環(huán)境信息進(jìn)行定位和導(dǎo)航。這類機(jī)器人的通用控制結(jié)構(gòu)$’&如圖% 所示。整個(gè)系統(tǒng)可分為環(huán)境感

35、知、地圖匹配、位姿估計(jì)、軌跡規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)執(zhí)行五個(gè)部分。機(jī)器人在接受任務(wù)后，首先需要進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，應(yīng)用線段、圓弧或樣條曲線擬合運(yùn)動(dòng)路徑，形成一系列運(yùn)動(dòng)曲線段，然后依據(jù)規(guī)劃的路徑，在每一段運(yùn)動(dòng)曲線上進(jìn)行局部軌跡規(guī)劃，實(shí)時(shí)生成參考運(yùn)動(dòng)軌跡，在遇到障礙或異常碰撞時(shí)需要在當(dāng)前位置重新規(guī)劃路徑及運(yùn)動(dòng)軌跡，產(chǎn)生參考運(yùn)動(dòng)狀態(tài)! ( 及驅(qū)動(dòng)控制輸入信號(hào))輸入機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器。傳感器測(cè)量并識(shí)別環(huán)境特征信息，經(jīng)過(guò)特征提取后與先驗(yàn)環(huán)境地圖進(jìn)行匹配，然后結(jié)合里程計(jì)測(cè)量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及必要的信息融合，利用有效的位姿估計(jì)算法，產(chǎn)生更加精確的當(dāng)前位姿估計(jì)，與參考輸入信號(hào)進(jìn)行比較，形成閉環(huán)控制，修正機(jī)器人的位姿狀態(tài)。為

36、了提高運(yùn)動(dòng)性能，控制系統(tǒng)中加入了動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償控制算法，增加了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。 基于超聲波測(cè)距的路標(biāo)定位 移動(dòng)機(jī)器人首先憑借自身的概略位姿確定路標(biāo)的位姿，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人識(shí)別到這些路標(biāo)后，通過(guò)傳感器測(cè)量機(jī)器人與這些路標(biāo)的距離與方向，再通過(guò)三角法等幾何運(yùn)算獲得移動(dòng)機(jī)器人的位姿。此法的關(guān)鍵是移動(dòng)機(jī)器人必須能夠識(shí)別這些路標(biāo)。 使用主動(dòng)超聲作為路標(biāo)，即在一個(gè)室內(nèi)環(huán)境的六個(gè)位置放置超聲波發(fā)射器并依次發(fā)射，移動(dòng)機(jī)器人裝有8 個(gè)超聲波接收器，組成一個(gè)環(huán)，間隔45度。移動(dòng)機(jī)器人和超聲波路標(biāo)的距離通過(guò)兩點(diǎn)間距離公式計(jì)算，方向使用反正切函數(shù)得到，將距離和方位測(cè)量融入EKF 公式，再結(jié)合DR給出的運(yùn)動(dòng)模型來(lái)估計(jì)移動(dòng)機(jī)

37、器人的位姿。 娛樂功能的實(shí)現(xiàn) 語(yǔ)音識(shí)別 在機(jī)電一體化領(lǐng)域中，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)是當(dāng)今倍受矚目的技術(shù)之一。若能通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn) 通過(guò)一個(gè)開關(guān)控制玩具的啟動(dòng)、停止，首次下載程序后或按下重錄鍵可以進(jìn)行語(yǔ)音命令訓(xùn)練。訓(xùn)練內(nèi)容有：前進(jìn)、后退、變速、溫度。 用戶發(fā)出“變速”的命令時(shí)，小狗可以做出相關(guān)響應(yīng)，將電機(jī)的轉(zhuǎn)度改變。 用戶發(fā)出“前進(jìn)”或“后退”的命令時(shí)，小狗會(huì)做出前進(jìn)或后退的動(dòng)作。同時(shí)相應(yīng)的發(fā)光二極管會(huì)點(diǎn)亮。 在前進(jìn)過(guò)程中如果遇到障礙物，小狗會(huì)發(fā)出“汪——汪汪”的狗叫聲，并停止運(yùn)動(dòng)。 用戶發(fā)出 “演奏” 命令時(shí)，小狗會(huì)進(jìn)行大合唱。 硬件組成框圖如圖所示：主要由電池盒、61

38、B板、傳感器組、電機(jī)控制電路、電機(jī)、顯示電路等部分組成。 圖 硬件框圖 按鍵觸摸系統(tǒng) 硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1所示：主要由按鍵輸入電路、觸摸鍵輸入電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、光敏器件輸入電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)等部分組成。 圖 2.1 系統(tǒng)整體框圖 整個(gè)系統(tǒng)工作于4.5V電壓下，由3節(jié)5號(hào)電池提供4.5V電壓，經(jīng)過(guò)SPY0029穩(wěn)壓到3.3V為單片機(jī)系統(tǒng)供電。整個(gè)系統(tǒng)在無(wú)操作時(shí)，處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)3個(gè)按鍵、2個(gè)觸摸鍵被觸發(fā)時(shí)，睡眠被喚醒，進(jìn)入相應(yīng)的操作，執(zhí)行完操作后1分鐘內(nèi)無(wú)任何按鍵觸發(fā)，則再次進(jìn)入睡眠。光敏器件在睡眠前不斷采集光線強(qiáng)度，如果跟環(huán)境光線有較大變化，則會(huì)進(jìn)入

39、語(yǔ)音識(shí)別模式，MIC、直流電機(jī)、揚(yáng)聲器則是各動(dòng)作的相應(yīng)輔助器件。 觸摸鍵輸入電路 觸摸鍵主要由555集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原理如圖 3.2所示，左邊的觸摸片為金屬銅片，正常情況下，人本身會(huì)產(chǎn)生幅度為80~100mv的正弦波電壓，當(dāng)人手觸摸到金屬片時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓疊加在偏置電壓上(偏置電壓設(shè)置在0.6V)，使得三極管導(dǎo)通，觸發(fā)555集成電路使之3腳產(chǎn)生單穩(wěn)態(tài)輸出，從而系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)被喚醒。 IC輸入電路和揚(yáng)聲器輸出電路 MIC采用駐極體電容話筒，這種話筒具有靈敏度高、無(wú)方向性、重量輕、體積小、頻率響應(yīng)寬、保真度好等特點(diǎn)。SPCE061A內(nèi)置專門用于語(yǔ)音信號(hào)采集的具有自動(dòng)增益控制放大

40、器（AGC）的麥克風(fēng)輸入通道（MIC_IN）。語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由隔直電容隔掉直流成分，然后輸入至內(nèi)部前置放大器，最后通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。揚(yáng)聲器采用一般的喇叭，電壓不超過(guò)5V。凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)自帶雙通道DAC音頻輸出，DAC1、DAC2轉(zhuǎn)換輸出的模擬量電流信號(hào)分別通過(guò) AUD1和AUD2管腳輸出，DAC輸出為電流型輸出，61板自帶音頻放大電路，所以外接一喇叭即可。 主程序流程及說(shuō)明 整個(gè)系統(tǒng)的外部輸入包括：按鍵、觸摸鍵、感光控制及語(yǔ)音控制，其中語(yǔ)音控制需等到感光喚醒之后才能進(jìn)行。當(dāng)各控制鍵觸發(fā)后，系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)喚醒，通過(guò)判斷標(biāo)志位，進(jìn)入相應(yīng)的處理子程序，之后

41、在主程序中不斷檢測(cè)，1分鐘內(nèi)若無(wú)任何操作，則再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。具體程序中，通過(guò)判斷gKeyDoubleUseSign的值來(lái)確認(rèn)執(zhí)行何種操作，當(dāng)為1時(shí)，進(jìn)入鍵處理子程序；為2時(shí)，進(jìn)入復(fù)用鍵處理程序；為0時(shí)，不執(zhí)行任何操作，認(rèn)為是出錯(cuò)或出現(xiàn)異常情況。在鍵處理子程序中，根據(jù)標(biāo)志位gKeyID來(lái)判斷進(jìn)入哪一個(gè)處理程序，如表 4.1所示。 gKeyID的值 對(duì)應(yīng)處理 1 左手按鍵處理 2 背部按鍵處理 3 臉部觸摸鍵處理 4 肚部觸摸鍵處理 5 右手按鍵處理 0 異常情況 主程序包括端口的初始化，提示語(yǔ)音的播放，主循環(huán)以及進(jìn)入睡眠狀態(tài)前中斷的

42、初始化、端口的初始化。主循環(huán)包括：鍵掃描，判斷標(biāo)志位及相應(yīng)子程序，AD轉(zhuǎn)換及比較。端口的初始化包括A口和B口的初始化，A口的IOA0~IOA4設(shè)置為帶喚醒的下拉電阻輸入，IOA6設(shè)置為懸浮輸入的光敏器件輸入端；B口的IOB9設(shè)置為低電平輸出，作為TimerA脈寬調(diào)制輸出；其余未使用的端口設(shè)置為低電平輸出。提示語(yǔ)音的播放即“您好”的播放，主要應(yīng)用于系統(tǒng)重新啟動(dòng)以及復(fù)位鍵的觸發(fā)，在這里，復(fù)位鍵既可當(dāng)一個(gè)功能按鍵來(lái)使用，也可以在系統(tǒng)無(wú)反應(yīng)時(shí)當(dāng)作重啟鍵來(lái)使用。 進(jìn)入睡眠狀態(tài)前的系統(tǒng)初始化包括：端口A口的重新初始化，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；喚醒中斷的允許、開中斷；睡眠信號(hào)的寫入。 其主流程見圖 4.1：

43、 圖 4.1 主程序流程圖 4.2 S480語(yǔ)音播放子程序 SACM-S480自動(dòng)方式程序流程如圖 4.2： 圖 4.2 SACM-S480自動(dòng)方式程序流程 4.3 語(yǔ)音的識(shí)別及訓(xùn)練程序流程圖 語(yǔ)音的識(shí)別取材于凌陽(yáng)語(yǔ)音庫(kù)bsrv222SDL.lib及相關(guān)頭文件，如bsrSD.h。SPCE061只有特定發(fā)音人模式，即只能辨識(shí)特定的使用者，辨識(shí)前需由單個(gè)人訓(xùn)練，且最多識(shí)別6條命令，序號(hào)范圍從0x100到0x105，每條命令只有1.3秒，超出了1.3秒只有前1.3秒命令有效。在本系統(tǒng)中，利用通過(guò)光敏電阻的暗電阻較大，分壓值也較大的原理，產(chǎn)品觸發(fā)后通過(guò)AD采樣，與原環(huán)境光線采集

44、值比較有較大變化時(shí)，置標(biāo)志位，從而在主循環(huán)中進(jìn)入識(shí)別模式。而訓(xùn)練模式通過(guò)左手按鍵經(jīng)IOA0觸發(fā)，訓(xùn)練模塊和語(yǔ)音識(shí)別框圖如下所示： 圖 4.3 訓(xùn)練模塊 圖 4.4 語(yǔ)音識(shí)別框圖 在辨識(shí)主循環(huán)中，辨識(shí)得到確認(rèn)后就可以執(zhí)行相應(yīng)的處理子程序，整個(gè)流程如圖4.5所示。 圖 4.5 語(yǔ)音辨識(shí)處理子程序 4.4 按鍵動(dòng)作執(zhí)行子程序 當(dāng)外部輸入的按鍵、觸摸鍵觸發(fā)時(shí)，進(jìn)入睡眠喚醒中斷。在中斷中獲取光敏器件采集到的AD值，主程序中掃描鍵盤，將取得的鍵值寫入gKeyID，再根據(jù)gKeyID寄存器來(lái)判斷到底進(jìn)入哪個(gè)子程序。具體的執(zhí)行子程序如下各圖所示： 圖 4.6 左手按

45、鍵處理子程序 圖 4.7 背部按鍵、肚子上觸摸鍵處理子程序 圖 4.8 臉部觸摸鍵處理子程序 圖 4.9 右手鍵處理子程序 在實(shí)踐中提高自己 -------談 作本次機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì) 作為一名機(jī)械系，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化大三的學(xué)生，我覺得能做類似的課程設(shè)計(jì)是十分有意義，而且是十分必要的。在已度過(guò)的大三的時(shí)間里我們大多數(shù)接觸的是專業(yè)基礎(chǔ)課。我們?cè)谡n堂上掌握的僅僅是專業(yè)基礎(chǔ)課的理論面，如何去鍛煉我們的實(shí)踐面？如何把我們所學(xué)到的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)用到實(shí)踐中去呢？我想做類似的大作業(yè)就為我們提供了良好的實(shí)踐平臺(tái)。在做本

46、次大作業(yè)的過(guò)程中，我感觸最深的當(dāng)數(shù)查閱大量的設(shè)計(jì)手冊(cè)了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，更加符合工程標(biāo)準(zhǔn)，一次次翻閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)是十分必要的，同時(shí)也是必不可少的。我們是在作設(shè)計(jì)，但我們不是藝術(shù)家。他們可以拋開實(shí)際，盡情在幻想的世界里翱翔，我們是工程師，一切都要有據(jù)可依.有理可尋，不切實(shí)際的構(gòu)想永遠(yuǎn)只能是構(gòu)想，永遠(yuǎn)無(wú)法升級(jí)為設(shè)計(jì)。 作為一名專業(yè)學(xué)生掌握一門或幾門制圖軟件同樣是必不可少的，由于本次大作業(yè)要求用Solid works 制圖、PROTEL繪制電路圖、VC++編程等，所以我們還要好好掌握這幾門軟件。雖然過(guò)去從未獨(dú)立應(yīng)用過(guò)它們，但在學(xué)習(xí)的過(guò)程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率好高，記得大一學(xué)CAD時(shí)覺得

47、好難就是因?yàn)槲覀儧]有把自己放在使用者的角度，單單是為了學(xué)而學(xué)，這樣效率當(dāng)然不會(huì)高。邊學(xué)邊用這樣才會(huì)提高效率，這是我作本次課程設(shè)計(jì)的第二大收獲。但是由于水平有限，難免會(huì)有錯(cuò)誤，還望老師批評(píng)指正。 談?wù)勎业囊庖姾徒ㄗh： 首先，我覺得老師給我們作類似的課程設(shè)計(jì)是十分必要的，這不僅可以提起我們對(duì)這門課的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)還可以在專業(yè)上用實(shí)踐鍛煉一下我們，使我們不但不在對(duì)所學(xué)專業(yè)感到陌生，而且還可以培養(yǎng)大家的積極性。 其次，我覺得應(yīng)該培養(yǎng)我們的團(tuán)隊(duì)合作精神，讓幾個(gè)人一起作這樣的課程設(shè)計(jì)我想會(huì)更好的發(fā)揮我們的特長(zhǎng)。 結(jié)語(yǔ) 使用SPCE061A進(jìn)行智能玩具的開

48、發(fā)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該單片機(jī)具有DSP的功能，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音播放等算法，與專用語(yǔ)音處理芯片相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)。而現(xiàn)成的語(yǔ)音API函數(shù)也大大加快了產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)程，提高了效率。IOB8、IOB9的PWM功能使得電機(jī)控制非常的容易。由于功能比較簡(jiǎn)單，很多IO口和內(nèi)部資源沒有用到，本產(chǎn)品外圍還可以增加多個(gè)傳感器以實(shí)現(xiàn)障礙物的智能躲避或目標(biāo)的跟蹤等。 參考書目 雷思孝、李伯成、雷向莉，單片機(jī)原理及實(shí)用技術(shù)— 凌陽(yáng)16位單片機(jī)原理及應(yīng)用 陜西：西安電子科技大學(xué)出版社 《AT89S51系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)》 《單片機(jī)原理及應(yīng)用》 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》

49、 《USB接口設(shè)計(jì)》 《串口技術(shù)》 《8051單片機(jī)C語(yǔ)言控制與應(yīng)用》 《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編》 《附錄》 Scope of CAD/CAM Computer-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 hard

50、ware 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 ,

51、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

52、 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

53、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 compon

54、ent 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 e

55、ach 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 s

56、oftware 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

57、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

58、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 p

59、lanning (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

60、. 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)

61、 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 tran

62、sferred 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-pla

63、nning 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 appropriat

64、e 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 . Th

65、is 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 e

66、stimates , and parts lists (bill of materials file ) , in preparing the manufacturing schedules , for example . Computer--aided design Computer-autommated drafting and documentation Product concept Design engineering Drafting Computer- aided process planning Order new equipment and tooling Customers and arkents Process planning Sched