体操机器人

课程名称：大学生创新实验教学计划项目

实验题目：体操机器人

课程简要信息

课程名称：大学生创新实验教学计划项目

课程学时：一学期（2年级下的学生可延长至一学年）

适用专业：自动化、机电、电气工程、通信、物联网等相关专业（建议跨专业组队）

学生年级： 2年级下、3年级

实验内容与任务（限500字）

根据所学知识，设计并制作一个小型关节机器人，模仿体育运动的竞技体操比赛项目，在规定场地内完成指定的竞技体操动作。

基础要求: 设计含有6个自由度的自由体操机器人，各个自由度分布如下：左右手臂各1个；胸部腹部各1个（控制躯干动作）；左右腿脚部分各1个。控制系统采用51单片机，通过对电机的控制，从位于场地中心、直径250mm 的圆形起步区启动，在直径2000mm 的区域内，完成规定动作，如鞠躬、单手示意、前翻滚、后翻滚等；

扩展要求：增加自由度，设计含有10个自由度的自由体操机器人，左右手臂2个；胸部腹部各1个（控制躯干动作）；左右腿脚部分各2个。控制系统采用嵌入式微控制器，通过对伺服电机的控制，可以完成一些基本并带有一定难度的动作。随着自由度的增多，机构运动的灵活性提高，通用性强，但机构的结构也相应的更为复杂，刚性变差，需要增加解决方案。完成规定动作，如单左手俯卧撑、单右手俯卧撑、双手俯卧撑等；

创新要求：在满足基础要求、扩展要求的基础上建议学生自主开发设计其它规定动作，如左侧手翻360度、右侧手翻360度、倒立、倒立劈叉等。在原有动作及实现的功能基础上，进一步完善结构设计及改进，在结构完善的基础上，增加语音识别、姿态控制输入、同步显示等复杂的功能设计，可以加快行动速度，反转速度，完善动作转变协调性，加入一些尝试动作。

实验过程及要求（限300字）

（1）根据任务要求，查找满足不同实验要求的微处理器、单片机、电机、舵机、存储器、卡口、电池以及其他相关元器件，学习并了解不同器件的参数指标，比较分析选择最优；

（2）在掌握51单片机工作原理及实际编程的基础上，进一步学习嵌入式微控制器、FPGA的工作原理及实际编程应用；

（3）学习电机相关知识，并根据任务要求选择不同类型电机，比较分析选择最优；

（4）掌握伺服电动机、舵机的工作原理；

（5）学习计算机软件辅助电路设计方法，能熟练应用Multisim 、Protel 99 SE、Protel 99 PCB SE或Protel DXP进行电路设计和印刷电路板的设计制作；

（6）设计硬件电路并优化、仿真，记录仿真结果；

（7）制作硬件控制系统电路，机器人机械结构部分，软硬件联调并测试，优化系统参数，设计合理测试表格，记录。

（8）拓展电子电路的应用领域，能设计、制作出满足一定性能指标或特定功能的电子电路设计；

（9）撰写设计报告，阐明电路设计、结果分析等；

（10）展示作品，并通过分组演讲、答辩，学习交流不同解决方案的优缺点。

相关知识及背景（限150字）

本实验由主控模块、舵机控制模块、控制模块、数据保存模块及键盘控制模块组成，需综合运用单片机、模拟电子技术、数字电子技术、电机、算法设计等相关知识，同时学生须自主学习实验中涉及的其他知识点。需要熟练掌握单片机原理及编程，相关硬件电路的设计及PCB设计制板；掌握几种常用的计算机辅助分析方法和软件编程算法；熟悉一般电子电路的设计、安装、调试的方法；掌握电子技术常用的故障检测和排除方法。

教学目标与目的（限100字）

综合考察学生对单片机、模拟电路、数字电路相关知识的掌握，引导学生夯实基础的同时拓展知识视野，设计不同的解决方案及根据工程需求比较选择技术方案；引导学生根据需要设计电路、选择元器件，构建测试环境与条件，并通过测试与分析对项目做出技术评价；鼓励拔尖学生自主学习，拓宽知识面。

教学设计与引导

（1）针对设计任务进行具体分析，引导学生仔细研究题目，明确设计要求，充分理解题目的要求；

（2）针对提出的任务、要求和条件，要求学生广泛查阅资料，广开思路，提出尽可能多的不同方案，仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选取最优方案，此过程引导学生可将分散的知识点通过解决一个工程问题系统的串接起来，并比较不同电路、元器件间的优缺点。

（3）将系统分解成若干个模块，明确每个模块的功能、各模块之间的连接关系以及信号在各模块之间的流向等等。构建总体方案与框图，清晰地表示系统的工作原理，各单元电路的功能，信号的流向及各单元电路间的关系。

（4）在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量，观测数据。

（5）尝试提出一些错误的要求，通过错误的结果，使学生加深对相关电路和概念的理解。

（6）在实验完成后，组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，引导学生拓宽知识面

（7）讲解一些超出目前知识范围的解决方案，鼓励学生学习并尝试实现。

（8）在设计中，注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意各个模块对系统指标的影响，系统工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

实验原理及方案

（1）系统可以分解为主控模块、电机及驱动模块、语音模块、显示模块、键盘

检测模块，其原理框图如图1所示

图1

（2）硬件实现方案如图2所示

图2

█ 主控模块

主控模块是本系统的核心模块，主要完成对电机的控制与任务调度等功能。主控模块应具有如下接口：与电机驱动模块的接口：一般采用脉冲信号进行驱动，因此采用I/O口进行接口；与显示模块的接口：可采用并行8路数据或串行通信方式进行接口；与键盘检测模块的接口：采用I/O方式进行接口，可采用高电平有效或低电平有效；与存储模块的接口：一般采用I2C接口，主控模块的I/O端口可模拟该通信协议；与语音模块的接口：与语音模块接口只是给一个起、停的信号，因此采用I/O方式进行接口。

█ 电机驱动模块

电机驱动模块主要完成对关节的控制，提高阶段为了保证控制的精度和误差，可采用舵机进行姿态控制，考虑到做不同姿态过程中存在的各种情况，要求电机驱动模块应具有脱机、使能、锁定等功能。同时考虑到系统的抗干扰性能，接口需要考虑采用光电隔离等措施，并具有过热自动保护等功能。

█ 显示模块

显示模块可采用液晶屏幕进行显示，主要完成对姿态高度的实时显示、计时、速度的显示等功能。

█ 键盘检测模块（可选）

人机接口采用键盘输入方式，可选用独立按键或者矩阵键盘，可实现姿态的上升和下降、动作速度的调整、位置的控制等功能。

█ 存储模块（可选）

存储模块用于记录姿态数据，当系统重新上电后，可显示机器人原来的姿态数据，因此存储模块需要具有掉电保护功能。

█ 语音模块（可选）

可选用独立的语音芯片或者单独的单片机进行控制，

（3）软件流程图如图3所示

图3

教学实施进程

图4 教学实施进程图

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

（1）实验要求分析

（2）实现方案论证

（3）理论推导计算

（4）电路设计与参数选择

（5）电路测试方法

（6）表格设计，实验数据记录

（7）数据处理分析

（8）实验结果总结与心得体会

考核要求与方法（限300字）

（1）实物验收：功能与性能指标的完成程度，完成时间。

（2）实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。

（3）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

（4）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

（5）实验数据：测试数据和测量误差,设计表格的合理性。

（6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

本实验项目综合、系统地应用已学到的模拟电路、数字电路、单片机的知识，在单元电路设计的基础上，利用新型软件设计出具有实用价值和一定工程意义的电子电路；扩展新知识的学习，培养综合运用能力，增强独立分析与解决问题的能力;培养严肃认真的工作作风和科学态度，为以后从事电子电路设计和研制电子产品打下初步基础。

参赛选手信息表