毕业论文-基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究

基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略 - I - 摘 要 近年来，随着对机器人技术研究的深入，机器人涉足的领域越来越广，需要完成的任务越来越精确复杂，运动的实时性和可靠性要求也越来越高。为适应这一发展， 机器人竞技运动在世界各地蓬勃兴起，目前我国正掀起一股机器人竞赛的热潮。机器人擂台赛使得研究人员能够利用各种技术，获得更好的设计方案。 本文通过对博创武术擂台机器人的防守研究及其结构设计，搭建出一个能通过检测边沿和敌人，并且能够推动棋子的机器人。 在搭建的同时加深对控制系统驱动系统的了解，能够在现有的条件下完成预期的任务。 其中对主控制器和外围模块进行设计， 并对扩展性做了简要的介绍。 本文同时基于 UG 系统的结构设计，在设计过程中通过该软件进行机构运动分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。为擂台机器人提供一个优秀的平台，为机器人多种功能的实现提供便利，为今后机器人产业化提供了可能性。 关键词 ： 机械结构，防守策略 基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略 - - Abstract In recent years， With the deepening of the research of robot technology， Robot set foot in the field more and more widely， Need to accomplish the mission of more and more precise complex, the real time and reliability requirements exercise more and more is also high。 In order to adapt to the development of athletic sports, robot in the world booming rise, at present our country are lifting a stream of robot competition upsurge.Robot contest allows researchers to use all sorts of technologies, and gain better design. This article through to bo gen martial arts challenge robot defense research and structure design, build give a can pass inspection edge and the enemy, and can promote pieces to the robot.At the same time in building to deepen understanding of driving system control system, can be in the existing conditions of the mission complete expected. One of the main controller and peripheral modules to carry on the design, and gives a brief introduction of the expansibility. The paper also based on UG system structure design, in the design process mechanism motion through the software analyzed and simulated, improve the design reliability. To provide an excellent robot challenge of platform for the realization of the function of the robot, and provide convenience for future robot industrialization offers possibility. Key words： Mechanical structure, the defense strategy I 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 擂台机器人的发展概况 .1 1.2.1 擂台机器人的研究现状 . 1 1.2.2 擂台机器人技 术的发展及其研究意义 . 3 1.3 本文的研究内容方案及步骤 . 8 1.3.1 基本内容和问题包括 . 8 1.3.2 总体的设计方案及步骤 . 8 第二章 武术擂台机器人设计方案 . 9 2.1 武术擂台机器人产品介绍 . 9 2.2 擂台机器人 部件介绍 . 9 2.2.1 连接结构 . 9 2.2.2 电 机 . 10 2.2.3 舵机 . 16 2.2.4 驱动器 （ BDMC1203） . 19 2.2.5 传感器 . 22 2.3 目标分析与计划 . 26 2.3.1 竞赛目的 . 26 2.3.2 竞赛内容概述 . 26 2.3.3 场地、道具规格及说明 . 27 2.3.4 规则分析 及策略分析 . 28 2.3.5 武术擂台 机器人 防守 对策 . 29 第三章 擂台机器人的结构设计 及控制 . 31 3.1 标定灰度传感器 . 31 3.2 标定红外测距传感器 . 32 3.3 擂台机器人 结构设计 . 33 3.4 擂台机器人 控制系统设计 . 36 II 3.4.1 硬件系统设计 MultiFLEX2-AVR 控制卡 . 36 3.4.2 擂台机器人 软件系统设计 . 37 3.4.3 防守 程序编写 . 38 3.5 擂台机器人 整体构成 . 39 3.6 擂台机器人 的调试 . . .39 3.6.1 BDMC1203 的设置 . . .39 3.6.2 舵机的调试 .42 第四章 擂台机器人的结构设计 及控制 . 46 4.1 擂台机器人的 防守策略 分析 . 46 4.2 擂台机器人 防守结构的设 计 . .47 4.2.1 防 守 外围的设计 .47 4.2.2 防守 外围的设计（实际组装部分） .47 4.3 防守策略 下程序编写 .48 4.3.1 边沿检测的程序编写 .48 4.3.2 擂台机器人整体构成 .49 4.3.3 上擂台程序的编写 .53 4.4 实际测试下得出的防守结论 .54 第五章 总结 . 55 5.1 总结与实践问题分析 . .55 5.1.1 完成的主要工作 .55 5.1.2 实践中出现问题的分析 . .55 5.1.3 防守分析的总结 56 5.2 进一步研究的展望 . 56 参考文献 . 57 致 谢 . 58 附 录 . 59 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 课题背景 自从 20世纪 60年代初世界第一台机器人诞生以后，机器人技术得到了迅速地发展。当今机器人技术的发展趋势主要 呈现 两个突出的特点：一个是机器人的应用领域的不断扩大；另一个是机器人的性能不断提高。在 21世纪，机器人技术的进步将会对科学与技术的发展产生重要影响。 机器人集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从 1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来 ,机器人技术及其产品发展很快 ,已成为柔性制造系统 ( FMS) 、自动 化工厂 ( FA) 、计算机集成制造系统 (CIMS)的自动化工具。广泛采用工业机器人 ,不仅可提高产品的质量与数量 ,而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样 ,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 从理论上来讲 , 机器人是一种柔性设备 , 它能通过编程来适应新的工作 , 然而实际应用中很少使用这种情况 . 但传统的机器人都是根据特定的应用范围来开发的 , 虽然对那些任务明确的工业应用来讲 ,这种机器人已经足够满 足实际需要了 , 然而由于市场全球化的 竞争 , 机器人的应用范围要求越来越广 ,而每种机器人的构形仅能适应一定的有限范围 , 因此机器人的柔性不能满足市场变化的要求 , 解决这一问题的方法就是开发可重构机器人系统 , 它是由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的模块组成 , 能够被装配成各种不同构形的机器人 , 以适应不同的工作 . 因此可重构机器人系统的研究已引起越来越多的研究者和工业应用的兴趣 。 1.2 擂台机器人的发展概况 1.2.1 擂台机器人的研究现状 机器人是最典型的机电一体化装备 , 技术附加值很高 , 应用范围很广 , 作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业 , 将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。国外专家预测 ,机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。 基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 2 - 随着机器人技术飞速发展，机器人竞技运动在世界各地 区 蓬勃兴起，目前我国正掀起一股机器人竞赛的热潮。 创新是大学生的精髓，参赛机器人都要从概念设计入手，经过设计，制作，调试，改进等过程最终选出最优方案参加比赛，通过此项赛事，大学生的创造热情可得到充分发挥，创造思维和动手能力得到锻炼的培养。2002年 6月 6日 在上海由 中国自动化学会机器人竞赛工作委员会举 办 的机器人擂台赛， 包括了三部分内容： FIRA机器人足球比赛， ROBOCUP机器人足球比赛和 “ 广茂达杯 ” 第三届智能机器人大赛。其中 “ 广茂达杯 ” 机器人大赛包括机器人灭火比赛、论文竞赛、创新项目展示竞赛和智能机器人项目现场竞赛 等 五项内容，是目前国际上规模最大 且 普及度最高的智能机器人竞赛之一 。 2008中国机器人大赛于 12月 5日至 7日在广东中山举行机器人武术擂台赛首次进入大赛，通过小组赛，五强赛，以及冠亚军决赛终于决出中国历史上第一个冠军擂主太原理工大学工程训练队。 国内一些大学也在研究四足步行机器人。如图 1-10所 示为上海交通大学所研制的二种四足步行机器人 26，（ a）所示的四足步行机器人为采用平面四杆机构作为步行机构，可以实现跨越障碍，沟槽，上下台阶及通过高低不平的地面有一定识别及步态调整能力；（ b）所示的四足步行机器人采用开户环关节连杆机构作为步行机构 ,该四足步行机器人在足端被安装压电薄膜式力传感器来实现机器人反馈控制，采用对角线动态步行。 图 1-1 四足步行机器人 机器人有认知能力、思维能力以及适应环境的能力。机器人一般由三大部分组成：运动部分、 攻击 能部分和感觉部分。运动部分，包括行走机构、 驱动 机构 ；智基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 3 - 能部分，包括认知能力、学习能力、思维能力和决策能力的装置；感觉部分，包括有视觉、触觉、接近觉的装置。 基于以上机器人背景介绍，通过博创科技公司出品的 UP-Instar“ 创意之星 ”套件制作擂台机器人， 通过创新模块构建出擂台机器人传感器，并对通过程序对舵机控制，执行任务。该组合具有工程性、创新性、设计性。 1.2.2 擂台机器人技术的发展及其研究意义 从近几年世界机器人推出的产品来看 ,工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展 ,其发展趋势主要为结构的模块化和可重构化 ,控制技术的开放化、PC化和网络化 ,伺服驱动技术的数字化和分散化 ,多传感器融合技术实用化 ,工作环境设计优化和作业柔性化 , 以及系统的网络化和智能化等方面。 机器人武术擂台赛以列为全国机器人大赛的正式项目。根据机器人武术擂台赛规则，“双方机器人可以互相击打或者推挤，直到一方机器人离开擂台区域或者机器人的任意部分接触擂台外区域（接触到擂台与围栏之间的地面），则另一方获胜，本局比赛结束。”由于规则只对机器的尺寸进行了限制，而没有对机器人的外形形状进行具体限制，所以要对机器人进行外形结构设计，大大增加了学生的自由创造空间和比赛的观赏性，同时，根据对 手情况进行任务规划、防守策略是研究重点。 基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究是通过创新模块对擂台机器人按照比赛规则要求的进行任务规划和防守策略分析研究，并对通过程序对舵机及传感器的控制，执行任务。该题目具有工程性、创新性、设计性、可欣赏性。 要求编程控制擂台机器人行为，并控制舵机、传感器，执行相关任务。 研究设计应符合相关国家标准 该题目结合实际紧密，需一定的实践能力和创新能力。工作量适中，对学生综合能力提高有较好的锻炼。 擂台机器人比赛意义 比赛是评价实际水平和技能的最客观、最合理、最公正的方 法。奥林匹克之所以百年不衰、兴旺发达的根本原因就在于它具有高度的竞争性和严格的比赛规则。机器人比赛的最大魅力可以通过比赛激发青少年科学研究的热情，并通过比赛来改进和创造新技术，这个特点对青少年的科学精神和创新精神的培养具有重要意义。 基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 4 - 机器人比赛包含了 21世纪重点要攻克的许多重要技术，如机器人比赛的识别和智能的定位需要应用机器视觉技术和传感技术，比赛队内机器人之间互相联系与沟通需要采用无线通信技术，队员之间通信内容需要采用信息加密和防窃听技术。此外，机器人擂台赛还涉及决策与智能控制技术、计算机及人机接口等许多 重要技术。开展机器人擂台赛能够将人工智能技术的最新研究成果与实践结合起来，借助机器人足球赛，对人工智能技术的前沿研究成果进行检验，促进人工智能技术的发展，加速人工智能技术的商品化、产业化进程，推动科技水平进入一个新的高度。 无数机器人系统在众多领域有着广泛的应用前景，通过机器人擂台赛可以反映出一个国家信息和自动化技术的综合实力。为推动对无数擂台机器人项目的研究， 2002年 1月，我国 863机器人主题专家组正式将武术擂台机器人系统的研究开发列为 863申请项目，中国自动化学会机器人竞赛工作委员会开始统一组织包 括 Robocop和FIRA两个项目的机器人擂台比赛。这些工作进一步推动了国内擂台机器人的研究工作，有效促进了机器人相关科学技术的快速发展。 20世纪人类发明了机器人，初步实现了对机器人的利用， 21世纪人类将与机器人共存，机器人擂台赛是研究未来社会的理想模式。在信息科学与技术领域，计算机国际象棋证明了用计算机实现的专家系统完全可以战胜一个世界级天才棋手，从而在信息技术领域开辟了一个专家决策知识处理系统，大踏步地推动了信息化理论的研究。但与机器人擂台赛相比，计算机象棋属于单智能体之间的竞争，是一种静态环境条件下的 非实时智能处理系统，而与现实世界中人的社会合作性具有明显的差异。因此，象棋问题不能用于处理现实世界的团体协作问题，而机器人擂台的全面解决比计算机象棋更复杂和深入。 以百米比赛为例，人们完全可以根据参赛对象的近期实力、身体伤病等因素大致预测谁将赢得比赛，但是武术擂台比赛属于团队项目，即使是非常了解武术的武术大师，也很难根据球队中各队员的实力预测球队之间的胜负，因为武术队胜负不是个体实力的简单线性加法。因此，机器人擂台赛要解决的问题更具现实性和挑战性，它将直接面向现实世界关于智能与协作的两大难题，其成功将可以解 决多智能体在复杂动态环境条件下的实时智能处理问题，并将破解多个单智能体在不可预测的动态环境中如何协同工作的技术难题和社会学问题。因此，机器人擂台赛的突破性贡献是解决面向实际世界的一个典型问题，它将使人工智能从封闭的、孤立的、基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 5 - 非现实世界问题进入到开放和直接面向现实世界的客观领域，是人工智能学发展的新里程碑。 机器人武术擂台赛涉及的关键技术； 1997年，当一台名为“深蓝”的计算机战胜了国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫时，全世界为此而惊呼：机器战胜了人类！深蓝的成功的确标志着人工智能研究的巨大进步。但这也仅仅体现在静 态条件下的强大运算能力上。机器人足球是在动态不确定环境下对人工智能的应用，集科学研究、教育和娱乐于一体，必将吸引世界各国科技工作者和广大青少年的积极参与。 下面以机器人足球比赛图 1-1为例； 图 1-2 机器人足球系统 机器人武术擂台赛中所包含的关键技术领域如图所示，主要包括机器视觉技术、无线通讯技术、机电一体化技术、智能控制技术、嵌入式计算机技术、战略战术技术、人工生命学技术、仿真技术等。这些关键技术对我国新型产业的建设及对传统产业的技术改造都具有重要现实意义。 对产业和研究的作用； 智能机器人是 一个在感知 -思维 -执行 -决策多方面全面模拟人类活动的机器智能系统 ,不管外形是否像人，但它是信息技术和人工智能等学科的综合试验场 ,可以全面地检验信息技术和人工智能等各领域的成果以及它们之间的相互关系。机器人基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 6 - 足球虽然是在一个小平台上两支机器人球队之间进行的武术比赛，但要使一支机器人球队战胜另一支机器人球队，不但需要人工智能技术中的视觉、传感融合、行为决策、知识处理等技术，而且还需要使无线通讯、智能控制、机电仪一体化、计算机仿真等许多关键技术有机、高效的集成统一。因此，一定意义上可以说，机器人武术擂台是以一个国家 的综合科学和技术实力为背景，可以推动产业和科学研究的深入和进步。 （ 1）机器视觉技术 对于武术擂台机器人，其机器视觉系统的作用相当于人类的眼睛，用于观察、理解和判断与比赛有关的各种信息及相互变化，并将这些信息传递给信息处理单元。武术比赛意味着要求机器人对比赛目标进行快速识别，并且准确定位与比赛相关的各种目标（如物体和象棋棋子等）的位置。足球机器人技术可以推动视觉和图像处理技术的快速发展，并用于经济生活中各种服务现场的实时监控、工业产品和日用品的非接触质量检验及开发各种实时智能控制系统等。 （ 2）机电仪一体化 人类从事机器人运动，教练员需要选材，目的是保证运动员有一个良好的身体条件。机电仪一体化技术将给机器人球队提供结构合理、强壮和敏捷的外在身体条件，为机器人的可靠、耐久和快速运动提供保证。现阶段，由于技术上的问题机器人普遍未安装两条腿，而用电机驱动的轮子来代替腿。这种技术可适用于各种家电产品及智能机器人的开发。 （ 3）智能控制技术 聪明的武术运动员善于用脑踢球，而不仅仅用脚。智能控制技术为机器人球队提供行为决策能力，以保证在复杂动态环境条件下，运用知识智能产生实时行为决 策。足球机器人的决策系统相当于一个强大 的足球指挥专家系统，是足球教练员和运动员智能决策的有机统一。一个成熟的足球智能控制系统永远不会出现所谓运动员对教练员意图的理解不透彻或执行不力等情况。该技术可有效推动基于专家系统的智能控制系统的开发。 （ 4）仿真技术 仿真技术给武术机器人提供学习能力，以解决机器人参赛队的比赛策略开发环境和训练条件，训练和比赛中的经验积累和教训吸取可以有效提高机器人的比赛素基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 7 - 养，避免国家足球队经常出现的黑色三分钟现象。成熟的足球机器人仿真技术可以促进体育与军事的战略战术智能系统开发。 （ 5）计算机技术 计算机技术，包括嵌入式计 算机技术是机器人的控制核心，要求体积很小，但知识存储量大，用于给机器人球队提供具有丰富知识结构的大脑，以及控制机器人的视觉、听觉、运动及决策执行等过程。机器人涉及的计算机技术需要硬件与软件技术的完美结合和综合运用，可推动各种家电及军用装备控制计算机技术的发展。 （ 6）无线通信技术 对于武术机器人，无线通信技术相当于人类的耳朵，用于提供机器人之间信息交流所必需的通信网络系统。随着技术的发展，未来机器人武术擂台比赛系统对无线通讯系统可靠性、安全性的要求进一步提高，既要保证通信不受干扰、防止通信阻塞，还要保证队员 之间的通信和指令不被对方机器人所截取和破译。因此，成熟的武术机器人队的通信技术可广泛用于无线网络、分布式控制、信息安全及信息电器系统的开发之中。 （ 7）传感及数据融合技术 在未知环境下，武术机器人主要依靠多传感器信息，运用数据融合算法，提供与环境有关的系统状态的充分并可靠的信息，用于解决机器人在复杂的动态环境条件下自主规划路径、躲避障碍物、不犯规、以最佳路线接近目标。多传感器数据融合技术增加了测量的维数和置信度，改进了探测性能，扩展了空间和时间的覆盖范围，改进了系统的可靠性、可维护性、系统容错性和运行鲁棒性 9。该技术可以用于提高资源共享和资源的利用率，以及各种机器人的路径规划，精密仪器仪表的研制及系统辨识等方面问题。 （ 8）战略战术 武术机器人实际上是两个对抗群体之间的对抗与竞争，必须以战略优先，即除正常的攻防战术之外，应当具有贯穿比赛全程的整体战略计划，需要充分考虑战略 和战术问题，涉及对策论等多学科体系的知识，对于军事技术的开发与应用具有实际意义，可提高机器人军事目标追捕等军用系统的技术水平。机器人足球技术涉及的知识层面非常广泛，涵盖了 21世纪急需的信息、通讯、机械及决策等许多学科。可以将成熟的机器人 足球技术推广应用到许多具有代表性的应用领域，如对未来数字化家庭起关键作用的家庭服务机器人；还可以组建机器人部队，以适应未来可能基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 8 - 的原子战、化学战、细菌战等战争形式。可以预料，在不久的将来，机器人足球由于其娱乐性、观赏性及高技术挑战性将赢得越来越多人的青睐与关注，它将带动产业、科研及教学的发展。对我国传统产业的技术改造和新型产业的培养具有实际意义。 1.3 本文的研究内容方案及步骤 本文主要研究的内容：基于 最新的 UP-Instar“ 创意之星 ” 机器人套件为基础，通过创新模块构建出擂台机器人及传感器，并对通过程序对舵 机的控制，执行任务。 1.3.1 基本内容和问题包括 机器人是一种自动化机器，具有感知、规划、动作和协同能力，是一种具有高度灵活的自动化机器。它是典型的光机电产品。 基于擂台比赛机器人机构设计及任务规划的研究是通过创新模块构建出擂台机器人及传感器，并对通过程序对舵机的控制，执行任务。该组合具有工程性、创新性、设计性。 要求设计组装成擂台机器人机械结构，并控制舵机控制，执行相关任务。 1.3.2 总体的设计方案及步骤 用“创意之星”是一种模块化机器人组件，其特点是组成机器人的各种零件都是通用、可组的，各个零件之间 有统一的连接方式，零件之间可以自由组合，从而构建出擂台机器人。 （ 1）了解组装机器人套件，如舵机，红外传感器，灰度传感器 （ 2）设计机器人整体结构并组装 （ 3）装载程序并进行调试，符合擂台比赛要求 （ 4）根据机器人绘制结构图 基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 9 - 第二章 武术擂台机器人 设计方案 2.1 武术擂台 机器人 介绍 中国机器人大赛 -武术擂台赛分为五个组别，包括不限定比赛平台和标准平台，其中又包括无差别组，仿人组，技术挑战赛。下面是典型机器人的介绍。 图 2-1 无差别 组 -标准 平台 机器人 图 2-2 无差别组 -标准平台 仿人机器人 2.2 擂台机器人各部件介绍 2.2.1 连接结构 在“创意之星”机器人套件中，各种结构件的连接遵循统一的标准。我们这种标准连接方式称为“ Conflux 连接结构”。 Conflux 连接结构主体是统一尺寸的花键和键槽，每个花键或键槽有 20 个齿，每个花键可以转动的角度是 18的整数倍。因此， Conflux 连接结构使得各个零件之间可用不同角度连接，例如平行连接、垂直连接，或者其它以 18为增量角度来连接。为了适用各种连接场合，还派生出两并联、三并联、加长型、扁形等零件，如图 2-3 所示。 Conflux 连接结构连接精密、无间隙，单个连接可承受 5Nm 以上的弯矩和扭矩，如图 2-3 所示。 Conflux 连接结构连接简单，只需要一颗螺丝，就能实现牢固的连接效果，两个或多个零件通过连接件可以实现各种角度的连接组合，如图 2-3 所示。 基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 10 - （ a） （ b） （ c） 图 2-3 连接件的连接 示意 2.2.2 电机 （ 1） 直流有刷电机 直流电机有定子和转子两大部分组成，定子上有磁极（绕组式或永磁式），转子有绕组，通电后，转子上也形成磁场（磁极），定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场（ N 极和 S 极之间）的相互吸引下，是电机旋转。改变电刷的位子，就可以改变定转子磁极夹角（假设以定子的磁极为夹角起始边，转子的磁极为另一边，由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向）的方向，从而改变电机的旋转方向 . 直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的 原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基 本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。 基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 11 - 直流有刷电机的转速是与电压成正比 的，而转矩是与电流成正比的。对于同一台直流有刷电机，电压、电流、转矩这三者之间的关系大致可以用下图 2-5来表示： 图 2-4电压、电流、转矩这三者之间的关系 其中 V1V5 代表 5 个不同的电压， V1 最低， V5 最高。可以看到，在相同的电压下，速度越低，转矩越大；在相同的转矩下，电压越高，速度越大；在相同的速度下，电压越高，转矩越大。 但是电压并非越高越好。一般直流电机是额定电压从 3V24V。再大一些是 30V 或更大。 “ 创意之星 ” 机器人使用的电机工作在 56V。不能让你的额定 6V 的电机工作在 100V，那样就可能会损坏电机了。直流电机在额定电压下工作效率最高。如果电压值过低，它就不会工作；如果电压过高，它将过热，线圈将会熔化。因此一般尽可能采用接近电机额定的电压。 电流 对于所有的电路来说，一定要注意到电流。太小不能工作。太大也会彻底毁坏。 在买电机时，你一定要注意两个电流额定值问题。第一个是工作电流， 这是电机工作在预期一般转矩时电流的平均值，该值乘以额定电压就得到电机运行的平均功率。另一个需要注意的电流额定值是停转电流。这就是你起动电机但转矩不足以致它停止转动。这是电机工作的最大电流， 因而也是最大功率。所以你设计好全部的电路，能处理这样的停转电流。此外，如果你打算长时间运转电机，或者在高出额定电压时运行，最好给电机加上散热槽避免线圈熔化。 基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 12 - 额定电压 我们的电机能承受多大的电压？一般所有的电机受（或至少应该）一定的功率限制。功率转换中的损失直接变为热量输出，太多的热量会使电机线圈（的绝缘部分）熔化。所以优秀的电机制造商知道多大的电压会使电机失效，并且在电机性能表中给予说明。 转矩 在购买直流电机时，要注意有关转矩两个额定值。第一个是工作转矩，这是电机设计时所决定的，一般是标称值。另一个额定 值是停转力矩，这是电机从转动到停止时的力矩。一般仅考虑工作转矩，但是有些情况下，你可能想知道电机的极限转矩。如果你设计一个轮式机器人，良好的转矩意味着加速性能好。一个经验公式是，如果你的机器人有 2 个电机，那么尽量确保每个电机的堵转转矩 机器人的重量 X 轮子半径。 “ 创意之星 ” 标准配备的直流电机（带行星齿轮减速器）参数： 图 2-5 “ 创意之星 ” 标准配备的直流电机 表 2-1 直流电机主要参数表 基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 13 - 表 2-2 直流电机（带行星齿轮减速器）参数 直流有刷电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色 金属或石墨较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机、无刷电机的性能，并且大量代替直流有刷电机。但是在移动机器人等场合，直流有刷电机由于其功率密度大、尺寸小、控制相对简单、不需要交流电等优点，仍然被大量使用。 （ 2） 直流电机工作原理 采用直流电作为动力来源的各种电动机，统称为直流电动机，简称直流电机。其工作原理是利用带有数个起电磁铁作用的线圈转子，线圈转子通电后，与励磁单元（可以是励磁线圈或者永磁体）的磁场作用而运动；不断地按照合适的规律改变通电顺序，使得转子的运动 一直持续，形成转动。直流电机有定子和转子两大部分组成，定子上有磁极（绕组式或永磁式），转子有绕组，通电后，转子上也形成磁场（磁极），定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场（ N 极和 S 极之间）的相互吸引下，是电机旋转。改变电刷的位子，就可以改变定转子磁极夹角（假设以定子的磁极为夹角起始边，转子的磁极为另一边，由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向）的方向，从而改变电机的旋转方向。 固定部分有磁铁，这里称 作主 磁极；其中固定部分还有电刷。转动部分有 环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。 (其 中 2 个小圆圈是为了方便表示该位置上 的导体电势或电流的方向而设置的 )。 表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了 一对直流励磁的静止的主磁极 N 和 S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由 A 和 X 两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷 B1 和 B2，当电枢旋 转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。 基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 14 - 如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如图 3-2 所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈 abed，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体 abs 和 cd 收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（ b）所示的位置，电刷 A 和换向片 2 接触，电刷 B 和换向片 1 接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是 dcba，从电刷 B 流出。 此时载流导体 ab 和 cd 受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们 产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电 源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产 生的转矩的方向却是不变的。 实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线 圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。 将直流电动机的工作原理归结如下：将直流电动机的工作原理归结如下： 1、将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。 2、电机内部有磁场存在。 3、载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用 f=Blia （左手定则） 4、所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以 n(转 /分 )旋转，以便拖动机械负载。 对于所有电路来说，一定要注意电流，太小不能工作，太大会毁坏电机，因 此在使用电机时一定要注意额定电流。 在电机选择时，要注意有关转矩的两个额定值。第一个是工作转矩，这是电 机设计是时所决定的，一般是标称值。另一个额定值是停转转矩，这是电机从转 动到停止的转矩。对于一个轮式机器人，良好的转矩意味着加速性能好。 （ 3） 直流电机选型计 算 （ 1） 估算电枢电阻 Ra:通常电动机在额定负载下的铜耗约占总损耗的 50%-75%。 （ 2-1） （ 2-2） 基于武术擂台机器人的任务规划及防守策略分析研究 - 15 - 因为电源输出电压为 5V,输出电流为 0.625A,通常小型电机机械效率为 70%80%,即 =0.70.8,取 =0.8 (2)求 e N K , 额定运行条件下的反电势 N e N N N N E = K n = U I R a （ 2-3） (3) 求理想空载转速 : (4) 求工作时转矩 (5)计 算 FAULHABER 2342 12CR 电机额定转矩 由于额定电压 U=12V 额定电流 I=1.5A 根据 (1)中的公式 ,求得 根据 (2)中公式求出 e N K =0.81 根据 (3)中公式求出理想空载转速 ； （ 2-4） 根据 (4)中公式求出理想转矩 由于 N 1 T RBEDGE) return 7; /左后检测到边沿 else if(AD2 LBEDGE & AD3 RBEDGE) return 7; /左后检测到边沿 else if(AD2 LBEDGE & AD3