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3M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

一．机器人机械系统 (1)

1．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 (6)

2．机器人动作介绍 (7)

二．机器人电子系统 (11)

1．电路结构 (11)

2．电路板外形尺寸 (12)

3．专用串口线 (13)

4．舵机连接线 (14)

三．机器人软件系统 (15)

1.KEIL C (15)

2.STC_ISP_V3.5 (16)

四．科创品牌机器人专用舵机介绍 (18)

1．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

（1）前视图

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。

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。

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：

STC12C5410A

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。

（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

（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度定为1—10。

科创公司机器人出厂自由度设置如下：

2．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

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。

P平面舵机：P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8

Z平面舵机：Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8

2．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DC6V—7.4V。

RS232接口----连接个人PC。有3根线缆，分别为GND、TX、RX。GND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。

3．专用串口线

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。

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。

4．舵机连接线

串口9针插头

小型转接插头

附加连接线

附加过渡处

延长线

普通串口线USB 转串口线

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

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。

将塑料片轻微撬开

将插头连

线拔出

将插头连线插入

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_V3.5。

1.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：

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。

2.2.STC_ISP_V

3.5

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：

项目文件列表

系统信息区

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；

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。

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

2004年底，北京科创科技有限公司开始自己生产。这款

型号为KJ12-M伺服舵机，是小型双足

机器人专用伺服舵机，其重量轻、扭矩大、反应速度快。

它

还有一个最突出的特点，是有“电子自锁”功能，这样

就可

以降低控制系统的实时响应需求，为后续功能腾出足够空间。

1．伺服舵机5大特点

1．力矩大：科创机器人专用舵机可达到14—15kg·cm；市面上的一般舵机，力矩普遍只有3—4kg·cm。机器人，尤其是人型机器人的腿部关节

力矩均需9kg·cm以上，因此一般舵机性能不能满足。

2．电子锁位功能：市面上一般的舵机每时每刻需要为其发出PWM控制指令，否则舵机位置会乱蹦，因此会占用大量CPU资源。科创专用舵机

不用为其时时发出PWM控制指令，舵机收到一组PWM控制指令

后会自动执行至该位置，此时如果CPU停止为其发送控制指

令，科创舵机会保持该位置，并抵抗来自外界的一切干扰信号。

3．使用寿命长：市面上一般的舵机普遍采用塑料齿轮，科创机器人专用舵机全部精选铜合金、高碳钢等贵金属为原料，精加工而成，齿轮加

工精度高达5级。

4．配件齐全：市面上一般的舵机只配有1种圆形舵盘，而科创机器人专用舵

机外围包括多种带丝舵盘和不带丝舵盘，另外配有多种专门为

机器人设计的“双端输出结构件”，“U形件”，“十字件”等，

方便DIY时使用。

5．互换性强：科创机器人专用舵机采用国际统一尺寸标准，可以直接替换国外高端舵机，使得其应用更加广泛。