创意之星模块化机器人实验指导书实验版.docx

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创意之星模块化机器人实验指导书实验版

电子科技大学

“创意之星”模块化机

器人实验

机械电子工程学院

2010年3月

实验一MULTIFLEX控制卡编程实验......................................................................................1

实验二多自由度串联式机械手..........................................................................................10

实验三简易四足机器人.....................................................................................................15

实验四轮式机器人运动控制实验......................................................................................19

实验五机器人传感系统实验..............................................................................................24

实验六自主避障机器人实验..............................................................................................27

实验七追光的机器爬虫.....................................................................................................37

实验八开放性实验：

设计自己的机器人...........................................................................48

“创意之星”模块化机器人实验

实验一MultiFLEX控制卡编程实验

实验目的

（1）了解MultiFLEX控制卡的基本结构；

（2）了解WinAVR+AVRStudio编译环境的使用；

（3）了解C语言环境下编写控制程序，并编译、下载到MultiFLEX控制器中执

行的流程

（4）熟悉关于AVR单片机的io口有关的寄存器的概念、作用

（5）理解函数gpio_mode_set（），write_gpio（），read_gpio（）的定义，掌握其

用法

（6）熟悉并掌握利用2中的3个函数控制MultiFLEX控制卡的16路IO口

实验环境：

UP-MRcommander控制软件

实验器材：

计算机1台

MultiFLEX控制卡1块

控制卡电源线1根

串口下载线1根

232电缆1根

USB转232电缆1根

舵机4个

舵机延长线4根

实验步骤

1WinAVR以及AVRStudio软件的安装

首先大家打开实验指导书配套光盘，在“MultiFLEX控制卡\AVRMCU开发

资料”目录下，打开“WinAVR”文件夹，双击

“WinAVR-20060421-install.exe”完成WinAVR的安装；然后打开“AVR

Studio”文件夹，根据文件夹里面的安装说明进行AVRstudio的安装，并将其

升级到最新版本。

注意：

请先安装WinAVR再安装AVRStudio，这样WinAVR才能自动嵌入到

AVRStudio中。

2用3AVRStudio建立一个工程

首先打开我们刚刚安装好的AVRStudio，会出现如下窗口：

1

“创意之星”模块化机器人实验

点击选框1中的按钮可以新建一个工程，点击选框2中的按钮可以打开一个

工程，选框3是最近你所打开的文件，你可以选中快速将其打开。

在这里，我们

点击1（NewProject），会出现如下窗口：

在此窗口中我们可以设置关于新工程的一些基本信息。

在选框1（Projec

tType）中，第一项AtmelAVRAssembler指汇编工程文件，第二项AVRGCC指建立

后的文件为C语言工程文件，在此我们选择AVRGCC（如果没有安装WinAVR则此

处不会出现AVRGCC选项）。

在选框2中，我们可以确定工程名（Projectname）

以及初始文件名（Initialfile），在此我们不妨均取名为test。

在选项框3中，

我们可以确定工程所在的文件夹位置，在此我们不妨将路径设为D:

\test。

在选

项卡2中如果选中Createfolder，则会在3中确定的文件夹中新建一个以工程

名为文件夹名的文件夹，所有与该工程有关的文件会放在此文件夹内；在选项卡

2中选中Createinitialfile会生成一个初始.c文件，方便我们编写程序。

以上设定完成后我们点击Next进行下一步设置，会弹出如下窗口：

2

“创意之星”模块化机器人实验

在此窗口中我们可以设置一些关于计算机调试的一些信息。

在选项框1之中

我们设置程序调试平台，在此我们选择AVRSimulator。

在选项框2中我们可以选

择单片机类型，你可以根据实际需要选择，在此我们选择ATmega128（本实验以创

意之星控制板为平台，所以选择创意之星的控制核心ATmega128，AVRStudio可

以进行软件模拟单片机的运行过程，但本书中不作介绍）。

选择完成后我们点击

Finish，这样一个新工程就初步建立了。

然后会出现如下窗口。

其中选框1为菜单栏，选框2为工具栏，选框3为工程管理树，选框4为程

序编辑栏，选框5为编译信息栏。

作为我们的第一个代码实验，我们可在选框4中

输入如下程序：

#include

#defineBEEP_ONPORTG|=_BV（PG3）

#defineBEEP_OFFPORTG&=~_BV（PG3）

intmain（void）

3

“创意之星”模块化机器人实验

{

inti,j;

PORTG=0;

DDRG=0xff;

while

（1）

{

for（i=0;i<0xFF;i++）

{for（j=0;j<0xFF;j++）;}

BEEP_ON;

for（i=0;i<0xFF;i++）

{for（j=0;j<0xFF;j++）;}

BEEP_OFF;

}

}

然后在菜单栏选择“Project——》ConfigurationOptions”

会弹出如下窗口：

4

“创意之星”模块化机器人实验

在控制核心工作频率（Frequency）一栏输入14745600，由于创意之星采用的晶振是此

频率，故如此设置。

其他选项均采用默认设置即可，然后点击确定。

保存文件，然后在菜单

栏选择“Build——》Build”（或者按F7），如下图所示：

在编译信息栏会出现相应的编译信息，显示是否有错误，其中显示“Buildsucceeded

with0Warnings…”说明我们编译正常通过，这时，在我们当初设置的工程所在的文件夹

的default文件夹“D:

\test\test\default”里会出现很多新文件，这些都是程序编译的结

果，其中有个test.hex文件是程序烧写文件，将这个文件经过烧录软件下载至MultiFLEX控

制板后程序就能运行，至于如何烧写我们将在后面进行介绍。

3将*.hex文件烧录至MultiFLEX控制卡中

首先我们要安装烧写软件PonyProg2000，打开实验指导书配套光盘，在

“\MultiFLEX控制卡\AVRMCU开发资料\ponypro”目录下，运行

ponyprogV206f.exe，安装完毕后运行，有两个提示会出现，都选择确认，最终

正确运行的PonyProg2000如下图所示：

首先我们应该对软件进行总线时序校准，在Setup中选择Calibration即

可。

然后进行下载方式设置，点击“Setup——》InterfaceSetup”

5

“创意之星”模块化机器人实验

会出现如下窗口：

由于“创意之星”配置的是并行下载线，所以我们应该选择Parallel，在下

拉选项中选择AvrISPI/O，如上图所示，其他选项按其默认设置，不予更改，然

后点击“OK”完成设置。

然后我们进行目标芯片的选择：

点击“Device——》AVRmicro”,在弹出的

选项框中选择ATmega128，如下图所示，这样我们就完成了目标芯片的选择。

现在我们用并口下载线将电脑和MultiFLEX控制卡进行连接。

下图是“创意之星”提供的并口下载线以及其线序：

6

“创意之星”模块化机器人实验

下图是MultiFLEX控制卡的功能区域图，将下载线的5针插头与其中的H区

的5针插头相连接，注意线序

连接完成后给控制卡通上电源（程序烧写过程中不允许断电，请确保电源的

可靠性）。

然后在刚才打开的PonyProg2000中点击“File——》OpenDeviceFile”

或者点击图标打开我们前面生成的test.hex文件（应该在

“D:

\test\test\default”文件夹中），然后点击“Command——》WriteAll”

或者点击图标，然后程序就会开始烧写至控制卡里面。

当PonyProg2000显示烧写成功时我们的第一个实验程序就顺利的烧写进

MultiFLEX控制卡中了，正常情况下我们会听到控制卡蜂鸣器发出急促的“嘟嘟

嘟”的声音，如果没有任何现象请你检查以上步骤是否按要求完成或者检查下载

线有没有插反、控制卡是否正常供电，修改有问题的地方后再生成hex文件进行

烧录，直至蜂鸣器出现规则的嘟嘟声为止。

4编写C程序实现对16路I/O口的控制

I/O口（In/Out口）是数字电路的重要组成部分之一，通过I/O口，我们可

以控制端口的电平变化，也可以对端口的电平信息进行读取。

在机器人人领域对

I/O口的操作更是无处不在，那么针对创意之星的MultiFLEX控制卡我们怎么通

过编写c与程序对其I/O口进行操作呢，我们将在本小节对其进行介绍。

7

“创意之星”模块化机器人实验

首先我们来简单了解一下AVR单片机与I/O口有关的寄存器。

AVR单片机与

I/O口有关的寄存器有3个：

PORTX，DDRX，PINX（X为端口编号）。

DDRX说明X端口的输入输出状态，例如：

如PORTA=0x0F=00001111，则引

脚PA0-PA3均为输出（1为输出），引脚PA4-PA7均为输入（0为输入）。

PORTX说明X端口的输入输出的具体信息，例如：

当PORTA=0x0F时，若

PORTA=0X33=00110011，则引脚PA0、PA1为输出，且输出信号为高

（1）；引脚

PA2、Pa3为输出，但输出信号为低（0）；PA4、PA5为输入且输入有效；至于

PA6、PA7虽然DDRA已经将其设置为输入，但是PORTA使其输入无效，所以PA6、

PA7的输入信号读不出来。

PINX为输入端口的具体信息（PINX只能读取不能写入），例如：

当

DDRA=0x0F，PORTA=0x33时，如果读取PINA即chartemp=PINA，则temp=--XX0011，

其中为输入的引脚只有PA4-PA7，PA4与PA5状态为XX，X为输入信号，而PA6、

PA7的输入为--，-为一个不确定的数。

方便大家看懂源程序，对于MultiFLEX控制卡，我们已经在系统程序里面进

行了处理，同学们只需要调用相关的函数即可对控制卡的IO0-IO15这16个引脚

进行控制。

实验准备：

1.控制卡的IO0-I03分别与4个LED灯连接

2.控制卡的I015与1个碰撞传感器（实质上是一个开关）连接

3.控制卡与电脑之间用并口下载线正确连接

4.控制卡电源线正确连接

实验程序：

#include"Public.h"

#include"Usertask.h"

voiduser_task（void）

{

uint8io_in;uint8io_out;

uint8temp8;uint16temp16;gpio_mode_set（0x00FF）;

write_gpio（0xFF00）;

while

（1）

{

temp16=read_gpio（）;

io_in=（uint8）（temp16>>8）;

temp8=（io_in&0x80）;

if（temp8==0）

{io_out=0x01;

while（io_out）

{

8

“创意之星”模块化机器人实验

write_gpio（~（（uint16）io_out））;

delay（5）;//延时5×20MS=0.1s

io_out<<=1;

write_gpio（~（（uint16）io_out））;

delay（5）;

}

}

elsewrite_gpio（0xFF00）;

}

}

实验总结

整个实验的运行结果应为：

当开关（碰撞传感器）未按下时，所有LED灯点

亮，当开关

持续按下时，led灯循环点亮。

实验报告内容

记录自己的程序

9

“创意之星”模块化机器人实验

实验二多自由度串联式机械手

实验目的

（1）了解串联式机器人、自由度和空间机构学、机器人运动学的基本概念；

（2）熟悉四自由度串联式机械手；使用配套动作程序，然后自己给机器人

编写动作；

（3）掌握“创意之星”机器人套件的搭建和装配技巧

（4）熟悉并掌握舵机控制函数rc_moto_control（）以及延时函数delay（）的

使用方法，理解其函数定义

（5）熟悉并掌握利用函数控制舵机运动

实验环境：

UP-MRcommander控制软件

实验器材：

计算机1台

MultiFLEX控制卡1块

控制卡电源线1根

串口下载线1根

232电缆1根

USB转232电缆1根

舵机5个

舵机延长线5根

“创意之星”机器人构件1套

实验步骤

1结构组装

其结构（3D模型图，线缆和其他细节没有在图上表示出来）示意图如下：

10

“创意之星”模块化机器人实验

此部分组装完成后，用手旋转橙红色U-3-3-3构件，应该和腰关节舵机的输

出轴牢固地连接在一起，不能有松动、晃动或者卡住的现象。

组装其他部分。

需要2个基本构形A，1个基本构形B，以及一个基本构形E。

各个基本构形之间可以用通用连接件（D8x4、D8x6塞子）连接，也可以用螺栓

和螺母连接。

需要注意的是，如果用通用连接件连接，最终完成的机械手的刚度

会差一些；如果用螺栓/螺母连接，则需要仔细思考连接的先后顺序，不能先把

各个基本构形组装出来之后再拼装，否则可能由于空间限制而无法进行拧螺丝等

操作。

例如，连接DOF2和DOF3的两个基本构形的时候，就需要预先把DOF3上的

U3-3-3红色U型构件连接到DOF2的舵机架上。

2连接电缆

11

“创意之星”模块化机器人实验

按下表所示顺序连接指定关节的舵机的电缆到MultiFLEX控制卡上：

3调整初始姿态

打开控制卡的电源，我们会发现机器手开始运动到初始姿势之后会锁定该姿

势。

为了使用配套光盘中附带的动作程序，我们需要手动调整每个关节的姿势，

调整完毕后应该如下图所示：

4写入动作程序

调整之后，再次打开电源。

我们应该看到组装完成的机械手保持如上图所示

的状态。

此时在UP-MRcommander软件中调入“UP-MRcommander\机械臂\机械

臂.mra”这个动作文件，并下载执行。

机械臂就可以运动起来了。

5建立自己的动作程序

现在我们来编写自己的动作程序。

动作程序的编写过程就是建立一个个的动

作，并设计每个动作的姿态，以及持续时间。

这一步中我们的目标是编写一个机

械手的程序，它可以让机械手把一个纸团从他的左侧夹起，放到右侧，并如此重

复。

编写动作的几个要点是：

要在“在线调试”的状态下对每个动作进行调试；如下图所示，选中“在线

调试”复选框，即进入了在线调试状态。

这种状态下，在UP-MRcommander界面

上的任何改动动作的操作都回立刻被机器人执行。

利用在线调试功能可以很方便

地为机器人编写每一个动作。

12

“创意之星”模块化机器人实验

舵机的运动速度可以在0~255之间调节。

但是对于机械手来说，舵机的运动

速度在50~150比较合适。

由于机械手的每个关节舵机（尤其是底座部位的舵机）

的负载很大，如果速度太快的话，舵机会很快速地启动和停止，有可能损伤舵机

本身，甚至有可能误伤操作者。

如果设定舵机的速度较慢，并且动作的执行时间太短的话，相应的动作可能

还没有执行完毕就已经进入了下一个动作。

没有执行完的动作将被忽略。

为刚刚编写好的动作命名。

如下图所示。

命名的好处是，我们可以很清楚地

知道这个动作的目的是什么。

如下图所示，你很难搞明白左图的动作程序是什么。

相对的，右图的动作程

序每一步都进行了命名，如果我们要修改动作程序，很容易找出需要修改的地方

来调试。

编写C程序实现对舵机的控制

用“创意之星”机器人套件搭建的机器人的主要关节都是由舵机驱动的，我

们选择USERTASK.C对其进行编辑。

输入如下程序：

#include"Public.h"

#include"Usertask.h"

voiduser_task（void）

{

uint8array_rc[23]={0};

array_rc[0]=90+20;

13

“创意之星”模块化机器人实验

array_rc[1]=170;

array_rc[2]=90-20;

array_rc[3]=170;

array_rc[4]=90-20;

array_rc[5]=170;

array_rc[6]=90+20;

array_rc[7]=170;

rc_moto_control（array_rc）;

delay（50）;

array_rc[0]=90;

array_rc[1]=170;

array_rc[2]=90;

array_rc[3]=170;

array_rc[4]=90;

array_rc[5]=170;

array_rc[6]=90;

array_rc[7]=170;

rc_moto_control（array_rc）;

delay（50）;

}

然后打开SYSTASK.C文件，将处于最后的main（）函数进行细微改动。

intmain（void）

{

Sys_Init（）;

WORK_LED_ON;

while

（1）

{

//system_task（）;

user_task（）;

}

}至此我们就顺利完成了用c语言实现机器人关节运动控制。

但是机械手舵

机不止4个，因此要求同学根据以上程序增加舵机的控制，并记录修改的程序。

实验总结

现在我们的机械手可以完成一定的工作了。

这只是一个最原始的机器人，只

有5个自由度（包括末端手爪），并且不具备传感器，无法根据工作情况来调整

自己的反应。

从这个意义上来说，它甚至不应该被称为“机器人”。

但是我们还

要继续组装这样的各种构型的机器人。

我们目的是通过这些组装和学习，掌握“创

意之星”套件的使用，最终用这个套件设计和组装出自己的机器人。

实验报告内容

记录自己的动作程序

14

“创意之星”模块化机器人实验

实验三简易四足机器人

实验目的

（1）熟悉四足机器人，使用配套光盘中提供的动作程序机器人；

（2）熟悉UP-MRcommander软件调试机器人运动步态的技巧。

（3）掌握“创意之星”机器人套件的搭建技巧。

（4）熟悉并掌握舵机控制函数rc_moto_control（）以及延时函数delay（）的使用

方法，理解其函数定义

（5）熟悉并掌握利用函数调试机器人的步态

实验环境：

UP-MRcommander控制软件

实验器材：

计算机1台

MultiFLEX控制卡1块

控制卡电源线1根

串口下载线1根

232电缆1根

USB转232电缆1根

舵机4个

舵机延长线4根

“创意之星”机器人构件1套

实验步骤

1结构组装

本实验中需要组装的简易四足机器人三视图及轴测视图如下:

15

“创意之星”模块化机器人实验

从图中可以看到，机器人具有4个自由度（DOF1~DOF4），使用4个基本构

形A构成了机器人的身体，它们之间使用I形连接件连接。

每个舵机的输出轴上

连接了一个I形连接件，作为机器人的腿。

如果大家对机器人刚度有较高要求的

各部件连接件最好用螺纹副固定。

在腿的末端使用了橡胶防滑垫，以增大腿部与

地面的摩擦力。

机器人的装配爆炸图如下图所示：

2连接电缆

按下表所示顺序连接指定关节的舵机的电缆到MultiFLEX控制卡上：

3调整初始姿态

与前面的实验相同，在完成机器人的组装后，为了使用配套光盘中附带的动

作程序，我们需要手动调整每个关节的初始姿态。

调整方法如前面实验所述。

调

整完毕后各关节的初始姿态应该如下图所示：

4写入动作程序

16

“创意之星”模块化机器人实验

调整之后，再次打开电源。

我们应该看到组装完成的机械手保持如上图所示

的状态。

此时在UP-MRcommander软件中调入“\UP-MRcommander\蛇形机器人\10

关节蠕动-步距0.125波长-正弦波.mra”这个动作文件，并下载执行。

此时把机

器人放到地上，注意观察它的运动方式。

通常情况下，使只有4个自由度的四足机器人运动起来并且能够前进、后退，

是一个很困难的事情。

普通的四足机器人至少有8个自由度，有些甚至有12个

自由度。

这个4自由度的简易四足机器人能够前进、后退，甚至能够笨拙地转弯。

本实验中我们只提供了前进的程序，后退、转弯的程序请读者自己编写。

编写C程序实现对舵机的控制

用“创意之星”机器人套件搭建的机器人的主要关节都是由舵机驱动的，我

们选择USERTASK.C对其进行编辑。

输入如下程序：

#include"Public.h"

#include"Usertask.h"

voiduser_task（void）

{

uint8array_rc[23]={0};

array_rc[0]=90+20;

array_rc[1]=170;

array_rc[2]=90-20;

array_rc[3]=170;

array_rc[4]=90-20;

array_rc[5]=170;

array_rc[6]=90+20;

array_rc