機械手-兩足行走機器人

機械手-兩足行走機器人,機械手,行走,機器人 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告學(xué) 生 姓 名：黃俊學(xué) 號：05010213專 業(yè)：機械工程及自動化設(shè)計(論文)題目：兩足行走機器人行走控制部分設(shè)計指 導(dǎo) 教 師:路建萍 劉 艷 2009 年 3 月 22 日開題報告填寫要求1開題報告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；2開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；3“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇科技論文的信息量，一般一本參考書最多相當(dāng)于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊）；4有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 740894數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述摘要 兩足行走機器人是當(dāng)前機器人研究領(lǐng)域最活躍的研究方向之一，引起了許多科研工作者的注意。本文介紹了兩足行走機器人與其他移動機器人相比的主要優(yōu)點，對國內(nèi)外兩足行走機器人的研制工作做了綜述，并對將來的研究方向和工作重點做出了展望。關(guān)鍵詞 機器人 智能控制 兩足行走 1 兩足行走機器人的一般情況兩足機器人是模擬人類用兩條腿走路的機器人1。兩足步行機器人適于在凸凹不平或有障礙的地面行走作業(yè)，比一般移動機器人靈活性強，機動性好。1972年，日本早稻田大學(xué)研制出第一臺功能較全的兩足步行機器人。美國、南斯拉夫等學(xué)者也研制出各種兩足走行機器人模型。兩足步行模型是一個變結(jié)構(gòu)機構(gòu)，單腳支撐為開式鏈，雙腳支撐為閉式鏈。支撐點的固定靠摩擦力來保證，質(zhì)量分布和重量大小都直接影響靜態(tài)和動態(tài)的穩(wěn)定性。為保證行走過程中姿態(tài)的穩(wěn)定性，對行走步態(tài)應(yīng)加嚴(yán)格的約束2，4。如圖1中示出了具有11個動力關(guān)節(jié)的兩足步行模型的自由度分配。這些關(guān)節(jié)以旋轉(zhuǎn)軸的方向分為縱搖軸、橫搖軸和偏航軸。縱搖軸實現(xiàn)前進(jìn)方向的重心移動，橫搖軸實現(xiàn)左右方向的重心擺動，偏航軸轉(zhuǎn)換方向。在行走過程中，通過縱搖軸的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)動作，在前進(jìn)方向上移動重心；通過上驅(qū)體關(guān)節(jié)使上身左傾或右傾，移動上身塔載調(diào)節(jié)重心；通過偏航軸的腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換方向。關(guān)節(jié)的驅(qū)動能源主要有氣壓、液壓和電動三種。氣壓式重量輕、安全便宜，但因空氣的可縮性，在變負(fù)載情況下，穩(wěn)定性差。液壓式輸出功率大、快速性好，但需配備動力組件。例如，日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授研制的WD-10RD,是具有12個自由度的液壓驅(qū)動機器人。電動式結(jié)構(gòu)簡單、控制容易。但功率密度低、價格較高6。圖1 兩足步行機器人自由度的配置2 兩足行走機器人的組成機器人主要由以下6個部分組成。(1)手臂手臂是機器人的一部分。該部位由手（手爪）、手臂（手的姿勢）和手腕組成。手臂通過各關(guān)節(jié)來實現(xiàn)動作的完成。 (2)操作機構(gòu)該部位是驅(qū)動機械人關(guān)節(jié)的驅(qū)動機構(gòu)。被用于關(guān)節(jié)部位的操作機構(gòu)幾乎都是帶有減速器的伺服電動機，但是對于可以放入手腕和腿中的小型高扭矩的直接驅(qū)動式電動機的要求則較高。(3)傳感器傳感器作為用來檢測視覺、觸覺、動作姿勢控制等部位，包括用于測定手腕位置和速度等的內(nèi)置傳感器和用于識別機器人作業(yè)對象的外部傳感器。(4)移動機構(gòu)移動機構(gòu)就機器人的腳，它是用來移動的部位，以實現(xiàn)機器人的抬腿跨步，以及關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)擺動，從而完成一些較為復(fù)雜的動作。(5)控制器（控制裝置）控制器是用來控制一系列動作的部位8，9。為了使機器人的手腕和腿部位活動起來，需要控制器（控制裝置）來向安裝在這些部位的操作機構(gòu)和傳感器發(fā)送信號指令，使其接受位置信號。控制器會把人類所要求的作業(yè)命令記錄起來，通過開始質(zhì)量那個讓其激活，再把必要的動作指令傳送給手腕和腿部位。(6)操作機構(gòu)的驅(qū)動源操作機構(gòu)的驅(qū)動源主要有液壓式、電動式和啟動式。3 兩足行走機器人的特性體現(xiàn) (1)兩足行走機器人能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，能夠方便的上下臺階及通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動“盲區(qū)”很小。(2) 兩足行走機器人的能耗很小，因為該機器人可具有獨立的能源裝置，因此在設(shè)計時就應(yīng)充分考慮其能耗問題。機器人力學(xué)計算也表明，足式機器人的能耗通常低于輪式和履帶式79。(3) 兩足行走機器人具有廣闊的工作空間。由于行走系統(tǒng)的占地面積小，而活動范圍很大，所以為其配置的機械手提供了更大的活動空間，同時也可使機械手臂設(shè)計得較為短小緊湊。(4)兩足行走是生物界難度最高的步行動作。但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的。所以，仿人機器人的研制勢必要求并促進(jìn)機器人結(jié)構(gòu)的革命性的變化同時有力推進(jìn)機器人學(xué)及其它相關(guān)學(xué)科的發(fā)展12。兩足機器人對機器人的機械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動裝置提出了許多特殊要求，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)機械的重大變革。兩足機器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)。這對機器人的運動學(xué)、動力學(xué)及控制理論的研究提供了一個非常理想的實驗平臺。在對其研究的過程中很可能導(dǎo)致力學(xué)及控制領(lǐng)域中新理論、新方法的產(chǎn)生，另外，仿兩足機器人的研究還可以推動仿生學(xué)、人工智能、計算機圖形、通信等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。因此，兩足步行機器人的研制具有十分重大的價值和意義。4 兩足行走機器人的研制展望兩足行走機器人與輪式、履帶式機器人相比有許多突出的優(yōu)點和它們無法比擬的優(yōu)越性。但是由于受到機構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、微電子學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的制約。至今基本上仍處于實驗室研制的階段，尤其是雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應(yīng)能力仍不是十分理想。只有在走穩(wěn)走好之后再加上臂部執(zhí)行機構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)，才談得上真正的仿人12。當(dāng)然，仿人不能僅僅局限于這些。還應(yīng)該模仿人類的視覺、觸覺、語言，甚至情感等功能。仿人機器人是許多技術(shù)的綜合、集成和提高。目前，主要的攻關(guān)項目還是行走功能的進(jìn)一步提高。日本本田公司生產(chǎn)的仿人機器人雖已走向市場化。但是，它的功能還很有限，離實際意義上的擬人化還有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x，所以仿人機器人給科研工作者提供了廣闊的研究空間，提出了一個又一個新的挑戰(zhàn)!同時也促進(jìn)了許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，導(dǎo)致了一些新理論，新方法的出現(xiàn)。越來越多的科研工作者投入了這一新興的前沿學(xué)科。5 總結(jié)兩足步行是步行方式中自動化程度最高、最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)13。兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動力學(xué)特性，對步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對環(huán)境有很好的適應(yīng)性。與其它足式機器人相比，雙足機器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時間變化較大，質(zhì)心的相對位置高的特點。是其中最復(fù)雜，控制難度最大的動態(tài)系統(tǒng)。但由于雙足機器人比其它足式機器人具有更高的靈活性，因此具有自身獨特的優(yōu)勢，更適合在人類的生活或工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對這些環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。例如代替危險作業(yè)環(huán)境中(如核電站內(nèi))的工作人員，在不平整地面上搬運貨物等等。此外將來社會環(huán)境的變化使得雙足機器人在護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及一般家務(wù)處理等方面也有很大的潛力。參 考 文 獻(xiàn)1 馬香峰. 機器人機構(gòu)學(xué)M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1991.2 王曉明電動機的單片機控制北京航空航天大學(xué)出版社，2003.3 吳瑞祥. 機器人技術(shù)及應(yīng)用M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. 4 熊有倫. 機器人技術(shù)基礎(chǔ)M.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996.5 王志良. 競賽機器人制作技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2007.6 馬香峰. 工業(yè)機器人的操作機設(shè)計M. 北京：冶金工業(yè)出版社，1996.9.7 余達(dá)太，馬香峰. 工業(yè)機器人應(yīng)用工程M. 北京：冶金工業(yè)出版社，1999.4.8 劉政華等 機械電子學(xué)M北京：國防科技大學(xué)出版社，1999.10.9 Ernest L. Mallet. Robotics: A User-Friendly Introduction M. New York:CBS College Publishing, 1985.10 Yore Koran. Robotics for Engineers M.McGraw-Hill Book Company, 1985.11 張建民. 機電一體化原理與應(yīng)用M國防科技大學(xué)出版社，1992.112 曲家騏. 伺服控制系統(tǒng)中的傳感器M北京：機械工業(yè)出版社，1998.13 秦志強. 基礎(chǔ)機器人制作與編程M. 北京： 電子工業(yè)出版社，2007.14 高鐘毓. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計M北京：機械工業(yè)出版社，1997.215 陳繼榮. 智能電子創(chuàng)新制作M. 北京：科技出版社，2007.16 張建民機電一體化系統(tǒng)設(shè)計M北京：北京理工大學(xué)出版社，1997.畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：1 課題目的與預(yù)期目標(biāo)微機原理及接口技術(shù)在各科領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，通過該課題的研究使學(xué)生掌握微機在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方法，行走電路的設(shè)計、對電動機驅(qū)動與控制設(shè)計。同時使學(xué)生掌握工程設(shè)計的一般方法以及獨立分析問題和解決問題的能力，最終使學(xué)生的綜合素質(zhì)得以提高。2主要研究的問題(1) 設(shè)計了兩足步行機器人的硬件電路選用高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動能力更強，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機。 (2) 選擇設(shè)計了兩足步行機器人的控制軟件系統(tǒng)在操作系統(tǒng)下設(shè)計了應(yīng)用程序，實現(xiàn)了兩足機器人控制系統(tǒng)的各項功能，搭建了完整的兩足機器人控制系統(tǒng)軟件框架(3) 搭建了17自由度機器人雙腿的運動模式靜態(tài)步行模式分為10個靜態(tài)姿勢及其切換順序如圖2所示。圖2 兩足機器人行走步行模式畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告指導(dǎo)教師意見：1對“文獻(xiàn)綜述”的評語：該生的文獻(xiàn)綜述結(jié)合所要研究地課題比較緊密，從文中可以看出該生對所要做地工作進(jìn)行了較深入地學(xué)習(xí)。2對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：本課題要做什么步驟敘述很清楚，設(shè)計思路正確，工作量合理，預(yù)計該生能順利并很好地完成該課題。 指導(dǎo)教師： 年 月 日所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）選題、審題表系部機械工程系指導(dǎo)教師姓 名路建萍 劉艷專業(yè)技術(shù)職 務(wù)工程師 助教課題名稱兩足行走機器人行走控制部分設(shè)計適用專業(yè)機械工程及自動化課題性質(zhì)ABCDE課題來源ABCD課題預(yù)計工作量大小大適中小課題預(yù)計難易程度難適中易課題簡介本課題源于“第一屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽”中兩足行走機器人。目前，機器人大多以輪子的形式實現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機器人還不多，雖有一些六足、四足機器人涌現(xiàn)，但是兩足機器人還是鳳毛麟角。在機器人研究領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平的日本，推出了諸如舞蹈機器人等雙足行走機器人，但成千上萬的傳感器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)使這類機器人造價非常昂貴。我們這個課題，探索設(shè)計僅靠巧妙的機械裝置和簡單的控制系統(tǒng)就能實現(xiàn)模擬人類行走的機器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。課題應(yīng)完成的任務(wù)和對學(xué)生的要求1、課題調(diào)研、查閱資料，撰寫開題報告及外文翻譯； 2、總體方案論證及選擇； 3、完成機器人交替邁腿的控制部分設(shè)計； 4、撰寫設(shè)計說明書。所在專業(yè)審定意見： 專業(yè)負(fù)責(zé)人(簽名)： 年 月 日注：本課題由 黃 俊 同學(xué)選定，學(xué)號： 05010213 注：1該表由指導(dǎo)教師填寫，經(jīng)所在專業(yè)負(fù)責(zé)人簽名后生效，作為該專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）選題使用；2有關(guān)內(nèi)容的填寫見背面的填表說明，并在表中相應(yīng)欄內(nèi)打“”； 3課題一旦被學(xué)生選定，此表須放在學(xué)生“畢業(yè)設(shè)計（論文）資料袋”中存檔。填 表 說 明1該表的填寫只針對1名學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計（論文）時選擇使用，如同一課題由2名及2名以上同學(xué)選擇，應(yīng)在申報課題的名稱上加以區(qū)別（加副標(biāo)題），并且在“設(shè)計（論文）要求”一欄中說明。2“課題性質(zhì)”一欄：A產(chǎn)品設(shè)計；B工程技術(shù)研究；C軟件開發(fā)；D研究論文或調(diào)研報告E其它。3“課題來源”一欄：A自然（社會）科學(xué)基金與?。ú浚⑹屑壱陨峡蒲姓n題；B企、事業(yè)單位委托課題；C校、院（系）級基金課題；D自擬課題。4“課題簡介”一欄：主要指該課題的背景介紹、理論意義或?qū)嵱脙r值。南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作 者:黃俊學(xué) 號：05010213系部:機械工程系專 業(yè):機械工程及自動化題 目:兩足行走機器人行走控制部分設(shè)計指導(dǎo)者： 路建萍 劉艷 評閱者： 龔光容 2009 年 6 月畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要兩足步行機器人不僅在教學(xué)、比賽和娛樂等方面應(yīng)用廣泛，并且也可以作為兩足步行研究的平臺。本文在“KONDO”兩足步行機器人的機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于AVR處理器的兩足步行機器人控制系統(tǒng)，包括硬軟件設(shè)計及其實現(xiàn)；設(shè)計了兩足步行機器人的步行模式，實現(xiàn)了在平面上的穩(wěn)定步行。在硬件電路的處理器中，移植了u C/OS-II操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩足步行機器人控制系統(tǒng)的各項功能，建立了完整的兩足步行機器人控制系統(tǒng)軟件框架；改進(jìn)了通常的多路PWM信號產(chǎn)生方法，使控制信號的精度達(dá)到了lus以上，解決了由于中斷嵌套影響控制信號精度，從而引發(fā)機器人抖動的問題；并對機器人進(jìn)行了關(guān)節(jié)調(diào)試。 關(guān)鍵詞 機器人 處理器 操作系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要Title The Biped Walking Robot Designs AbstractThe Biped walking desktop-robot is not only applied widely in teaching, competitions and entertainments, but also treated as a research tool of biped walking. In this thesis, a control system for biped walking desktop-robot is designed, which is based on AVR, and works well in the mechanism of the KONDO biped walking desktop-robot. A walking astern for the biped robot is presented, and the robot can walk stably on the flat.The open-code operating system, uC/OS-II is explanted to the processor of the circuit. Under the operating system, several tasks and interrupt service routines are resigned to accomplish the functions of the control system for the biped working boot. The frame of software is completed, which is for the control system for biped asking desktop-robot. A improved method of producing multiple PWM signals is resented, and the precision of the control signal can be improved to 111 s, and the problem that the robot shakes because of the interrupt-nesting is solved. A test to the articulations of the robot is done.Keywords Robot Processor Control System 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計答辯,兩足行走機器人行走控制部分設(shè)計 系 部：機械工程系 專 業(yè)：機械工程及自動化 學(xué) 生 姓 名：黃俊 學(xué) 號：05010213 指 導(dǎo) 教 師：劉 艷 專業(yè)負(fù)責(zé)人： 龔光容,Page 1,兩足行走機器人的定義: 指可以使用兩只腳交替地抬起和放下，以適當(dāng)?shù)牟椒ミ\動的機器人 。 兩足行走機器人的分類： （1） 仿人機器人 （2） 桌面型兩足機器人 兩足行走機器人的發(fā)展,Page 2,國內(nèi)外比較著名的兩足機器人 Asimo Qrio HOAP-3 WABIAN-2LL Pneumat-BT,Page 3,本設(shè)計思路的來源,Page 4,我們設(shè)計的兩足機器人,Page 5,本文的主要工作 本設(shè)計課題中,我的任務(wù)主要是完成兩足機器人行走控制部分的設(shè)計,主要工作包括: (1) 設(shè)計兩足步行機器人的硬件電路； (2) 選擇設(shè)計兩足步行機器人的控制軟件系統(tǒng)； (3) 搭建17自由度機器人雙腿的運動模式； (4) 完成畢業(yè)設(shè)計的同時，提出本設(shè)計的不足，指出需要改進(jìn)的地方。,Page 6,Page 7,控制系統(tǒng)設(shè)計方向,控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的基本要求 為了完成一個機器人控制系統(tǒng)的框架,那其控制系統(tǒng)在硬件上至少滿足如下5個基本要求 : (1) 產(chǎn)生不少于17路獨立的高精度單邊沿PWM信號，用來控制作為機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器的17個直流伺服電機； (2) 具有調(diào)試接口； (3) 具有一個與PC機通信的接口； (4) 具有多路A/D轉(zhuǎn)換電路，用來擴展傳感器； (5) 具有獨立而穩(wěn)定的電源。,Page 8,硬件設(shè)計方向,Page 9,舵機控制器的使用方法,Page 10,控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的基本要求 根據(jù)機器人控制系統(tǒng)的功能需求和硬件電路的特點，軟件系統(tǒng)至少需要滿足以下5個要求： (1) 軟件模塊化，具有很好的可維護(hù)和可擴展性。 (2) 實現(xiàn)PWM信號的分時復(fù)用，并要保證PWM信號的高精度。并且通過軟件，能夠及時地改變PWM的輸出。 (3) 通過RS232接口能和PC機通信。 (4) 通過I接口記錄關(guān)鍵的信息到E2PROM存儲器。 (5) 通過3路10位A/D轉(zhuǎn)換器讀取傳感器的值并預(yù)處理。,Page 11,Servo Control Software 使用于控制舵機,Page 12,微型伺服電機（舵機）的選擇 “輝盛”MG945 12公斤全金屬齒大扭力舵機,Page 13,兩足步行機器人步行模式的建立,Page 14,視頻SDC11479.AVI,Page 15,需要改進(jìn)之處 (1) 機器人使用更為先進(jìn)的處理器。 (2) 機器人腳底安裝力傳感器。 (3) 機器人增加視覺系統(tǒng)，使機器人可以識別簡單的目標(biāo)。,Page 16,本文的研究工作是在劉艷老師的精心指 導(dǎo)下完成的 ,在此也特別表示深深的謝意 !,Page 17, 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 I 頁 第 I 頁目 錄1 緒論11.1 課題的研究背景和意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 本文的主要工作41.4 本文組織結(jié)構(gòu)52 兩足步行機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)62.1 硬件系統(tǒng)的基本要求62.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)路線和總體方案72.3 舵機控制器的使用方法133 兩足步行機器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計153.1 軟件系統(tǒng)的基本要求153.2 軟件設(shè)計的技術(shù)路線與總體方案163.3 伺服電機控制軟件操作方法173.4 微型伺服電機（舵機）的選擇204 兩足步行機器人步行模式的建立224.1 本章任務(wù)224.2 靜態(tài)步行模式設(shè)計與實現(xiàn)234.3 姿態(tài)運動的軟件實現(xiàn)24結(jié)束語26致謝27參考文獻(xiàn)28該軟件有以下功能：1、速度控制設(shè)定功能：可以調(diào)試出任意速度，多路電機不同速度運行穩(wěn)定，實時性好，速度精準(zhǔn)，加速減速任意設(shè)。2、循環(huán)控制功能：讓您不必費心點擊鼠標(biāo)啦，反復(fù)調(diào)試更加易用，可作為小型工業(yè)機械手主控板，功能循環(huán)執(zhí)行，提供作業(yè)效率。3、指令保存功能：可以將您調(diào)試好的指令集保存，自動生成指令文檔，日期時間準(zhǔn)確，例如robotcode20090107_1550，您也可以個性化自命名，避免讀取指令文檔錯誤或者重新編輯。4、指令讀取功能：只要輕松點擊“打開指令”按鍵，會進(jìn)入指令集文檔，選擇您要讀取的以往指令文檔，恢復(fù)當(dāng)前功能設(shè)置。5、控制動作完成時間功能：只要發(fā)送指令時間大于動作完成時間，您就可以任意設(shè)置動作的完成時間，軟件備有自動調(diào)整功能，可將電機轉(zhuǎn)動平滑過渡，避免了機器人定格控制缺陷。6、串口調(diào)試助手：不必再因打開其他調(diào)試軟件浪費時間了，“發(fā)送”、“清除”輕松點擊更加易用。7、藍(lán)牙識別功能：可以添加藍(lán)牙模塊，實現(xiàn)無線遠(yuǎn)程控制。南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表學(xué)生姓名 黃俊 學(xué) 號05010213指導(dǎo)教師路建萍 劉 艷選題情況課題名稱兩足行走機器人行走控制部分設(shè)計難易程度偏難適中偏易工作量較大合理較小符合規(guī)范化的要求任務(wù)書有無開題報告有無外文翻譯質(zhì)量優(yōu)良中差學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況好一般差工作進(jìn)度快按計劃進(jìn)行慢中期工作匯報及解答問題情況優(yōu)良中差中期成績評定：良所在專業(yè)意見：在畢業(yè)設(shè)計期間，工作積極主動，學(xué)習(xí)態(tài)度良好，能夠按要求完成老師布置的各項任務(wù)。 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書系部：機械工程系專 業(yè)：機械工程及自動化學(xué) 生 姓 名：黃俊學(xué) 號：05010213設(shè)計(論文)題目：兩足行走機器人行走控制部分設(shè)計起 迄 日 期:2009年 3月9 日 6月14日設(shè)計(論文)地點:南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院指 導(dǎo) 教 師:路建萍 劉 艷專業(yè)負(fù)責(zé)人:龔光容發(fā)任務(wù)書日期: 2009年 2月 26 日畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書1本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： 微機原理及接口技術(shù)在各科領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，通過該課題的研究使學(xué)生掌握微機在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方法，輸入輸出通道的設(shè)計、定時計數(shù)器的設(shè)計、AD及DA轉(zhuǎn)換、行走電路的設(shè)計、對電動機驅(qū)動與控制設(shè)計。同時使學(xué)生掌握工程設(shè)計的一般方法以及獨立分析問題和解決問題的能力，最終使學(xué)生的綜合素質(zhì)得以提高。2本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：技術(shù)要求：熟悉微機及接口實驗板的使用方法。了解機器人行走控制系統(tǒng)的原理及設(shè)計方法。總體方案的設(shè)計。詳細(xì)方案的設(shè)計。調(diào)試硬件電路并編制相應(yīng)的控制程序。提交規(guī)范的設(shè)計文檔。條件：微機及相應(yīng)接口實驗板和控制功能芯片。畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書3對本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題成果的要求包括畢業(yè)設(shè)計論文、圖表、實物樣品等：（1）開題報告、文獻(xiàn)綜述、資料翻譯；（2）機器人行走控制系統(tǒng)的原理圖；（3）直流電動機的控制軟件；（4）畢業(yè)設(shè)計說明書。 4主要參考文獻(xiàn)：1 馬香峰. 機器人機構(gòu)學(xué)M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1991.2 王曉明電動機的單片機控制北京航空航天大學(xué)出版社，2003.3 吳瑞祥. 機器人技術(shù)及應(yīng)用M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. 4 熊有倫. 機器人技術(shù)基礎(chǔ)M.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996.5 王志良. 競賽機器人制作技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2007.6 馬香峰等. 工業(yè)機器人的操作機設(shè)計M. 北京：冶金工業(yè)出版社，1996年9月.7 余達(dá)太，馬香峰. 工業(yè)機器人應(yīng)用工程M. 北京：冶金工業(yè)出版社，1999年4月.8 劉政華等. 機械電子學(xué)M北京：國防科技大學(xué)出版社，1999.10.9 Ernest L. Halletl. Robotics: A User-Friendly Introduction M. New York:CBS College Publishing,1985.10 Yoram Koren. Robotics for Engineers M.McGraw-Hill Book Company, 1985.11 張建民機電一體化原理與應(yīng)用M國防科技大學(xué)出版社，1992.112 曲家騏等伺服控制系統(tǒng)中的傳感器M北京：機械工業(yè)出版社，1998.13 秦志強等. 基礎(chǔ)機器人制作與編程M. 北京： 電子工業(yè)出版社，2007.14 高鐘毓機電一體化系統(tǒng)設(shè)計M北京：機械工業(yè)出版社，1997.215 陳繼榮. 智能電子創(chuàng)新制作M. 北京：科技出版社，2007.16 張建民等機電一體化系統(tǒng)設(shè)計M北京：北京理工大學(xué)出版社，1997. 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書5本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進(jìn)度計劃：起 迄 日 期工 作 內(nèi) 容2009年 3月 9 日 3月15日 3月16日 3月22日3月23日 3月29日3月30日 4月5 日4月6 日 4月12日4月13日 4月26日5月4 日 5月10日5月11日 5月17 日5月18日 5月24 日5月25日 5月31 日6月1 日 6月7 日6月8 日 6月14 日選題，發(fā)放審題表及任務(wù)書，熟悉課題完成外文資料翻譯完成開題報告(包含文獻(xiàn)綜述)查閱相關(guān)資料，熟悉直流電動機及兩足機器人的工作方式 總體控制方案設(shè)計詳細(xì)方案設(shè)計，包括傳感器的選擇、控制電路設(shè)計等系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，對設(shè)計方案進(jìn)行評價與修改，使之完善繪制控制系統(tǒng)電氣原理圖和流程圖整理相關(guān)資料，撰寫并打印設(shè)計說明書初步提交設(shè)計成果（包括圖紙及論文），整理正式提交設(shè)計成果和設(shè)計說明書準(zhǔn)備論文答辯所在專業(yè)審查意見：負(fù)責(zé)人： 年 月 日系部意見：系部主任： 年 月 日南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)前期工作材料學(xué)生姓名:黃俊學(xué) 號：05010213系部:機械工程系專 業(yè):機械工程及自動化設(shè)計(論文)題目:兩足行走機器人行走控制部分設(shè)計指導(dǎo)教師:路建萍 劉艷工程師 助教 材 料 目 錄序號名 稱數(shù)量備 注1畢業(yè)設(shè)計(論文)選題、審題表12畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書13畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告含文獻(xiàn)綜述14畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯含原文15畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表12009年5月 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯系部： 機械工程系 專 業(yè)： 機械工程及自動化 姓 名： 黃 俊 學(xué) 號： 05010213 外文出處：Luis Alexander，Alexander Mota， Pedro Fonseca 附 件：1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評語：譯文正確地表達(dá)了原文的意義、概念描述符合漢語的習(xí)慣，語句通暢，層次很清晰。 簽名： 年 月 日注：請將該封面與附件裝訂成冊。附件1：外文資料翻譯譯文比較控制策略的自主線追蹤機器人摘要 自主移動機器人是一個非常激動人心的領(lǐng)域，特別是對那些參加電子產(chǎn)品課程的學(xué)生。作者和阿維羅大學(xué)的學(xué)生參與了一些在這一領(lǐng)域的活動。特別是，其中一個此類活動是發(fā)明了能夠沿著畫在地板上直線運動的機器人。為了達(dá)到這一效果，一個模擬器已經(jīng)實施并多次測試了對機器人不同控制方法的影響。本文對基于MATLAB的機器人模型和線追蹤模擬器進(jìn)行了一個簡短的描述。然后在導(dǎo)致絕對誤差（IAE）和積分誤差平方（ISE），易微調(diào)和各自代碼復(fù)雜性方面比較了幾種不同的控制方法。比較的方法:成正比、比例微分、比例積分導(dǎo)數(shù)、模糊、表為基礎(chǔ)的模糊，自我組織唱模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型基礎(chǔ)。1導(dǎo)言研發(fā)自主機器人是一個跨學(xué)科的活動，因此有很大的教育價值。與此事實上，考慮到作者一直支持阿維羅大學(xué)學(xué)生小組參加每年一度在法國舉辦的盛事，在法國，除了其他的任務(wù)，自主移動機器人必須沿著一條線運動。為了更好地理解的線追蹤機器人的行為，為了顯示學(xué)生們在發(fā)明機器人時來自物理、幾何、電子、儀表和控制集成方面綜合的科學(xué)理念，作者建立了一個沿線分布機器人的分析模型。該模型考慮到一些現(xiàn)實世界的限制，允許預(yù)測以電動機電壓為基礎(chǔ)的移動機器人的運動。另外，作者所描述的幾何形狀線追蹤過程被用來建立一個模擬器。這決定了某一機器人的確定路徑以及該路徑和參考路徑之間的關(guān)系。該模擬器是一種寶貴的工具，在之前研發(fā)機器人是能夠比較不同的控制方法以及不同的傳感器布局。這樣在實際制造過程中可以更好地決定機器人有關(guān)的物理性質(zhì)。下一節(jié)本文將對機器人模型和模擬器進(jìn)行一個簡短的描述，在第3節(jié)是幾種不同控制方法的比較，包括比例、比例微分、比例積分微分，模糊，表為基礎(chǔ)的模糊，模糊自我組織和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型基礎(chǔ)。在第4節(jié)中將提到相關(guān)結(jié)論包括一些對正在進(jìn)行的工作的評論。2仿真機器人2.1機器人模型之前已經(jīng)提到學(xué)生們建造的機器人的活動通常很簡單，見（圖1）。 運動是通過使用兩個獨立的直流電電動機驅(qū)動每一個車輪。差分驅(qū)動器用于控制機器人。一個或兩個額外的連鑄機車輪用來保持機器人的橫向穩(wěn)定。與參考路徑相比較機器人的偏差是通過放置在機器人之前的紅外光探測器測量的。通常情況下，車輪速度的閉環(huán)控制已經(jīng)不再運用。每個車輪的速度控制間接地采用馬達(dá)電壓的。此選項可能會降低性能的跟蹤算法但簡化了最后的調(diào)整。請記住，閉環(huán)速度控制方向盤使用將需要調(diào)整兩個額外的獨立循環(huán)。圖1，基本機器人。圖1 基本機器人這些特點已用于計算模型線追蹤機器人（圖2 ）。為了進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性，該模型在慣性（質(zhì)量（M） 和轉(zhuǎn)動慣量（ j ），摩擦系數(shù)（平移（By）和旋轉(zhuǎn)（B）運動），電動馬達(dá)參數(shù)（電阻（ R ）和 電機常數(shù)（Km），額外的噪聲（在傳感器中讀?。┖蜋C器人的物理限制，如線傳感器（5）的長度和可用于電機（VMAX）最大電壓。該模型l描述并且計算電壓應(yīng)用電動機為基礎(chǔ)的機器人的線性度（v）和角速度（0)。2.2線追蹤模擬器上文已經(jīng)提到機器人模型與幾何分析線追蹤問題是相輔相成的。這個問題屬于一般路徑跟蹤問題在眾多文獻(xiàn)2中已經(jīng)被解決。特別是，本文呈現(xiàn)的該模擬器用被動的方式來跟蹤未知的線的方法與之前計劃的跟蹤路徑相反。因此，這是事先得知。圖2 機器人模型幾何分析還表明，可根據(jù)目前的偏差、車輪速度和機器人相對于線的角度位置來計算出未來偏離線（e）。該機器人是用來作為參考。然而，為了更好地界定參考軌跡和想象的機器人軌跡，另一種模式是建立在該機器人的位置基礎(chǔ)上而做出一個絕對的參考。在這幾何模型基中，機器人偏離線（e）可根據(jù)機器人絕對位置和車輪的速度來計算。知道機器人的位置（坐標(biāo)X,Y,Z）是有可能計算相交的傳感器陣列與線（ Xey ,Ye ），然后可以計算出偏差e（圖3 ）。由此可以得出機器人位移的軌跡e是非線性的。圖3 線追蹤幾何模型在一個無限小的時間間隔來計算機器人位移。如果這個區(qū)間保持足夠小則是不相關(guān)的，如果直線運動是分開考慮的,那角運動和其中那些是要首先考慮的。在實驗進(jìn)行時，這樣的一個區(qū)間里軌跡點以每5毫米計算是小到足以獲得同樣的軌跡，不管是角或直線運動都會被首先考慮。幾何模型可以參考線組成的直線段和圓弧的周長一個接一個加入。雖然它似乎有限制，它允許創(chuàng)建幾乎任何種類的軌跡順利通過使用不同的圓弧半徑。圖2 為該機器人模型。2.3參考路徑該模擬是在由直線段與弧線交錯的圍成的弧形90或 180孔一起插入紙的直片段所組成的參考路徑。這種路徑在圖4中所描述，總長度約30米。圖4 參考路徑2.4機器人參數(shù)在5月的這一年，阿維羅大學(xué)以本文模擬為基礎(chǔ)的機器人為代表參加在法國堡貝爾納的1996年的國際移動機器人錦標(biāo)賽。根據(jù)1,3的詳細(xì)資料，下面的參數(shù)為：重量M = 3.2公斤轉(zhuǎn)動慣量J = 0.7 千克.米2 馬達(dá)最大可用電壓 = 11.5伏特電機參數(shù)（R= 7 歐姆和Km= 0.86 N/ A ）車輪直徑Rw= 0.03米車輪之間的距離 b = 0.27米線性運動摩擦系數(shù) By=40kg/s角運動摩擦系數(shù) Bw = 0.25 Kg./s類型傳感器陣列-線性與飽和寬度傳感器陣列 S=18米3比較控制策略可以圖看出，機器人模型有兩個投入，V和Vdif是平均和差別電壓適用于驅(qū)動電動機。然而，只有一個錯誤的信號是偏差的機器人將通過傳感器經(jīng)參考路徑傳送。如果機器人總是向前推進(jìn)，可以看出，任何控制方法，將減少使機器人回到參考路徑。由于差動電壓是一個確定的角運動的機器人的，讓它改變方向，使之收斂的路線，一個簡單的可能性是使用電子郵件直接控制Vdif在這種情況下，因為最終目的是為實現(xiàn)最高速度的參考路徑，平均電壓V，可以設(shè)置為最大值。然而，實際的電壓適用于馬達(dá)的驅(qū)動器是有限的。反映了修正到平均收益率差電壓變風(fēng)量和Vdif,這將真正提供給機器人模型。此外，產(chǎn)出的傳感器功能被損壞和加性噪聲。這噪聲允許這些缺陷影響線路或地板，電器干擾傳感器的讀數(shù)和有限精度。為了便于比較，噪音載體，保持同對所有運行從開始到終結(jié)點?？刂剖菙?shù)字化，采樣周期為100毫秒。 完整的控制系統(tǒng)圖5。那個參考輸入的路徑進(jìn)行跟蹤。錯誤信號是偏差宣讀的傳感器陣列。圖5 完整的控制系統(tǒng)在這種簡單的模式控制功能可書面表達(dá)。 在非?？斓臋C器人中，有興趣的也可以使用Vav作為一個電子商務(wù)功能。例如，這可以用來減慢機器人，同時描述了曲線和加快沿直線部分。然而，機器人通常都建不是非常快，運行不到0.5個D語。因此，在本文其余的簡單的辦法在（ 1 ）中將被用于。要比較性能的每一個控制方法兩項主要措施已使用的整體絕對誤差（IAE）和積分誤差平方（ISE） ，綜合沿著充分參考路徑。其他兩個措施也被使用時，機器人將達(dá)到最大絕對誤差（EMax）和平均時速。3.1比例控制最簡單的形式的控制是使用比例Vdif,=Kp * e控制功能產(chǎn)生。雖然簡單，這種方法提出了幾個問題。正如這一點最大價值為Kp的是很難找到（需要許多判斷）特別是在非線性系統(tǒng)。另外，它能夠提供的相對較少最佳的性能，因為它無法彌補的滯后所造成的機器人慣性。為充分參考路徑圖4,使用比例控制Kp= 200 ，造成偏差情節(jié)描述見圖6。注意典型的振蕩起因于與簡單的比例的方法一起獲得比較差的控制。圖6 使用Kp=200控制比例附件2：外文原文本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第14頁 共29頁1 緒論兩足步行機器人是指可以使用兩只腳交替地抬起和放下，以適當(dāng)?shù)牟椒ミ\動的機器人，可分為擬人機器人和桌面型兩足機器人 (仿人機器人)大小和人相似，不僅具有擬人的步行功能，而且通常還具有視覺、語音、觸覺等一系列擬人的功能；桌面型兩足機器人通常指體積較小，只具有步行功能及其他少數(shù)特定功能的兩足機器人，例如具有步行功能和視覺功能的自主踢足球機器人。與擬人機器人相比，桌面型兩足步行機器人的成本較低，除了具有科研性外，還具有廣泛地娛樂性，也可以應(yīng)用在教學(xué)和比賽中。國內(nèi)外的機器人大賽中，常?？梢钥吹阶烂嫘蛢勺悴叫袡C器人的身影1。1.1 課題的研究背景和意義于兩足步行機器人的擬人性和對環(huán)境良好的適應(yīng)性等特點，受到各國政府和研究者的廣泛重視，是當(dāng)今世界的高新技術(shù)的代表之一。它在科研、教學(xué)、比賽和娛樂等方面都很到了很好的應(yīng)用。江蘇省大學(xué)生機器人大賽和全國大學(xué)生機器人大賽中經(jīng)常有兩足步行機器人，它可以參加舞蹈機器人比賽、兩足競走機器人比賽、Robocop類人組機器人踢足球10器人創(chuàng)新比賽、Robocop救援組比賽等。舞蹈機器人比賽時使用了日本“KONDO”兩足步行機器人，性能出眾，發(fā)揮穩(wěn)定，獲得了舞蹈機器人比賽的冠軍。但是該機器人是集成度很高的商業(yè)產(chǎn)品，它的控制系統(tǒng)不開放底層代碼，難以進(jìn)行二次開發(fā)和步態(tài)研究。 所以本文基于機器人控制系統(tǒng)中常用的眾多處理器和操作系統(tǒng)各自的特點，并結(jié)合“KONDO”機器人機械結(jié)構(gòu)的特性，選用了高性能、低功耗的 8 位AVR 微處理器內(nèi)核處理器ATMega8P來實現(xiàn)對機器人的控制來。設(shè)計的控制系統(tǒng)控制指令精簡，控制轉(zhuǎn)角精度高，波特率可以實時更改，體積小，重量輕，其可作為類人型機器人、仿生機器人、多自由度機械手的主控制器。隨著中國機械產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，各高校相繼開設(shè)機械類創(chuàng)新課程和比賽，學(xué)生可將其應(yīng)用在各類機械創(chuàng)新作品中，優(yōu)化控制系統(tǒng)參加比賽。日本“KONDO”機器人如圖1.1所示。圖1.1 日本“KONDO”跳舞機器人1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀步行是人與大多數(shù)動物所具有的移動方式，其中兩足直立行走是人類特有的步行方式，是所有步行方式中自動化程度最高，最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。最早從工程角度研究雙足機器人并獲得成功的是早稻田大學(xué)的加藤一郎。1972年，加藤實驗室推出了wL-5雙足步行機器人，這是世界上第一臺雙足機器人。1996年11月本田(HONDA)公司展示了一個有兩腿兩臂的仿人2型機器人P2,能在平地上行走、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯和跨越障礙，并可提5公斤的重物和使用扳手等簡單工作;在此基礎(chǔ)上，本田公司又連續(xù)開發(fā)了第二代仿人機器人P3，第三代仿人機器人Asimo, Asimo高120cm，行走質(zhì)量很高，非常接近人類。Sony公司也推出了能歌善舞的機器人Qrio，不但具有非常出色的步行穩(wěn)定性，而且具有很強的自行辨認(rèn)能力，甚至能在狹隘道路上行走并繞過障礙物。這兩個機器人代表了當(dāng)前世界上兩足步行機器人研制的最高水平。Asimo和Qrio都是擬人機器人，它們除了具有兩足步行功能之外，還具有非常強大的視覺功能和語音功能，能辨認(rèn)很多目標(biāo)，并能和人進(jìn)行很好的語言及肢體交流。而桌面型的兩足機器人也一直受到研究者的重視，研究的重點是兩足步行功能。如圖1.2所示。 圖1.2 Asimo(左)和Sony的Qrio(右)2006年，日本神奈川大學(xué)設(shè)計的WABIAN-2LL機器人，身高120cm，重40Kg,在步行中通過膝關(guān)節(jié)改變腿長，通過腰關(guān)節(jié)的運動來減少腿部運動對身體重心的影響。2007年，大阪大學(xué)的Koh Hosoda等人研究了人類行走過程中的腿、腰、頭、手臂等各部分的協(xié)同作用，在兩足機器人中引入了三維極限環(huán)協(xié)同理論，設(shè)計的機器人Pneumat-BT6，7。隨著集成電路的發(fā)展，小型機器人可以具有功能越來越強大的嵌入式計算系統(tǒng)，甚至可以使用運算能力很強的圖像處理和模式識別系統(tǒng)。這使得桌面型兩足步行機器人和擬人機器人之間并沒有嚴(yán)格的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)。2007年，東京Denki大南京師范大學(xué)碩士學(xué)位論文學(xué)的Hideto SHIMIZU等人設(shè)計了小型兩足步行機器人HOAP-3，身高60cm，重8. 8Kg，共有28個自由度，有一個強大的視覺處理系統(tǒng)。如圖1.3所示。 圖1.3 WABIAN-2LL(左)、Pneumat-BT(中)和HOAP-3(右)2006年，西班牙Politecnica de Valencia大學(xué)的Albero和Blanes等人設(shè)計了具有高性能分布式控制系統(tǒng)的桌面型兩足機器人YABIRO，高55cm，重4Kg，共27個自由度，具有獨特的腰部三自由度結(jié)構(gòu)，如圖所示。該機器人使用了多個嵌入式系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)使用了嵌入式個人計算機和實時Linux操作系統(tǒng)，具有非常強大的數(shù)據(jù)處理能力；主、從控制系統(tǒng)以及傳感器之間使用dual-CAN總線通信。2006年，韓國國立釜山大學(xué)開發(fā)了腳底安裝有力傳感器的桌面型兩足機器人，該機器人身高28cm，重3.2Kg，如圖所示。同年，韓國Sung KyunKwan大學(xué)也開發(fā)了一個桌面型兩足步行機器人，身高45cm，重4.3Kg，共24個自由度，如圖所示。該機器人使用了TI公司的DSP TMS320F2407作為控制器，使用直流無刷電機作為驅(qū)動器，在兩足步態(tài)設(shè)計中引入了遺傳算法。如圖1.4所示。圖1.4 YABIRO-2（左）、釜山大學(xué)機器人和Sung Kuhn Kwan 大學(xué)機器人（右）我國從80年代中期才開始研究兩足步行機器人20，21 ，國防科技大學(xué)1988年研制成功我國第一臺平面型六自由度的兩足機器人，能實現(xiàn)前進(jìn)、后退和上下樓梯；之后又現(xiàn)了實驗室環(huán)境中的全方位行走，1995年，實現(xiàn)了動態(tài)步行。2000年11月，國防科技大學(xué)又研制出了我國第一臺具有人類外觀特征、可以模擬人類行走與基本操作功能的擬人兩足步行機器人Pioneero。 2002年，清華大學(xué)精密儀器系、機械工程系和自動化系組成的研究小組開始研究開發(fā)擬人機器人THBIP，共32個自由度，可以步行、上下樓梯、打太極拳等，并具有視覺及語音識別功能3。 兩足機器人的研制發(fā)展過程，是由少自由度到多自由度、由實現(xiàn)簡單動作到復(fù)雜動作、由靜態(tài)步行到動態(tài)步行、由僅從簡單功能到仿生功能的研制過程。1.3 本文的主要工作本文設(shè)計的主要內(nèi)容是兩足行走機器人的行走控制系統(tǒng)部分，我選用8 位AVR 微處理器內(nèi)核處理器ATMega8P，設(shè)計了兩足行走機器人的控制系統(tǒng)。主要工作包括：(1) 設(shè)計了兩足步行機器人的硬件電路。選用高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動能力更強，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機。(2) 選擇設(shè)計了兩足步行機器人的控制軟件系統(tǒng)。在AVR微處理器中移植了u C/OS-II操作系統(tǒng)；在操作系統(tǒng)下設(shè)計了應(yīng)用程序，實現(xiàn)了兩足機器人控制系統(tǒng)的各項功能，搭建了完整的兩足機器人控制系統(tǒng)軟件框架12，13。(3) 搭建了17自由度機器人雙腿的運動模式，通過17個舵機同時協(xié)調(diào)運作，以實現(xiàn)機器人完成相應(yīng)的動作。(4) 完成畢業(yè)設(shè)計的同時，提出本設(shè)計的不足，指出需要改進(jìn)的地方。1.4 本文組織結(jié)構(gòu)第一章介紹了兩足步行機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 26 ，由別人設(shè)計的機器人總結(jié)對自己的啟發(fā)提出本設(shè)計的主要任務(wù)點。第二章介紹了控制系統(tǒng)中常用的處理器和操作系統(tǒng)、以及兩足步行機器人的機械結(jié)構(gòu)，并說明了本文設(shè)計兩足步行機器人控制系統(tǒng)的目的。使用Prote199設(shè)計了兩足步行機器人控制系統(tǒng)的硬件，包括核心電路圖和PWM脈沖信號控制原理圖。第三章介紹了使用實現(xiàn)機器人控制系統(tǒng)的具體軟件，這里我們使用了Servo Control Software,是實現(xiàn)伺服電機控制器通訊協(xié)議PC機上專用WINDOWS控制軟件，可以簡便的實現(xiàn)復(fù)雜動作的操控。第四章建立兩足步行機器人步行模式建立，對機器人的雙腿運動進(jìn)行了分析，對10個微型伺服直流電機的轉(zhuǎn)角角度進(jìn)行了逐個分析。第五章對本文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對今后的深入研究提出了建議。2 兩足步行機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)在以比賽、娛樂、教學(xué)和研究為目的的兩足步行機器人控制系統(tǒng)中，單板計算機作為控制系統(tǒng)雖然運算速度快，但體積大、成本高，而且功耗大；有此而選用高性能、低功耗的 8 位AVR 微處理器，指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動能力更強，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機，所以能夠解決一些較為復(fù)雜的控制指令。2.1 硬件系統(tǒng)的基本要求兩足步行機器人是對人類的模仿15。但人類的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，對人類步行原理的研究至今仍有許多未解決的問題。所以在設(shè)計兩足步行機器人機械結(jié)構(gòu)時，會對人類步行的結(jié)構(gòu)進(jìn)行減化，只會考慮基本的步行功能。人類的僅下肢就具有62對肌肉，腰部8對肌肉，在設(shè)計兩足步行機器人時，要控制具有這么多自由度的多變量系統(tǒng)幾乎是不可能的事情，所以兩足步行機器人通常腿部只具有8至12個自由度，腰部具有0至3個自由度。本課題設(shè)計的機器人共有17個自由度，驅(qū)動器為微型直流伺服電機，簡稱舵機。其機械結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。 圖2.1 機器人機械實物該機器人的機械結(jié)構(gòu)具有如下特點：(1) 該機器人的機械設(shè)計具有很高的穩(wěn)定性，國外的一些類似機器人曾獲得機器人比賽冠軍；(2) 該機器人踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)各具有兩個自由度，這種機械結(jié)構(gòu)設(shè)計可以使機器人在不平地面站立；(3) 該機器人膝關(guān)節(jié)具有一個自由度；(4) 該機器人肩關(guān)節(jié)具有兩個自由度，肘關(guān)節(jié)具有一個自由度，可以實現(xiàn)簡單的擺臂功能，用以配合腿部的運動，抑制擺腿時產(chǎn)生的左右扭轉(zhuǎn)趨勢。(5) 該機器人的機械結(jié)構(gòu)也具有一個缺點:沒有腰部扭轉(zhuǎn)自由度，使兩足步行機器人在行走中不能使用腰部關(guān)節(jié)進(jìn)行姿態(tài)平衡，但這并不阻礙機器人在平地上的行走。 本文在“KONDO”機器人9機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計控制系統(tǒng)，用來替換其自帶的控制系統(tǒng)。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)在硬件上至少滿足如下5個基本要求：(1) 產(chǎn)生不少于17路獨立的高精度單邊沿PWM信號，用來控制作為機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器的17個直流伺服電機；(2) 具有調(diào)試接口；(3) 具有一個與PC機通信的接口；(4) 具有多路A/D轉(zhuǎn)換電路，用來擴展傳感器；(5) 具有獨立而穩(wěn)定的電源。我們設(shè)計的機器人所用的高精度直流伺服電機，控制信號為0.5ms2.5ms高電平的PWM信號，對應(yīng)轉(zhuǎn)角為0度到180度，電機精度為0.1度，則控制信號的精度應(yīng)該高于(2.5ms0.5ms) /1800 =1.11s。2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)路線和總體方案2.2.1 處理器選型二十年前，只有少數(shù)的幾個科研機構(gòu)在研究兩足步行機器人，現(xiàn)在卻不勝枚舉，這其中很重要的一個原因就是嵌入式計算機的高速發(fā)展24，25。嵌入式計算機由于其體積小、功耗低、硬件資源豐富，非常適合應(yīng)用在對體積和功耗都有較高要求的小型機器人系統(tǒng)中。在機器人控制系統(tǒng)中常用的處理器有：TI C2000和C6000系列DSP、8051和AVR單片機、ARM7和ARM9系列、PC104和PowerPC單板計算機等。它們各自具有鮮明的特點，通常都是為了特殊的應(yīng)用而設(shè)計，如表2.1所示。表2.1 機器人控制系統(tǒng)中常用處理器機器人控制系統(tǒng)中常用的處理器處理器的特點在機器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用C2000系列DSP具有很強的數(shù)字信號處理能力,適合運動控制,硬件設(shè)計方便。運動控制、語音處理。尤其適合執(zhí)行針對單個或一對直流（無刷）電機的復(fù)雜算法。C6000系列DSP具有極強的數(shù)字信號處理能力，具有專門的操作系統(tǒng)，硬件設(shè)計非常復(fù)雜。高級的視覺處理和模式識別8051和AVR系列單片機結(jié)構(gòu)和指令簡單;運算能力較低，通常不支持操作系統(tǒng)：幾乎全部芯片都己經(jīng)單片化，硬件設(shè)計非常方便。 簡單的運動控制和信號處理，在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中作為局部控制器。ARM7系列 典型的RISC處理器，運算能力較強，支持多種操作系統(tǒng)：部分型號芯片己經(jīng)單片化，硬件設(shè)計較方便。小型機器人主控制器，常用于運動控制和傳感器信號處理。ARM9系列 典型的RISC處理器，運算能力很強，支持多種操作系統(tǒng);幾乎沒有單片化，硬件設(shè)計較復(fù)雜。 機器人主控制器，同以進(jìn)行視覺處理、語音處理和模式識別。 PC104, PowerPC等單板計算機由PC演化而來，通用性很強，功耗大，硬件設(shè)計非常復(fù)雜。 復(fù)雜的擬人機器人的主控制器。 DSP處理器在譜分析、FFT變換、數(shù)字濾波等方面得到非常廣泛地應(yīng)用。TI公司的02000系列DSP主要用來進(jìn)行運動控制，適合用于執(zhí)行針對單個或少量電機的高級控制算法。雖然C2000在桌面型兩足機器人中也有應(yīng)用，但C2000對操作系統(tǒng)的支持能力有限，一般不使用操作系統(tǒng)，所以如果作為主控制器會帶來軟件設(shè)計上的局限性。C6000系列具有很高的主頻、豐富的硬件資源、特殊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，數(shù)字信號處理能力非常強大，并且TI公司特地為C6000(和C5000)系列開發(fā)了專用DSP/BIOS操作系統(tǒng)。DSP/BIOS操作系統(tǒng)使C6000如虎添翼，成為了高級視覺處理應(yīng)用的主流處理器。但使用C6000作為處理器時電路復(fù)雜，通常只在大型擬人機器人中作為高級的視覺處理器，小型的機器人中應(yīng)用很少。8051和AVR系列單片機通常在其內(nèi)部集成了CPU、存儲器、總線邏輯、看門狗、I/0、以及其他接口，單片化的特性使其體積和功耗都大大減小，在兩足步行機器人中得到了廣泛使用。ARM7系列處理器是ARM處理器中使用很多的一款。ARM7處理器是典型的RISC處理器，對操作系統(tǒng)的支持能力很強，適合運行多種操作系統(tǒng)。ARM9系列處理器在ARM7的基礎(chǔ)上進(jìn)一步地提高了運算能力，增加了更多的硬件資源。ARM9對操作系統(tǒng)的支持能力同樣地強大。ARM9適合作為兩足機器人控制系統(tǒng)的主控制器，同時還可以作視覺處理、語音處理和模式識別。但ARM9系列處理器幾乎沒有能實現(xiàn)單片化的，硬件設(shè)計較為復(fù)雜。單板計算機由通用計算機演化而來，常見的有PC104、PowerPC、MIPS、68000等。單板計算機具有良好的通用性，對操作系統(tǒng)具有極強的支持能力。但其設(shè)計和開發(fā)比較復(fù)雜，功耗較大，在擬人機器人等大型機器人中經(jīng)常被用作主控制器。本文結(jié)合控制系統(tǒng)設(shè)計的基本要求和常用處理器19，高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動能力更強，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機。2.2.2 直流伺服電機的控制特性直流伺服電機又稱為舵機，是一種位置伺服驅(qū)動器，適用于角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)22。我們設(shè)計的兩足行走機器人的直流伺服電機使用+7V至+12V電源，內(nèi)部基準(zhǔn)信號為周期為20ms的PWM周期信號，輸入的控制信號也必須是周期為20ms的PWM周期信號，電壓為+4V至+6V。電機輸出轉(zhuǎn)角與輸入的控制信號的脈沖寬度有如圖2.2所示的線性關(guān)系。圖2.2 直流伺服電機輸出轉(zhuǎn)角與輸入PWM信號寬度的關(guān)系本文中的兩足步行機器人機械結(jié)構(gòu)共有17個直流伺服電機，所以在設(shè)計控制系統(tǒng)硬件電路時，除了需要提供9V至12V的電源外，還必須提供至少17路4V至6V的PWM信號。2.2.3 硬件設(shè)計總體方案對應(yīng)于控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的基本要求，作了如下的設(shè)計方案:(1) 核心電路包括AVR11核心處理器、JTAG調(diào)試接口、串口驅(qū)動電路和A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓電路19，原理如圖2.3所示。圖2.3 核心電路原理圖(2) 控制系統(tǒng)需要控制17個直流伺服電機，使兩足步行機器人完成相應(yīng)的動作?？刂浦绷魉欧姍C的PWM信號的周期為20ms，高電平持續(xù)時間為0. 5ms至2. 5ms，占空比較小，最大僅為1/8，所以可以進(jìn)行多路分時復(fù)用。本文使用了4個三態(tài)鎖存器74HC595D PWM信號進(jìn)行4路分時復(fù)用，一共可以得到32路獨立的單邊沿PWM信號，這樣可以滿足控制系統(tǒng)的要求。使用高性能電池供電，增加了機器人的靈活性.其舵機PWM信號控制電路原理如圖2.4所示。 圖2.4 PWM信號控制原理圖2.2.4 電源設(shè)計為了增加機器人的靈活性，兩足步行機器人使用高性能電池供電。直流伺服電機的電源要求為9V至12V，本文選用了電壓為9V的高性能電池，直接作為直流伺服電機的電源。由于基于AVR的處理器和外設(shè)均使用3. 3V電源電壓，所以需要選用電源電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。我們使用了一個直流電壓轉(zhuǎn)換芯片L78M05將電池的直流電源轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流。2.2.5 舵機控制器PCB電路板的設(shè)計32路伺服電機控制器是一套最具性價比的伺服電機控制器?？梢钥刂贫噙_(dá)32個伺服電機協(xié)調(diào)動作的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，它不但能實現(xiàn)位置控制和速度控制，還具有時間延時斷點發(fā)送指令功能。其主要由上位機軟件和伺服電機驅(qū)動控制器組成。通過PC機操作上位機軟件給控制器傳遞控制指令信號，即可實現(xiàn)多路伺服電機單獨控制或同時控制，控制指令精簡，控制轉(zhuǎn)角精度高，波特率可以實時更改，體積小，重量輕，其可作為類人型機器人、仿生機器人、多自由度機械手的主控制器。此外還可以配合其他功能模塊實現(xiàn)無線控制、傳感器反饋，構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)。隨著國內(nèi)外機械產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，各大高校相繼開設(shè)機械類創(chuàng)新課程和比賽11，學(xué)生可將其應(yīng)用在各類機械創(chuàng)新作品中，起到優(yōu)化控制系統(tǒng)作用，其電路板界面如圖2.5所示。圖2.5 兩足行走機器人控制系統(tǒng)電路板2.3 舵機控制器的使用方法2.3.1 伺服電機控制板接口功能 圖2.6 控制電路板各部分標(biāo)識舵機器控制器面板主要有電源接口、串口通訊接口、伺服電機借口、TIL通訊借口以及上位機擴展口、電源開關(guān)等部分組成，各部分詳細(xì)的位置分布如圖2.6所示，其中每個部分的詳細(xì)說明如下：DC5V直流電源接口此接口用于接插控制器控制部分供電電源，為了方便長時間調(diào)試，可以用套裝中為用戶提供的USB取電線，直接插筆記本電腦或臺式電腦USB接口。也可接插符合下面要求的外置電源適配器（注意電源極性！）?？刂撇糠蛛娫炊俗咏涌诖私涌谟糜诮硬蹇刂破骺刂撇糠止╇婋娫?，為增大用戶選擇電源電壓范圍，特設(shè)此接口。工作電壓范圍：7V12V。注意端子接口正負(fù)標(biāo)識符！正確接線，避免損壞控制器。為用戶調(diào)試方便提供9V電池扣接線一條，可接9V電池使用。伺服電機供電電源端子接口此接口用于接插伺服電機供電電源（由于伺服電機在重負(fù)載的情況下，會將放大器電壓拉低，為防止影響控制器部分電壓突變，應(yīng)該將兩部分分別供電），工作電壓：4V6V（普通伺服電機）。一般上，伺服電機啟動和滿負(fù)載的時候耗電達(dá)1A1.5A，而沒有負(fù)載時候只有約150mA耗電，所以請均衡考慮，根據(jù)同時運動的伺服電機數(shù)量，來考慮電源的功率選擇。為防止意外，請確保不要使用功率小于設(shè)計里面。一半數(shù)目的電機滿功率運行時功耗的電源。為用戶調(diào)試方便提供的5號四節(jié)/4位電池盒一個，裝上電池可作為伺服電機調(diào)試電源使用。外擴上位機系統(tǒng)供電接口此接口供電來源控制部分端子接口電源，可為自主開發(fā)的上位機（51系列、AVR系列、DSP、ARM等）板供電。串口通訊接頭此端口使用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口電平進(jìn)行通訊，可以接插為用戶提供的串口通訊線和計算機進(jìn)行通訊，接收實時控制指令。TTL通訊接口若使用此功能請將跳線帽取下，此接口可用于伺服電機控制器與其他單片機開發(fā)的上位機BS2(Basic Stamp 2)通訊。注意接口標(biāo)識符，TX、RX左側(cè)排針分別聯(lián)接伺服電機控制板微控器TXD、RXD引腳。波特率設(shè)置撥碼開關(guān)通過設(shè)置撥碼開關(guān)，波特率可以在2400 960038.4k 115.2k四種數(shù)值中轉(zhuǎn)換。注意：1代表ON，0代表OFF?？刂破鞑ㄌ芈誓J(rèn)設(shè)置為115200。每次更改波特率數(shù)值后，都要給控制器重新上電啟動，才會生效。伺服電機通道接口和標(biāo)識符此接口可接插國際標(biāo)準(zhǔn)接口的伺服電機，包括模擬式和數(shù)字式兩種。接口側(cè)方有132通道的標(biāo)注符，表示伺服電機受哪一通道信號控制。每一行可以接插一個伺服電機。整行接口上面有S/ + /-的標(biāo)注，其中“-”表示接插伺服電機的地線（一般為黑色）；“”表示接插伺服電機的電源線（一般為紅色）；“S”表示signal（信號）接插伺服電機的控制信號線（一般為黃色或白色）。支持的伺服電機：Futabaor Hitec 以及國產(chǎn)品牌（如輝盛）等。電源開關(guān)此開關(guān)控制伺服電機和控制電路兩部分電源通斷。開關(guān)撥向標(biāo)有ON一端為接通電源；開關(guān)撥向OFF一端為切斷整個系統(tǒng)供電。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 29 頁 共 29 頁3 兩足步行機器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計AVR系列單片機通常在其內(nèi)部集成了CPU、存儲器、總線邏輯、看門狗、I/0、以及其他接口，單片化的特性使其體積和功耗都大大減小，在兩足步行機器人中得到了廣泛使用，現(xiàn)在在操作系統(tǒng)下設(shè)計并實現(xiàn)了兩足步行機器人控制系統(tǒng)的多個應(yīng)用軟件，構(gòu)成了一個完整的控制系統(tǒng)軟件框架；最后改進(jìn)了常見的多路PWM產(chǎn)生方法，具有很高的PWM信號的精度和系統(tǒng)的實時性，并對兩足步行機器人進(jìn)行了關(guān)節(jié)調(diào)試。3.1 軟件系統(tǒng)的基本要求根據(jù)機器人控制系統(tǒng)的功能需求和硬件電路的特點，軟件系統(tǒng)至少需要滿足以下5個要求：(1) 軟件模塊化，具有很好的可維護(hù)和可擴展性。(2) 實現(xiàn)PWM信號的分時復(fù)用，并要保證PWM信號的高精度。并且通過軟件，能夠及時地改變PWM的輸出。(3) 通過RS232接口能和PC機通信。(4) 通過I接口記錄關(guān)鍵的信息到E2PROM存儲器。(5) 通過3路10位A/D轉(zhuǎn)換器讀取傳感器的值并預(yù)處理。3.2 軟件設(shè)計的技術(shù)路線與總體方案在機器人控制系統(tǒng)中常見的操作系統(tǒng)有:TI的DSP/BIOS, Microsoft的WinCE, u C/OS-II, Wind River的VxWorks, uC-Linux和RT-Linux等，它們各自的特點和應(yīng)用如下所述：(1) DSP/BIOS操作系統(tǒng)不但具有很好的實時性23，而且與DSP外圍的數(shù)據(jù)庫兼容并且內(nèi)建于DSP專用的交互式集成開發(fā)環(huán)境CCS。但DSP/BIOS操作系統(tǒng)只適合在TI的C6000和C5000 DSP處理器上使用。(2) WinCE操作系統(tǒng)由Windows95精簡而成，不開放源碼，實時性不好。但從內(nèi)核到GUI的整個體系比較完善，并且Microsoft公司具有強大的軟件研發(fā)和技術(shù)支持能力。WinCE適合在功能復(fù)雜但對內(nèi)核體積的實時性都沒有太高要求的大型機器人主控制系統(tǒng)中使用，或者在圖像監(jiān)控系統(tǒng)中使用。(3) uC/OS-II由世界著名的嵌入式專家Jean J. Lacrosse編寫，它具有源碼開放、體積小、可移植性強、可剪裁、可靠性高等特點，但GUI部分不完善。它非常適合在高實時性小型嵌入式系統(tǒng)中使用，經(jīng)常應(yīng)用在小型機器人控制系統(tǒng)中。(4) VxWorks由美國Wind River公司開發(fā)，具有極高的可靠性和實時性，但是它不開放源碼，而且價格非常昂貴，通常應(yīng)用在軍用機器人和航天機器人中。(5) uC-Linux和RT-Linux都是由Linux演化而來，繼承了Linux的一系列優(yōu)點，比如高可靠性和具有完善的網(wǎng)絡(luò)功能。它們結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對開發(fā)人員的技術(shù)要求較高，通常應(yīng)用在比較復(fù)雜的機器人控制系統(tǒng)中。本文根據(jù)控制系統(tǒng)硬件的特點和機器人的功能需要，選用了以C語言為基礎(chǔ)編寫而成的操作系統(tǒng)“Servo Control Software”。其軟件的操作界面如圖3.1所示。圖3.1 Servo Control Software操作界面Servo Control Software是實現(xiàn)伺服電機控制器通訊協(xié)議PC機上的專用WINDOWS控制軟件，本軟件操作控制簡便，該軟件有以下功能：(1) 速度控制設(shè)定功能 可以調(diào)試出任意速度，多路電機不同速度運行穩(wěn)定，實時性好，速度精準(zhǔn)，加速減速任意設(shè)。(2) 循環(huán)控制功能 讓您不必費心點擊鼠標(biāo)啦，反復(fù)調(diào)試更加易用，可作為小型工業(yè)機械手主控板，功能循環(huán)執(zhí)行，提供作業(yè)效率。(3) 指令保存功能 可以將您調(diào)試好的指令集保存，自動生成指令文檔，日期時間準(zhǔn)確，例如robotcode20090107_1550, 您也可以個性化自命名，避免讀取指令文檔錯誤或者重新編輯。(4) 指令讀取功能 只要輕松點擊“打開指令”按鍵，會進(jìn)入指令集文檔，選擇您要讀取的以往指令文檔，恢復(fù)當(dāng)前功能設(shè)置。(5) 控制動作完成時間功能 只要發(fā)送指令時間大于動作完成時間，您就可以任意設(shè)置動作的完成時間，軟件備有自動調(diào)整功能，可將電機轉(zhuǎn)動平滑過渡，避免了機器人定格控制缺陷。3.3 伺服電機控制軟件操作方法3.3.1 串口設(shè)置在熟悉了該軟件后，我們開始調(diào)試軟件。首先我們要做好前提工作，把舵機接線按照要求插在控制板上，再把串口接線插到電腦上，開通電源，打開操作軟件，點擊軟件操作界面里的串口設(shè)置，選擇合適的波特率，然后點確定，其操作方法如圖3.2、圖3.3、圖3.4所示：圖3.2 串口設(shè)置第一步圖3.3 串口設(shè)置第二步圖3.4 串口設(shè)置第三步3.3.2 控制通道設(shè)置控制通道序號與控制板上的序號一一對應(yīng)，根據(jù)設(shè)計需要可選擇多路調(diào)控，伺服電機接線一定要與控制軟件通道對應(yīng)，避免出現(xiàn)控制無效現(xiàn)象。將硬件設(shè)備接好，如圖3.5所示。圖3.5 控制板接線示意圖單擊鼠標(biāo)左鍵軟件與硬件連接,如圖3.6所示。圖3.6 串口連接設(shè)置圖當(dāng)串口設(shè)置完成后,開始設(shè)置控制通道,單擊鼠標(biāo)左鍵以激活控制通道,本設(shè)計中的機器人一共17個自由度,其中腿部10個,也就是一共17個直流伺服電機,在調(diào)試過程中,我們一共要激活17個通道,從117通道, 按照圖3.7所示。圖3.7 控制通道設(shè)置示意圖3.3.3 操作設(shè)置在控制軟件的操作設(shè)置區(qū)域有“添加指令”、“指令修改”、“刪除指令”、“運行指令”等按鈕，分別實現(xiàn)不同的功能，具體實現(xiàn)功能如圖3.8所示。圖3.8 操作設(shè)置功能圖3.3.4 控制指令回顯區(qū)調(diào)整好合適指令點擊添加后，將會出現(xiàn)在回顯區(qū)中。如圖3.9所示。圖3.9 指令回顯區(qū)3.3.5 發(fā)送指令時間設(shè)置拉動指令間隔時間滑桿可以調(diào)節(jié)發(fā)送指令間隔時間,以實現(xiàn)各舵機的協(xié)調(diào)工作,來完成復(fù)雜的動作,如圖3.10所示。圖3.10 發(fā)送指令間隔時間控制區(qū)3.4 微型伺服電機（舵機）的選擇微型的伺服電機在無線電業(yè)余愛好者的航?；顒又惺褂靡延泻荛L一段歷史，而且應(yīng)用最為廣泛，國內(nèi)亦稱之為“舵機”，含義為：“掌舵人操縱的機器”。舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器。它是機器人、機電系統(tǒng)和航模的重要執(zhí)行機構(gòu)。它接收一定的控制信號，輸出一定的角度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)的舵機有3條導(dǎo)線：電源線（紅）、地線（黑或灰）、控制線（白或橙黃）。控制線的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號（PWM），方波脈沖信號的周期為20 ms（即頻率為50Hz)，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比，也就是利用占空比的變化來改變舵機的位置?？梢?，其主要用作運動方向的控制部件。因此，機器人模型中也常用到它作為可控的運動關(guān)節(jié)，這些活動關(guān)節(jié)在機械原理中常稱它為自由度。3.4.1 舵機的選型本設(shè)計選用的舵機為“輝盛”MG945 12公斤全金屬齒大扭力舵機，其圖和參數(shù)如圖3.11和表3.1所示。圖3.11 “輝盛”MG945舵機表3.1 “輝盛”MG945舵機參數(shù)尺寸重量速度扭力使用電壓40.8*19.9*37.3mm56.3g0.24sec/60度12公斤/厘米4.8V7.2V3.4.2 輝盛MG945舵機的控制特性 “輝盛”MG945 12公斤全金屬齒大扭力舵機全轉(zhuǎn)角為180度，它的對應(yīng)的控制關(guān)系如表3.2所示。表3.2 PWM波脈寬與舵機轉(zhuǎn)角關(guān)系PWM波脈寬舵機轉(zhuǎn)角對應(yīng)轉(zhuǎn)角簡圖0.5ms0度0.9ms45度1.5ms90度2.1ms135度2.5ms180度4 兩足步行機器人步行模式的建立有的機器人行走時質(zhì)心在地面上的投影始終在腳的支撐多邊形內(nèi)，這種步行方式被稱為靜態(tài)步行；在人的日常行走中，質(zhì)心在地面上的投影經(jīng)常會超越支撐多邊形的范圍，這種步行方式被稱為動態(tài)步行。靜態(tài)步行模式在設(shè)計步態(tài)時需要計算機器人的重心位置，以防止重心在地面上的投影超出了支撐多邊形范圍。靜態(tài)步行通常是在行走前離線設(shè)計好各個步行中的姿態(tài)和姿態(tài)切換的方法，在行走的過程中不能改變，一般只能在平地上行走。4.1 本章任務(wù)本設(shè)計中的機器人的機械結(jié)構(gòu)，它具有17個自由度，驅(qū)動器為微型直流伺服電機。該機械結(jié)構(gòu)左右對稱，每條腿具有5個自由度，分別為踝2個、膝l個、髖2個；每個手臂具有3個自由度，分別為肩2個、肘1個；頸部具有一個自由度。而我的主要任務(wù)是分析雙腿的運動模式，研究10個舵機的轉(zhuǎn)動角度以及相互的協(xié)調(diào)工作的關(guān)系，建立一個完整的運動模型。首先要把機器人組裝起來，其腿部圖片如圖4.1所示。圖4.1 單腿的實物圖片在正確的把整個機器人完整的組裝起來后，我們要把機器人腿部的每個舵機都標(biāo)注起來，以便后來的調(diào)試，腿部10個舵機的分布如圖4.2所示。圖4.2 腿部舵機的分布4.2 靜態(tài)步行模式設(shè)計與實現(xiàn)兩足步行機器人控制系統(tǒng)中使用了靜態(tài)步行模式45線設(shè)計。靜態(tài)步行模式分為10個靜態(tài)姿勢及其切換順序如圖4.2所示。圖4.2 兩足機器人行走步行模式其中直立是初始狀態(tài)；起步是為步行做準(zhǔn)備，重心移到右腳；抬后腳(左)、邁步(左)和前腳著地(左)都是右腿支撐左腿擺動的姿態(tài)；重心前移(左)是兩腿支撐，將重心從后面的右腳轉(zhuǎn)移到前面的左腳；抬后腳(右)、邁步(右)和前腳著地(右)都是左腿支撐右腿擺動的姿態(tài)；重心前移(右)是兩腿支撐，將重心從后面由左腳再次轉(zhuǎn)移到前面的右腳。重心在左右腳之間反復(fù)轉(zhuǎn)移，左右腳的前后關(guān)系也反復(fù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)兩足機器人的步行。4.3 姿態(tài)運動的軟件實現(xiàn)機器人的以上10個姿態(tài)按圖4.2所示切換，就可以讓機器人在平地上步行。根據(jù)腿部運動的模式，我們根據(jù)腿步各關(guān)節(jié)完成的角度可以計算輸入給每個舵機的PWM脈寬值，再反饋到舵機控制軟件Servo Control Software中，點擊“添加指令”按鈕，其控制回顯區(qū)出現(xiàn)指令如下：T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1833#8P1833#9P1500T1000 #0P1500#1P1450#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1833#8P1833#9P1500T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1167#8P1167#9P1500T1000 #0P1500#1P1450#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1167#8P1167#9P1500T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500上述完成機器人腿部運動的一個循環(huán)，既從直立到抬左腿起步再到抬右腿起步，然后我們再點擊如圖4.3中的“激活循環(huán)控制”就可以完成兩足行走機器人兩腿間持續(xù)左右腳交替行走的動作了。圖4.3 激活循環(huán)控制結(jié) 束 語兩足步行機器人是個廣泛應(yīng)用在教學(xué)、科研、比賽和娛樂等方面的機器人，集機械學(xué)、電子學(xué)、控制科學(xué)、計算機、數(shù)學(xué)等于一體。本文根據(jù)當(dāng)前兩足步行機器人控制系統(tǒng)中常用的處理器和操作系統(tǒng)各自的特點，選用8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動能力更強，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機。并對兩足步行機器人進(jìn)行了運動學(xué)分析和靜態(tài)步行設(shè)計，實現(xiàn)在機器人在平面上的穩(wěn)定行走。在本設(shè)計課題中，我及我們小組，基本完成了兩足行走機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，也理論上完成了機器人的控制系統(tǒng)，但是由于選擇的較為有難度的17自由度機器人，所以對于機器人結(jié)構(gòu)的選用材料、平衡力學(xué)處理、控制系統(tǒng)處理器等客觀條件有了更高的要求。在本課題中，由于條件有限，我們沒有使機器人在地面上實現(xiàn)兩腿交替運動。在我負(fù)責(zé)的控制系統(tǒng)這一塊中，我理論設(shè)計了一套控制方案，我使用的是核心為8位的AVR微處理器控制器，在設(shè)計過程中就發(fā)現(xiàn)的它的缺陷，由于我們設(shè)計的17自由度機器人，也就是有17個微型直流伺服電機，相應(yīng)的要同時提供17路的PWM脈沖信號，這就對處理器有了比較高的要求，而這時8位處理器則達(dá)不到使用要求。所以該課題在以后還有很多要進(jìn)一步改進(jìn)和研究的地方：(1) 機器人使用更為先進(jìn)的處理器，如表2.1中的ARM系列處理器和PC104, PowerPC等單板計算機。(2) 機器人腳底安裝力傳感器，用來感知機器人腳和地面接觸時的受力情況，使用ZMP理論對機器人進(jìn)行步態(tài)控制。(3) 機器人增加視覺系統(tǒng)，使機器人可以識別簡單的目標(biāo)。桌面型的兩足機器人由于受到體積和成本的限制，大多不具備視覺系統(tǒng)或只有很簡單的視覺系統(tǒng)。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，桌面型的兩足機器人也會具有復(fù)雜的視覺系統(tǒng)。這在足球機器人中尤其重要。致 謝本文的研究工作是在劉艷老師的精心指導(dǎo)下完成的。在整個課題研究過程中，老師在各方面給予了我無盡的關(guān)心、幫助和教誨，使本論文的研究工作得以順利完成。老師學(xué)識淵博，經(jīng)驗豐富，思維敏捷，時時給我熱情的鼓勵和不倦的教誨，在研究思想和研究方法上給了我諸多啟示，解答了許多難題，從課程學(xué)習(xí)、論文選題、課題研究到論文撰寫無不凝聚著老師們的心血和汗水。老師待人誠懇，心胸寬大，精深的知識令我受益匪淺。在此向劉艷表示無盡的感謝，同時此課題能夠順利完成也離不開同學(xué)給我的幫助和指導(dǎo)，在此也特別向他們表示深深的謝意！參 考 文 獻(xiàn)1 包志軍，馬培蓀. 兩足機器人到仿人型機器人的研究歷史及其問題J.機器人, 1999(4):312-319.2 龜田秀司. 仿人機器人M. 管貽生譯. 北京:清華大學(xué)出版社, 2007.3 徐凱. 仿人機器人步態(tài)規(guī)劃算法及其實現(xiàn)研究D. 北京:清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文, 2006. 4 胡凌云，孫增沂. 雙足機器人步態(tài)控制研究方法綜述J. 計算機研究與發(fā)展，2005.5 石宗英，徐文立，馮元餛等. 仿人型機器人動態(tài)步行控制方法J. 機器人, 2001.6 胡洪志. 仿人步行機器人的運動規(guī)劃方法研究D. 國防科技大學(xué)研究生院學(xué)位論文, 2002.7 王勇. 基于被動動力式的兩足機器人研究現(xiàn)狀J. 機械工程師，2005.8 付成龍，陳懇. 雙足機器人穩(wěn)定性與控制策略研究進(jìn)展J. 高技術(shù)通訊, 2006.9 劉森，慕春棣，趙明國. 基于AVR式系統(tǒng)的擬人機器人控制器的設(shè)計J.北京:清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008.10 楊晶東，黃慶成，洪炳銘. 雙足足球機器人實時避障導(dǎo)航系統(tǒng)研究J.機器人, 2005. 11 江海波. 深入淺出AVR單片機M. 北京:中國電力出版社，2008 12 徐亮，徐中偉. u C/OS-II實時系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度優(yōu)化J. 計算機工程，Oct 200733 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Portal 99電路設(shè)計與應(yīng)用M，北京:國防工業(yè)出版社，2001.20 施華, 陳一民，李超. 基于RT-Linux的實時機器人控制器研究J.計算機工程與科學(xué)，2002,24(6):91-95.21 徐青，申忠宇, 趙瑾等. 基于ARM的兩足步行機器人系統(tǒng)設(shè)計J. 儀器儀表學(xué)報(增刊)，Aug 2007,28(8):499-501.22 姜培玉. 兩足機器人動態(tài)步行研究D. 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，Mar2004.23 萬松峰, 黃惟公. 基于WinCE&AVR的嵌入式工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)J，西華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，Nov 2005,24(6):26-29.24 李紅征，周烽，王永. 基于DSP的雙足步行機器人設(shè)計J. 機械與電子，2007 (11):55-58. 南京師范大學(xué)碩士學(xué)位論文.25 張福學(xué). 機器人技術(shù)及其應(yīng)用M. 北京: 電子工業(yè)出版社， 2000.26 蔣新松. RoboticsM. 沈陽: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社， 1994.