人形仿生機器人雙足行走機構(gòu)設(shè)計 摘 要 本文是在對國內(nèi)外人形仿生機器人雙足行走機構(gòu)資料 特別是連接鍵部分 和控制資料進行研讀的基礎(chǔ)下 對人形仿生機器人雙足行走機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu) 驅(qū)動 控制和傳感器等方面進行方案擬定 本文對人形仿生機器人雙足行走機 構(gòu)的結(jié)構(gòu)進行詳細的設(shè)計 畫出總裝配圖 部件圖并完成相應(yīng)的設(shè)計計算 本 文所設(shè)計的雙足行走機構(gòu)是采用舵機實現(xiàn)運動 并且采用單片機實現(xiàn)機器人的 運動控制 本設(shè)計還對人形仿生機器人雙足行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成和控制部分進 行了詳細的分析 關(guān)鍵詞 仿生機器人 行走機構(gòu) 單片機 Abstract This paper is in the form of domestic and foreign bionic robot biped walking mechanism for data especially the bond part and the control data were studied under the foundation the humanoid robot biped walking mechanism structure drive control and sensor of the plan In this paper structure of the humanoid robot biped walking mechanism were detailed design drawing assembly diagram parts diagram and complete the corresponding design and calculation The design of the biped walking mechanism adopts servo motion and using the MCU control the movement of the robot The design structure of the humanoid robot biped walking mechanism and control part of the detailed analysis Keywords bionic robot walking mechanism the MCU 目 錄 1 緒論 1 1 1 雙足行走機器人的特點 1 1 2 國內(nèi)外雙足機器人的研究現(xiàn)狀 2 1 2 1 國內(nèi)狀況 2 1 2 2 國外狀況 3 1 3 課題技術(shù)要求 6 2 人形仿生機器人雙足行走機構(gòu)設(shè)計分析 6 2 1 雙足行走機器人的結(jié)構(gòu)分析 6 2 2 雙足行走機器人設(shè)計方案 7 2 3 驅(qū)動方式的選擇 9 2 4 雙足機器人相關(guān)數(shù)據(jù) 10 3 人形仿生機器人雙足行走機構(gòu)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 11 3 1 硬件系統(tǒng)的基本要求 11 3 2 硬件系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)路線和總體方案 11 3 2 1 處理器選型 11 3 2 2 直流伺服電機的控制特性 13 3 2 3 硬件設(shè)計總體方案 14 3 2 4 電源設(shè)計 16 3 2 5 舵機控制器 PCB 電路板的設(shè)計 16 4 人形仿生機器人雙足行走機構(gòu)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 18 4 1 軟件系統(tǒng)的基本要求 19 4 2 軟件設(shè)計的技術(shù)路線與總體方案 19 4 3 伺服電機控制軟件操作方法 21 4 3 1 串口設(shè)置 21 4 3 2 控制通道設(shè)置 22 4 3 3 操作設(shè)置 23 4 3 4 控制指令回顯區(qū) 24 4 3 5 發(fā)送指令時間設(shè)置 24 4 4 微型伺服電機的選擇 24 4 4 1 舵機的選型 25 4 4 2 所選舵機的控制特性 25 5 雙足行走機器人步行模式的建立 26 5 1 靜態(tài)步行模式設(shè)計與實現(xiàn) 26 5 2 姿態(tài)運動的軟件實現(xiàn) 28 總 結(jié) 30 致 謝 31 參考文獻 32 1 1 緒論 機器人是自動控制機器 Robot 的俗稱 自動控制機器包括一切模擬人類 行為或思想與模擬其他生物的機械 如機器狗 機器貓等 狹義上對機器人的 定義還有很多分類法及爭議 有些電腦程序甚至也被稱為機器人 在當代工業(yè) 中 機器人指能自動執(zhí)行任務(wù)的人造機器裝置 用以取代或協(xié)助人類工作 理 想中的高仿真機器人是高級整合控制論 機械電子 計算機與人工智能 材料 學(xué)和仿生學(xué)的產(chǎn)物 目前科學(xué)界正在向此方向研究開發(fā) 仿生機器人 也稱仿制人或人型機器人等 指以模仿真人為目的制造的機 器人 但人型機器人也可以指英語中的 Humanoid 擬人機器人 可以大小和 真人差很遠也沒有似人的外觀 但有人的四肢和頭等構(gòu)造 現(xiàn)時仿生人仍然在 試制階段 是長期以來科幻和機器人學(xué)的一大主題 仿生人擬真的程度有很多 有些是可以從外觀上識別 也沒有真人的思想和感情 如 Chobits 中的人型電腦 相對是稱為生物機器人 是使用一種真人或生物的活組織 但以機器為主體的 類型 是和機械化人有重疊的概念 也是完全刻意為了仿冒真人而制造的 但 行為不一定似真人 而有時把女性型的仿生人稱為機娘 Gynoid 如機械女仆 反過來說亦有開發(fā)外觀不似人 但能夠有似真人行為的機器人 如在2001年美 國麻省理工學(xué)院 研發(fā)了號稱世界上第一個有類似人類感情的機器人 2013年1 月 英國的機器人專家設(shè)計師宣稱展示了世界上第一個完整的 迄今為止最復(fù) 雜的仿生人 其包括人造器官以及健全的四肢 1 1 雙足行走機器人的特點 首先 雙足步行的移動方式在地面不平整或其它惡劣條件下 如充滿障礙物 比 其他方式要靈活得多 具有更好的機動性 研究仿人形雙足步行機器人 以代 替人類在核電站 太空 海底及其它危害人類身心健康的復(fù)雜極端環(huán)境中工作 將大大拓展人類的活動空間 其次 雙足步行機器人的步行系統(tǒng)是一個內(nèi)在的不穩(wěn)定系統(tǒng) 其動力學(xué)特 性非常復(fù)雜 具有多變量 強耦合 非線性和變結(jié)構(gòu)的特點 因此 它是控制 理論和控制工程領(lǐng)域的一個極好的研究對象 開展雙足步行技術(shù)的研究 必然 推動控制理論的發(fā)展和控制技術(shù)的進步 再次 步行是人類的一種基本活動能力 但有相當數(shù)量的人因為疾病或意 2 外事故失去了這種能力 雙足步行技術(shù)的發(fā)展會促進動力型假肢的研制 將有 可能解決截癱病人和小兒麻痹癥患者的行走問題 為康復(fù)醫(yī)學(xué)做出貢獻 對機 器人雙足動態(tài)行走機理的深入研究也使我們更深刻地理解人類活動的內(nèi)在本質(zhì) 有助于生物醫(yī)學(xué)工程和體育運動科學(xué)的發(fā)展 1 2 國內(nèi)外雙足機器人的研究現(xiàn)狀 1 2 1 國內(nèi)狀況 國內(nèi)雙足步行機器人的研制工作起步較晚 我國是從 20 世紀 80 年代開始 雙足步行機器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的 1986 年 我國開展了 七五 機器人攻 關(guān)計劃 1987 年 我國的 863 高技術(shù)計劃將機器人方面的研究開發(fā)列入其 中 目前我國從事機器人研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等 最初我國進行機器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術(shù) 隨后 取得了一定的成就 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自 1986 年開始研究雙足步行機器人 先研制成功靜態(tài)步行 雙足機器人 HIT 高 110cm 重 70kg 有 10 個自由度 實現(xiàn)平地上的前進 左右側(cè)行以及上下樓梯的運動 步幅 45cm 步速為 10 秒每步 后來又相繼研 制成功了 HIT 和 HIT 重 42kg 高 103cm 有 12 個自由度 實現(xiàn)了步長 24cm 步速 2 3 秒每步的步行 目前正在研制的 HIT 機器人 全身可有 52 個自由度 其在運動速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型行走機器人 國防科技大學(xué)在 1988 年春成功地研制了一臺平面型 6 自由度的雙足機器人 KDW 它能前進 后退和上下樓梯 最大步幅為 40cm 步速為 4s 每步 1989 年又研制出空間型 KDW 有 10 個自由度 高 69cm 重 13kg 實現(xiàn)進退 上下臺階的靜態(tài)穩(wěn)定步行以及左右的準動態(tài)步行 1990 年在 KDW 的平臺上增 加兩個垂直關(guān)節(jié) 發(fā)展成 KDW 有 12 個自由度 具備了轉(zhuǎn)彎功能 實現(xiàn)了 實驗室環(huán)境的全方位行走 1995 年實現(xiàn)動態(tài)行走 步速 0 8s 每步 步長為 20cm 22cm 最大斜坡角度達 13 度 2000 年底在 KDW 的基礎(chǔ)上研制成功我 國首臺仿人形機器人 先行者 動態(tài)步行 可在小偏差 不確定的環(huán)境行走 周期達每秒兩步 高 1 4m 重 20kg 有頭 眼 脖 身軀 雙臂 雙足 且具 備一定的語言功能 上海交通大學(xué)于 1999 年研制的仿人形機器人 SFHR 腿部和手臂分別有 12 3 和 10 個自由度 身體上有 2 個自由度 共有 24 個自由度 實現(xiàn)了周期 3 8s 步長 10cm 的步行運動 機器人本體上裝有 2 個單軸陀螺和一個三軸傾斜計 用 于檢測機器人的姿態(tài)信息 并配備了富士通公司的主動視覺系統(tǒng) 是研究通用 機器人學(xué) 多傳感器集成以及控制算法良好的實驗平臺 北京理工大學(xué)在歸國博士黃強教授的帶領(lǐng)下 高起點地進行仿人形機器人 研究 于 2002 年 12 月通過驗收的仿人形機器人 BHR 1 高 158cm 重 76kg 32 個自由度 步幅 0 33m 步速每小時 1 公里 能夠根據(jù)自身力覺 平 衡覺等感知機器人自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化 實現(xiàn)未知地面的穩(wěn)定行 走和太極拳表演 使中國成為繼日本之后 第二個研制出無外接電纜行走 集 感知 控制 驅(qū)動 電源和機構(gòu)于一體的高水平仿人形機器人國家 此外 清華大學(xué)正在研制仿人形機器人 THBIP 高 1 7m 重 130kg 32 個自由度 在清華大學(xué) 985 計劃的支持下 項目也在不斷取得進展 南京航空 航天大學(xué)曾研制了一臺 8 自由度空間型雙足步行機器人 實現(xiàn)靜態(tài)步行功能 1 2 2 國外狀況 雙足機器人的研制開始于上世紀 60 年代末 雖然只有四十多年的歷史 然 而 兩足機器人的研究工作進展迅速 國內(nèi)外許多學(xué)者正從事于這一領(lǐng)域的研 究 如今已成為機器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一 步行的穩(wěn)定性是兩足機器人的難點和關(guān)鍵 南斯拉夫?qū)W者 MemoirVakobrativitch 于 1969 年提出的 ZMP Zero Moment Point 理論較好地 解決了動態(tài)步行穩(wěn)定性判斷問題 ZMP 點 即零力矩點 是雙足機器人所受重 力 慣性力及地面反力三者合力矢的延長線與地面的交點 雙足機器人一只腳 著地時 ZMP 點必須落在腳掌的范圍內(nèi) 雙腳著地時 則位于兩只腳掌形成的 凸多邊形內(nèi) 在 ZMP 點 機器人所受的側(cè)向力和力矩都為零 1971 年 英國人 I Kato 試制了 Wap3 最大步幅 15mm 周期 45s 1971 年至 1986 年間 英國牛津大學(xué)的 Wit 等人制造并完善了一個雙足行 走機器人 該機器人能在平地上行走良好 步速達到 0 23m s 4 加拿大的 Tad McGee 主要研究被動式兩足機器人 即在無任何外界輸入的 情況下 靠重力和慣性力實現(xiàn)步行運動 1989 年 他建立了平面型的雙足行走 機構(gòu) 兩腿為直桿機構(gòu) 沒有膝關(guān)節(jié) 每條腿各由一個小電機來控制腿的伸縮 4 無任何主動控制和能量供給 具有簡單二級針擺特征 放在斜坡上 可依靠重 力 實現(xiàn)動態(tài)步行 法國 BIP2000 計劃是由法國 de mecanique des Soloders de Poiters 實驗 室和 INRIA 機構(gòu)合作的一個項目 其目的是建立一套可以適應(yīng)未知條件行走的 兩足機器人系統(tǒng) 設(shè)計了一個具有 15 個自由度的雙足步行機器人 只有軀干和 腿 現(xiàn)代機器人發(fā)展最迅速的是有 機器人王國 之稱的日本 其中最具有代 表性的研究機構(gòu)有 加藤實驗室 日本早稻田大學(xué) 日本東京大學(xué) 日本東京理 工學(xué)院 日本機械學(xué)院 松下電工 本田公司和索尼公司等 日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授于 1968 年率先展開了雙足步行機器人的研 制工作 并先后研制出 WAP 系列樣機 1969 年研制出 WAP 1 平面自由度步行機 器人 該機器人具有六個自由度 每條腿有髖 膝 踝三個關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié)處使用 人造橡膠肌肉 通過充氣 排氣引起肌肉收縮 肌肉的收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動從而 實現(xiàn)步行 1971 年 研制出 WAP 3 型雙足機器人 仍采用人工肌肉 具有 11 個自由度 能在平地 斜坡和階梯上行走 該機器人重 13Okg 高 0 9m 實現(xiàn) 步幅 15cm 每步 45s 的靜步行 同年又研制出 WL 5 雙足步行機器人 該機器 人采用液壓驅(qū)動 具有 11 個自由度 下肢作三維運動 上軀體左右擺動以實現(xiàn) 雙足機器人重心的左右移動 1973 年 在 WAP 5 的基礎(chǔ)上配置機械手及人工視 覺 聽覺等裝置組成自主式機器人 WAROT 1 1980 年 推出 WL 9DR 雙足機器 人 該機器人采用預(yù)先設(shè)計步行方式的程序控制方法 通過對步行運動的分析 及重復(fù)實驗設(shè)計步態(tài)軌跡 用設(shè)計出的步態(tài)控制機器人的步行運動 該機器人 采用了以單腳支撐期為靜態(tài) 雙腳切換期為動態(tài)的準動態(tài)步行方案 實現(xiàn)了步 幅 45cm 每步 9s 的準動態(tài)步行 1984 年 研制出采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的 WL 10DR 雙足機器人 增加了踝關(guān)節(jié)力矩控制 將一個步行周期分為單腳支撐期和 轉(zhuǎn)換期 1986 年 又成功研制了 WL 12 R 雙足機器人 該機器人通過軀體運 動來補償下肢的任意運動 實現(xiàn)了步行周期 1 3s 步幅 30cm 的平地動態(tài)步行 日本東京大學(xué)的 Jouhou System Kougaka 實驗室研制了 H5 H6 型仿人型雙 足步行機器人 該機器人總共有 30 個自由度 其中在 H5 型的步態(tài)規(guī)劃設(shè)計中 5 充分考慮了動態(tài)平衡條件 采用遺傳算法來實現(xiàn)上體的補償運動以補償 ZMP 軌 跡的跟蹤 上體運動的軌跡用三次樣條插值來實現(xiàn) 在 H5 雙足機器人的頭部安 裝有兩個 CCD 彩色攝像頭 可以定位前面的物體并能夠在 CCD 的協(xié)助下用 7 自 由度的手來抓取的目的 日本機械學(xué)院的 S Kajita 等針對一臺具有 4 臺前向驅(qū)動電機且全部安裝 在機器人的上體的五連桿平面型雙足步行機器人 Meltran 研究其動態(tài)行走 的控制方法 他根據(jù)機器人機構(gòu)質(zhì)量幾乎完全集中在上體的事實 為使雙足步 行機器人實現(xiàn)穩(wěn)定 周期性的動態(tài)行走 對機器人上體采用了約束控制方法 提出了一種理想的線性倒立擺模型 同時又提出了機構(gòu)軌道能量守恒的概念 來求解各個關(guān)節(jié)運動軌跡及輸入力矩 實現(xiàn)了在已知不平整地面上的穩(wěn)定動態(tài) 步行 1996 年他們又在此樣機的基礎(chǔ)上加載了超聲波視覺傳感器以實現(xiàn)實時提 供地面信息的功能 將視覺傳感器系統(tǒng)與針對線性倒立擺所提出的控制模式相 結(jié)合構(gòu)成自適應(yīng)步態(tài)控制系統(tǒng) 使 Meltran 成功地實現(xiàn)了在未知路面上的動 態(tài)行走 代表雙足步行機器人和擬人機器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司 他們代表了當今雙足行走機器人和擬人型機器人發(fā)展的最高水平 本田公司從 1986 年至今己經(jīng)推出了 P 系列 1 2 3 型機器人 并且于 2000 年 11 月 20 日 推出了新型雙足步行機器人 ASIMO Advanced Step in Innovative Mobility ASIMO 和 P3 相比 實現(xiàn)了小型輕量化 使其更容易適應(yīng)人類的生活空 間 通過提高雙腳步行技術(shù) 使其更接近人類的步行方式 雙腳步行技術(shù)方 面采用了新開發(fā) I WALK Intelligent Real time Flexible Walk I WALK 是在過去的步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的 預(yù)測運動控制功能 它可以實時預(yù) 測以后的動作 并且據(jù)此事先移動重心來改變步調(diào) 過去由于不能進行預(yù)測運 動控制 當從直行改為轉(zhuǎn)彎時 必須先停止直行動作后才可以轉(zhuǎn)彎 索尼公司于 2000 年 11 月 21 日在四足娛樂機器人 AIBO 的基礎(chǔ)上推出了人 形娛樂型機器人 SDR 3X Sony Dream Robot 3X SDR 3X 頭部 2 個自由度 軀干 2 個自由度 手臂 4 2 個自由度 下肢和足部 6 2 個自由度 共計 24 個自由度 2002 年又推出 SDR 4X 采用 64 位 RISC 處理器 64MBDRAM 共 有 38 個自由度 頭部 4 個 身體 2 個 胳膊 5 2 10 個 腿部 6 2 12 個 獨 6 立的 5 個手指 5 2 10 個 2003 年 12 月 18 日 索尼公司通過對控制系統(tǒng)和 ISA Intelligent Servo Actuator 的改進 增加輸出力矩等方法 使 QRIO 在 世界上第一次實現(xiàn)了雙足行走機器人的跑動 QRIO 可以在跑步時滯空 6ms 雙 腳跳躍時滯空 10ms 2005 年 1 月 12 日 由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的比留川博等人開發(fā)出一 臺取名 HRP 2 雙足擬人機器人亮相東京 該機器人身高 154cm 體重 58kg 研究人員先請民間藝術(shù)家跳舞 用特殊攝像機拍攝后將畫面輸入電腦 并對手 腳 頭 腰等 32 個部位的動作進行解析 然后把有關(guān)解析數(shù)據(jù)輸入給機器人 最后利用這些數(shù)據(jù)來控制機器人手的動作和腳步等 使 HRP 2 可以和人一樣 動作連貫 翩翩起舞 1 3 課題技術(shù)要求 設(shè)計雙足行走機構(gòu) 自由度不少于 6 個 每條腿上至少 3 個自由度 高度 約 400mm 負載力 3kg 行走速度 0 3m s 采用舵機實現(xiàn)運動 完成機器人的結(jié)構(gòu)建模 使用 Pro E Solidworks UG 等主流軟件均可 提交 零件圖和裝配圖 采用單片機實現(xiàn)機器人的運動控制 2 人形仿生機器人雙足行走機構(gòu)設(shè)計分析 雙足行走機器人是研究雙足行走的實驗對象 不同的雙足行走機器人在自 由度 驅(qū)動方式 重量 高度 結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異 機器人的 結(jié)構(gòu)不同 其控制方式也有所區(qū)別 為了對雙足行走機器人進行深入的研究 使其實現(xiàn)預(yù)定的步行功能 必須對其機構(gòu)有深入的了解和認識 2 1 雙足行走機器人的結(jié)構(gòu)分析 雙足行走機器人是對人類自身的模仿 但是人類總共有上肢 52 對 下肢 62 對 背部 112 對 胸部 52 對 腰部 8 對 頸部 16 對 頭部 25 對之多的肌 肉 從目前的科學(xué)發(fā)展情況來看 要控制具有 400 個雙作用式促進器的多變量 7 系統(tǒng)是不可能的 因此 在設(shè)計步行機械時 人們只考慮移動的基本功能 例 如 只考慮在平地或者具有已知障礙物的情況下的步行 鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度對類人機器人的腿部自由度配置進行了深入的 研究 得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下雙足行走機器人的自由度配置 他認為髖部和 踝部設(shè)兩個自由度 可使機器人在不平地面上站立 髖部再加一個扭轉(zhuǎn)自由度 可改變行走方向 踝關(guān)節(jié)處加一個旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地 這樣機器人的腿部需要有 7 2 個自由度 髖關(guān)節(jié) 3 個 膝關(guān)節(jié) 1 個 踝關(guān)節(jié) 3 個 10 但是 無論現(xiàn)在的雙足行走機器人還是擬人機器人都還只能在規(guī)則路面上 行走 所以各研究機構(gòu)都選擇了 6 2 個自由度 髖關(guān)節(jié) 3 個 膝關(guān)節(jié) 1 個 踝 關(guān)節(jié) 2 個 2 2 雙足行走機器人設(shè)計方案 通過各種兩足機器人的了解 模仿其他設(shè)計成功的機器人為設(shè)計主要思路 來設(shè)計我們的雙足行走機器人 由于我們要求設(shè)計的是比較簡單的兩足機器人 所以有關(guān)平衡和 ZMP 等計 算全部省略 我們設(shè)計時候盡量把兩足機器人整體高度設(shè)計的盡量的矮一點 兩面設(shè)計的對稱 腳設(shè)計盡量的大一點 以此達到雙足行走機器人的平衡 通過上面所述和查閱相關(guān)兩足機器人行走的視屏 我們設(shè)計了一個 17 自由 度的雙足步行機器人模型 如圖 2 2 所示 顯示的結(jié)構(gòu)特征就是采用多關(guān)節(jié)型 結(jié)構(gòu) 動力源采用舵機直接驅(qū)動 這樣不但可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊 傳動精度高以 及大大增加關(guān)節(jié)所能達到的最大角度 而且驅(qū)動源全為干電池 便于集中控制 和程序化控制 8 圖 2 1 雙足步行機器人模型 圖 2 1 雙足機器人 頭部僅一個旋轉(zhuǎn)自由度 它和身體相連接 圖 2 2 肩關(guān)節(jié) 大臂和小臂各一個自由度 圖 2 3 圖 2 4 髖關(guān)節(jié)一個自由度 大 腿 圖 2 5 圖 2 6 2 個自由度 小腿和腳步各一個自由度 各個關(guān)節(jié)的活動 范圍理論上是 180 度 由于零件之間互相干涉 關(guān)節(jié)之間活動范圍以實際為準 圖 2 2 機器人頭部和身體 9 圖 2 3 機器人左手臂圖 圖 2 4 機器人右手臂 圖 2 5 機器人左腿 10 圖 2 6 機器人左腿 雙足步行機器人的一個主要問題就是雙足動態(tài)步行的固有不穩(wěn)定性 為了 使其穩(wěn)定行走 機器人本體設(shè)計和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要 在進行機器人本體 設(shè)計時需要著重考慮的問題有關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的限制 主要機構(gòu)的剛度 擺動腿 著地時沖擊載荷對機器人本體可能帶來的損壞 桿件間連接 機體重量 材料 以及易于操作維修等等 2 3 驅(qū)動方式的選擇 由于此次設(shè)計的雙足行走機器人只是達到簡單運動 而且為了使雙足行走 機器人行走穩(wěn)定 所以對機器人的各個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度和配合都需要比較精確 的控制 所以所有的驅(qū)動都是由舵機來完成如圖 2 7 圖 2 7 舵機 11 2 4 雙足機器人相關(guān)數(shù)據(jù) 兩足機器人所有零部件清單 如表 2 1 表 2 1 零部件清單 名 稱 型 號 數(shù) 量 舵機 12 N m 17 鋁制零件 42 螺栓螺帽 M3 11 mm 145 兩足機器人的相關(guān)尺寸 如表 2 2 表 2 2 總體尺寸 名 稱 尺 寸 高 寬 mm 總體 385 242 手臂 175 50 腿部 185 40 腳 64 20 舵機的相關(guān)參數(shù) 如表 2 3 表 2 3 舵機參數(shù) 尺寸 重量 速度 扭力 使用電壓 40 8 19 9 37 3mm 56 3g 0 24sec 60度 12公斤 厘米 4 8V 7 2V 3 人形仿生機器人雙足行走機構(gòu)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 雙足行走機器人控制系統(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 3 1 硬件系統(tǒng)的基本要求 雙足行走機器人是對人類的模仿 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)計雙足行走機器人機械結(jié)構(gòu)時 會對人類步行的結(jié)構(gòu)進行減化 只會考慮基本的步行功能 人類的僅下肢就具 12 有 62 對肌肉 腰部 8 對肌肉 在設(shè)計雙足行走機器人時 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 所以雙足行走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 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 5ms 2 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 5ms 0 5ms 1800 1 11 s 3 2 硬件系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)路線和總體方案 3 2 1 處理器選型 二十年前 只有少數(shù)的幾個科研機構(gòu)在研究雙足行走機器人 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 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 此處刪減 NNNNNNNN 字 需全套設(shè)計請聯(lián)系 12401814 控制部分電源端子接口 此接口用于接插控制器控制部分供電電源 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 7V 12V 注意端子接口正負標識符 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 13 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 4V 6V 普通伺服電機 一般上 伺服電機啟動和滿負載 的時候耗電達1A 1 5A 而沒有負載時候只有約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 此端口使用標準RS232串口電平進行通訊 可以接插為用戶提供的串口通訊 線和計算機進行通訊 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 控制器波特率默認設(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 標識符 此接口可接插國際標準接口的伺服電機 包括模擬式和數(shù)字式兩種 接口 側(cè)方有1 32通道的標注符 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 14 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 4 人形仿生機器人雙足行走機構(gòu)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 在雙足行走機 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)了雙足行走機器人控制 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 并對雙足 行走機器人進行了關(guān)節(jié)調(diào)試 4 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 4 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 15 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 4 1 所示 圖4 1 Servo Control Software操作界面 16 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 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 會進入指令集文檔 選擇您要讀取的以往指令文檔 恢復(fù)當前功能設(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 4 3 伺服電機控制軟件操作方法 4 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4 2 圖4 3 圖4 4所示 圖 4 2 串口設(shè)置第一步 17 圖 4 3 串口設(shè)置第二步 圖4 4 串口設(shè)置第三步 4 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4 5所示 18 圖 4 5 控制板接線示意圖 單擊鼠標左鍵軟件與硬件連接 如圖4 6所示 圖4 6 串口連接設(shè)置圖 當串口設(shè)置完成后 開始設(shè)置控制通道 單擊鼠標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1 17通道 按照圖4 7所示 圖4 7 控制通道設(shè)置示意圖 4 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4 8所示 19 圖4 8 操作設(shè)置功能圖 4 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4 9所示 圖4 9 指令回顯區(qū) 4 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4 10所示 20 圖 4 10 發(fā)送指令間隔時間控制區(qū) 4 4 微型伺服電機的選擇 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) 標準的舵機有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 可見 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 4 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4 11和表4 1所示 圖4 11 輝盛 MG945舵機 21 表4 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 3mm 56 3g 0 24sec 60度 12公斤 厘米 4 8V 7 2V 4 4 2 所選舵機的控制特性 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4 2所示 表4 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 5ms 0度 0 9ms 45度 1 5ms 90度 2 1ms 135度 2 5ms 180度 5 雙足行走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 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 22 協(xié)調(diào)工作的關(guān)系 建立一個完整的運動模型 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 機都標注起來 以便后來的調(diào)試 腿部10個舵機的分布如圖5 1所示 5 1 靜態(tài)步行模式設(shè)計與實現(xiàn) 雙足行走機器人控制系統(tǒng)中使用了靜態(tài)步行模式線設(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5 1所示 其中直立是初始狀態(tài) 起步是為步行做準備 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 23 圖5 1 腿部舵機的分布 圖5 2 兩足機器人行走步行模式 5 2 姿態(tài)運動的軟件實現(xiàn) 機器人的以上 10 個姿態(tài)按圖 5 1 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 9P150 0 T1000 0P1444 1P1500 2P1500 3P1500 4P1444 5P1500 6P1500 7P1500 8P1500 9P150 0 T1000 0P1444 1P1500 2P1500 3P1500 4P1444 5P1500 6P1500 7P1833 8P1833 9P150 0 T1000 0P1500 1P1450 2P1500 3P1500 4P1500 5P1500 6P1500 7P1833 8P1833 9P150 0 T1000 0P1500 1P1500 2P1500 3P1500 4P1500 5P1500 6P1500 7P1500 8P1500 9P150 0 T1000 0P1500 1P1500 2P1500 3P1500 4P1500 5P1500 6P1500 7P1500 8P1500 9P150 0 24 T1000 0P1444 1P1500 2P1500 3P1500 4P1444 5P1500 6P1500 7P1500 8P1500 9P150 0 T1000 0P1444 1P1500 2P1500 3P1500 4P1444 5P1500 6P1500 7P1167 8P1167 9P150 0 T1000 0P1500 1P1450 2P1500 3P1500 4P1500 5P1500 6P1500 7P1167 8P1167 9P150 0 T1000 0P1500 1P1500 2P1500 3P1500 4P1500 5P1500 6P1500 7P1500 8P1500 9P150 0 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5 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5 3 激活循環(huán)控制 25 總 結(jié) 雙足行走機器人是個廣泛應(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)當前雙足行 走機器人控制系統(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 并對雙足行走機器人進行了運動學(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 本文基本完成了雙足行走機構(gòu)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 所以該課題在以后還有很多要進一步改進和研究的地方 1 機器人使用更為先進的處理器 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 26 致 謝 本論文是在老師的綜合指導(dǎo)下 并通過自己的學(xué)習(xí)和親自查閱有關(guān)資料下 完成的 畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)本科的最后一門必修的課程 也是最綜合的一門課 它用到了幾乎所有在大學(xué)學(xué)到的知識 能綜合的考查學(xué)生設(shè)計能力和對機械知 識的掌握和運用程度 是對我們四年來所學(xué)到知識大總結(jié) 雖然這次設(shè)計只有 僅僅的三個月 但是我的分析問題的能力 解決問題的能力及獨立思考問題的 能力和查閱資料的能力卻明顯得到提高 這些能力的培養(yǎng)將是我以后走上工作 崗位造就人生的一筆財富 奠定了基礎(chǔ) 在設(shè)計過程中 指導(dǎo)老師對我們都極度關(guān)注 我忠心的感謝老師的熱心 耐心 以及細致的指導(dǎo) 在默默奉獻的老師們的指導(dǎo)下 我們達不到預(yù)期的效 果 在此再次的表示忠心的感謝和誠摯的問候 27 參考文獻 1 解侖 王志良 李華俊 雙足步行機器人制作技術(shù) M 北京 機械工業(yè)出版 社 2008 4 2 柳洪義 宋偉剛 機器人技術(shù)基礎(chǔ) M 北京 冶金工業(yè)出版社 2002 3 劉晉春 白基成 郭永豐 特種加工 M 北京 機械工業(yè)出版社 2008 3 4 蔣新松主編 機器人學(xué)導(dǎo)論 M 沈陽 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社 1994 5 孫富春 朱紀洪 劉國棟等 機器人學(xué)導(dǎo)論 分析 系統(tǒng)及應(yīng)用 M 北京 電子工業(yè)出版社 2004 6 周遠清 張再興等編著 智能機器人系統(tǒng) M 北京 清華大學(xué)出版社 1989 7 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 8 方建軍 何廣平 智能機器人 M 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