模塊化仿生機器人設計

模塊化仿生機器人設計摘要模仿人的形態(tài)和行為而設計制造的機器人就是仿人機器人，一般分別或同時具有仿人的四肢和頭部。仿生機器人的發(fā)展可以給國家科技，教育，經(jīng)濟等各個領域帶來很大 的進步空間。本文是在對國內(nèi)外人形仿生機器人資料， 特別是連接鍵部分和控制資料進行研讀的 基礎下，對人形仿生機器人的整體結構、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的結構進行詳細的設計，畫出總裝配圖、部件圖并完成相應的設計 計算。此外，本文設計了仿生機器人的主控電路板以及控制程序。研究小型仿生機器人的目的就是為了便于普及仿生機器人研究，讓自然人與機器人能在同一個空間內(nèi)融洽相處。本文所設計的仿生機器人是采用舵機實現(xiàn)運動，并且采用 單片機實現(xiàn)機器人的運動控制。本設計還對模塊化仿生機器人的結構組成和控制部分進 行了優(yōu)簡化的設計和詳細的分析。關鍵詞：仿生機器人，舵機，單片機模塊化仿生機器人設計AbstractThis paper is in the form of domestic and foreign bionic robot for data, especially the bond part and the control data were studied under the foundation, the humanoid robot structure, drive, control and sensor of the plan. In this paper, structure of the humanoid robot were detailed design, drawing assembly diagram, parts diagram and complete the corresp onding desig n and calculati on. The desig n of the bionic robot adopts servo moti on, and using the MCU control the movement of the robot. The design structure of the humanoid robot and con trol part of the detailed an alysis.Researchon bionic robot is designed to facilitate the popularization of bionic robot, let the natural human robot can be in the same space along. Bionic robot is designed in this paper is the actuator motion, and the motion control of the robotby single chip microcomputer. Structure the design of bionic robot of the moduleand control part of the desig n and simplified and an alyzed in detail.Keywords: bionic robot, steering engine the MCUfdf圖紙枉務書36 KEMi cros oft V?or i9.EOT14510-00-04 連接 件W4.7 KBRQT14510-00-Q1 連接 件I74 KBROTI4510-00-06 連播 件¥185 KBROT 14510-00-03 連接 件III97 KB也 R0T14510-00-05 連接dwg人 R0T14S10-OO-O8 連接 件DWG彳1 ROT14510-02-00 手臂351 KBD 霜（jF Aut oCAD 團形BDT14510-DO-07 件vnGO KBROT14S10-00-02 件II89 K6主桎原理圖2419 KBAutoCAD 團形連接主控原理圖3466 KBAutoCAD 圖形ROTI 4510-01-00 軀干4&4 OAutoCAD 團形主揑原理圉1634 KBAuUCAD團形ROT 14510-04-00 褪剖79S KBAutoCAB 團盤ROT14EiO-ODO 機器人裝配盟 961 KE仿生設計說明書C論立）1,681 KBMieroEoft Word 9.模塊化仿生機器人設計目錄1緒論11.1仿生機器人的特點11.2國內(nèi)外仿生機器人的研究現(xiàn)狀 21.3課題技術要求52. 人形仿生機器人機構設計分析62.1仿生機器人的結構分析62.2 仿生機器人設計方案 62.3 驅(qū)動方式的選擇92.4仿生機器人相關數(shù)據(jù)93. 人形仿生機器人控制系統(tǒng)硬件設計 113.1硬件系統(tǒng)的基本要求113.2硬件系統(tǒng)設計的技術路線和總體方案 114. 仿生機器人控制系統(tǒng)軟件設計 174.1軟件系統(tǒng)的基本要求174.2軟件設計的總體方案 174.3 舵機與控制系統(tǒng) 194.4舵機的選擇205. 仿生機器人步行模式的建立 235.1 靜態(tài)步行模式設計與實現(xiàn)235.2姿態(tài)運動的軟件實現(xiàn)25結論28參考文獻29致謝30模塊化仿生機器人設計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、材料學和仿生 學的產(chǎn)物，目前科學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（Gy no id），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計師宣稱展示了世界上第一個完整的、迄今為止最復雜的仿生人， 其包括人造器官以及健全的四肢。1.1仿生機器人的特點研究仿生機器人，以代替人類在核電站、太空、海底及其它危害人類身心健 康的復雜極端環(huán)境中工作，將大大拓展人類的活動空間。仿生機器人是近年來興起的類人小型機器人系統(tǒng)，是機器人領域一個新的方 向，人形機器人就是按照人體的一定比例進行微縮的機器人。這種機器人從外形 上看據(jù)有人的特征，依賴雙足行走；能像人一樣站立、行走、跳舞、運動，具有 人一樣的行為，能像人類一樣地生活、學習，并且為人類服務。研究小型人形機 器人的目的就是為了便于普及人形機器人研究， 讓自然人與機器人能在同一個空 間內(nèi)融洽相處。模仿人的形態(tài)和行為而設計制造的機器人就是仿人機器人，一般分別或同時 具有仿人的四肢和頭部。中國科技大學陳小平教授介紹，機器人一般根據(jù)不同應 用需求被設計成不同形狀，如運用于工業(yè)的機械臂、輪椅機器人、步行機器人等。 而仿人機器人研究集機械，電子，計算機，材料，傳感器，控制技術等多門科學 于一體，代表著一個國家的高科技發(fā)展水平。仿生機器人的發(fā)展可以給國家科技，教育，經(jīng)濟等各個領域帶來很大的進步空間 0本課題主要解決了模塊化仿生機器人各個模塊之間連接件的設計，以及通過C語言編程，對于伺服電機模塊進行精確地控制。 從而使得整個系統(tǒng)至少能夠搭 接10種模型，包括變形金剛、機器貓、機器狗、機器兔等造型。而這樣的一個仿生機器人它的意義不僅在教學上可以給我們帶來實體的展 示和實驗，學生通過制作仿人機器人來實踐機械結構和復雜控制軟件模塊的設 計。學生用仿人機器人進行實驗來增強動手能力和解決新問題的能力。而且在生活中也可以進行推廣，可以成為自閉癥兒童的開導工具等等。對于這樣的仿生機器人的進一步研究和學習，我相信在未來它所具有的經(jīng)濟 價值和市場需求是非?？捎^的。I1.2國內(nèi)外仿生機器人的研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)狀況我國在仿人形機器人方面做了大量研究，并取得了很多成果。比如長沙國防 科技大學研制成了雙足步行機器人， 北京航空航天大學研制成了多指靈巧手， 哈 爾濱工業(yè)大學、北京科技大學也在這方面做了大量深入的工作。在張啟先院士的主持下，北京航空航天大學機器人研究所于80年代末開始靈巧手的研究與開發(fā)，最初研究出來的 BH -1型靈巧手功能相對簡單，但填補 了當時國內(nèi)空白。在隨后的幾年中又不斷改進，現(xiàn)在的靈巧手已能靈巧地抓持和 操作不同材質(zhì)、不同形狀的物體。它配在機器人手臂上充當靈巧末端執(zhí)行器可擴 大機器人的作業(yè)范圍，完成復雜的裝配、搬運等操作。比如它可以用來抓取雞蛋， 既不會使雞蛋掉下，也不會捏碎雞蛋。靈巧手在航空航天、醫(yī)療護理等方面有應 用前景。靈巧手有三個手指，每個手指有3個關節(jié)，3個手指共9個自由度，微電機 放在靈巧手的內(nèi)部，各關節(jié)裝有關節(jié)角度傳感器，指端配有三維力傳感器，采用 兩級分布式計算機實時控制系統(tǒng)。上海交通大學于1999年研制的仿人形機器人 SFHR,腿部和手臂分別有12 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、多傳感器集成以及控制算法良好的實驗平臺18 0北京理工大學在歸國博士黃強教授的帶領下， 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、電源和機構于一體的高水平仿人形機器人國家。此外，清華大學正在研制仿人形機器人 THBIP- I,高1.7m，重130kg, 32 個自由度，在清華大學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。2007年7月7日，由哈爾濱工程大學研制開發(fā)的仿生機器人螃蟹，經(jīng)過近 百次試驗獲得成功。該仿生機器人螃蟹長60厘米，寬35厘米，厚度為25厘米， 體重12公斤，時速540米/小時。這只仿生螃蟹配備有衛(wèi)星定位系統(tǒng)，能潛入 4 米深水下進行搜救、探測、錄像等任務。目前，我國仿人形機器人研究與世界先進水平相比還有差距。 我國科技工作 者正在努力向前，我們熱切地期盼著我們自己水平更高的、 功能更強的仿人型機 器人與大家見面。1.2.2國外狀況在2005年愛知世博會上，大阪大學展出了一臺名叫ReplieeQ1expo的女性機器人。該機器人的外形復制自日本新聞女主播藤井雅子， 動作細節(jié)與人極為相似。 參觀者很難在較短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)這其實是一個機器人。由日本本田公司研制的仿人機器人 ASIMO，是目前最先進的仿人行走機器 人。ASIMO身高1.2米，體重52公斤。它的行走速度是0-1.6km/h。早期的機器人 如果直線行走時突然轉(zhuǎn)向，必須先停下來，看起來比較笨拙。而ASIMO就靈活得多，它可以實時預測下一個動作并提前改變重心，因此可以行走自如，進行諸如“8”字形行走、下臺階、彎腰等各項“復雜”動作。此外，ASIMO還可以握手、揮手，甚至可以隨著音樂翩翩起舞9。在仿人機器人領域，日本和美國的研究最為深入。日本方面?zhèn)戎赜谕庑畏抡妫?美國則側(cè)重用計算機模擬人腦的研究。由于仿人型機器人集機、電、材料、計算機、傳感器、控制技術等多門學科 于一體，是一個國家高科技實力和發(fā)展水平的重要標志，因此，世界發(fā)達國家都不惜投入巨資進行開發(fā)研究。日、美、英等國都在研制仿人形機器人方面做了大 量的工作，并已取得突破性的進展。日本本田公司于1997年 10月推出了仿人形機 器人P3,美國麻省理工學院研制出了仿人形機器人科戈（COG）,德國和澳洲共 同研制出了裝有52個汽缸，身高2米、體重150公斤的大型機器人。本田公司最新 開發(fā)的新型機器人“阿西莫”，身高120厘米，體重43公斤，它的走路方式更加 接近人。在2013年舉行的機器人奧運會上，日本 Schaft公司機器人HRP-2拿到第一。 而美國NASA花了 300萬美元打造的Valkyrie人形機器人也同時展現(xiàn)在了世人面 刖。日本機械學院的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 I,研究其動態(tài)行走的控制方法。他根據(jù)機器人機構質(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。同時又提出了機構軌道能量守恒的概念，來求解各個關節(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合構成自適應步 態(tài)控制系統(tǒng)，使Meltran U成功地實現(xiàn)了在未知路面上的動態(tài)行走15。代表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(Advaneed Step in Innovative Mobility) ”，“ASIMO ”和“ P3” 相比，實 現(xiàn)了小型輕量化，使其更容易適應人類的生活空間，通過提高雙腳步行技術 使其更接近人類的步行方式。雙腳步行技術方面采用了新開發(fā)“ l-WALK(lntelligent Real-time Flexible Walk) ”。l-WALK 是在過去的步行技術 的基礎上組合了新的“預測運動控制功能”，它可以實時預測以后的動作，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13。索尼公司于2000年 11月21 日在四足娛樂機器人 AIBO的基礎上推出了人形 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 X 2個自由度、下肢和足部6 X 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5X 2=10個，腿部6X2=12個，獨立的5個手指5 X 2=10個)O 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154em，體重58kg。研究人員先請民間藝術家跳舞，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14 O1.3課題技術要求模塊化可拼裝，結構件可更換； 采用伺服電機驅(qū)動； 具有紅外避障，光敏傳感器；USB下載程序 藍牙無線，紅外遙控； 電池可在線充電； 連接簡單、方便、耐用； 16個自由度，10種以上造型； 設計機械結構三維模型，提交零件圖和裝配圖 采用單片機設計控制系統(tǒng)5模塊化仿生機器人設計2. 人形仿生機器人機構設計分析機構設計是仿生機器人的重要的部分，在這個部分中，主要設計機器人的驅(qū) 動傳動機構、連接件等。主控制器作為電源子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)的機載化安裝空間。2.1仿生機器人的結構分析人形仿生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系統(tǒng)是 不可能的，因此，在設計步行機械時，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。按照設計參數(shù)的要求，從仿人外形和仿人運動功能要求出發(fā)， 設計要求機器 人自由度具有16個自由度。其中下肢8個自由度。每條腿包括髖部轉(zhuǎn)動1個自由度。膝部前向1個自由 度。踝部前向、轉(zhuǎn)動各1個自由度。上肢8個自由度。每個手臂包括肩部肘部各 2個自由度。2.2仿生機器人設計方案機器人的機械安裝示意圖如圖2.1所示，機器人有一個傳感器模塊（即頭部）， 一個主控制器（即胸部），16個舵機模塊（各個關節(jié)），通過機械連接件由螺絲和 卡扣連接而成。通過上面所述和查閱相關機器人行走的視屏，我們設計了一個16自由度的機 器人模型，如圖2.1所示。顯示的結構特征就是采用多關節(jié)型結構。動力源采用 舵機直接驅(qū)動。這樣不但可以實現(xiàn)結構緊湊、傳動精度高以及大大增加關節(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。Front ViewRear View圖2.1 仿生機器人模型圖2.1人形機器人，頭部和身體相連接（圖2.2） o肩關節(jié)、大臂和小臂各一個 自由度（圖2.3,圖2.4）,髖關節(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。各個關節(jié)的活動范圍理論上是 180度 （由于零件之間 互相干涉，關節(jié)之間活動范圍以實際為準）。8模塊化仿生機器人設計#模塊化仿生機器人設計圖2.2 機器人頭部和身體#模塊化仿生機器人設計9模塊化仿生機器人設計圖2.4機器人右手臂圖2.5機器人左腿10模塊化仿生機器人設計圖2.6機器人右腿2.3驅(qū)動方式的選擇由于此次設計的仿生機器人只是達到簡單運動，而且為了使機器人行走穩(wěn)定，所以對機器人的各個關節(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2.4仿生機器人相關數(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(NX m)16鋁制零件52螺栓螺帽M3x 11(mm)145兩足機器人的相關尺寸，如表2.2表2.2總體尺寸名稱尺寸(高x寬mm)總體348x 195手臂189x 49腿部198x 49舵機的相關參數(shù)，如表2.3表2.3舵機參數(shù)型號重量k軸承減速比馬達6V7.4V墻轉(zhuǎn)扭距(kg-crfl)空m電 流(mA)s/BQa堵萍掃拒空戢工柞電SR51&75230空業(yè)杯0JS141.4J00J302117 J32712模塊化仿生機器人設計3. 人形仿生機器人控制系統(tǒng)硬件設計控制系統(tǒng)是用于控制機器人的運動、傳感器數(shù)據(jù)采集，機器人與人的交互等。 控制系統(tǒng)有一個主控制器來實現(xiàn)，主控制器對每個機器人的模塊分別控制，機器 人的運動控制算法是在主控制器中設計，每個模塊上的舵機里有CPU通過232或485總線跟主控制器進行通信。在這部分要設計主控制器，編寫程序，設定與每個模塊的通信協(xié)議，實現(xiàn)機 器人的整體協(xié)調(diào)動作。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。但人類的結構極其復雜，對人類步行原理 的研究至今仍有許多未解決的問題。 所以在設計雙足行走機器人機械結構時，會對人類步行的結構進行減化，只會考慮基本的步行功能。所以雙足行走機器人通 常腿部只具有8至12個自由度，胯部具有0至3個自由度。本課題設計的機器 人共有16個自由度，驅(qū)動器為微型直流伺服電機，簡稱舵機。本文設計的控制系統(tǒng)在硬件上至少滿足如下 5個基本要求：(1) 產(chǎn)生不少于16路獨立的高精度單邊沿PWM&號，用來控制作為機器人 關節(jié)驅(qū)動器的16個舵機；(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&號，對應轉(zhuǎn)角為0度到300度，電機精度為0.1度，則控制信號 的精度應該高于(2.5ms0.5ms)/1800 =1.11卩s。3.2硬件系統(tǒng)設計的技術路線和總體方案3.2.1處理器選型智能仿生機器人系統(tǒng)主要由伺服電機模塊、傳感器模塊、主控制器模塊及結 構連接件構成。主控制器模塊為機器人的大腦，總體協(xié)調(diào)各個部分的運動、感知等功能。伺服電機模塊為機器人的運動系統(tǒng)， 每個自由度采用一個伺服電機模塊。伺 服電機模塊標有不同的ID號，通過串行總線與主控制器通信。傳感器模塊包含幾種傳感器，為機器人的感覺系統(tǒng)。傳感器模塊唯一的ID號，通過串行總線與主控制器通信。結構連接件具有多種形狀，可以搭接成不同形式的機器人。在機器人控制系統(tǒng)中常用的處理器有：TI C2000和C6000系列DSR 8051和AVR單片機、ARM系列、STM32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用而設計，如表3.1所示。表3.1 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)中的應用具有很強的數(shù)字信號處理能力，適合運動控運動控制、語音處理。尤其適合C2000 系歹y DSP制，硬件設計方便。執(zhí)行針對單個或一對直流（無刷）電機的復雜算法。具有極強的數(shù)字信號處理能力，具有專門的高級的視覺處理和模式識別C6000 系歹y DSP操作系統(tǒng)，硬件設計非常復雜。8051和AVR系列單片結構和指令簡單；運算能力較低，通常不支簡單的運動控制和信號處理，在機持操作系統(tǒng)：幾乎全部芯片都己經(jīng)單片化，硬件復雜的控制系統(tǒng)中作為局部控制器。設計非常方便。典型的RISC處理器，運算能力較強，支持小型機器人主控制器，常用于運ARM7系列多種操作系統(tǒng)：部分型號芯片己經(jīng)單片化，硬件動控制和傳感器信號處理。設計較方便。專為要求高性能、低成本、低功耗設計，運機器人主控制器，同以進行視覺STM32系列系列算能力很強，支持多種操作系統(tǒng)；幾乎沒有單片處理、語音處理和模式識別?；?，硬件設計較復雜。PC104, PowerPC 等單由PC演化而來，通用性很強，功耗大，硬復雜的擬人機器人的主控制器。板計算機件設計非常復雜。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用。TI公司的02000系列DSP主要用來進行運動控制，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)結構，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 處理應用的主流處理器。但使用 C6000作為處理器時電路復雜，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、1/0、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。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)。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。 但其設計 和開發(fā)比較復雜，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。本文結合控制系統(tǒng)設計的基本要求和常用處理器，高性能、低功耗的8位STM32F103RCT6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。3.2.2舵機的控制特性舵機又稱為直流伺服電機，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)。我們設計的仿生機器人的直流伺服電機使用+7V至+12V電源，內(nèi)部基準信號為周期為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3.1所示的線性關系。圖3.1 舵機輸出轉(zhuǎn)角與輸入 PWMW號寬度的關系本文中的雙足行走機器人機械結構共有 16個舵機，所以在設計控制系統(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16路4V至6V 的PWM信號。3.2.3硬件設計總體方案對應于控制系統(tǒng)硬件設計的基本要求，作了如下的設計方案：(1) 核心電路包括STM32核心處理器、調(diào)試接口、串口驅(qū)動電路和A/D轉(zhuǎn)換 基準電壓電路，原理如圖3.2所示。圖3.2 核心電路原理圖58K(2) 控制系統(tǒng)需要控制16個舵機，使機器人完成相應的動作?？刂浦绷魉?服電機的PWM&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，所以可以進行多路分時復用?？刂葡到y(tǒng)是用于控制機器人 的運動、傳感器數(shù)據(jù)采集，機器人與人的交互等?？刂葡到y(tǒng)有一個主控制器來實 現(xiàn)，主控制器對每個機器人的模塊分別控制，機器人的運動控制算法是在主控制 器中設計，每個模塊上的舵機里有 CPU通過232或485總線跟主控制器進行通 信。在這部分要設計主控制器，編寫程序，設定與每個模塊的通信協(xié)議，實現(xiàn)機 器人的整體協(xié)調(diào)動作。其舵機PWM&號控制電路原理如圖3.3所示。lAfr 1-fiMD銘口B9-217zH6C：KT芮陽 £ H-PI 7zRSC-L 0?z5T圖3.3 PWM信號控制原理圖324電源設計為了增加機器人的靈活性，機器人使用高性能充電電池供電。 直流伺服電機 的電源要求為9V至12V，本文選用了電壓為10V的高性能電池，直接作為直流 伺服電機的電源。由于基于STM32的處理器和外設均使用3. 3V電源電壓，所以需要選用電源電壓轉(zhuǎn)換器進行電壓轉(zhuǎn)換。我們使用了一個直流電壓轉(zhuǎn)換芯片SWDM02將電池的直流電源轉(zhuǎn)換為相應的電流。如圖 3.4所示是機器人電源部分的控制圖：18模塊化仿生機器人設計19模塊化仿生機器人設計STD_3RS4_3TM_I3rg_2*?&4_JTH_jSFD_M54占El圖3.4 電源控制原理圖#模塊化仿生機器人設計4. 仿生機器人控制系統(tǒng)軟件設計STM3系列單片機通常在其內(nèi)部集成了 CPU存儲器、總線邏輯、I/O、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)下設計并實現(xiàn)了模塊化仿生機器人控制系統(tǒng)的多個 應用軟件，構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PW產(chǎn)生方法，具有很高的PW信號的精度和系統(tǒng)的實時性，并對模塊化仿生機器人進 行了關節(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4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)PW信號的分時復用，并要保證PW信號的高精度。并且通過軟件， 能夠及時地改變PW的輸出。(3) 通過RS23接口能和PCM通信。(4) 接收上位機的運動列表，串口和 USB程序下載，能夠從上位機更新固 件程序。4.2軟件設計的總體方案CPU STM32F103軟件開發(fā)平臺：Keil-C功能要求：接收上位機的運動列表，串口和 US程序下載，能夠從上位機更 新固件程序。方式：與上位機統(tǒng)一運動列表格式，控制其他模塊時采用串口通信，封裝標 準API函數(shù)。函數(shù)列表：(1) 伺服電機初始化Motornit函數(shù)功能：電機初始化入口參數(shù)：nModule 模塊序號 = 模塊ID出口參數(shù)：1成功0失敗函數(shù)原型：BOOL Motornit(ui nt8 n Module )(2) 伺服電機驅(qū)動Motor_Drive函數(shù)功能：電機驅(qū)動入口參數(shù)：nM odule 模塊序號 =模塊IDVelocity運行速度，單位：百分比，數(shù)值為正時朝前；數(shù)值為負時朝后。Degree 旋轉(zhuǎn)角度，單位：度，數(shù)值為正時順時針；數(shù)值為負時逆時針，0時停止出口參數(shù)：1成功0失敗函數(shù)原型：BOOL Motor_Drive(ui nt8 n Module , ui nt32 Velocity, ui nt8 Degree )(3) 伺服電機停止Motor_Stop函數(shù)功能：電機停止入口參數(shù)：nModule 模塊序號 = 模塊ID出口參數(shù)：1成功0失敗函數(shù)原型：BOOL Motor_Stop(ui nt8 nM odule )(4) 讀取電機溫度Motor_ReadTemp函數(shù)功能：讀取電機模塊溫度入口參數(shù)：nModule 模塊序號 = 模塊IDtemp 溫度值出口參數(shù)：1成功0失敗函數(shù)原型：BOOL Motor_PWMSet(ui nt8 n Module , ui nt32 temp)(5) 讀取模塊 ID號Module_ReadID函數(shù)功能：設置PW值，調(diào)整電機速度入口參數(shù)：nModule 模塊序號 = 模塊IDtemp 溫度值出口參數(shù)：1成功0失敗函數(shù)原型：BOOL Module_ReadID(ui nt8 nM odule )(6) 讀取紅外數(shù)值Sensor_Read函數(shù)功能：讀取傳感器數(shù)值入口參數(shù)：nModule 模塊序號 = 模塊IDnSensor紅外序號，0=前，1=左, 2=右；光敏=4；聲音=5value 參數(shù)值出口參數(shù)：1成功0失敗函數(shù)原型：BOOlMotor_PWMSet(uint8 nModule , uint8 nSensor, uint32temp)(7) 讀取模塊 ID號Module_ReadlD函數(shù)功能：設置PW值，調(diào)整電機速度入口參數(shù)：nMotor電機序號 =模塊IDtemp 溫度值出口參數(shù)：1成功0失敗函數(shù)原型：BOOL Module_ReadID(ui nt8 nM otor)4.3舵機與控制系統(tǒng)4.3.1工作模式主控制器模塊為機器人的大腦，總體協(xié)調(diào)各個部分的運動、感知等功能。舵機模塊為機器人的運動系統(tǒng)，每個自由度采用一個伺服電機模塊。 伺服電 機模塊標有不同的ID號，通過串行總線與主控制器通信。傳感器模塊包含幾種傳感器，為機器人的感覺系統(tǒng)。傳感器模塊唯一的ID號，通過串行總線與主控制器通信。主控制器分別與十六個伺服電機以及傳感器相連，主控制器負責向各個舵機 發(fā)送命令，而舵機則反饋信息給主控制器。4.3.2通信原理圖主控制器負責向各個舵機主控制器分別與十六個伺服電機以及傳感器相連, 發(fā)送命令，而舵機則反饋信息給主控制器。23模塊化仿生機器人設計24模塊化仿生機器人設計圖4.5通信示意圖#模塊化仿生機器人設計4.4舵機的選擇舵機在無線電業(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。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條導線：電源線（紅）、地線（黑或灰）、控制線（白或 橙黃）?？刂凭€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?？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節(jié)，這些活動關節(jié)在機械原理中常稱它為自由 度。4.4.1舵機的選型本設計選用的舵機為“春天”SR518舵機，其圖和參數(shù)如圖4.11和表4.1所示。圖4.11“春天” SR518舵機根據(jù)機器人手臂部分受力分析計算出肩部舵機應承受扭矩:T=F L=0.79*7.05=5.57kg cm根據(jù)機器人腿部受力分析計算出胯部舵機應承受扭矩：T'=F' L'=1.004*9.1425=9.18kg cm表4.1“春天” SR518舵機參數(shù)尺寸重量速度扭力使用電壓45.9*35.7*41.6mm75g0.25sec/60 度17.3千克/厘米6V12V442所選舵機的控制特性通訊類型：485半雙工異步串行總線；通訊協(xié)議： Roboris Dyn amixel只要符合協(xié)議的半雙工UAR異步串行接口都可以和舵機進行通訊，對舵機進行各種控制。主要有以下兩種方式:方式一：通過調(diào)試器進行控制圖4.12 PC調(diào)試控制26模塊化仿生機器人設計#模塊化仿生機器人設計方式二：通過專用控制器控制Controller圖4.13專用控制器調(diào)試控制用于舵機通訊的接口必須進行如圖4.14處理:匕匚丨!MU TKEM 麗CU TXDa7&SP435VCC.5V孑 C6ND1GND圖4.14 UART接口原理圖“春天” SR518舵機全轉(zhuǎn)角為0-300度，它的對應的控制關系如表4.2所示PW波脈寬舵機轉(zhuǎn)角對應轉(zhuǎn)角簡圖0.5ms0度口0.9ms45度表4.2 PWM波脈寬與舵機轉(zhuǎn)角關系#模塊化仿生機器人設計1.5ms90度2.1ms135度2.5ms180度i27模塊化仿生機器人設計5. 仿生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。本設計中的機器人的機械結構，它具有16個自由度，驅(qū)動器為微型直流伺服 電機。該機械結構左右對稱，每條腿具有 5個自由度，分別為踝2個、膝I個、髖2 個；每個手臂具有3個自由度，分別為肩2個、肘1個。而我的主要任務是分析雙 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)步行模式設計與實現(xiàn)仿生機器人控制系統(tǒng)中使用了靜態(tài)步行模式線設計。靜態(tài)步行模式分為8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轉(zhuǎn)移，左右腳的前后關系也反復 轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)機器人的步行。28模塊化仿生機器人設計678910圖5.1腿部舵機的分布圖5.2機器人行走步行模式29模塊化仿生機器人設計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)腿步各關節(jié)完成的角度可以輸入給每個舵機的PWM脈寬值，再反饋到舵機控制軟件keil中，其完成從靜止開始起步的過程的偽代碼指令如下：mai n()RightArm1(up,20)Motor1(up,20)Motor2(0,0)Motor3(0,0)LeftArm1(dow n,20)Motor9(dow n, 20)Motor10(0,0)Motor11(0,0)LeftLeg1(up,18)Motor13(up,18)Motor15(dow n,18)Motor16(0,0)RightLeg2(revolve,5)Motor4(revolve,5)LeftLeg1(dow n,18)Motor13(dow n,18)Motor15(up,18)Motor16(0,0)LeftLeg1(revolve,5)Motor12(revolve,5)RightLeg2(up,18)Motor5(dow n,18)Motor7(up,18)Motor8(0,0)RightLeg2(revolveB,5)Motor4(revolveB,5)RightArm1(dow n,40)Motor1(dow n,40)Motor2(0,0)Motor3(0,0)LeftArm1(up,40)Motor9(up,40)Motor10(0,0)Motor11(0,0)Reset()上述完成機器人向前運動一步然后靜止的一個過程，既從直立形態(tài)開始到抬右手左腿起步再到直立靜止，然后我們再點擊如圖 5.3中的“激活循環(huán)控制”就可以完成仿生機器人持續(xù)交替行走的動作了圖5.3 激活循環(huán)控制結論仿生機器人是個廣泛應用在教學、科研、比賽和娛樂等方面的機器人，集機 械學、電子學、控制科學、計算機、數(shù)學等于一體。本文根據(jù)當前仿生機器人控 制系統(tǒng)中常用的處理器和操作系統(tǒng)各自的特點，選用STM32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、 STC5係列單片機。根據(jù)機器人的扭矩要求選擇了“春天”SR518舵機。并對仿生機器人進行了運動學分析和靜態(tài)步行設計，實現(xiàn)在機器人在平面上的穩(wěn)定行 動。在本設計課題中，本文基本完成了仿生機器人機構的結構設計，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16自由度機器人，所以對于機器人結構的選用材料、力學處理、控制系統(tǒng)處理器等客觀條件有了更高的 要求。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ZMF理論對機器人進行步態(tài)控制。機器人增加視覺系統(tǒng)，使機器人可以識別簡單的目標。33模塊化仿生機器人設計參考文獻1 柳洪義，宋偉剛機器人技術基礎M.北京：冶金工業(yè)出版社，20022 蔣新松主編.機器人學導論M.沈陽：遼寧科學技術出版社，1994.3 孫富春，朱紀洪，劉國棟等機器人學導論-分析、系統(tǒng)及應用M.北京： 電子工業(yè)出版社，2004.4 周遠清，張再興等編著.智能機器人系統(tǒng)M.北京：清華大學出版社，1989. 方建軍，何廣平.智能機器人M.北京：化學工業(yè)出版社,2004.6 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，2005.7 李開生，張慧慧，費仁元.機器人控制器體系結構研究的現(xiàn)狀和發(fā)展J. 機器人,May 2000,22(3)：235-240.8 劉森，慕春棣，趙明國.基于ARM嵌入式系統(tǒng)的擬人機器人控制器的設計J. 北京：清華大學學報(自然科學版),2008,48:482-485.9 棍田秀司著，管貽生譯，仿人機器人.北京：清華大學出版社,2007.10 日本機器人學會著，宗光華等譯，機器人技術手冊.北京：科學出版社,200711 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H. Lu and C. C. Lee, “InterferometryMeasurement of Gauge Block Using External Cavity Diode Laser ” l,ernational Symposium on Precision Mechanica Measureme nt, Aug. 12-22, (2002), Hefei-Ji nan, Chi na.19 JIS T9255-2007 Chairs and seats with electrical mechanisms assist standing up致謝本論文是在老師的綜合指導下，并通過自己的學習和親自查閱有關資料下完 成的。畢業(yè)設計是大學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學到的知識，能綜合的考查學生設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到知識大總結。 雖然這次設計只有僅僅的三 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。在設計過程中，指導老師對我們都極度關注，我忠心的感謝老師的熱心、耐 心，以及細致的指導。在默默奉獻的老師們的指導下，我們達不到預期的效果 在此再次的表示忠心的感謝和誠摯的問候。37模塊化仿生機器人設計38模塊化仿生機器人設計r L3mIroH fw上律電機于險 主竝樁原風陽39模塊化仿生機器人設計40模塊化仿生機器人設計UPM 3U&ddFal±郞UA I學雪上籟電機學隔主禪樁更風陽141