機械手-兩足行走機器人——頭部、臂部控制部分設計

機械手-兩足行走機器人——頭部、臂部控制部分設計,機械手,行走,機器人,頭部,臂部,控制,節(jié)制,部分,部份,設計 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 28 頁 共 28 頁 1 緒論 1.1 課題來源 本課題源于“第一屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽”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，但是兩足機器人還是鳳毛麟角。在機器人研究領域處于國際領先水平的日本，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，探索設計僅靠巧妙的機械裝置和簡單的控制系統(tǒng)就能實現模擬人類行走的機器人。其分功能有：交替邁腿、轉彎、搖頭、擺大臂、擺小臂。 1.2 課題研究的背景和意義 機器人的出現和應用是人類生產和社會進步的需要，是科學技術發(fā)展和生產工具進化的必然。機器人一詞最早出現于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬能機器人》中，在該劇中，機器人“Robota”這個詞的本意是指苦力，是劇作家筆下的一個具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞動力。隨著現代科技的發(fā)展，機器人技術已經廣泛應用于人類生活領域，研制具有人類外觀特征、可模擬人類行走和其他動作的仿人機器人一直是人類的夢想之一。 機器人是一門綜合性很強的科學，有著極其廣泛的研究和應用領域。機器人技術是綜合了計算機技術、信息融合技術、機構學、傳感技術、仿生科學以及人工智能等多學科而形成的高新技術，它不僅涉及到線性、非線性、基于多種傳感器信息控制以及實時控制技術，而且還包括復雜機電系統(tǒng)的建模、數字仿真技術及混合系統(tǒng)的控制研究等方面的技術。 仿人機器人是機器人技術中的一個重要研究課題，而雙足機器人是仿人機器人研究的前奏。步行技術是人與大多數動物所具有的移動方式，是一種高度自動化的運動，雙足步行系統(tǒng)具有非常復雜的動力學特性，對于環(huán)境具有很強的適應性，它相對輪式、履帶式機器人具有無可比擬的優(yōu)越性，它可以進入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺階、斜坡及在不平整地面上工作，可以護理老人、康復醫(yī)學以及在一般家庭的家政服務都可以應用。它適應環(huán)境的能力更強，因此具有更加廣泛的應用前景。 在機器人的研制中，機器人仿真是機器人研究的一項重要的內容，它涉及機器人機構學、機器人運動學、機器人零件建模、仿真機器人三維實現和機器人的運動控制，是一項綜合性有創(chuàng)新意義和實用價值的研究課題。仿真利用計算機可視化和面向對象的手段，模擬機器人的動態(tài)特性，幫助研究人員了解機器人工作空間的形態(tài)及極限，提示機構的合理運動方案及有效的控制算法，從而解決在機器人設計、制造以及運行過程中的問題，避免了直接操作實體可能會造成的事故或者不必要的損失。仿真也為機器人本體結構方案設計提供參考依據，并在這臺機器上模擬能都實現的功能，使用戶直接看到設計效果，及時找出缺點和不足進行改進，避免了大量的物力、人力的浪費[1，2]。 1.3 國外仿人機器人的介紹 就機器人而言，美國是最早研究機器人的國家，但日本后來居上，巧妙地將半導體和機械技術結合，從而在機器人這一領域超過了美國，位居世界第一。目前，全世界的機器人80%是日本制造的。仿人機器的研制開始于本世紀60年代末，只有三四十年的歷史。然而，仿人機器人的研究工作進展迅速。國內外許多學者正從事于這一領域的研究，如今已成為機器人技術領域的主要研究方向之一。國際上許多國家都在研究，但每個國家都有自己的特色：日本偏向于模擬人的動作，歐洲主要應用在醫(yī)療服務方面，美國則主要作軍事用途。 1.3.1 HODON仿人機器人 最據有影響力的仿人機器人還是HONDA的仿人機器人。1996年，當HONDA對外界公布其歷經10年秘密研制成功的第2代HONDA仿人機器人樣機P2(圖1.1a)（身高1820mm，體寬600mm，體重210kg，共30個自由度）時，國際機器人學界為之震驚。P2是世界上第一臺無纜的仿人機器人，它能行走和上下樓梯。P2的問世將雙足步行機器人的研究工作推向了高潮，使本田公司在此領域處于世界絕對的領先的地位。1997年12月本田公司又推出了P3型雙足步行機器人（圖1.1b），基本上與P2型相似，只是在重量和高度上有所降低(由原來的210kg降為130kg，高度由1800mm降為1600mm)，且使用了新型的鎂材料[3]。 2000年，P2和P3的縮小版ASIMO（圖1.1c）問世，它身高1200mm，體寬450mm，體重52kg，共26個自由度，不僅可以行走、爬樓梯，識別各種各樣的聲音，還能通過頭部的照相機捕捉到的畫面和事先設計好的程序識別人類的各種手勢運動以及10種不同的臉型。 仿人機器人實現跑步是劃時代的技術。因為跑步時機器人的兩腳在某一時段會同時離開地面。目前新一代ASIMO兩腳離地時間可達0.08s，跳躍距離達50mm。為控制離地懸空狀態(tài)下的平衡，本田公司對上肢體控制結構進行了改良，同時身體的扭動和腰關節(jié)的動作控制也有提高，這樣的改進對快速跑步的控制起了很大的作用[3]。 圖1.1 HODON仿人機器人 1.3.2 HRP仿人機器人 日本產業(yè)技術綜合研究所（METI）從1998年開始實施仿人機器人項目的研究，整個項目歷經5年時間，于2002年研制出了HRP（圖1.2）系列機器人。HRP-2身高155厘米，體重54公斤，有32個自由度，具體為6×2(腿部)+6×2(手臂)+2(腰部)+2(頭部)+2×2(手指)=32。HRP-2的手臂有6個自由度(肩3,肘1,腕2),工作能力很強。腰部有2個自由度,使其成為第一款摔倒后能夠自己爬起來的仿人機器人。大腿固定在臀部兩側外伸的懸臂上,從而使得腿部的靈活性增加,使得兩個大腿內側之間有比較小的碰撞，能夠實現雙腿的交叉，從而實現走模特步的功能。如圖1.2所示。 圖1.2 HRP仿人機器人 1.3.3 索尼仿人機器人 日本索尼于2000年11月推出了仿人娛樂型機器人SDR-3X（Sony DreamRobot-3X），SDR－3X是一個小型化的仿人機器人。其規(guī)格為身高500mm，體寬220mm，體重5kg，共24個自由度。其中自由度的分布為：頭部2個，軀干部2個，手臂各4個，腿部各6個。SDR一3X的動作有以下7種，(1)最高速度為15m/分的前進/后退/左右橫行；(2)在前進過程中左右轉身(異步轉90度)；(3)由伏臥/仰狀態(tài)起立；(4)單腿站立(在斜面上也可做此動作)；(5)在凸凹不平的路面上行走；(6)踢球；(7)舞蹈。在2003年，最新型的SDR機器人：SDR-4X的增強版本SDR-4XII（圖1.3）問世，它身高580mm，體寬270mm，體重7kg，共38個自由度?，F在，它的名字改為QRIO。QRIO不僅能夠行走，還可以躺下、站起、多機器人同步舞蹈。作為一個娛樂機器人，它可以與人共同生活，給人帶來樂趣和愉悅。QRIO不久即將上市銷售。如圖1.3所示。 圖1.3 索尼仿人機器人 1.3.4 韓國仿人機器人KHR 韓國科學技術院（KAIST）的吳俊浩教授于2002年1月正式投入智能機器人的開發(fā)，當年8月研制出韓國第一個智能機器人KHR-1的機身，2003年1月研制出了能步行的KHR-1。緊接著，當年12月研制了KHR-2 (圖1.4左)的機身，2004年8月該款機器人就可以撤線獨自行走。KHR-1身高1200mm，體重48kg，總共有21個自由度，其中下肢12個，手臂8個，腰部1個。KHR-2身高1200mm，體重54kg，總共有41個自由度，其分布狀況：頭部6個，手臂8個，手掌14個，腰部1個，下肢12個。在2004年12月22日，韓國科學技術院又宣布成功開發(fā)出新型智能機器人“HUBO”，該新型智能機器人身高1250mm，體重55kg，步幅超過300mm，每小時可步行1.2km，能識別和合成聲音，兩只眼睛能轉動并具有良好的視覺功能。它的41個關節(jié)能輕柔地轉動，5個手指能單獨活動，能與人握手，會玩“石頭、剪刀、布”游戲，還會跳布魯斯舞。 圖1.4 KHR-2和Hubo仿人機器人 1.4 國內仿人機器人的研究 我國已在“七五”計劃中把機器人列人國家重點科研規(guī)劃內容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎理論與基礎元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。目前，示教再現型機器人技術已基本成熟，并在工廠中推廣應用。我國自行生產的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠投入運行。1986年3月開始的國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機器人的內容。就目前來看，我們應從生產和應用的角度出發(fā)，結合我國國情，加快生產結構簡單、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。 國內仿人機器人的研究也在863計劃和自然科學基金的支持下持續(xù)開展了多年，如國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京理工大學、清華大學、上海交通大學、中國科學技術大學等，都先后開始研制仿人機器人樣機[4]。 1.4.1 “先行者”仿人機器人 在我國，國防科技大學是最早研制出仿人機器人的高校。國防科技大學于1988年2月研制成功6關節(jié)平面運動雙足步行機器人,于1990年又先后研制成功了10關節(jié)、12關節(jié)的空間運動型機器人系統(tǒng),實現了人類所具備的基本行走功能。 2000年11月30日，“先行者”仿人機器人在國防科技大學研制成功?！跋刃姓摺鄙砀?40厘米，體重20公斤，具有仿人的下肢和簡化的上肢，總共15個自由度；可以實現原地扭動、平地前進、后退、左右側行、左右轉彎等動作；手臂可以前后擺動，頭部可以左右轉動，眼睛可以演示各種眨眼動作，并具有一定的語言表達能力；行走頻率每秒2步，動態(tài)步行快速自如，并可在小偏差、不確定環(huán)境中行走。在機械結構、控制系統(tǒng)結構、協調運動規(guī)劃和控制方法等關鍵技術方面取得了一系列的突破。但“先行者”只能算是仿人機器人的雛形，在動作上尤其是上肢體動作方面遠遠沒有達到類似人類的要求。如圖1.5所示。 圖1.5 “先行者”仿人機器人 1.4.2 BHR-01仿人機器人 目前比較新的成果是2002年12月北京理工大學研制成功的我國首個真正意義上的仿人機器人BHR-01，中文名叫“匯童”。 BHR-01身高158厘米,體重76公斤,有33個自由度,具體為6×2(腿部)+7×2(手臂)+0(腰部)+3(頭部)+2×2(手指)=33。BHR-01能夠模仿人類進行前進，后退，側行，轉彎，上下臺階，太極拳，刀術等動作。并且具有視覺、語音對話、力覺、平衡覺等功能；每小時能夠行走1公里,步幅33厘米；此外還會騰空行走,并能根據自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化實現未知路面的穩(wěn)定行走。打太極拳、舞刀是BHR-01的特色，此仿人機器人的成功研制標志著我國已經掌握了集機構、控制、傳感器、電源于一體的高度集成技術。如圖1.6所示。 圖1.6 BHR仿人機器人 1.5 本課題研究內容 本文設計的主要內容是兩足行走機器人的頭部、臂部控制系統(tǒng)部分，完成機器人搖頭、擺大臂和擺小臂控制部分的設計。 (1) 設計了兩足步行機器人的硬件電路。 (2) 選擇設計了兩足步行機器人的控制軟件系統(tǒng)。 (3) 完成畢業(yè)設計的同時，提出本設計的不足，指出需要改進的地方。 2 兩足步行機器人控制系統(tǒng)硬件 2.1 直流伺服電機的控制特性 執(zhí)行機構可以說是機器人的核心，執(zhí)行機構的選取直接影響到機器人的性能。執(zhí)行機構的驅動類型一般包括液壓、氣動、電子方式。液壓和氣動的缺點是能量供應問題，機器人不可能隨身攜帶，并且有較大的震動。因此，對于雙足機器人，只考慮采用攜帶能源方便、震動小的電子驅動裝置—電機[5]。 直流伺服電機又稱為舵機，本設計選用的舵機為“輝盛”MG945 12公斤全金屬齒大扭力舵機。它不僅尺寸小，而且不需要另配減速器，具有控制簡單，成本低的優(yōu)點，能夠很好的滿足我們設計的機器人的要求。舵機是一種帶有位置反饋的伺服電機，主要由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪組與位置檢測器等組成。通過輸入占空比不同的脈沖信號來控制舵機的輸出軸的位置。其原理可由圖2.1所示。 圖2.1 舵機工作原理 2.2 機器人控制器系統(tǒng) 由于雙足機器人使用17個舵機，若為每一個舵機均使用1 個單片機控制，顯然不是一種經濟的策略，也為整個系統(tǒng)帶來了不必要的負擔。為了滿足多舵機的控制要求，根據舵機的驅動特性，采用獨立單片機控制多個舵機的方法。 從控制角度來看，雙足機器人自由度多，機構復雜，是一個多輸入、多輸出、非線性、強耦合的復雜系統(tǒng)。雙足機器人的穩(wěn)定行走，需要各個關節(jié)之間能夠協調有序的運動，所以控制系統(tǒng)發(fā)出的各個關節(jié)的控制指令不僅要準確，而且要滿足一定的時序要求。 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。可以控制多達32個伺服電機協調動作的軟硬件結合系統(tǒng)，它不但能實現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[6～9]。其主要由上位機軟件和伺服電機驅動控制器組成。通過PC機操作上位機軟件給控制器傳遞控制指令信號，即可實現多路伺服電機單獨控制或同時控制，控制指令精簡，控制轉角精度高，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。圖2.2為控制器的實物圖，控制系統(tǒng)主板如圖2.3所示。 圖2.2 運動控制器 圖2.3 控制系統(tǒng)框圖 上位機是個人電腦，它與控制器通過串口通訊，電腦把規(guī)劃好的步態(tài)數據的發(fā)送到控制器，控制器再根據相應的算法，為每個I/O口發(fā)送相應的舵機控制指令，即PWM波。 2.3 伺服電機控制板接口功能 圖2.4 控制電路板各部分標識 2.3.1 DC5V直流電源接口① 此接口用于接插控制器控制部分供電電源。 2.3.2 控制部分電源端子接口② 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，特設此接口。 2.3.3 伺服電機供電電源端子接口③ 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，應該將兩部分分別供電），工作電壓：＋4V～＋6V（普通伺服電機），注意：由于不同型號的伺服電機的耗電不同，而且運行在帶負載時，耗電也不同，所以請以實際使用為準。 2.3.4 外擴上位機系統(tǒng)供電接口④ 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。 2.3.5 RS232串口通訊接頭⑤ 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。 2.3.6 TTL通訊接口⑥ 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)的上位機或BS2(Basic Stamp 2)通訊。注意接口標識符，TX、RX左側排針分別聯接伺服電機控制板微控器TXD、RXD引腳[10]。 2.3.7 波特率設置撥碼開關⑦ 通過設置撥碼開關，波特率可以在2400 960038.4k 115.2k四種數值中轉換。注意：1代表ON，0代表OFF。 2.3.8 伺服電機通道接口⑧和標識符⑨ 此接口可接插國際標準接口的伺服電機，包括模擬式和數字式兩種。接口側方有1～32通道的標注符，表示伺服電機受哪一通道信號控制[11]。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）。支持的伺服電機： Futabaor Hitec 以及國產品牌（如輝盛）等。 3 硬件設計總體方案 3.1 核心電路 核心電路包括AVR核心處理器、JTAG調試接口、串口驅動電路和A/D轉換基準電壓電路，原理如圖3.1所示。 圖3.1 核心電路原理圖 3.2 PWM信號控制原理 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，所以可以進行多路分時復用[12～15]。本文使用了4個三態(tài)鎖存器74HC595D 對PWM信號進行4路分時復用，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3.2所示。 圖3.2 PWM信號控制原理圖 3.3 電源設計 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[16]。由于基于AVR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換器進行電壓轉換。我們使用了一個直流電壓轉換芯片L78M05將電池的直流電源轉換為相應的電流。 4 兩足步行機器人控制系統(tǒng)軟件設計 Servo Control Software是實現伺服電機控制器通訊協議PC機上的專用WINDOWS控制軟件，本軟件操作控制簡便，易學易用。其軟件的操作界面如圖4.1所示。 圖4.1 Servo Control Software操作界面 4.1 串口設置 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 串口設置第一步 圖4.3 串口設置第二步 圖4.4 串口設置第三步 4.2 控制通道設置 控制通道序號與控制板上的序號一一對應，根據設計需要可選擇多路調控，伺服電機接線一定要與控制軟件通道對應，避免出現控制無效現象?？刂仆ǖ溃鐖D4.5所示。將硬件設備接好，如圖4.6所示。 圖4.5 控制通道 圖4.6 控制板接線示意圖 單擊鼠標左鍵軟件與硬件連接,如圖4.7所示。 圖4.7 串口連接設置圖 4.3 操作設置 在控制軟件的操作設置區(qū)域有“添加指令”、“指令修改”、“刪除指令”、“運行指令”等按鈕，分別實現不同的功能，如圖4.8所示。 圖4.8 操作設置區(qū)域 4.3.1 添加指令① 單擊可以將調試好的指令保存。 4.3.2 指令修改② 對不合適的指令進行修改。 4.3.3 刪除指令③ 刪除不合適的指令。 4.3.4 運行指令④ 運行調試指令。 4.3.5 電機復位⑤ 將全部伺服電機復位。 4.3.6 退出⑥ 退出控制。 4.4 控制指令回顯區(qū) 調整好合適指令點擊添加后，將會出現在回顯區(qū)中。如圖4.9所示。 圖4.9 指令回顯區(qū) 4.5 發(fā)送指令時間設置 拉動指令間隔時間滑桿可以調節(jié)發(fā)送指令間隔時間,以實現各舵機的協調工作,來完成復雜的動作,如圖4.10所示。 圖4.10 發(fā)送指令間隔時間控制區(qū) 5 兩足步行機器人運動模式的建立 雙足步行機器人是一個多變量、強耦合、非線性和變結構的復雜動力學系統(tǒng),是一門與仿生學、多剛體動力學、多傳感器融合技術以及控制工程等多學科相結合的交叉學科,是機器人研究領域中的一個重要分支[17～19]。雙足行走方式具有高度的靈活性,特別適合于日常環(huán)境與人類協作完成各種任務,在康復、日常服務、危險環(huán)境作業(yè)等領域具有廣闊的應用潛力。另一方面,由于雙足機器人具有多關節(jié)、多驅動器和多傳感器的特點,而且一般都具有冗余的自由度,這些特點對其控制問題帶來了很大的難度,為各種控制和優(yōu)化方法提供了理想的實驗平臺,使其吸引了許多學者的目光,成為一個矚目的研究方向[20～22]。 本設計中的機器人的機械結構，它具有17個自由度，驅動器為微型直流伺服電機。該機械結構左右對稱，每個手臂具有3個自由度，分別為肩2個、肘1個；頸部有一個自由度。其每個舵機位置的標注如圖5.1所示。 圖5.1 腿部舵機的分布 5.1 靜態(tài)雙臂擺動模式的設計與實現 機器人開始運動之前必須有一個零位，即開始位置，為了制定機器人的零位，我們?yōu)闄C器人的每一個關節(jié)安裝了一個限位開關，機器人一上電，我們讓每個關節(jié)運動至限位開關處，以此位置作為零位參考點，第一次進行手動調節(jié)，調節(jié)到機器人的零位，把該位置信息記錄到驅動器中，以后就可以在各個關節(jié)運動至限位開關處時，直接給出該位置，讓機器人各個關節(jié)運動至零位。 每個手臂具有3個自由度，分別為肩2個、肘1個。所以雙臂可以完成諸多復雜的動作,諸如:直臂、臂前后擺、直臂展開、彎肘等等。如圖5.2右臂前擺。 圖5.2 右臂前擺30度 5.2 姿態(tài)運動的軟件實現 根據雙臂的結構和運動模式，我們可以算出每個舵機轉角的度數，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)出現指令如下： 直臂 T1000 #10P1500#11P1500#12P1500#13P1500#14P1500#15P1500 右臂前擺30度左臂前擺30度 T1000 #10P1500#11P1500#12P1167#13P1167#14P1500#15P1500#16P1500 兩臂展開90度 T1000 #10P1500#11P500#12P1500#13P1500#14P2500#15P1500#16P1500 右肘內彎90度 T1000 #10P2500#11P1500#12P500#13P1500#14P1500#15P1500#16P1500 頭右轉90度 T1000 #16P2500頭左轉T1000#16P500 結束語 機器人有三個方面是我們必要去發(fā)展的理由:一個是機器人干人不愿意干的事，把人從有毒的、有害的、高溫的或危險的，這樣的環(huán)境中解放出來，同時機器人可以干不好干的活，比方說在汽車生產線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗,一天焊幾千個點，就重復性的勞動，一方面他很累，但是產品的質量仍然很低；另一方面機器人干人干不了的活，這也是非常重要的機器人發(fā)展的一個理由，比方說人們對太空的認識，人上不去的時候，叫機器人上天，上月球，以及到海洋，進入到人體的小機器人，以及在微觀環(huán)境下，對原子分子進行搬遷的機器人，都是人們不可達的工作。 兩足步行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、數學等于一體。本文根據當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行了運動學分析和靜態(tài)步行設計，實現在機器人在平面上的穩(wěn)定行走。 在前期工作中，我們設計了雙足機器人的機械結構，對其進行了步態(tài)規(guī)劃，并通過建立虛擬樣機對雙足機器人的機械結構、控制算法、步態(tài)規(guī)劃進行了大量的仿真實驗，仿真結果表明，我們所采用的方案是可行的。在方案可行的情況下，我們開始了物理樣機的研制。在機構加工、裝配基本完成，控制和功率放大電路正常工作的基礎上，我們開始對物理樣機進行調試。為了保證調試的順利進行，我們按如下順序進行:首先進行單關節(jié)調試，這一步無任何問題后再進行關節(jié)的組合調試。 在前期的裝配工作中已經進行過單關節(jié)調試，裝配是按關節(jié)進行的，從踝關節(jié)裝，從下到上最后是髖關節(jié)，調試的目的有兩個： （1）測試各關節(jié)機構(包括電機、減速器)是否工作正常 （2）標識各個關節(jié)的運動方向 這樣邊裝配邊檢測可以保證裝配的順利進行，一旦發(fā)現問題可以及時改正。在裝配完成之后還要進行單關節(jié)的調試，目的有兩個： （1）測量各個關節(jié)實際運動范圍； （2）零位的制定。 在單關節(jié)調試完成之后，進行多關節(jié)聯合調試。之所以對關節(jié)進行聯合調試，是基于以下幾點考慮的: （1）單個關節(jié)雖然已經調試通過，但多關節(jié)之間能否有效地配合起來尚不清楚； （2）供電部分在能夠有效的支持單電機工作的情況下，能否同樣支持多電機同時工作； （3）檢測各個關節(jié)聯合調試的實時性； （4）無論從編程實現，還是控制方案實施來看，多關節(jié)聯合調試跟單關節(jié)調試有本質的不同，可以發(fā)現一些隱藏的問題，及時加以解決，便于下一步實驗的進行，同時可以給調試人員積累一些調試經驗，為進一步調試打下基礎。 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，如ARM系列處理器和PC104, PowerPC等單板計算機； (2) 本次用的舵機驅動力不是很大，勉強滿足機器人驅動要求； (3) 對雙足機器人的行走的穩(wěn)定性認識不是很足，沒能使機器人能夠實現自然、快速穩(wěn)定的行走； (4) 規(guī)劃時使用的理想模型與實際的物理本體有一定的差距，不能精確反映實際的情況； (5) 控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號與舵機執(zhí)行的結果存在誤差，不能完全復現規(guī)劃的結果。 致 謝 本課題是在劉 艷導師的悉心關懷和指導下完成的。劉老師嚴謹的科研態(tài)度、淵博的專業(yè)知識給我留下了深刻的印象。在三個多月的學習和生活中，老師在學習、科研都給予了我耐心的指導和無微不至的關懷，并提出了許多寶貴的意見。從劉老師那里，我不但學到了科研的方法，還學到了很多為人處世的道理。這些都將成為我今后學習與工作中的寶貴財富。在此，我要向辛勤培養(yǎng)我的劉老師表示深深的謝意！ 在課題研究的整個階段，張少文老師給了我不少的指導和建議，在此向他們表示衷心的感謝！ 同時還要感謝雙足機器人研究小組的其他成員：許峰、黃俊、徐昕晏、徐超。他們給予了我很大的幫助和支持。 當然也要感謝我的同學和朋友們，感謝他們一直以來對我的關心和支持！ 最后感謝父母親人們在生活上對我的關心和照顧，我的人生道路上的每個成就都永遠有他們的功勞。 參 考 文 獻 [1] 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. 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