人形仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD+PROE】

人形仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD+PROE】,說(shuō)明書+CAD+PROE,人形,仿生,機(jī)器人,行走,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),說(shuō)明書,仿單,cad,proe 人形仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 本文是在對(duì)國(guó)內(nèi)外人形仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)資料，特別是連接鍵部分和控制資料進(jìn)行研讀的基礎(chǔ)下，對(duì)人形仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、控制和傳感器等方面進(jìn)行方案擬定。本文對(duì)人形仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，畫出總裝配圖、部件圖并完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。本文所設(shè)計(jì)的雙足行走機(jī)構(gòu)是采用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并且采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。本設(shè)計(jì)還對(duì)人形仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成和控制部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器人，行走機(jī)構(gòu)，單片機(jī) 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(jī)器人的特點(diǎn) 1 1.2 國(guó)內(nèi)外雙足機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 國(guó)內(nèi)狀況 2 1.2.2 國(guó)外狀況 3 1.3課題技術(shù)要求 6 2.人形仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 6 2.1 雙足行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 6 2.2 雙足行走機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 7 2.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 9 2.4 雙足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù) 10 3. 人形仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 3.1 硬件系統(tǒng)的基本要求 11 3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)的控制特性 13 3.2.3 硬件設(shè)計(jì)總體方案 14 3.2.4 電源設(shè)計(jì) 16 3.2.5 舵機(jī)控制器PCB電路板的設(shè)計(jì) 16 4.人形仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 18 4.1 軟件系統(tǒng)的基本要求 19 4.2 軟件設(shè)計(jì)的技術(shù)路線與總體方案 19 4.3 伺服電機(jī)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(shí)間設(shè)置 24 4.4 微型伺服電機(jī)的選擇 24 4.4.1 舵機(jī)的選型 25 4.4.2 所選舵機(jī)的控制特性 25 5.雙足行走機(jī)器人步行模式的建立 26 5.1 靜態(tài)步行模式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 26 5.2 姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的軟件實(shí)現(xiàn) 28 總 結(jié) 30 致 謝 31 參考文獻(xiàn) 32 1.緒論 機(jī)器人是自動(dòng)控制機(jī)器（Robot）的俗稱，自動(dòng)控制機(jī)器包括一切模擬人類行為或思想與模擬其他生物的機(jī)械（如機(jī)器狗，機(jī)器貓等）。狹義上對(duì)機(jī)器人的定義還有很多分類法及爭(zhēng)議，有些電腦程序甚至也被稱為機(jī)器人。在當(dāng)代工業(yè)中，機(jī)器人指能自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)的人造機(jī)器裝置，用以取代或協(xié)助人類工作。理想中的高仿真機(jī)器人是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)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(kāi)發(fā)。 仿生機(jī)器人，也稱仿制人或人型機(jī)器人等，指以模仿真人為目的制造的機(jī)器人。但人型機(jī)器人也可以指英語(yǔ)中的Humanoid（擬人機(jī)器人），可以大小和真人差很遠(yuǎn)也沒(méi)有似人的外觀，但有人的四肢和頭等構(gòu)造。現(xiàn)時(shí)仿生人仍然在試制階段，是長(zhǎng)期以來(lái)科幻和機(jī)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(shí)別，也沒(méi)有真人的思想和感情(如Chobits中的人型電腦)。相對(duì)是稱為生物機(jī)器人，是使用一種真人或生物的活組織，但以機(jī)器為主體的類型，是和機(jī)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(shí)把女性型的仿生人稱為機(jī)娘(Gynoid)，如機(jī)械女仆。反過(guò)來(lái)說(shuō)亦有開(kāi)發(fā)外觀不似人，但能夠有似真人行為的機(jī)器人，如在2001年美國(guó)麻省理工學(xué)院，研發(fā)了號(hào)稱世界上第一個(gè)有類似人類感情的機(jī)器人。2013年1月，英國(guó)的機(jī)器人專家設(shè)計(jì)師宣稱展示了世界上第一個(gè)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(jī)器人的特點(diǎn) 首先，雙足步行的移動(dòng)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(jī)動(dòng)性。研究仿人形雙足步行機(jī)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(dòng)空間。 其次，雙足步行機(jī)器人的步行系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)在的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)特性非常復(fù)雜，具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。因此，它是控制理論和控制工程領(lǐng)域的一個(gè)極好的研究對(duì)象，開(kāi)展雙足步行技術(shù)的研究，必然推動(dòng)控制理論的發(fā)展和控制技術(shù)的進(jìn)步。 再次，步行是人類的一種基本活動(dòng)能力，但有相當(dāng)數(shù)量的人因?yàn)榧膊』蛞馔馐鹿适チ诉@種能力，雙足步行技術(shù)的發(fā)展會(huì)促進(jìn)動(dòng)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(wèn)題，為康復(fù)醫(yī)學(xué)做出貢獻(xiàn)。對(duì)機(jī)器人雙足動(dòng)態(tài)行走機(jī)理的深入研究也使我們更深刻地理解人類活動(dòng)的內(nèi)在本質(zhì)，有助于生物醫(yī)學(xué)工程和體育運(yùn)動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。 1.2 國(guó)內(nèi)外雙足機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)內(nèi)狀況 國(guó)內(nèi)雙足步行機(jī)器人的研制工作起步較晚，我國(guó)是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國(guó)開(kāi)展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃，1987年，我國(guó)的“863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究開(kāi)發(fā)列入其中。目前我國(guó)從事機(jī)器人研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國(guó)進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國(guó)際先進(jìn)的機(jī)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(kāi)始研究雙足步行機(jī)器人，先研制成功靜態(tài)步行雙足機(jī)器人HIT-Ⅰ，高110cm，重70kg，有10個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)平地上的前進(jìn)、左右側(cè)行以及上下樓梯的運(yùn)動(dòng)，步幅45cm，步速為10秒每步，后來(lái)又相繼研制成功了HIT-Ⅱ和HIT-Ⅲ，重42kg，高103cm，有12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了步長(zhǎng)24cm，步速2.3秒每步的步行。目前正在研制的HIT-Ⅳ機(jī)器人，全身可有52個(gè)自由度，其在運(yùn)動(dòng)速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型行走機(jī)器人。 國(guó)防科技大學(xué)在1988年春成功地研制了一臺(tái)平面型6自由度的雙足機(jī)器人KDW-Ⅰ，它能前進(jìn)、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-Ⅱ，有10個(gè)自由度，高69cm，重13kg，實(shí)現(xiàn)進(jìn)退、上下臺(tái)階的靜態(tài)穩(wěn)定步行以及左右的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行。1990年在KDW-Ⅱ的平臺(tái)上增加兩個(gè)垂直關(guān)節(jié)，發(fā)展成KDW-Ⅲ，有12個(gè)自由度，具備了轉(zhuǎn)彎功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的全方位行走。1995年實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)行走，步速0.8s每步，步長(zhǎng)為20cm～22cm，最大斜坡角度達(dá)13度。2000年底在KDW-Ⅲ的基礎(chǔ)上研制成功我國(guó)首臺(tái)仿人形機(jī)器人“先行者”，動(dòng)態(tài)步行，可在小偏差、不確定的環(huán)境行走，周期達(dá)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(yǔ)言功能。 上海交通大學(xué)于1999年研制的仿人形機(jī)器人SFHR，腿部和手臂分別有12和10個(gè)自由度，身體上有2個(gè)自由度。共有24個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了周期3.8s，步長(zhǎng)10cm的步行運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人本體上裝有2個(gè)單軸陀螺和一個(gè)三軸傾斜計(jì)，用于檢測(cè)機(jī)器人的姿態(tài)信息，并配備了富士通公司的主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)，是研究通用機(jī)器人學(xué)、多傳感器集成以及控制算法良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 北京理工大學(xué)在歸國(guó)博士黃強(qiáng)教授的帶領(lǐng)下，高起點(diǎn)地進(jìn)行仿人形機(jī)器人研究，于2002年12月通過(guò)驗(yàn)收的仿人形機(jī)器人BHR-1，高 158cm，重76kg，32個(gè)自由度，步幅0.33m，步速每小時(shí)1公里。能夠根據(jù)自身力覺(jué)、平衡覺(jué)等感知機(jī)器人自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化，實(shí)現(xiàn)未知地面的穩(wěn)定行走和太極拳表演，使中國(guó)成為繼日本之后，第二個(gè)研制出無(wú)外接電纜行走，集感知、控制、驅(qū)動(dòng)、電源和機(jī)構(gòu)于一體的高水平仿人形機(jī)器人國(guó)家。 此外，清華大學(xué)正在研制仿人形機(jī)器人THBIP-Ⅰ，高1.7m，重130kg，32個(gè)自由度，在清華大學(xué)985計(jì)劃的支持下，項(xiàng)目也在不斷取得進(jìn)展。南京航空航天大學(xué)曾研制了一臺(tái)8自由度空間型雙足步行機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)步行功能。 1.2.2 國(guó)外狀況 雙足機(jī)器人的研制開(kāi)始于上世紀(jì)60年代末，雖然只有四十多年的歷史。然而，兩足機(jī)器人的研究工作進(jìn)展迅速，國(guó)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(jī)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(jī)器人的難點(diǎn)和關(guān)鍵，南斯拉夫?qū)W者M(jìn)emoirVakobrativitch于1969年提出的ZMP(Zero Moment Point)理論較好地解決了動(dòng)態(tài)步行穩(wěn)定性判斷問(wèn)題。ZMP點(diǎn)，即零力矩點(diǎn)，是雙足機(jī)器人所受重力、慣性力及地面反力三者合力矢的延長(zhǎng)線與地面的交點(diǎn)。雙足機(jī)器人一只腳著地時(shí)，ZMP點(diǎn)必須落在腳掌的范圍內(nèi)；雙腳著地時(shí)，則位于兩只腳掌形成的凸多邊形內(nèi)。在ZMP點(diǎn)，機(jī)器人所受的側(cè)向力和力矩都為零。 1971年，英國(guó)人I·Kato試制了“Wap3”，最大步幅15mm，周期45s。1971年至1986年間，英國(guó)牛津大學(xué)的Wit等人制造并完善了一個(gè)雙足行走機(jī)器人，該機(jī)器人能在平地上行走良好，步速達(dá)到0.23m/s[4]。 加拿大的Tad·McGee主要研究被動(dòng)式兩足機(jī)器人，即在無(wú)任何外界輸入的情況下，靠重力和慣性力實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動(dòng)。1989年，他建立了平面型的雙足行走機(jī)構(gòu)，兩腿為直桿機(jī)構(gòu)，沒(méi)有膝關(guān)節(jié)，每條腿各由一個(gè)小電機(jī)來(lái)控制腿的伸縮，無(wú)任何主動(dòng)控制和能量供給，具有簡(jiǎn)單二級(jí)針擺特征，放在斜坡上，可依靠重力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行。 法國(guó)BIP2000計(jì)劃是由法國(guó)de mecanique des Soloders de Poiters實(shí)驗(yàn)室和INRIA機(jī)構(gòu)合作的一個(gè)項(xiàng)目。其目的是建立一套可以適應(yīng)未知條件行走的兩足機(jī)器人系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有15個(gè)自由度的雙足步行機(jī)器人(只有軀干和腿)。 現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展最迅速的是有“機(jī)器人王國(guó)”之稱的日本。其中最具有代表性的研究機(jī)構(gòu)有:加藤實(shí)驗(yàn)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(jī)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(kāi)了雙足步行機(jī)器人的研制工作，并先后研制出WAP系列樣機(jī)。1969年研制出WAP-1平面自由度步行機(jī)器人，該機(jī)器人具有六個(gè)自由度，每條腿有髖、膝、踝三個(gè)關(guān)節(jié)；關(guān)節(jié)處使用人造橡膠肌肉，通過(guò)充氣、排氣引起肌肉收縮，肌肉的收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)步行。1971年，研制出WAP-3型雙足機(jī)器人，仍采用人工肌肉，具有11個(gè)自由度，能在平地、斜坡和階梯上行走；該機(jī)器人重13Okg，高0.9m，實(shí)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(jī)器人，該機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有11個(gè)自由度，下肢作三維運(yùn)動(dòng)，上軀體左右擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人重心的左右移動(dòng)。1973年，在WAP-5的基礎(chǔ)上配置機(jī)械手及人工視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等裝置組成自主式機(jī)器人WAROT-1。 1980年，推出WL-9DR雙足機(jī)器人，該機(jī)器人采用預(yù)先設(shè)計(jì)步行方式的程序控制方法，通過(guò)對(duì)步行運(yùn)動(dòng)的分析及重復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步態(tài)軌跡，用設(shè)計(jì)出的步態(tài)控制機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人采用了以單腳支撐期為靜態(tài)，雙腳切換期為動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行方案，實(shí)現(xiàn)了步幅45cm，每步9s的準(zhǔn)動(dòng)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(jī)器人，增加了踝關(guān)節(jié)力矩控制，將一個(gè)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(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)軀體運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了步行周期1.3s，步幅30cm的平地動(dòng)態(tài)步行。 日本東京大學(xué)的Jouhou System Kougaka實(shí)驗(yàn)室研制了H5、H6型仿人型雙足步行機(jī)器人。該機(jī)器人總共有30個(gè)自由度，其中在H5型的步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)中充分考慮了動(dòng)態(tài)平衡條件，采用遺傳算法來(lái)實(shí)現(xiàn)上體的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)以補(bǔ)償ZMP軌跡的跟蹤，上體運(yùn)動(dòng)的軌跡用三次樣條插值來(lái)實(shí)現(xiàn)。在H5雙足機(jī)器人的頭部安裝有兩個(gè)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(lái)抓取的目的。 日本機(jī)械學(xué)院的S·Kajita等針對(duì)一臺(tái)具有4臺(tái)前向驅(qū)動(dòng)電機(jī)且全部安裝在機(jī)器人的上體的五連桿平面型雙足步行機(jī)器人Meltran Ⅰ，研究其動(dòng)態(tài)行走的控制方法。他根據(jù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)質(zhì)量幾乎完全集中在上體的事實(shí)，為使雙足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、周期性的動(dòng)態(tài)行走，對(duì)機(jī)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(shí)又提出了機(jī)構(gòu)軌道能量守恒的概念，來(lái)求解各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡及輸入力矩，實(shí)現(xiàn)了在已知不平整地面上的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)步行。1996年他們又在此樣機(jī)的基礎(chǔ)上加載了超聲波視覺(jué)傳感器以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)提供地面信息的功能。將視覺(jué)傳感器系統(tǒng)與針對(duì)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MeltranⅡ成功地實(shí)現(xiàn)了在未知路面上的動(dòng)態(tài)行走。 代表雙足步行機(jī)器人和擬人機(jī)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(dāng)今雙足行走機(jī)器人和擬人型機(jī)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(jī)器人。并且于2000年11月20日，推出了新型雙足步行機(jī)器人“ASIMO(Advanced Step in Innovative Mobility)”，“ASIMO”和“P3”相比，實(shí)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(guò)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(kāi)發(fā)“I-WALK(Intelligent Real-time Flexible Walk)”。I-WALK是在過(guò)去的步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的“預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制功能”，它可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)以后的動(dòng)作，并且據(jù)此事先移動(dòng)重心來(lái)改變步調(diào)。過(guò)去由于不能進(jìn)行預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制，當(dāng)從直行改為轉(zhuǎn)彎時(shí)，必須先停止直行動(dòng)作后才可以轉(zhuǎn)彎。 索尼公司于2000年11月21日在四足娛樂(lè)機(jī)器人AIBO的基礎(chǔ)上推出了人形娛樂(lè)型機(jī)器人SDR-3X(Sony Dream Robot-3X)。SDR-3X：頭部2個(gè)自由度、軀干2個(gè)自由度、手臂4 × 2個(gè)自由度、下肢和足部6 × 2個(gè)自由度，共計(jì)24個(gè)自由度。2002年又推出SDR-4X，采用64位RISC處理器，64MBDRAM，共有38個(gè)自由度(頭部4個(gè)，身體2個(gè)，胳膊 5×2=10個(gè)，腿部6×2=12個(gè)，獨(dú)立的5個(gè)手指5× 2=10個(gè))。2003年12月18日，索尼公司通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)和ISA(Intelligent Servo Actuator)的改進(jìn)、增加輸出力矩等方法，使QRIO在世界上第一次實(shí)現(xiàn)了雙足行走機(jī)器人的跑動(dòng)，QRIO可以在跑步時(shí)滯空6ms，雙腳跳躍時(shí)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(kāi)發(fā)出一臺(tái)取名“HRP-2”雙足擬人機(jī)器人亮相東京。該機(jī)器人身高154cm，體重58kg。研究人員先請(qǐng)民間藝術(shù)家跳舞，用特殊攝像機(jī)拍攝后將畫面輸入電腦，并對(duì)手、腳、頭、腰等32個(gè)部位的動(dòng)作進(jìn)行解析，然后把有關(guān)解析數(shù)據(jù)輸入給機(jī)器人，最后利用這些數(shù)據(jù)來(lái)控制機(jī)器人手的動(dòng)作和腳步等，使“HRP-2”可以和人一樣動(dòng)作連貫，翩翩起舞。 1.3課題技術(shù)要求 設(shè)計(jì)雙足行走機(jī)構(gòu)，自由度不少于6個(gè)，每條腿上至少3個(gè)自由度； 高度：約400mm 負(fù)載力：3kg 行走速度：0.3m/s 采用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng) 完成機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。 2.人形仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 雙足行走機(jī)器人是研究雙足行走的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，不同的雙足行走機(jī)器人在自由度、驅(qū)動(dòng)方式、重量、高度、結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不同，其控制方式也有所區(qū)別。為了對(duì)雙足行走機(jī)器人進(jìn)行深入的研究，使其實(shí)現(xiàn)預(yù)定的步行功能，必須對(duì)其機(jī)構(gòu)有深入的了解和認(rèn)識(shí)。 2.1 雙足行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 雙足行走機(jī)器人是對(duì)人類自身的模仿，但是人類總共有上肢52對(duì)，下肢62對(duì)，背部112對(duì)，胸部52對(duì)，腰部8對(duì)，頸部16對(duì)，頭部25對(duì)之多的肌肉。從目前的科學(xué)發(fā)展情況來(lái)看，要控制具有400個(gè)雙作用式促進(jìn)器的多變量系統(tǒng)是不可能的，因此，在設(shè)計(jì)步行機(jī)械時(shí)，人們只考慮移動(dòng)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(duì)類人機(jī)器人的腿部自由度配置進(jìn)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(jī)器人的自由度配置。他認(rèn)為髖部和踝部設(shè)兩個(gè)自由度，可使機(jī)器人在不平地面上站立，髖部再加一個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機(jī)器人的腿部需要有7×2個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié)3個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)3個(gè)[10])。 但是，無(wú)論現(xiàn)在的雙足行走機(jī)器人還是擬人機(jī)器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機(jī)構(gòu)都選擇了6×2個(gè)自由度(髖關(guān)節(jié)3個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)2個(gè))。 2.2 雙足行走機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 通過(guò)各種兩足機(jī)器人的了解，模仿其他設(shè)計(jì)成功的機(jī)器人為設(shè)計(jì)主要思路，來(lái)設(shè)計(jì)我們的雙足行走機(jī)器人。 由于我們要求設(shè)計(jì)的是比較簡(jiǎn)單的兩足機(jī)器人，所以有關(guān)平衡和ZMP等計(jì)算全部省略，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)候盡量把兩足機(jī)器人整體高度設(shè)計(jì)的盡量的矮一點(diǎn)，兩面設(shè)計(jì)的對(duì)稱，腳設(shè)計(jì)盡量的大一點(diǎn)，以此達(dá)到雙足行走機(jī)器人的平衡。 通過(guò)上面所述和查閱相關(guān)兩足機(jī)器人行走的視屏，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)17自由度的雙足步行機(jī)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(dòng)力源采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。這樣不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高以及大大增加關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最大角度，而且驅(qū)動(dòng)源全為干電池，便于集中控制和程序化控制。 圖2.1 雙足步行機(jī)器人模型 圖2.1雙足機(jī)器人，頭部?jī)H一個(gè)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(gè)自由度（圖2.3，圖2.4），髖關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，大腿（圖2.5，圖2.6）2個(gè)自由度，小腿和腳步各一個(gè)自由度。各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)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(dòng)范圍以實(shí)際為準(zhǔn)）。 圖2.2 機(jī)器人頭部和身體 圖2.3 機(jī)器人左手臂圖 圖2.4 機(jī)器人右手臂 圖2.5 機(jī)器人左腿 圖2.6 機(jī)器人左腿 雙足步行機(jī)器人的一個(gè)主要問(wèn)題就是雙足動(dòng)態(tài)步行的固有不穩(wěn)定性。為了使其穩(wěn)定行走，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)和行走步態(tài)規(guī)劃都很重要。在進(jìn)行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的問(wèn)題有關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的限制，主要機(jī)構(gòu)的剛度，擺動(dòng)腿著地時(shí)沖擊載荷對(duì)機(jī)器人本體可能帶來(lái)的損壞，桿件間連接，機(jī)體重量、材料以及易于操作維修等等。 2.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 由于此次設(shè)計(jì)的雙足行走機(jī)器人只是達(dá)到簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，而且為了使雙足行走機(jī)器人行走穩(wěn)定，所以對(duì)機(jī)器人的各個(gè)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(dòng)都是由舵機(jī)來(lái)完成如圖2.7。 圖2.7 舵機(jī) 2.4 雙足機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù) 兩足機(jī)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(hào) 數(shù)量 舵機(jī) 12（N×m） 17 鋁制零件 42 螺栓螺帽 M3×11(mm) 145 兩足機(jī)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(jī)的相關(guān)參數(shù)，如表2.3 表2.3 舵機(jī)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(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 雙足行走機(jī)器人控制系統(tǒng)中，單板計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)雖然運(yùn)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(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)，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(jī)器人是對(duì)人類的模仿。但人類的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，對(duì)人類步行原理的研究至今仍有許多未解決的問(wèn)題。所以在設(shè)計(jì)雙足行走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)對(duì)人類步行的結(jié)構(gòu)進(jìn)行減化，只會(huì)考慮基本的步行功能。人類的僅下肢就具有62對(duì)肌肉，腰部8對(duì)肌肉，在設(shè)計(jì)雙足行走機(jī)器人時(shí)，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(jī)器人通常腿部只具有8至12個(gè)自由度，腰部具有0至3個(gè)自由度。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人共有17個(gè)自由度，驅(qū)動(dòng)器為微型直流伺服電機(jī)，簡(jiǎn)稱舵機(jī)。 本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在硬件上至少滿足如下5個(gè)基本要求： (1) 產(chǎn)生不少于17路獨(dú)立的高精度單邊沿PWM信號(hào)，用來(lái)控制作為機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的17個(gè)直流伺服電機(jī)； (2) 具有調(diào)試接口； (3) 具有一個(gè)與PC機(jī)通信的接口； (4) 具有多路A/D轉(zhuǎn)換電路，用來(lái)擴(kuò)展傳感器； (5) 具有獨(dú)立而穩(wěn)定的電源。 我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人所用的高精度直流伺服電機(jī)，控制信號(hào)為0.5ms～2.5ms高電平的PWM信號(hào)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角為0度到180度，電機(jī)精度為0.1度，則控制信號(hào)的精度應(yīng)該高于(2.5ms～0.5ms) /1800 =1.11μs。 3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)科研機(jī)構(gòu)在研究雙足行走機(jī)器人，現(xiàn)在卻不勝枚舉，這其中很重要的一個(gè)原因就是嵌入式計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展。嵌入式計(jì)算機(jī)由于其體積小、功耗低、硬件資源豐富，非常適合應(yīng)用在對(duì)體積和功耗都有較高要求的小型機(jī)器人系統(tǒng)中。 在機(jī)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(jī)、ARM7和ARM9系列、PC104和PowerPC單板計(jì)算機(jī)等。它們各自具有鮮明的特點(diǎn)，通常都是為了特殊的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，如表3.1所示。 表3.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用處理器 機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的處理器 處理器的特點(diǎn) 在機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 C2000系列DSP 具有很強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力,適合運(yùn)動(dòng)控制,硬件設(shè)計(jì)方便。 運(yùn)動(dòng)控制、語(yǔ)音處理。尤其適合執(zhí)行針對(duì)單個(gè)或一對(duì)直流（無(wú)刷）電機(jī)的復(fù)雜算法。 C6000系列DSP 具有極強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，具有專門的操作系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。 高級(jí)的視覺(jué)處理和模式識(shí)別 8051和AVR系列單片機(jī) 結(jié)構(gòu)和指令簡(jiǎn)單;運(yùn)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(jì)非常方便。 簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制和信號(hào)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(yùn)算能力較強(qiáng)，支持多種操作系統(tǒng)：部分型號(hào)芯片己經(jīng)單片化，硬件設(shè)計(jì)較方便。 小型機(jī)器人主控制器，常用于運(yùn)動(dòng)控制和傳感器信號(hào)處理。 ARM9系列 典型的RISC處理器，運(yùn)算能力很強(qiáng)，支持多種操作系統(tǒng);幾乎沒(méi)有單片化，硬件設(shè)計(jì)較復(fù)雜。 機(jī)器人主控制器，同以進(jìn)行視覺(jué)處理、語(yǔ)音處理和模式識(shí)別。 PC104, PowerPC等單板計(jì)算機(jī) 由PC演化而來(lái)，通用性很強(qiáng)，功耗大，硬件設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。 復(fù)雜的擬人機(jī)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(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，適合用于執(zhí)行針對(duì)單個(gè)或少量電機(jī)的高級(jí)控制算法。雖然C2000在桌面型兩足機(jī)器人中也有應(yīng)用，但C2000對(duì)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(huì)帶來(lái)軟件設(shè)計(jì)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(hào)處理能力非常強(qiáng)大，并且TI公司特地為C6000(和C5000)系列開(kāi)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(jí)視覺(jué)處理應(yīng)用的主流處理器。但使用C6000作為處理器時(shí)電路復(fù)雜，通常只在大型擬人機(jī)器人中作為高級(jí)的視覺(jué)處理器，小型的機(jī)器人中應(yīng)用很少。 8051和AVR系列單片機(jī)通常在其內(nèi)部集成了CPU、存儲(chǔ)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(jī)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(duì)操作系統(tǒng)的支持能力很強(qiáng)，適合運(yùn)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(yùn)算能力，增加了更多的硬件資源。ARM9對(duì)操作系統(tǒng)的支持能力同樣地強(qiáng)大。ARM9適合作為兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)的主控制器，同時(shí)還可以作視覺(jué)處理、語(yǔ)音處理和模式識(shí)別。但ARM9系列處理器幾乎沒(méi)有能實(shí)現(xiàn)單片化的，硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。 單板計(jì)算機(jī)由通用計(jì)算機(jī)演化而來(lái)，常見(jiàn)的有PC104、PowerPC、MIPS、68000等。單板計(jì)算機(jī)具有良好的通用性，對(duì)操作系統(tǒng)具有極強(qiáng)的支持能力。但其設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)比較復(fù)雜，功耗較大，在擬人機(jī)器人等大型機(jī)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(jì)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(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)。 3.2.2 直流伺服電機(jī)的控制特性 直流伺服電機(jī)又稱為舵機(jī)，是一種位置伺服驅(qū)動(dòng)器，適用于角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。我們?cè)O(shè)計(jì)的兩足行走機(jī)器人的直流伺服電機(jī)使用+7V至+12V電源，內(nèi)部基準(zhǔn)信號(hào)為周期為20ms的PWM周期信號(hào)，輸入的控制信號(hào)也必須是周期為20ms的PWM周期信號(hào)，電壓為+4V至+6V。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入的控制信號(hào)的脈沖寬度有如圖3.1所示的線性關(guān)系。 圖3.1 直流伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入PWM信號(hào)寬度的關(guān)系 本文中的雙足行走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)共有17個(gè)直流伺服電機(jī)，所以在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件電路時(shí)，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(hào)。 3.2.3 硬件設(shè)計(jì)總體方案 對(duì)應(yīng)于控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基本要求，作了如下的設(shè)計(jì)方案: (1) 核心電路包括AVR核心處理器、JTAG調(diào)試接口、串口驅(qū)動(dòng)電路和A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓電路，原理如圖3.2所示。 圖3.2 核心電路原理圖 (2) 控制系統(tǒng)需要控制17個(gè)直流伺服電機(jī)，使雙足行走機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作?？刂浦绷魉欧姍C(jī)的PWM信號(hào)的周期為20ms，高電平持續(xù)時(shí)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(shí)復(fù)用。本文使用了4個(gè)三態(tài)鎖存器74HC595D PWM信號(hào)進(jìn)行4路分時(shí)復(fù)用，一共可以得到32路獨(dú)立的單邊沿PWM信號(hào)，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(jī)器人的靈活性.其舵機(jī)PWM信號(hào)控制電路原理如圖3.3所示。 圖3.3 PWM信號(hào)控制原理圖 3.2.4 電源設(shè)計(jì) 為了增加機(jī)器人的靈活性，雙足行走機(jī)器人使用高性能電池供電。直流伺服電機(jī)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(jī)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(gè)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。 3.2.5 舵機(jī)控制器PCB電路板的設(shè)計(jì) 32路伺服電機(jī)控制器是一套最具性價(jià)比的伺服電機(jī)控制器?？梢钥刂贫噙_(dá)32個(gè)伺服電機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，它不但能實(shí)現(xiàn)位置控制和速度控制，還具有時(shí)間延時(shí)斷點(diǎn)發(fā)送指令功能。其主要由上位機(jī)軟件和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器組成。通過(guò)PC機(jī)操作上位機(jī)軟件給控制器傳遞控制指令信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)多路伺服電機(jī)單獨(dú)控制或同時(shí)控制，控制指令精簡(jiǎn)，控制轉(zhuǎn)角精度高，波特率可以實(shí)時(shí)更改，體積小，重量輕，其可作為類人型機(jī)器人、仿生機(jī)器人、多自由度機(jī)械手的主控制器。此外還可以配合其他功能模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制、傳感器反饋，構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)。隨著國(guó)內(nèi)外機(jī)械產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，各大高校相繼開(kāi)設(shè)機(jī)械類創(chuàng)新課程和比賽，可將其應(yīng)用在各類機(jī)械中，起到優(yōu)化控制系統(tǒng)作用，其電路板界面如圖3.4所示。 圖3.4 兩足行走機(jī)器人控制系統(tǒng)電路板 舵機(jī)控制器接口功能： 圖3.5 控制電路板各部分標(biāo)識(shí) 舵機(jī)器控制器面板主要有電源接口、串口通訊接口、伺服電機(jī)借口、TIL通訊借口以及上位機(jī)擴(kuò)展口、電源開(kāi)關(guān)等部分組成，各部分詳細(xì)的位置分布如圖3.5所示，其中每個(gè)部分的詳細(xì)說(shuō)明如下： ①DC5V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(zhǎng)時(shí)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(tái)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?。?。 ②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(fù)標(biāo)識(shí)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。 ③伺服電機(jī)供電電源端子接口 此接口用于接插伺服電機(jī)供電電源（由于伺服電機(jī)在重負(fù)載的情況下，會(huì)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(jī)）。一般上，伺服電機(jī)啟動(dòng)和滿負(fù)載的時(shí)候耗電達(dá)1A～1.5A，而沒(méi)有負(fù)載時(shí)候只有約150mA耗電，所以請(qǐng)均衡考慮，根據(jù)同時(shí)運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)數(shù)量，來(lái)考慮電源的功率選擇。為防止意外，請(qǐng)確保不要使用功率小于設(shè)計(jì)里面。一半數(shù)目的電機(jī)滿功率運(yùn)行時(shí)功耗的電源。為用戶調(diào)試方便提供的5號(hào)四節(jié)/4位電池盒一個(gè)，裝上電池可作為伺服電機(jī)調(diào)試電源使用。 ④外擴(kuò)上位機(jī)系統(tǒng)供電接口 此接口供電來(lái)源控制部分端子接口電源，可為自主開(kāi)發(fā)的上位機(jī)（51系列、AVR系列、DSP、ARM等）板供電。 ⑤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(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，接收實(shí)時(shí)控制指令。 ⑥TTL通訊接口 若使用此功能請(qǐng)將跳線帽取下，此接口可用于伺服電機(jī)控制器與其他單片機(jī)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)BS2(Basic Stamp 2)通訊。注意接口標(biāo)識(shí)符，TX、RX左側(cè)排針?lè)謩e聯(lián)接伺服電機(jī)控制板微控器TXD、RXD引腳。 ⑦波特率設(shè)置撥碼開(kāi)關(guān) 通過(guò)設(shè)置撥碼開(kāi)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(dòng)，才會(huì)生效。 ⑧伺服電機(jī)通道接口和⑨標(biāo)識(shí)符 此接口可接插國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口的伺服電機(jī)，包括模擬式和數(shù)字式兩種。接口側(cè)方有1～32通道的標(biāo)注符，表示伺服電機(jī)受哪一通道信號(hào)控制。每一行可以接插一個(gè)伺服電機(jī)。整行接口上面有S/ + /-的標(biāo)注，其中“-”表示接插伺服電機(jī)的地線（一般為黑色）；“＋”表示接插伺服電機(jī)的電源線（一般為紅色）；“S”表示signal（信號(hào)）接插伺服電機(jī)的控制信號(hào)線（一般為黃色或白色）。支持的伺服電機(jī)：Futabaor Hitec 以及國(guó)產(chǎn)品牌（如輝盛）等。 ⑩電源開(kāi)關(guān) 此開(kāi)關(guān)控制伺服電機(jī)和控制電路兩部分電源通斷。開(kāi)關(guān)撥向標(biāo)有ON一端為接通電源；開(kāi)關(guān)撥向OFF一端為切斷整個(gè)系統(tǒng)供電。 4.人形仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) AVR系列單片機(jī)通常在其內(nèi)部集成了CPU、存儲(chǔ)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(jī)器人中得到了廣泛使用，現(xiàn)在在操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了雙足行走機(jī)器人控制系統(tǒng)的多個(gè)應(yīng)用軟件，構(gòu)成了一個(gè)完整的控制系統(tǒng)軟件框架；最后改進(jìn)了常見(jiàn)的多路PWM產(chǎn)生方法，具有很高的PWM信號(hào)的精度和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，并對(duì)雙足行走機(jī)器人進(jìn)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(jī)器人控制系統(tǒng)的功能需求和硬件電路的特點(diǎn)，軟件系統(tǒng)至少需要滿足以下5個(gè)要求： (1) 軟件模塊化，具有很好的可維護(hù)和可擴(kuò)展性。 (2) 實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的分時(shí)復(fù)用，并要保證PWM信號(hào)的高精度。并且通過(guò)軟件，能夠及時(shí)地改變PWM的輸出。 (3) 通過(guò)RS232接口能和PC機(jī)通信。 (4) 通過(guò)I℃接口記錄關(guān)鍵的信息到E2PROM存儲(chǔ)器。 (5) 通過(guò)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(jì)的技術(shù)路線與總體方案 在機(jī)器人控制系統(tǒng)中常見(jiàn)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(diǎn)和應(yīng)用如下所述： (1) DSP/BIOS操作系統(tǒng)不但具有很好的實(shí)時(shí)性[23]，而且與DSP外圍的數(shù)據(jù)庫(kù)兼容并且內(nèi)建于DSP專用的交互式集成開(kāi)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(jiǎn)而成，不開(kāi)放源碼，實(shí)時(shí)性不好。但從內(nèi)核到GUI的整個(gè)體系比較完善，并且Microsoft公司具有強(qiáng)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(duì)內(nèi)核體積的實(shí)時(shí)性都沒(méi)有太高要求的大型機(jī)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(kāi)放、體積小、可移植性強(qiáng)、可剪裁、可靠性高等特點(diǎn)，但GUI部分不完善。它非常適合在高實(shí)時(shí)性小型嵌入式系統(tǒng)中使用，經(jīng)常應(yīng)用在小型機(jī)器人控制系統(tǒng)中。 (4) VxWorks由美國(guó)Wind River公司開(kāi)發(fā)，具有極高的可靠性和實(shí)時(shí)性，但是它不開(kāi)放源碼，而且價(jià)格非常昂貴，通常應(yīng)用在軍用機(jī)器人和航天機(jī)器人中。 (5) uC-Linux和RT-Linux都是由Linux演化而來(lái)，繼承了Linux的一系列優(yōu)點(diǎn)，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(duì)開(kāi)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(jī)器人控制系統(tǒng)中。 本文根據(jù)控制系統(tǒng)硬件的特點(diǎn)和機(jī)器人的功能需要，選用了以C語(yǔ)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 Servo Control Software是實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制器通訊協(xié)議PC機(jī)上的專用WINDOWS控制軟件，本軟件操作控制簡(jiǎn)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(jī)不同速度運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)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(fèi)心點(diǎn)擊鼠標(biāo)啦，反復(fù)調(diào)試更加易用，可作為小型工業(yè)機(jī)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(dòng)生成指令文檔，日期時(shí)間準(zhǔn)確，例如robotcode20090107_1550, 您也可以個(gè)性化自命名，避免讀取指令文檔錯(cuò)誤或者重新編輯。 (4) 指令讀取功能 只要輕松點(diǎn)擊“打開(kāi)指令”按鍵，會(huì)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(dòng)作完成時(shí)間功能 只要發(fā)送指令時(shí)間大于動(dòng)作完成時(shí)間，您就可以任意設(shè)置動(dòng)作的完成時(shí)間，軟件備有自動(dòng)調(diào)整功能，可將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑過(guò)渡，避免了機(jī)器人定格控制缺陷。 4.3 伺服電機(jī)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(kāi)始調(diào)試軟件。首先我們要做好前提工作，把舵機(jī)接線按照要求插在控制板上，再把串口接線插到電腦上，開(kāi)通電源，打開(kāi)操作軟件，點(diǎn)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(diǎn)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 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(hào)與控制板上的序號(hào)一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)設(shè)計(jì)需要可選擇多路調(diào)控，伺服電機(jī)接線一定要與控制軟件通道對(duì)應(yīng)，避免出現(xiàn)控制無(wú)效現(xiàn)象。將硬件設(shè)備接好，如圖4.5所示。 圖4.5 控制板接線示意圖 單擊鼠標(biāo)左鍵軟件與硬件連接,如圖4.6所示。 圖4.6 串口連接設(shè)置圖 當(dāng)串口設(shè)置完成后,開(kāi)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(jì)中的機(jī)器人一共17個(gè)自由度,其中腿部10個(gè),也就是一共17個(gè)直流伺服電機(jī),在調(diào)試過(guò)程中,我們一共要激活17個(gè)通道,從1～17通道, 按照?qǐng)D4.7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(yùn)行指令”等按鈕，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，具體實(shí)現(xiàn)功能如圖4.8所示。 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(diǎn)擊添加后，將會(huì)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(shí)間設(shè)置 拉動(dòng)指令間隔時(shí)間滑桿可以調(diào)節(jié)發(fā)送指令間隔時(shí)間,以實(shí)現(xiàn)各舵機(jī)的協(xié)調(diào)工作,來(lái)完成復(fù)雜的動(dòng)作,如圖4.10所示。 圖4.10 發(fā)送指令間隔時(shí)間控制區(qū) 4.4 微型伺服電機(jī)的選擇 微型的伺服電機(jī)在無(wú)線電業(yè)余愛(ài)好者的航?；顒?dòng)中使用已有很長(zhǎng)一段歷史，而且應(yīng)用最為廣泛，國(guó)內(nèi)亦稱之為“舵機(jī)”，含義為：“掌舵人操縱的機(jī)器”。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器。它是機(jī)器人、機(jī)電系統(tǒng)和航模的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它接收一定的控制信號(hào)，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(jī)有3條導(dǎo)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(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)（PWM），方波脈沖信號(hào)的周期為20 ms（即頻率為50Hz)，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)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(lái)改變舵機(jī)的位置?？梢?jiàn)，其主要用作運(yùn)動(dòng)方向的控制部件。因此，機(jī)器人模型中也常用到它作為可控的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，這些活動(dòng)關(guān)節(jié)在機(jī)械原理中常稱它為自由度。 4.4.1 舵機(jī)的選型 本設(shè)計(jì)選用的舵機(jī)為“輝盛”MG945 12公斤全金屬齒大扭力舵機(jī)，其圖和參數(shù)如圖4.11和表4.1所示。 圖4.11 “輝盛”MG945舵機(jī) 表4.1 “輝盛”MG945舵機(jī)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(jī)的控制特性 “輝盛”MG945 12公斤全金屬齒大扭力舵機(jī)全轉(zhuǎn)角為180度，它的對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系如表4.2所示。 表4.2 PWM波脈寬與舵機(jī)轉(zhuǎn)角關(guān)系 PWM波脈寬 舵機(jī)轉(zhuǎn)角 對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角簡(jiǎn)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(jī)器人步行模式的建立 有的機(jī)器人行走時(shí)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(huì)超越支撐多邊形的范圍，這種步行方式被稱為動(dòng)態(tài)步行。靜態(tài)步行模式在設(shè)計(jì)步態(tài)時(shí)需要計(jì)算機(jī)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(jì)好各個(gè)步行中的姿態(tài)和姿態(tài)切換的方法，在行走的過(guò)程中不能改變，一般只能在平地上行走。 本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它具有17個(gè)自由度，驅(qū)動(dòng)器為微型直流伺服電機(jī)。該機(jī)械結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，每條腿具有5個(gè)自由度，分別為踝2個(gè)、膝l個(gè)、髖2個(gè)；每個(gè)手臂具有3個(gè)自由度，分別為肩2個(gè)、肘1個(gè)；頸部具有一個(gè)自由度。而我的主要任務(wù)是分析雙腿的運(yùn)動(dòng)模式，研究10個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及相互的協(xié)調(diào)工作的關(guān)系，建立一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)模型。 在正確的把整個(gè)機(jī)器人完整的組裝起來(lái)后，我們要把機(jī)器人腿部的每個(gè)舵機(jī)都標(biāo)注起來(lái)，以便后來(lái)的調(diào)試，腿部10個(gè)舵機(jī)的分布如圖5.1所示。 5.1 靜態(tài)步行模式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 雙足行走機(jī)器人控制系統(tǒng)中使用了靜態(tài)步行模式線設(shè)計(jì)。靜態(tài)步行模式分為10個(gè)靜態(tài)姿勢(shì)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(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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)兩足機(jī)器人的步行。 圖5.1 腿部舵機(jī)的分布 圖5.2 兩足機(jī)器人行走步行模式 5.2 姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的軟件實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人的以上10個(gè)姿態(tài)按圖5.1所示切換，就可以讓機(jī)器人在平地上步行。根據(jù)腿部運(yùn)動(dòng)的模式，我們根據(jù)腿步各關(guān)節(jié)完成的角度可以計(jì)算輸入給每個(gè)舵機(jī)的PWM脈寬值，再反饋到舵機(jī)控制軟件Servo Control Software中，點(diǎn)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#9P1500 T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500 T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1833#8P1833#9P1500 T1000 #0P1500#1P1450#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1833#8P1833#9P1500 T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500 T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500 T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500 T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1167#8P1167#9P1500 T1000 #0P1500#1P1450#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1167#8P1167#9P1500 T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500 上述完成機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)的一個(gè)循環(huán)，既從直立到抬左腿起步再到抬右腿起步，然后我們?cè)冱c(diǎn)擊如圖5.3中的“激活循環(huán)控制”就可以完成兩足行走機(jī)器人兩腿間持續(xù)左右腳交替行走的動(dòng)作了。 圖5.3 激活循環(huán)控制 總 結(jié) 雙足行走機(jī)器人是個(gè)廣泛應(yīng)用在教學(xué)、科研、比賽和娛樂(lè)等方面的機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、控制科學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等于一體。本文根據(jù)當(dāng)前雙足行走機(jī)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(diǎn)，選用8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)。并對(duì)雙足行走機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和靜態(tài)步行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人在平面上的穩(wěn)定行走。 在本設(shè)計(jì)課題中，本文基本完成了雙足行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也理論上完成了機(jī)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(jī)器人，所以對(duì)于機(jī)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(méi)有使機(jī)器人在地面上實(shí)現(xiàn)兩腿交替運(yùn)動(dòng)。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(jī)器人使用更為先進(jìn)的處理器。 (2) 機(jī)器人腳底安裝力傳感器，用來(lái)感知機(jī)器人腳和地面接觸時(shí)的受力情況，使用ZMP理論對(duì)機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)控制。 (3) 機(jī)器人增加視覺(jué)系統(tǒng)，使機(jī)器人可以識(shí)別簡(jiǎn)單的目標(biāo)。 致 謝 本論文是在老師的綜合指導(dǎo)下，并通過(guò)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(jì)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(shí)，能綜合的考查學(xué)生設(shè)計(jì)能力和對(duì)機(jī)械知識(shí)的掌握和運(yùn)用程度，是對(duì)我們四年來(lái)所學(xué)到知識(shí)大總結(jié)。雖然這次設(shè)計(jì)只有僅僅的三個(gè)月，但是我的分析問(wèn)題的能力、解決問(wèn)題的能力及獨(dú)立思考問(wèn)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(cái)富，奠定了基礎(chǔ)。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，指導(dǎo)老師對(duì)我們都極度關(guān)注，我忠心的感謝老師的熱心、耐心，以及細(xì)致的指導(dǎo)。在默默奉獻(xiàn)的老師們的指導(dǎo)下，我們達(dá)不到預(yù)期的效果.在此再次的表示忠心的感謝和誠(chéng)摯的問(wèn)候。 參考文獻(xiàn) [1]解侖，王志良，李華俊.雙足步行機(jī)器人制作技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.4. [2]柳洪義，宋偉剛. 機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社，2008.3. [4]蔣新松主編. 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M]. 沈陽(yáng): 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994. [5]孫富春，朱紀(jì)洪，劉國(guó)棟