两足行走机器人行走控制系统设计

购买设计请充值后下载，资源目录下的文件所见即所得，都可以点开预览，资料完整，充值下载可得到资源目录里的所有文件。【注】：dwg后缀为CAD图纸，doc,docx为WORD文档，原稿无水印，可编辑。具体请见文件预览，有不明白之处，可咨询QQ:12401814 各类毕业设计课程定做 Q号是1714879127 该论文含配套的图纸(需购买)该软件有以下功能：1、速度控制设定功能：可以调试出任意速度，多路电机不同速度运行稳定，实时性好，速度精准，加速减速任意设。2、循环控制功能：让您不必费心点击鼠标啦，反复调试更加易用，可作为小型工业机械手主控板，功能循环执行，提供作业效率。3、指令保存功能：可以将您调试好的指令集保存，自动生成指令文档，日期时间准确，例如robotcode20090107_1550，您也可以个性化自命名，避免读取指令文档错误或者重新编辑。4、指令读取功能：只要轻松点击“打开指令”按键，会进入指令集文档，选择您要读取的以往指令文档，恢复当前功能设置。5、控制动作完成时间功能：只要发送指令时间大于动作完成时间，您就可以任意设置动作的完成时间，软件备有自动调整功能，可将电机转动平滑过渡，避免了机器人定格控制缺陷。6、串口调试助手：不必再因打开其他调试软件浪费时间了，“发送”、“清除”轻松点击更加易用。7、蓝牙识别功能：可以添加蓝牙模块，实现无线远程控制。毕业设计课程定做 Q*Q=1714879127 南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)外文资料翻译系部： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 黄 俊 学 号： 05010213 外文出处：Luis Alexander，Alexander Mota， Pedro Fonseca 附 件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语：译文正确地表达了原文的意义、概念描述符合汉语的习惯，语句通畅，层次很清晰。 签名： 年 月 日注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文比较控制策略的自主线追踪机器人摘要 自主移动机器人是一个非常激动人心的领域，特别是对那些参加电子产品课程的学生。作者和阿维罗大学的学生参与了一些在这一领域的活动。特别是，其中一个此类活动是发明了能够沿着画在地板上直线运动的机器人。为了达到这一效果，一个模拟器已经实施并多次测试了对机器人不同控制方法的影响。本文对基于MATLAB的机器人模型和线追踪模拟器进行了一个简短的描述。然后在导致绝对误差（IAE）和积分误差平方（ISE），易微调和各自代码复杂性方面比较了几种不同的控制方法。比较的方法:成正比、比例微分、比例积分导数、模糊、表为基础的模糊，自我组织唱模糊和神经网络逆模型基础。1导言研发自主机器人是一个跨学科的活动，因此有很大的教育价值。与此事实上，考虑到作者一直支持阿维罗大学学生小组参加每年一度在法国举办的盛事，在法国，除了其他的任务，自主移动机器人必须沿着一条线运动。为了更好地理解的线追踪机器人的行为，为了显示学生们在发明机器人时来自物理、几何、电子、仪表和控制集成方面综合的科学理念，作者建立了一个沿线分布机器人的分析模型。该模型考虑到一些现实世界的限制，允许预测以电动机电压为基础的移动机器人的运动。另外，作者所描述的几何形状线追踪过程被用来建立一个模拟器。这决定了某一机器人的确定路径以及该路径和参考路径之间的关系。该模拟器是一种宝贵的工具，在之前研发机器人是能够比较不同的控制方法以及不同的传感器布局。这样在实际制造过程中可以更好地决定机器人有关的物理性质。下一节本文将对机器人模型和模拟器进行一个简短的描述，在第3节是几种不同控制方法的比较，包括比例、比例微分、比例积分微分，模糊，表为基础的模糊，模糊自我组织和神经网络逆模型基础。在第4节中将提到相关结论包括一些对正在进行的工作的评论。2仿真机器人2.1机器人模型之前已经提到学生们建造的机器人的活动通常很简单，见（图1）。 运动是通过使用两个独立的直流电电动机驱动每一个车轮。差分驱动器用于控制机器人。一个或两个额外的连铸机车轮用来保持机器人的横向稳定。与参考路径相比较机器人的偏差是通过放置在机器人之前的红外光探测器测量的。通常情况下，车轮速度的闭环控制已经不再运用。每个车轮的速度控制间接地采用马达电压的。此选项可能会降低性能的跟踪算法但简化了最后的调整。请记住，闭环速度控制方向盘使用将需要调整两个额外的独立循环。图1，基本机器人。图1 基本机器人这些特点已用于计算模型线追踪机器人（图2 ）。为了进一步提高准确性，该模型在惯性（质量（M） 和转动惯量（ j ），摩擦系数（平移（By）和旋转（B）运动），电动马达参数（电阻（ R ）和 电机常数（Km），额外的噪声（在传感器中读取）和机器人的物理限制，如线传感器（5）的长度和可用于电机（VMAX）最大电压。该模型l描述并且计算电压应用电动机为基础的机器人的线性度（v）和角速度（0)。2.2线追踪模拟器上文已经提到机器人模型与几何分析线追踪问题是相辅相成的。这个问题属于一般路径跟踪问题在众多文献2中已经被解决。特别是，本文呈现的该模拟器用被动的方式来跟踪未知的线的方法与之前计划的跟踪路径相反。因此，这是事先得知。图2 机器人模型几何分析还表明，可根据目前的偏差、车轮速度和机器人相对于线的角度位置来计算出未来偏离线（e）。该机器人是用来作为参考。然而，为了更好地界定参考轨迹和想象的机器人轨迹，另一种模式是建立在该机器人的位置基础上而做出一个绝对的参考。在这几何模型基中，机器人偏离线（e）可根据机器人绝对位置和车轮的速度来计算。知道机器人的位置（坐标X,Y,Z）是有可能计算相交的传感器阵列与线（ Xey ,Ye ），然后可以计算出偏差e（图3 ）。由此可以得出机器人位移的轨迹e是非线性的。图3 线追踪几何模型在一个无限小的时间间隔来计算机器人位移。如果这个区间保持足够小则是不相关的，如果直线运动是分开考虑的,那角运动和其中那些是要首先考虑的。在实验进行时，这样的一个区间里轨迹点以每5毫米计算是小到足以获得同样的轨迹，不管是角或直线运动都会被首先考虑。几何模型可以参考线组成的直线段和圆弧的周长一个接一个加入。虽然它似乎有限制，它允许创建几乎任何种类的轨迹顺利通过使用不同的圆弧半径。图2 为该机器人模型。2.3参考路径该模拟是在由直线段与弧线交错的围成的弧形90或 180孔一起插入纸的直片段所组成的参考路径。这种路径在图4中所描述，总长度约30米。图4 参考路径2.4机器人参数在5月的这一年，阿维罗大学以本文模拟为基础的机器人为代表参加在法国堡贝尔纳的1996年的国际移动机器人锦标赛。根据1,3的详细资料，下面的参数为：重量M = 3.2公斤转动惯量J = 0.7 千克.米2 马达最大可用电压 = 11.5伏特电机参数（R= 7 欧姆和Km= 0.86 N/ A ）车轮直径Rw= 0.03米车轮之间的距离 b = 0.27米线性运动摩擦系数 By=40kg/s角运动摩擦系数 Bw = 0.25 Kg./s类型传感器阵列-线性与饱和宽度传感器阵列 S=18米3比较控制策略可以图看出，机器人模型有两个投入，V和Vdif是平均和差别电压适用于驱动电动机。然而，只有一个错误的信号是偏差的机器人将通过传感器经参考路径传送。如果机器人总是向前推进，可以看出，任何控制方法，将减少使机器人回到参考路径。由于差动电压是一个确定的角运动的机器人的，让它改变方向，使之收敛的路线，一个简单的可能性是使用电子邮件直接控制Vdif在这种情况下，因为最终目的是为实现最高速度的参考路径，平均电压V，可以设置为最大值。然而，实际的电压适用于马达的驱动器是有限的。反映了修正到平均收益率差电压变风量和Vdif,这将真正提供给机器人模型。此外，产出的传感器功能被损坏和加性噪声。这噪声允许这些缺陷影响线路或地板，电器干扰传感器的读数和有限精度。为了便于比较，噪音载体，保持同对所有运行从开始到终结点。控制是数字化，采样周期为100毫秒。 完整的控制系统图5。那个参考输入的路径进行跟踪。错误信号是偏差宣读的传感器阵列。图5 完整的控制系统在这种简单的模式控制功能可书面表达。 在非常快的机器人中，有兴趣的也可以使用Vav作为一个电子商务功能。例如，这可以用来减慢机器人，同时描述了曲线和加快沿直线部分。然而，机器人通常都建不是非常快，运行不到0.5个D语。因此，在本文其余的简单的办法在（ 1 ）中将被用于。要比较性能的每一个控制方法两项主要措施已使用的整体绝对误差（IAE）和积分误差平方（ISE） ，综合沿着充分参考路径。其他两个措施也被使用时，机器人将达到最大绝对误差（EMax）和平均时速。3.1比例控制最简单的形式的控制是使用比例Vdif,=Kp * e控制功能产生。虽然简单，这种方法提出了几个问题。正如这一点最大价值为Kp的是很难找到（需要许多判断）特别是在非线性系统。另外，它能够提供的相对较少最佳的性能，因为它无法弥补的滞后所造成的机器人惯性。为充分参考路径图4,使用比例控制Kp= 200 ，造成偏差情节描述见图6。注意典型的振荡起因于与简单的比例的方法一起获得比较差的控制。图6 使用Kp=200控制比例附件2：外文原文1 绪论两足步行机器人是指可以使用两只脚交替地抬起和放下，以适当的步伐运动的机器人，可分为拟人机器人和桌面型两足机器人 (仿人机器人)大小和人相似，不仅具有拟人的步行功能，而且通常还具有视觉、语音、触觉等一系列拟人的功能；桌面型两足机器人通常指体积较小，只具有步行功能及其他少数特定功能的两足机器人，例如具有步行功能和视觉功能的自主踢足球机器人。与拟人机器人相比，桌面型两足步行机器人的成本较低，除了具有科研性外，还具有广泛地娱乐性，也可以应用在教学和比赛中。国内外的机器人大赛中，常常可以看到桌面型两足步行机器人的身影1。1.1 课题的研究背景和意义于两足步行机器人的拟人性和对环境良好的适应性等特点，受到各国政府和研究者的广泛重视，是当今世界的高新技术的代表之一。它在科研、教学、比赛和娱乐等方面都很到了很好的应用。江苏省大学生机器人大赛和全国大学生机器人大赛中经常有两足步行机器人，它可以参加舞蹈机器人比赛、两足竞走机器人比赛、Robocop类人组机器人踢足球10器人创新比赛、Robocop救援组比赛等。舞蹈机器人比赛时使用了日本“KONDO”两足步行机器人，性能出众，发挥稳定，获得了舞蹈机器人比赛的冠军。但是该机器人是集成度很高的商业产品，它的控制系统不开放底层代码，难以进行二次开发和步态研究。 所以本文基于机器人控制系统中常用的众多处理器和操作系统各自的特点，并结合“KONDO”机器人机械结构的特性，选用了高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器内核处理器ATMega8P来实现对机器人的控制来。设计的控制系统控制指令精简，控制转角精度高，波特率可以实时更改，体积小，重量轻，其可作为类人型机器人、仿生机器人、多自由度机械手的主控制器。随着中国机械产业的不断进步，各高校相继开设机械类创新课程和比赛，学生可将其应用在各类机械创新作品中，优化控制系统参加比赛。日本“KONDO”机器人如图1.1所示。图1.1 日本“KONDO”跳舞机器人1.2 国内外研究现状步行是人与大多数动物所具有的移动方式，其中两足直立行走是人类特有的步行方式，是所有步行方式中自动化程度最高，最为复杂的动态系统。最早从工程角度研究双足机器人并获得成功的是早稻田大学的加藤一郎。1972年，加藤实验室推出了wL-5双足步行机器人，这是世界上第一台双足机器人。1996年11月本田(HONDA)公司展示了一个有两腿两臂的仿人2型机器人P2,能在平地上行走、转弯、上下楼梯和跨越障碍，并可提5公斤的重物和使用扳手等简单工作;在此基础上，本田公司又连续开发了第二代仿人机器人P3，第三代仿人机器人Asimo, Asimo高120cm，行走质量很高，非常接近人类。Sony公司也推出了能歌善舞的机器人Qrio，不但具有非常出色的步行稳定性，而且具有很强的自行辨认能力，甚至能在狭隘道路上行走并绕过障碍物。这两个机器人代表了当前世界上两足步行机器人研制的最高水平。Asimo和Qrio都是拟人机器人，它们除了具有两足步行功能之外，还具有非常强大的视觉功能和语音功能，能辨认很多目标，并能和人进行很好的语言及肢体交流。而桌面型的两足机器人也一直受到研究者的重视，研究的重点是两足步行功能。如图1.2所示。 图1.2 Asimo(左)和Sony的Qrio(右)2006年，日本神奈川大学设计的WABIAN-2LL机器人，身高120cm，重40Kg,在步行中通过膝关节改变腿长，通过腰关节的运动来减少腿部运动对身体重心的影响。2007年，大阪大学的Koh Hosoda等人研究了人类行走过程中的腿、腰、头、手臂等各部分的协同作用，在两足机器人中引入了三维极限环协同理论，设计的机器人Pneumat-BT6，7。随着集成电路的发展，小型机器人可以具有功能越来越强大的嵌入式计算系统，甚至可以使用运算能力很强的图像处理和模式识别系统。这使得桌面型两足步行机器人和拟人机器人之间并没有严格的区分标准。2007年，东京Denki大南京师范大学硕士学位论文学的Hideto SHIMIZU等人设计了小型两足步行机器人HOAP-3，身高60cm，重8. 8Kg，共有28个自由度，有一个强大的视觉处理系统。如图1.3所示。 图1.3 WABIAN-2LL(左)、Pneumat-BT(中)和HOAP-3(右)2006年，西班牙Politecnica de Valencia大学的Albero和Blanes等人设计了具有高性能分布式控制系统的桌面型两足机器人YABIRO，高55cm，重4Kg，共27个自由度，具有独特的腰部三自由度结构，如图所示。该机器人使用了多个嵌入式系统，主控制系统使用了嵌入式个人计算机和实时Linux操作系统，具有非常强大的数据处理能力；主、从控制系统以及传感器之间使用dual-CAN总线通信。2006年，韩国国立釜山大学开发了脚底安装有力传感器的桌面型两足机器人，该机器人身高28cm，重3.2Kg，如图所示。同年，韩国Sung KyunKwan大学也开发了一个桌面型两足步行机器人，身高45cm，重4.3Kg，共24个自由度，如图所示。该机器人使用了TI公司的DSP TMS320F2407作为控制器，使用直流无刷电机作为驱动器，在两足步态设计中引入了遗传算法。如图1.4所示。图1.4 YABIRO-2（左）、釜山大学机器人和Sung Kuhn Kwan 大学机器人（右）我国从80年代中期才开始研究两足步行机器人20，21 ，国防科技大学1988年研制成功我国第一台平面型六自由度的两足机器人，能实现前进、后退和上下楼梯；之后又现了实验室环境中的全方位行走，1995年，实现了动态步行。2000年11月，国防科技大学又研制出了我国第一台具有人类外观特征、可以模拟人类行走与基本操作功能的拟人两足步行机器人Pioneero。 2002年，清华大学精密仪器系、机械工程系和自动化系组成的研究小组开始研究开发拟人机器人THBIP，共32个自由度，可以步行、上下楼梯、打太极拳等，并具有视觉及语音识别功能3。 两足机器人的研制发展过程，是由少自由度到多自由度、由实现简单动作到复杂动作、由静态步行到动态步行、由仅从简单功能到仿生功能的研制过程。1.3 本文的主要工作本文设计的主要内容是两足行走机器人的行走控制系统部分，我选用8 位AVR 微处理器内核处理器ATMega8P，设计了两足行走机器人的控制系统。主要工作包括：(1) 设计了两足步行机器人的硬件电路。选用高性能、低功耗的 8 位AVR微处理器，指令执行时间为单个时钟周期，速度快，控制精度高、I/O口驱动能力更强，优于AT51、STC51系列单片机。(2) 选择设计了两足步行机器人的控制软件系统。在AVR微处理器中移植了u C/OS-II操作系统；在操作系统下设计了应用程序，实现了两足机器人控制系统的各项功能，搭建了完整的两足机器人控制系统软件框架12，13。(3) 搭建了17自由度机器人双腿的运动模式，通过17个舵机同时协调运作，以实现机器人完成相应的动作。(4) 完成毕业设计的同时，提出本设计的不足，指出需要改进的地方。1.4 本文组织结构第一章介绍了两足步行机器人的国内外研究现状 26 ，由别人设计的机器人总结对自己的启发提出本设计的主要任务点。第二章介绍了控制系统中常用的处理器和操作系统、以及两足步行机器人的机械结构，并说明了本文设计两足步行机器人控制系统的目的。使用Prote199设计了两足步行机器人控制系统的硬件，包括核心电路图和PWM脉冲信号控制原理图。第三章介绍了使用实现机器人控制系统的具体软件，这里我们使用了Servo Control Software,是实现伺服电机控制器通讯协议PC机上专用WINDOWS控制软件，可以简便的实现复杂动作的操控。第四章建立两足步行机器人步行模式建立，对机器人的双腿运动进行了分析，对10个微型伺服直流电机的转角角度进行了逐个分析。第五章对本文的工作进行了总结，并对今后的深入研究提出了建议。2 两足步行机器人控制系统硬件设计与实现在以比赛、娱乐、教学和研究为目的的两足步行机器人控制系统中，单板计算机作为控制系统虽然运算速度快，但体积大、成本高，而且功耗大；有此而选用高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器，指令执行时间为单个时钟周期，速度快，控制精度高、I/O口驱动能力更强，优于AT51、STC51系列单片机，所以能够解决一些较为复杂的控制指令。2.1 硬件系统的基本要求两足步行机器人是对人类的模仿15。但人类的结构极其复杂，对人类步行原理的研究至今仍有许多未解决的问题。所以在设计两足步行机器人机械结构时，会对人类步行的结构进行减化，只会考虑基本的步行功能。人类的仅下肢就具有62对肌肉，腰部8对肌肉，在设计两足步行机器人时，要控制具有这么多自由度的多变量系统几乎是不可能的事情，所以两足步行机器人通常腿部只具有8至12个自由度，腰部具有0至3个自由度。本课题设计的机器人共有17个自由度，驱动器为微型直流伺服电机，简称舵机。其机械结构如图2.1所示。 图2.1 机器人机械实物该机器人的机械结构具有如下特点：(1) 该机器人的机械设计具有很高的稳定性，国外的一些类似机器人曾获得机器人比赛冠军；(2) 该机器人踝关节和髋关节各具有两个自由度，这种机械结构设计可以使机器人在不平地面站立；(3) 该机器人膝关节具有一个自由度；(4) 该机器人肩关节具有两个自由度，肘关节具有一个自由度，可以实现简单的摆臂功能，用以配合腿部的运动，抑制摆腿时产生的左右扭转趋势。(5) 该机器人的机械结构也具有一个缺点:没有腰部扭转自由度，使两足步行机器人在行走中不能使用腰部关节进行姿态平衡，但这并不阻碍机器人在平地上的行走。 本文在“KONDO”机器人9机械结构的基础上，设计控制系统，用来替换其自带的控制系统。本文设计的控制系统在硬件上至少满足如下5个基本要求：(1) 产生不少于17路独立的高精度单边沿PWM信号，用来控制作为机器人关节驱动器的17个直流伺服电机；(2) 具有调试接口；(3) 具有一个与PC机通信的接口；(4) 具有多路A/D转换电路，用来扩展传感器；(5) 具有独立而稳定的电源。我们设计的机器人所用的高精度直流伺服电机，控制信号为0.5ms2.5ms高电平的PWM信号，对应转角为0度到180度，电机精度为0.1度，则控制信号的精度应该高于(2.5ms0.5ms) /1800 =1.11s。2.2 硬件系统设计的技术路线和总体方案2.2.1 处理器选型二十年前，只有少数的几个科研机构在研究两足步行机器人，现在却不胜枚举，这其中很重要的一个原因就是嵌入式计算机的高速发展24，25。嵌入式计算机由于其体积小、功耗低、硬件资源丰富，非常适合应用在对体积和功耗都有较高要求的小型机器人系统中。在机器人控制系统中常用的处理器有：TI C2000和C6000系列DSP、8051和AVR单片机、ARM7和ARM9系列、PC104和PowerPC单板计算机等。它们各自具有鲜明的特点，通常都是为了特殊的应用而设计，如表2.1所示。表2.1 机器人控制系统中常用处理器机器人控制系统中常用的处理器处理器的特点在机器人控制系统中的应用C2000系列DSP具有很强的数字信号处理能力,适合运动控制,硬件设计方便。运动控制、语音处理。尤其适合执行针对单个或一对直流（无刷）电机的复杂算法。C6000系列DSP具有极强的数字信号处理能力，具有专门的操作系统，硬件设计非常复杂。高级的视觉处理和模式识别8051和AVR系列单片机结构和指令简单;运算能力较低，通常不支持操作系统：几乎全部芯片都己经单片化，硬件设计非常方便。 简单的运动控制和信号处理，在复杂的控制系统中作为局部控制器。ARM7系列 典型的RISC处理器，运算能力较强，支持多种操作系统：部分型号芯片己经单片化，硬件设计较方便。小型机器人主控制器，常用于运动控制和传感器信号处理。ARM9系列 典型的RISC处理器，运算能力很强，支持多种操作系统;几乎没有单片化，硬件设计较复杂。 机器人主控制器，同以进行视觉处理、语音处理和模式识别。 PC104, PowerPC等单板计算机由PC演化而来，通用性很强，功耗大，硬件设计非常复杂。 复杂的拟人机器人的主控制器。 DSP处理器在谱分析、FFT变换、数字滤波等方面得到非常广泛地应用。TI公司的02000系列DSP主要用来进行运动控制，适合用于执行针对单个或少量电机的高级控制算法。虽然C2000在桌面型两足机器人中也有应用，但C2000对操作系统的支持能力有限，一般不使用操作系统，所以如果作为主控制器会带来软件设计上的局限性。C6000系列具有很高的主频、丰富的硬件资源、特殊的系统结构，数字信号处理能力非常强大，并且TI公司特地为C6000(和C5000)系列开发了专用DSP/BIOS操作系统。DSP/BIOS操作系统使C6000如虎添翼，成为了高级视觉处理应用的主流处理器。但使用C6000作为处理器时电路复杂，通常只在大型拟人机器人中作为高级的视觉处理器，小型的机器人中应用很少。8051和AVR系列单片机通常在其内部集成了CPU、存储器、总线逻辑、看门狗、I/0、以及其他接口，单片化的特性使其体积和功耗都大大减小，在两足步行机器人中得到了广泛使用。ARM7系列处理器是ARM处理器中使用很多的一款。ARM7处理器是典型的RISC处理器，对操作系统的支持能力很强，适合运行多种操作系统。ARM9系列处理器在ARM7的基础上进一步地提高了运算能力，增加了更多的硬件资源。ARM9对操作系统的支持能力同样地强大。ARM9适合作为两足机器人控制系统的主控制器，同时还可以作视觉处理、语音处理和模式识别。但ARM9系列处理器几乎没有能实现单片化的，硬件设计较为复杂。单板计算机由通用计算机演化而来，常见的有PC104、PowerPC、MIPS、68000等。单板计算机具有良好的通用性，对操作系统具有极强的支持能力。但其设计和开发比较复杂，功耗较大，在拟人机器人等大型机器人中经常被用作主控制器。本文结合控制系统设计的基本要求和常用处理器19，高性能、低功耗的 8 位AVR微处理器，指令执行时间为单个时钟周期，速度快，控制精度高、I/O口驱动能力更强，优于AT51、STC51系列单片机。2.2.2 直流伺服电机的控制特性直流伺服电机又称为舵机，是一种位置伺服驱动器，适用于角度不断变化并可以保持的控制系统22。我们设计的两足行走机器人的直流伺服电机使用+7V至+12V电源，内部基准信号为周期为20ms的PWM周期信号，输入的控制信号也必须是周期为20ms的PWM周期信号，电压为+4V至+6V。电机输出转角与输入的控制信号的脉冲宽度有如图2.2所示的线性关系。图2.2 直流伺服电机输出转角与输入PWM信号宽度的关系本文中的两足步行机器人机械结构共有17个直流伺服电机，所以在设计控制系统硬件电路时，除了需要提供9V至12V的电源外，还必须提供至少17路4V至6V的PWM信号。2.2.3 硬件设计总体方案对应于控制系统硬件设计的基本要求，作了如下的设计方案:(1) 核心电路包括AVR11核心处理器、JTAG调试接口、串口驱动电路和A/D转换基准电压电路19，原理如图2.3所示。图2.3 核心电路原理图(2) 控制系统需要控制17个直流伺服电机，使两足步行机器人完成相应的动作。控制直流伺服电机的PWM信号的周期为20ms，高电平持续时间为0. 5ms至2. 5ms，占空比较小，最大仅为1/8，所以可以进行多路分时复用。本文使用了4个三态锁存器74HC595D PWM信号进行4路分时复用，一共可以得到32路独立的单边沿PWM信号，这样可以满足控制系统的要求。使用高性能电池供电，增加了机器人的灵活性.其舵机PWM信号控制电路原理如图2.4所示。 图2.4 PWM信号控制原理图2.2.4 电源设计为了增加机器人的灵活性，两足步行机器人使用高性能电池供电。直流伺服电机的电源要求为9V至12V，本文选用了电压为9V的高性能电池，直接作为直流伺服电机的电源。由于基于AVR的处理器和外设均使用3. 3V电源电压，所以需要选用电源电压转换器进行电压转换。我们使用了一个直流电压转换芯片L78M05将电池的直流电源转换为相应的电流。2.2.5 舵机控制器PCB电路板的设计32路伺服电机控制器是一套最具性价比的伺服电机控制器。可以控制多达32个伺服电机协调动作的软硬件结合系统，它不但能实现位置控制和速度控制，还具有时间延时断点发送指令功能。其主要由上位机软件和伺服电机驱动控制器组成。通过PC机操作上位机软件给控制器传递控制指令信号，即可实现多路伺服电机单独控制或同时控制，控制指令精简，控制转角精度高，波特率可以实时更改，体积小，重量轻，其可作为类人型机器人、仿生机器人、多自由度机械手的主控制器。此外还可以配合其他功能模块实现无线控制、传感器反馈，构建闭环控制系统。随着国内外机械产业的不断进步，各大高校相继开设机械类创新课程和比赛11，学生可将其应用在各类机械创新作品中，起到优化控制系统作用，其电路板界面如图2.5所示。图2.5 两足行走机器人控制系统电路板2.3 舵机控制器的使用方法2.3.1 伺服电机控制板接口功能 图2.6 控制电路板各部分标识舵机器控制器面板主要有电源接口、串口通讯接口、伺服电机借口、TIL通讯借口以及上位机扩展口、电源开关等部分组成，各部分详细的位置分布如图2.6所示，其中每个部分的详细说明如下：DC5V直流电源接口此接口用于接插控制器控制部分供电电源，为了方便长时间调试，可以用套装中为用户提供的USB取电线，直接插笔记本电脑或台式电脑USB接口。也可接插符合下面要求的外置电源适配器（注意电源极性！）。控制部分电源端子接口此接口用于接插控制器控制部分供电电源，为增大用户选择电源电压范围，特设此接口。工作电压范围：7V12V。注意端子接口正负标识符！正确接线，避免损坏控制器。为用户调试方便提供9V电池扣接线一条，可接9V电池使用。伺服电机供电电源端子接口此接口用于接插伺服电机供电电源（由于伺服电机在重负载的情况下，会将放大器电压拉低，为防止影响控制器部分电压突变，应该将两部分分别供电），工作电压：4V6V（普通伺服电机）。一般上，伺服电机启动和满负载的时候耗电达1A1.5A，而没有负载时候只有约150mA耗电，所以请均衡考虑，根据同时运动的伺服电机数量，来考虑电源的功率选择。为防止意外，请确保不要使用功率小于设计里面。一半数目的电机满功率运行时功耗的电源。为用户调试方便提供的5号四节/4位电池盒一个，装上电池可作为伺服电机调试电源使用。外扩上位机系统供电接口此接口供电来源控制部分端子接口电源，可为自主开发的上位机（51系列、AVR系列、DSP、ARM等）板供电。串口通讯接头此端口使用标准RS232串口电平进行通讯，可以接插为用户提供的串口通讯线和计算机进行通讯，接收实时控制指令。TTL通讯接口若使用此功能请将跳线帽取下，此接口可用于伺服电机控制器与其他单片机开发的上位机BS2(Basic Stamp 2)通讯。注意接口标识符，TX、RX左侧排针分别联接伺服电机控制板微控器TXD、RXD引脚。波特率设置拨码开关通过设置拨码开关，波特率可以在2400 960038.4k 115.2k四种数值中转换。注意：1代表ON，0代表OFF。控制器波特率默认设置为115200。每次更改波特率数值后，都要给控制器重新上电启动，才会生效。伺服电机通道接口和标识符此接口可接插国际标准接口的伺服电机，包括模拟式和数字式两种。接口侧方有132通道的标注符，表示伺服电机受哪一通道信号控制。每一行可以接插一个伺服电机。整行接口上面有S/ + /-的标注，其中“-”表示接插伺服电机的地线（一般为黑色）；“”表示接插伺服电机的电源线（一般为红色）；“S”表示signal（信号）接插伺服电机的控制信号线（一般为黄色或白色）。支持的伺服电机：Futabaor Hitec 以及国产品牌（如辉盛）等。电源开关此开关控制伺服电机和控制电路两部分电源通断。开关拨向标有ON一端为接通电源；开关拨向OFF一端为切断整个系统供电。 本科毕业设计说明书（论文） 第 29 页 共 29 页3 两足步行机器人控制系统软件设计AVR系列单片机通常在其内部集成了CPU、存储器、总线逻辑、看门狗、I/0、以及其他接口，单片化的特性使其体积和功耗都大大减小，在两足步行机器人中得到了广泛使用，现在在操作系统下设计并实现了两足步行机器人控制系统的多个应用软件，构成了一个完整的控制系统软件框架；最后改进了常见的多路PWM产生方法，具有很高的PWM信号的精度和系统的实时性，并对两足步行机器人进行了关节调试。3.1 软件系统的基本要求根据机器人控制系统的功能需求和硬件电路的特点，软件系统至少需要满足以下5个要求：(1) 软件模块化，具有很好的可维护和可扩展性。(2) 实现PWM信号的分时复用，并要保证PWM信号的高精度。并且通过软件，能够及时地改变PWM的输出。(3) 通过RS232接口能和PC机通信。(4) 通过I接口记录关键的信息到E2PROM存储器。(5) 通过3路10位A/D转换器读取传感器的值并预处理。3.2 软件设计的技术路线与总体方案在机器人控制系统中常见的操作系统有:TI的DSP/BIOS, Microsoft的WinCE, u C/OS-II, Wind River的VxWorks, uC-Linux和RT-Linux等，它们各自的特点和应用如下所述：(1) DSP/BIOS操作系统不但具有很好的实时性23，而且与DSP外围的数据库兼容并且内建于DSP专用的交互式集成开发环境CCS。但DSP/BIOS操作系统只适合在TI的C6000和C5000 DSP处理器上使用。(2) WinCE操作系统由Windows95精简而成，不开放源码，实时性不好。但从内核到GUI的整个体系比较完善，并且Microsoft公司具有强大的软件研发和技术支持能力。WinCE适合在功能复杂但对内核体积的实时性都没有太高要求的大型机器人主控制系统中使用，或者在图像监控系统中使用。(3) uC/OS-II由世界著名的嵌入式专家Jean J. Lacrosse编写，它具有源码开放、体积小、可移植性强、可剪裁、可靠性高等特点，但GUI部分不完善。它非常适合在高实时性小型嵌入式系统中使用，经常应用在小型机器人控制系统中。(4) VxWorks由美国Wind River公司开发，具有极高的可靠性和实时性，但是它不开放源码，而且价格非常昂贵，通常应用在军用机器人和航天机器人中。(5) uC-Linux和RT-Linux都是由Linux演化而来，继承了Linux的一系列优点，比如高可靠性和具有完善的网络功能。它们结构复杂，对开发人员的技术要求较高，通常应用在比较复杂的机器人控制系统中。本文根据控制系统硬件的特点和机器人的功能需要，选用了以C语言为基础编写而成的操作系统“Servo Control Software”。其软件的操作界面如图3.1所示。图3.1 Servo Control Software操作界面Servo Control Software是实现伺服电机控制器通讯协议PC机上的专用WINDOWS控制软件，本软件操作控制简便，该软件有以下功能：(1) 速度控制设定功能 可以调试出任意速度，多路电机不同速度运行稳定，实时性好，速度精准，加速减速任意设。(2) 循环控制功能 让您不必费心点击鼠标啦，反复调试更加易用，可作为小型工业机械手主控板，功能循环执行，提供作业效率。(3) 指令保存功能 可以将您调试好的指令集保存，自动生成指令文档，日期时间准确，例如robotcode20090107_1550, 您也可以个性化自命名，避免读取指令文档错误或者重新编辑。(4) 指令读取功能 只要轻松点击“打开指令”按键，会进入指令集文档，选择您要读取的以往指令文档，恢复当前功能设置。(5) 控制动作完成时间功能 只要发送指令时间大于动作完成时间，您就可以任意设置动作的完成时间，软件备有自动调整功能，可将电机转动平滑过渡，避免了机器人定格控制缺陷。3.3 伺服电机控制软件操作方法3.3.1 串口设置在熟悉了该软件后，我们开始调试软件。首先我们要做好前提工作，把舵机接线按照要求插在控制板上，再把串口接线插到电脑上，开通电源，打开操作软件，点击软件操作界面里的串口设置，选择合适的波特率，然后点确定，其操作方法如图3.2、图3.3、图3.4所示：图3.2 串口设置第一步图3.3 串口设置第二步图3.4 串口设置第三步3.3.2 控制通道设置控制通道序号与控制板上的序号一一对应，根据设计需要可选择多路调控，伺服电机接线一定要与控制软件通道对应，避免出现控制无效现象。将硬件设备接好，如图3.5所示。图3.5 控制板接线示意图单击鼠标左键软件与硬件连接,如图3.6所示。图3.6 串口连接设置图当串口设置完成后,开始设置控制通道,单击鼠标左键以激活控制通道,本设计中的机器人一共17个自由度,其中腿部10个,也就是一共17个直流伺服电机,在调试过程中,我们一共要激活17个通道,从117通道, 按照图3.7所示。图3.7 控制通道设置示意图3.3.3 操作设置在控制软件的操作设置区域有“添加指令”、“指令修改”、“删除指令”、“运行指令”等按钮，分别实现不同的功能，具体实现功能如图3.8所示。图3.8 操作设置功能图3.3.4 控制指令回显区调整好合适指令点击添加后，将会出现在回显区中。如图3.9所示。图3.9 指令回显区3.3.5 发送指令时间设置拉动指令间隔时间滑杆可以调节发送指令间隔时间,以实现各舵机的协调工作,来完成复杂的动作,如图3.10所示。图3.10 发送指令间隔时间控制区3.4 微型伺服电机（舵机）的选择微型的伺服电机在无线电业余爱好者的航模活动中使用已有很长一段历史，而且应用最为广泛，国内亦称之为“舵机”，含义为：“掌舵人操纵的机器”。舵机是一种位置伺服的驱动器。它是机器人、机电系统和航模的重要执行机构。它接收一定的控制信号，输出一定的角度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。标准的舵机有3条导线：电源线（红）、地线（黑或灰）、控制线（白或橙黄）。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号（PWM），方波脉冲信号的周期为20 ms（即频率为50Hz)，当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比，也就是利用占空比的变化来改变舵机的位置。可见，其主要用作运动方向的控制部件。因此，机器人模型中也常用到它作为可控的运动关节，这些活动关节在机械原理中常称它为自由度。3.4.1 舵机的选型本设计选用的舵机为“辉盛”MG945 12公斤全金属齿大扭力舵机，其图和参数如图3.11和表3.1所示。图3.11 “辉盛”MG945舵机表3.1 “辉盛”MG945舵机参数尺寸重量速度扭力使用电压40.8*19.9*37.3mm56.3g0.24sec/60度12公斤/厘米4.8V7.2V3.4.2 辉盛MG945舵机的控制特性 “辉盛”MG945 12公斤全金属齿大扭力舵机全转角为180度，它的对应的控制关系如表3.2所示。表3.2 PWM波脉宽与舵机转角关系PWM波脉宽舵机转角对应转角简图0.5ms0度0.9ms45度1.5ms90度2.1ms135度2.5ms180度4 两足步行机器人步行模式的建立有的机器人行走时质心在地面上的投影始终在脚的支撑多边形内，这种步行方式被称为静态步行；在人的日常行走中，质心在地面上的投影经常会超越支撑多边形的范围，这种步行方式被称为动态步行。静态步行模式在设计步态时需要计算机器人的重心位置，以防止重心在地面上的投影超出了支撑多边形范围。静态步行通常是在行走前离线设计好各个步行中的姿态和姿态切换的方法，在行走的过程中不能改变，一般只能在平地上行走。4.1 本章任务本设计中的机器人的机械结构，它具有17个自由度，驱动器为微型直流伺服电机。该机械结构左右对称，每条腿具有5个自由度，分别为踝2个、膝l个、髋2个；每个手臂具有3个自由度，分别为肩2个、肘1个；颈部具有一个自由度。而我的主要任务是分析双腿的运动模式，研究10个舵机的转动角度以及相互的协调工作的关系，建立一个完整的运动模型。首先要把机器人组装起来，其腿部图片如图4.1所示。图4.1 单腿的实物图片在正确的把整个机器人完整的组装起来后，我们要把机器人腿部的每个舵机都标注起来，以便后来的调试，腿部10个舵机的分布如图4.2所示。图4.2 腿部舵机的分布4.2 静态步行模式设计与实现两足步行机器人控制系统中使用了静态步行模式45线设计。静态步行模式分为10个静态姿势及其切换顺序如图4.2所示。图4.2 两足机器人行走步行模式其中直立是初始状态；起步是为步行做准备，重心移到右脚；抬后脚(左)、迈步(左)和前脚着地(左)都是右腿支撑左腿摆动的姿态；重心前移(左)是两腿支撑，将重心从后面的右脚转移到前面的左脚；抬后脚(右)、迈步(右)和前脚着地(右)都是左腿支撑右腿摆动的姿态；重心前移(右)是两腿支撑，将重心从后面由左脚再次转移到前面的右脚。重心在左右脚之间反复转移，左右脚的前后关系也反复转换，实现两足机器人的步行。4.3 姿态运动的软件实现机器人的以上10个姿态按图4.2所示切换，就可以让机器人在平地上步行。根据腿部运动的模式，我们根据腿步各关节完成的角度可以计算输入给每个舵机的PWM脉宽值，再反馈到舵机控制软件Servo Control Software中，点击“添加指令”按钮，其控制回显区出现指令如下：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上述完成机器人腿部运动的一个循环，既从直立到抬左腿起步再到抬右腿起步，然后我们再点击如图4.3中的“激活循环控制”就可以完成两足行走机器人两腿间持续左右脚交替行走的动作了。图4.3 激活循环控制结 束 语两足步行机器人是个广泛应用在教学、科研、比赛和娱乐等方面的机器人，集机械学、电子学、控制科学、计算机、数学等于一体。本文根据当前两足步行机器人控制系统中常用的处理器和操作系统各自的特点，选用8 位AVR微处理器，指令执行时间为单个时钟周期，速度快，控制精度高、I/O口驱动能力更强，优于AT51、STC51系列单片机。并对两足步行机器人进行了运动学分析和静态步行设计，实现在机器人在平面上的稳定行走。在本设计课题中，我及我们小组，基本完成了两足行走机器人的结构设计，也理论上完成了机器人的控制系统，但是由于选择的较为有难度的17自由度机器人，所以对于机器人结构的选用材料、平衡力学处理、控制系统处理器等客观条件有了更高的要求。在本课题中，由于条件有限，我们没有使机器人在地面上实现两腿交替运动。在我负责的控制系统这一块中，我理论设计了一套控制方案，我使用的是核心为8位的AVR微处理器控制器，在设计过程中就发现的它的缺陷，由于我们设计的17自由度机器人，也就是有17个微型直流伺服电机，相应的要同时提供17路的PWM脉冲信号，这就对处理器有了比较高的要求，而这时8位处理器则达不到使用要求。所以该课题在以后还有很多要进一步改进和研究的地方：(1) 机器人使用更为先进的处理器，如表2.1中的ARM系列处理器和PC104, PowerPC等单板计算机。(2) 机器人脚底安装力传感器，用来感知机器人脚和地面接触时的受力情况，使用ZMP理论对机器人进行步态控制。(3) 机器人增加视觉系统，使机器人可以识别简单的目标。桌面型的两足机器人由于受到体积和成本的限制，大多不具备视觉系统或只有很简单的视觉系统。但随着技术的进步，桌面型的两足机器人也会具有复杂的视觉系统。这在足球机器人中尤其重要。致 谢本文的研究工作是在刘艳老师的精心指导下完成的。在整个课题研究过程中，老师在各方面给予了我无尽的关心、帮助和教诲，使本论文的研究工作得以顺利完成。老师学识渊博，经验丰富，思维敏捷，时时给我热情的鼓励和不倦的教诲，在研究思想和研究方法上给了我诸多启示，解答了许多难题，从课程学习、论文选题、课题研究到论文撰写无不凝聚着老师们的心血和汗水。老师待人诚恳，心胸宽大，精深的知识令我受益匪浅。在此向刘艳表示无尽的感谢，同时此课题能够顺利完成也离不开同学给我的帮助和指导，在此也特别向他们表示深深的谢意！参 考 文 献1 包志军，马培荪. 两足机器人到仿人型机器人的研究历史及其问题J.机器人, 1999(4):312-319.2 龟田秀司. 仿人机器人M. 管贻生译. 北京:清华大学出版社, 2007.3 徐凯. 仿人机器人步态规划算法及其实现研究D. 北京:清华大学工学硕士学位论文, 2006. 4 胡凌云，孙增沂. 双足机器人步态控制研究方法综述J. 计算机研究与发展，2005.5 石宗英，徐文立，冯元馄等. 仿人型机器人动态步行控制方法J. 机器人, 2001.6 胡洪志. 仿人步行机器人的运动规划方法研究D. 国防科技大学研究生院学位论文, 2002.7 王勇. 基于被动动力式的两足机器人研究现状J. 机械工程师，2005.8 付成龙，陈恳. 双足机器人稳定性与控制策略研究进展J. 高技术通讯, 2006.9 刘森，慕春棣，赵明国. 基于AVR式系统的拟人机器人控制器的设计J.北京:清华大学学报(自然科学版),2008.10 杨晶东，黄庆成，洪炳铭. 双足足球机器人实时避障导航系统研究J.机器人, 2005. 11 江海波. 深入浅出AVR单片机M. 北京:中国电力出版社，2008 12 徐亮，徐中伟. u C/OS-II实时系统任务调度优化J. 计算机工程，Oct 200733 (19):57-59.13 吴平. u C /OS-II中任务调度算法的改进J. 单片机与嵌入式系统应用, Mar 2006(3):23-25.14 吴伟国, 李小宁, 王瑜. 类人机器人腰部关节平衡作用研究与仿真J.机械设计与制造，May 2005,(5):112-114.15 黄燕平. u C/OS-II ARM移植要点详解M. 北京:北京航空航天大学出版社，Nov2005.16 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