人形仿生机器人双足行走机构设计【全套含PROE三维+CAD图纸和说明书】
人形仿生机器人双足行走机构设计 摘 要 本文是在对国内外人形仿生机器人双足行走机构资料 特别是连接键部分 和控制资料进行研读的基础下 对人形仿生机器人双足行走机构的整体结构 驱动 控制和传感器等方面进行方案拟定 本文对人形仿生机器人双足行走机 构的结构进行详细的设计 画出总装配图 部件图并完成相应的设计计算 本 文所设计的双足行走机构是采用舵机实现运动 并且采用单片机实现机器人的 运动控制 本设计还对人形仿生机器人双足行走机构的结构组成和控制部分进 行了详细的分析 关键词 仿生机器人 行走机构 单片机 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 录 1 绪论 1 1 1 双足行走机器人的特点 1 1 2 国内外双足机器人的研究现状 2 1 2 1 国内状况 2 1 2 2 国外状况 3 1 3 课题技术要求 6 2 人形仿生机器人双足行走机构设计分析 6 2 1 双足行走机器人的结构分析 6 2 2 双足行走机器人设计方案 7 2 3 驱动方式的选择 9 2 4 双足机器人相关数据 10 3 人形仿生机器人双足行走机构控制系统硬件设计 11 3 1 硬件系统的基本要求 11 3 2 硬件系统设计的技术路线和总体方案 11 3 2 1 处理器选型 11 3 2 2 直流伺服电机的控制特性 13 3 2 3 硬件设计总体方案 14 3 2 4 电源设计 16 3 2 5 舵机控制器 PCB 电路板的设计 16 4 人形仿生机器人双足行走机构控制系统软件设计 18 4 1 软件系统的基本要求 19 4 2 软件设计的技术路线与总体方案 19 4 3 伺服电机控制软件操作方法 21 4 3 1 串口设置 21 4 3 2 控制通道设置 22 4 3 3 操作设置 23 4 3 4 控制指令回显区 24 4 3 5 发送指令时间设置 24 4 4 微型伺服电机的选择 24 4 4 1 舵机的选型 25 4 4 2 所选舵机的控制特性 25 5 双足行走机器人步行模式的建立 26 5 1 静态步行模式设计与实现 26 5 2 姿态运动的软件实现 28 总 结 30 致 谢 31 参考文献 32 1 1 绪论 机器人是自动控制机器 Robot 的俗称 自动控制机器包括一切模拟人类 行为或思想与模拟其他生物的机械 如机器狗 机器猫等 狭义上对机器人的 定义还有很多分类法及争议 有些电脑程序甚至也被称为机器人 在当代工业 中 机器人指能自动执行任务的人造机器装置 用以取代或协助人类工作 理 想中的高仿真机器人是高级整合控制论 机械电子 计算机与人工智能 材料 学和仿生学的产物 目前科学界正在向此方向研究开发 仿生机器人 也称仿制人或人型机器人等 指以模仿真人为目的制造的机 器人 但人型机器人也可以指英语中的 Humanoid 拟人机器人 可以大小和 真人差很远也没有似人的外观 但有人的四肢和头等构造 现时仿生人仍然在 试制阶段 是长期以来科幻和机器人学的一大主题 仿生人拟真的程度有很多 有些是可以从外观上识别 也没有真人的思想和感情 如 Chobits 中的人型电脑 相对是称为生物机器人 是使用一种真人或生物的活组织 但以机器为主体的 类型 是和机械化人有重叠的概念 也是完全刻意为了仿冒真人而制造的 但 行为不一定似真人 而有时把女性型的仿生人称为机娘 Gynoid 如机械女仆 反过来说亦有开发外观不似人 但能够有似真人行为的机器人 如在2001年美 国麻省理工学院 研发了号称世界上第一个有类似人类感情的机器人 2013年1 月 英国的机器人专家设计师宣称展示了世界上第一个完整的 迄今为止最复 杂的仿生人 其包括人造器官以及健全的四肢 1 1 双足行走机器人的特点 首先 双足步行的移动方式在地面不平整或其它恶劣条件下 如充满障碍物 比 其他方式要灵活得多 具有更好的机动性 研究仿人形双足步行机器人 以代 替人类在核电站 太空 海底及其它危害人类身心健康的复杂极端环境中工作 将大大拓展人类的活动空间 其次 双足步行机器人的步行系统是一个内在的不稳定系统 其动力学特 性非常复杂 具有多变量 强耦合 非线性和变结构的特点 因此 它是控制 理论和控制工程领域的一个极好的研究对象 开展双足步行技术的研究 必然 推动控制理论的发展和控制技术的进步 再次 步行是人类的一种基本活动能力 但有相当数量的人因为疾病或意 2 外事故失去了这种能力 双足步行技术的发展会促进动力型假肢的研制 将有 可能解决截瘫病人和小儿麻痹症患者的行走问题 为康复医学做出贡献 对机 器人双足动态行走机理的深入研究也使我们更深刻地理解人类活动的内在本质 有助于生物医学工程和体育运动科学的发展 1 2 国内外双足机器人的研究现状 1 2 1 国内状况 国内双足步行机器人的研制工作起步较晚 我国是从 20 世纪 80 年代开始 双足步行机器人领域的研究和应用的 1986 年 我国开展了 七五 机器人攻 关计划 1987 年 我国的 863 高技术计划将机器人方面的研究开发列入其 中 目前我国从事机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等 最初我国进行机器人技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术 随后 取得了一定的成就 哈尔滨工业大学自 1986 年开始研究双足步行机器人 先研制成功静态步行 双足机器人 HIT 高 110cm 重 70kg 有 10 个自由度 实现平地上的前进 左右侧行以及上下楼梯的运动 步幅 45cm 步速为 10 秒每步 后来又相继研 制成功了 HIT 和 HIT 重 42kg 高 103cm 有 12 个自由度 实现了步长 24cm 步速 2 3 秒每步的步行 目前正在研制的 HIT 机器人 全身可有 52 个自由度 其在运动速度和平衡性方面都优于前三型行走机器人 国防科技大学在 1988 年春成功地研制了一台平面型 6 自由度的双足机器人 KDW 它能前进 后退和上下楼梯 最大步幅为 40cm 步速为 4s 每步 1989 年又研制出空间型 KDW 有 10 个自由度 高 69cm 重 13kg 实现进退 上下台阶的静态稳定步行以及左右的准动态步行 1990 年在 KDW 的平台上增 加两个垂直关节 发展成 KDW 有 12 个自由度 具备了转弯功能 实现了 实验室环境的全方位行走 1995 年实现动态行走 步速 0 8s 每步 步长为 20cm 22cm 最大斜坡角度达 13 度 2000 年底在 KDW 的基础上研制成功我 国首台仿人形机器人 先行者 动态步行 可在小偏差 不确定的环境行走 周期达每秒两步 高 1 4m 重 20kg 有头 眼 脖 身躯 双臂 双足 且具 备一定的语言功能 上海交通大学于 1999 年研制的仿人形机器人 SFHR 腿部和手臂分别有 12 3 和 10 个自由度 身体上有 2 个自由度 共有 24 个自由度 实现了周期 3 8s 步长 10cm 的步行运动 机器人本体上装有 2 个单轴陀螺和一个三轴倾斜计 用 于检测机器人的姿态信息 并配备了富士通公司的主动视觉系统 是研究通用 机器人学 多传感器集成以及控制算法良好的实验平台 北京理工大学在归国博士黄强教授的带领下 高起点地进行仿人形机器人 研究 于 2002 年 12 月通过验收的仿人形机器人 BHR 1 高 158cm 重 76kg 32 个自由度 步幅 0 33m 步速每小时 1 公里 能够根据自身力觉 平 衡觉等感知机器人自身的平衡状态和地面高度的变化 实现未知地面的稳定行 走和太极拳表演 使中国成为继日本之后 第二个研制出无外接电缆行走 集 感知 控制 驱动 电源和机构于一体的高水平仿人形机器人国家 此外 清华大学正在研制仿人形机器人 THBIP 高 1 7m 重 130kg 32 个自由度 在清华大学 985 计划的支持下 项目也在不断取得进展 南京航空 航天大学曾研制了一台 8 自由度空间型双足步行机器人 实现静态步行功能 1 2 2 国外状况 双足机器人的研制开始于上世纪 60 年代末 虽然只有四十多年的历史 然 而 两足机器人的研究工作进展迅速 国内外许多学者正从事于这一领域的研 究 如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一 步行的稳定性是两足机器人的难点和关键 南斯拉夫学者 MemoirVakobrativitch 于 1969 年提出的 ZMP Zero Moment Point 理论较好地 解决了动态步行稳定性判断问题 ZMP 点 即零力矩点 是双足机器人所受重 力 惯性力及地面反力三者合力矢的延长线与地面的交点 双足机器人一只脚 着地时 ZMP 点必须落在脚掌的范围内 双脚着地时 则位于两只脚掌形成的 凸多边形内 在 ZMP 点 机器人所受的侧向力和力矩都为零 1971 年 英国人 I Kato 试制了 Wap3 最大步幅 15mm 周期 45s 1971 年至 1986 年间 英国牛津大学的 Wit 等人制造并完善了一个双足行 走机器人 该机器人能在平地上行走良好 步速达到 0 23m s 4 加拿大的 Tad McGee 主要研究被动式两足机器人 即在无任何外界输入的 情况下 靠重力和惯性力实现步行运动 1989 年 他建立了平面型的双足行走 机构 两腿为直杆机构 没有膝关节 每条腿各由一个小电机来控制腿的伸缩 4 无任何主动控制和能量供给 具有简单二级针摆特征 放在斜坡上 可依靠重 力 实现动态步行 法国 BIP2000 计划是由法国 de mecanique des Soloders de Poiters 实验 室和 INRIA 机构合作的一个项目 其目的是建立一套可以适应未知条件行走的 两足机器人系统 设计了一个具有 15 个自由度的双足步行机器人 只有躯干和 腿 现代机器人发展最迅速的是有 机器人王国 之称的日本 其中最具有代 表性的研究机构有 加藤实验室 日本早稻田大学 日本东京大学 日本东京理 工学院 日本机械学院 松下电工 本田公司和索尼公司等 日本早稻田大学的加藤一郎教授于 1968 年率先展开了双足步行机器人的研 制工作 并先后研制出 WAP 系列样机 1969 年研制出 WAP 1 平面自由度步行机 器人 该机器人具有六个自由度 每条腿有髋 膝 踝三个关节 关节处使用 人造橡胶肌肉 通过充气 排气引起肌肉收缩 肌肉的收缩牵引关节转动从而 实现步行 1971 年 研制出 WAP 3 型双足机器人 仍采用人工肌肉 具有 11 个自由度 能在平地 斜坡和阶梯上行走 该机器人重 13Okg 高 0 9m 实现 步幅 15cm 每步 45s 的静步行 同年又研制出 WL 5 双足步行机器人 该机器 人采用液压驱动 具有 11 个自由度 下肢作三维运动 上躯体左右摆动以实现 双足机器人重心的左右移动 1973 年 在 WAP 5 的基础上配置机械手及人工视 觉 听觉等装置组成自主式机器人 WAROT 1 1980 年 推出 WL 9DR 双足机器 人 该机器人采用预先设计步行方式的程序控制方法 通过对步行运动的分析 及重复实验设计步态轨迹 用设计出的步态控制机器人的步行运动 该机器人 采用了以单脚支撑期为静态 双脚切换期为动态的准动态步行方案 实现了步 幅 45cm 每步 9s 的准动态步行 1984 年 研制出采用踝关节力矩控制的 WL 10DR 双足机器人 增加了踝关节力矩控制 将一个步行周期分为单脚支撑期和 转换期 1986 年 又成功研制了 WL 12 R 双足机器人 该机器人通过躯体运 动来补偿下肢的任意运动 实现了步行周期 1 3s 步幅 30cm 的平地动态步行 日本东京大学的 Jouhou System Kougaka 实验室研制了 H5 H6 型仿人型双 足步行机器人 该机器人总共有 30 个自由度 其中在 H5 型的步态规划设计中 5 充分考虑了动态平衡条件 采用遗传算法来实现上体的补偿运动以补偿 ZMP 轨 迹的跟踪 上体运动的轨迹用三次样条插值来实现 在 H5 双足机器人的头部安 装有两个 CCD 彩色摄像头 可以定位前面的物体并能够在 CCD 的协助下用 7 自 由度的手来抓取的目的 日本机械学院的 S Kajita 等针对一台具有 4 台前向驱动电机且全部安装 在机器人的上体的五连杆平面型双足步行机器人 Meltran 研究其动态行走 的控制方法 他根据机器人机构质量几乎完全集中在上体的事实 为使双足步 行机器人实现稳定 周期性的动态行走 对机器人上体采用了约束控制方法 提出了一种理想的线性倒立摆模型 同时又提出了机构轨道能量守恒的概念 来求解各个关节运动轨迹及输入力矩 实现了在已知不平整地面上的稳定动态 步行 1996 年他们又在此样机的基础上加载了超声波视觉传感器以实现实时提 供地面信息的功能 将视觉传感器系统与针对线性倒立摆所提出的控制模式相 结合构成自适应步态控制系统 使 Meltran 成功地实现了在未知路面上的动 态行走 代表双足步行机器人和拟人机器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司 他们代表了当今双足行走机器人和拟人型机器人发展的最高水平 本田公司从 1986 年至今己经推出了 P 系列 1 2 3 型机器人 并且于 2000 年 11 月 20 日 推出了新型双足步行机器人 ASIMO Advanced Step in Innovative Mobility ASIMO 和 P3 相比 实现了小型轻量化 使其更容易适应人类的生活空 间 通过提高双脚步行技术 使其更接近人类的步行方式 双脚步行技术方 面采用了新开发 I WALK Intelligent Real time Flexible Walk I WALK 是在过去的步行技术的基础上组合了新的 预测运动控制功能 它可以实时预 测以后的动作 并且据此事先移动重心来改变步调 过去由于不能进行预测运 动控制 当从直行改为转弯时 必须先停止直行动作后才可以转弯 索尼公司于 2000 年 11 月 21 日在四足娱乐机器人 AIBO 的基础上推出了人 形娱乐型机器人 SDR 3X Sony Dream Robot 3X SDR 3X 头部 2 个自由度 躯干 2 个自由度 手臂 4 2 个自由度 下肢和足部 6 2 个自由度 共计 24 个自由度 2002 年又推出 SDR 4X 采用 64 位 RISC 处理器 64MBDRAM 共 有 38 个自由度 头部 4 个 身体 2 个 胳膊 5 2 10 个 腿部 6 2 12 个 独 6 立的 5 个手指 5 2 10 个 2003 年 12 月 18 日 索尼公司通过对控制系统和 ISA Intelligent Servo Actuator 的改进 增加输出力矩等方法 使 QRIO 在 世界上第一次实现了双足行走机器人的跑动 QRIO 可以在跑步时滞空 6ms 双 脚跳跃时滞空 10ms 2005 年 1 月 12 日 由日本产业技术综合研究所的比留川博等人开发出一 台取名 HRP 2 双足拟人机器人亮相东京 该机器人身高 154cm 体重 58kg 研究人员先请民间艺术家跳舞 用特殊摄像机拍摄后将画面输入电脑 并对手 脚 头 腰等 32 个部位的动作进行解析 然后把有关解析数据输入给机器人 最后利用这些数据来控制机器人手的动作和脚步等 使 HRP 2 可以和人一样 动作连贯 翩翩起舞 1 3 课题技术要求 设计双足行走机构 自由度不少于 6 个 每条腿上至少 3 个自由度 高度 约 400mm 负载力 3kg 行走速度 0 3m s 采用舵机实现运动 完成机器人的结构建模 使用 Pro E Solidworks UG 等主流软件均可 提交 零件图和装配图 采用单片机实现机器人的运动控制 2 人形仿生机器人双足行走机构设计分析 双足行走机器人是研究双足行走的实验对象 不同的双足行走机器人在自 由度 驱动方式 重量 高度 结构特征等方面都存在很大的差异 机器人的 结构不同 其控制方式也有所区别 为了对双足行走机器人进行深入的研究 使其实现预定的步行功能 必须对其机构有深入的了解和认识 2 1 双足行走机器人的结构分析 双足行走机器人是对人类自身的模仿 但是人类总共有上肢 52 对 下肢 62 对 背部 112 对 胸部 52 对 腰部 8 对 颈部 16 对 头部 25 对之多的肌 肉 从目前的科学发展情况来看 要控制具有 400 个双作用式促进器的多变量 7 系统是不可能的 因此 在设计步行机械时 人们只考虑移动的基本功能 例 如 只考虑在平地或者具有已知障碍物的情况下的步行 郑元芳博士从仿生学的角度对类人机器人的腿部自由度配置进行了深入的 研究 得出关节扭矩最小条件下双足行走机器人的自由度配置 他认为髋部和 踝部设两个自由度 可使机器人在不平地面上站立 髋部再加一个扭转自由度 可改变行走方向 踝关节处加一个旋转自由度可使脚板在不规则表面上落地 这样机器人的腿部需要有 7 2 个自由度 髋关节 3 个 膝关节 1 个 踝关节 3 个 10 但是 无论现在的双足行走机器人还是拟人机器人都还只能在规则路面上 行走 所以各研究机构都选择了 6 2 个自由度 髋关节 3 个 膝关节 1 个 踝 关节 2 个 2 2 双足行走机器人设计方案 通过各种两足机器人的了解 模仿其他设计成功的机器人为设计主要思路 来设计我们的双足行走机器人 由于我们要求设计的是比较简单的两足机器人 所以有关平衡和 ZMP 等计 算全部省略 我们设计时候尽量把两足机器人整体高度设计的尽量的矮一点 两面设计的对称 脚设计尽量的大一点 以此达到双足行走机器人的平衡 通过上面所述和查阅相关两足机器人行走的视屏 我们设计了一个 17 自由 度的双足步行机器人模型 如图 2 2 所示 显示的结构特征就是采用多关节型 结构 动力源采用舵机直接驱动 这样不但可以实现结构紧凑 传动精度高以 及大大增加关节所能达到的最大角度 而且驱动源全为干电池 便于集中控制 和程序化控制 8 图 2 1 双足步行机器人模型 图 2 1 双足机器人 头部仅一个旋转自由度 它和身体相连接 图 2 2 肩关节 大臂和小臂各一个自由度 图 2 3 图 2 4 髋关节一个自由度 大 腿 图 2 5 图 2 6 2 个自由度 小腿和脚步各一个自由度 各个关节的活动 范围理论上是 180 度 由于零件之间互相干涉 关节之间活动范围以实际为准 图 2 2 机器人头部和身体 9 图 2 3 机器人左手臂图 图 2 4 机器人右手臂 图 2 5 机器人左腿 10 图 2 6 机器人左腿 双足步行机器人的一个主要问题就是双足动态步行的固有不稳定性 为了 使其稳定行走 机器人本体设计和行走步态规划都很重要 在进行机器人本体 设计时需要着重考虑的问题有关节驱动力矩的限制 主要机构的刚度 摆动腿 着地时冲击载荷对机器人本体可能带来的损坏 杆件间连接 机体重量 材料 以及易于操作维修等等 2 3 驱动方式的选择 由于此次设计的双足行走机器人只是达到简单运动 而且为了使双足行走 机器人行走稳定 所以对机器人的各个关节旋转的角度和配合都需要比较精确 的控制 所以所有的驱动都是由舵机来完成如图 2 7 图 2 7 舵机 11 2 4 双足机器人相关数据 两足机器人所有零部件清单 如表 2 1 表 2 1 零部件清单 名 称 型 号 数 量 舵机 12 N m 17 铝制零件 42 螺栓螺帽 M3 11 mm 145 两足机器人的相关尺寸 如表 2 2 表 2 2 总体尺寸 名 称 尺 寸 高 宽 mm 总体 385 242 手臂 175 50 腿部 185 40 脚 64 20 舵机的相关参数 如表 2 3 表 2 3 舵机参数 尺寸 重量 速度 扭力 使用电压 40 8 19 9 37 3mm 56 3g 0 24sec 60度 12公斤 厘米 4 8V 7 2V 3 人形仿生机器人双足行走机构控制系统硬件设计 双足行走机器人控制系统中 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 3 1 硬件系统的基本要求 双足行走机器人是对人类的模仿 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 所以在设计双足行走机器人机械结构时 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 12 有 62 对肌肉 腰部 8 对肌肉 在设计双足行走机器人时 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 所以双足行走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 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 5ms 2 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 5ms 0 5ms 1800 1 11 s 3 2 硬件系统设计的技术路线和总体方案 3 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双足行走机器人 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 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 此处删减 NNNNNNNN 字 需全套设计请联系 12401814 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 7V 12V 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 13 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 4V 6V 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1A 1 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1 32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 14 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 4 人形仿生机器人双足行走机构控制系统软件设计 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 在双足行走机 器人中得到了广泛使用 现在在操作系统下设计并实现了双足行走机器人控制 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 并对双足 行走机器人进行了关节调试 4 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 4 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 15 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 4 1 所示 图4 1 Servo Control Software操作界面 16 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 4 3 伺服电机控制软件操作方法 4 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4 2 图4 3 图4 4所示 图 4 2 串口设置第一步 17 图 4 3 串口设置第二步 图4 4 串口设置第三步 4 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4 5所示 18 图 4 5 控制板接线示意图 单击鼠标左键软件与硬件连接 如图4 6所示 图4 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1 17通道 按照图4 7所示 图4 7 控制通道设置示意图 4 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4 8所示 19 图4 8 操作设置功能图 4 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4 9所示 图4 9 指令回显区 4 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4 10所示 20 图 4 10 发送指令间隔时间控制区 4 4 微型伺服电机的选择 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 4 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4 11和表4 1所示 图4 11 辉盛 MG945舵机 21 表4 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 3mm 56 3g 0 24sec 60度 12公斤 厘米 4 8V 7 2V 4 4 2 所选舵机的控制特性 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4 2所示 表4 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 5ms 0度 0 9ms 45度 1 5ms 90度 2 1ms 135度 2 5ms 180度 5 双足行走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 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 22 协调工作的关系 建立一个完整的运动模型 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5 1所示 5 1 静态步行模式设计与实现 双足行走机器人控制系统中使用了静态步行模式线设计 静态步行模式分 为10个静态姿势及其切换顺序如图5 1所示 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 23 图5 1 腿部舵机的分布 图5 2 两足机器人行走步行模式 5 2 姿态运动的软件实现 机器人的以上 10 个姿态按图 5 1 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 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5 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5 3 激活循环控制 25 总 结 双足行走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 本文根据当前双足行 走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 并对双足行走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 本文基本完成了双足行走机构的结构设计 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 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 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 26 致 谢 本论文是在老师的综合指导下 并通过自己的学习和亲自查阅有关资料下 完成的 毕业设计是大学本科的最后一门必修的课程 也是最综合的一门课 它用到了几乎所有在大学学到的知识 能综合的考查学生设计能力和对机械知 识的掌握和运用程度 是对我们四年来所学到知识大总结 虽然这次设计只有 仅仅的三个月 但是我的分析问题的能力 解决问题的能力及独立思考问题的 能力和查阅资料的能力却明显得到提高 这些能力的培养将是我以后走上工作 岗位造就人生的一笔财富 奠定了基础 在设计过程中 指导老师对我们都极度关注 我忠心的感谢老师的热心 耐心 以及细致的指导 在默默奉献的老师们的指导下 我们达不到预期的效 果 在此再次的表示忠心的感谢和诚挚的问候 27 参考文献 1 解仑 王志良 李华俊 双足步行机器人制作技术 M 北京 机械工业出版 社 2008 4 2 柳洪义 宋伟刚 机器人技术基础 M 北京 冶金工业出版社 2002 3 刘晋春 白基成 郭永丰 特种加工 M 北京 机械工业出版社 2008 3 4 蒋新松主编 机器人学导论 M 沈阳 辽宁科学技术出版社 1994 5 孙富春 朱纪洪 刘国栋等 机器人学导论 分析 系统及应用 M 北京 电子工业出版社 2004 6 周远清 张再兴等编著 智能机器人系统 M 北京 清华大学出版社 1989 7 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 8 方建军 何广平 智能机器人 M 北京 化学工业出版社 2004 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 9 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 10 李开生 张慧慧 费仁元 机器人控制器体系结构研究的现状和发展 J 机器人 May 2000 22 3 235 240 11 刘森 慕春棣 赵明国 基于 ARM 嵌入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 48 4 482 485 12 张永学 双足机器人步态规划及步行控制研究 D 哈尔滨工业大学博士学 位论文 2001 13 刘志远 两足机器人动态行走研究 D 哈尔滨工业大学博士论文 1991 14 纪军红 HIT 双足步行机器人步态规划研究 D 哈尔滨工业大学博士论 文 2000 15 竺长安 两足步行机器人系统分析 设计及运动控制 D 国防科技大学博 士论文 1992
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