機(jī)械手-兩足行走機(jī)器人,機(jī)械手,行走,機(jī)器人 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。 6、串口調(diào)試助手：不必再因打開(kāi)其他調(diào)試軟件浪費(fèi)時(shí)間了，“發(fā)送”、“清除”輕松點(diǎn)擊更加易用。 7、藍(lán)牙識(shí)別功能：可以添加藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程控制。 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 學(xué)生姓名 黃俊 學(xué) 號(hào) 05010213 指導(dǎo)教師 路建萍 劉 艷 選題情況 課題名稱(chēng) 兩足行走機(jī)器人—行走控制部分設(shè)計(jì) 難易程度 偏難 適中 √ 偏易 工作量 較大 合理 √ 較小 符合規(guī)范化的要求 任務(wù)書(shū) 有 √ 無(wú) 開(kāi)題報(bào)告 有 √ 無(wú) 外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 √ 中 差 學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況 好 √ 一般 差 工作進(jìn)度 快 按計(jì)劃進(jìn)行 √ 慢 中期工作匯報(bào)及解答問(wèn)題情況 優(yōu) 良 √ 中 差 中期成績(jī)?cè)u(píng)定：良 所在專(zhuān)業(yè)意見(jiàn)： 在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，工作積極主動(dòng)，學(xué)習(xí)態(tài)度良好，能夠按要求完成老師布置的各項(xiàng)任務(wù)。 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 系　　　部： 機(jī)械工程系 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 黃俊 學(xué) 號(hào)： 05010213 設(shè)計(jì)(論文)題目： 兩足行走機(jī)器人 —行走控制部分設(shè)計(jì) 起 迄 日 期: 2009年 3月9 日 ~ 6月14日 設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn): 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師: 路建萍 劉 艷 專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人: 龔光容 發(fā)任務(wù)書(shū)日期: 2009年 2月 26 日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū) 1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： 微機(jī)原理及接口技術(shù)在各科領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，通過(guò)該課題的研究使學(xué)生掌握微機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方法，輸入輸出通道的設(shè)計(jì)、定時(shí)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)、A／D及D／A轉(zhuǎn)換、行走電路的設(shè)計(jì)、對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制設(shè)計(jì)。同時(shí)使學(xué)生掌握工程設(shè)計(jì)的一般方法以及獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，最終使學(xué)生的綜合素質(zhì)得以提高。 2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 技術(shù)要求： 熟悉微機(jī)及接口實(shí)驗(yàn)板的使用方法。 了解機(jī)器人行走控制系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)方法。 總體方案的設(shè)計(jì)。 詳細(xì)方案的設(shè)計(jì)。 調(diào)試硬件電路并編制相應(yīng)的控制程序。 提交規(guī)范的設(shè)計(jì)文檔。 條件： 微機(jī)及相應(yīng)接口實(shí)驗(yàn)板和控制功能芯片。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū) 3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等〕： （1）開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述、資料翻譯； （2）機(jī)器人行走控制系統(tǒng)的原理圖； （3）直流電動(dòng)機(jī)的控制軟件； （4）畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 4．主要參考文獻(xiàn)： [1] 馬香峰. 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991. [2] 王曉明．電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制．北京航空航天大學(xué)出版社，2003. [3] 吳瑞祥. 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. [4] 熊有倫. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [5] 王志良. 競(jìng)賽機(jī)器人制作技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007. [6] 馬香峰等. 工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1996年9月. [7] 余達(dá)太，馬香峰. 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1999年4月. [8] 劉政華等. 機(jī)械電子學(xué)[M]．北京：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1999.10. [9] Ernest L. Halletl. Robotics: A User-Friendly Introduction [M]. New York: CBS College Publishing,1985. [10] Yoram Koren. Robotics for Engineers [M].McGraw-Hill Book Company, 1985. [11] 張建民．機(jī)電一體化原理與應(yīng)用[M]．國(guó)防科技大學(xué)出版社，1992.1 [12] 曲家騏等．伺服控制系統(tǒng)中的傳感器[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998. [13] 秦志強(qiáng)等. 基礎(chǔ)機(jī)器人制作與編程[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社，2007. [14] 高鐘毓．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.2 [15] 陳繼榮. 智能電子創(chuàng)新制作[M]. 北京：科技出版社，2007. [16] 張建民等．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1997. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū) 5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 2009年 3月 9 日～ 3月15日 3月16日～ 3月22日 3月23日～ 3月29日 3月30日～ 4月5 日 4月6 日～ 4月12日 4月13日～ 4月26日 5月4 日～ 5月10日 5月11日～ 5月17 日 5月18日～ 5月24 日 5月25日～ 5月31 日 6月1 日～ 6月7 日 6月8 日～ 6月14 日 選題，發(fā)放審題表及任務(wù)書(shū)，熟悉課題 完成外文資料翻譯 完成開(kāi)題報(bào)告(包含文獻(xiàn)綜述) 查閱相關(guān)資料，熟悉直流電動(dòng)機(jī)及兩足機(jī)器人的工作方式 總體控制方案設(shè)計(jì) 詳細(xì)方案設(shè)計(jì)，包括傳感器的選擇、控制電路設(shè)計(jì)等 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)與修改，使之完善 繪制控制系統(tǒng)電氣原理圖和流程圖 整理相關(guān)資料，撰寫(xiě)并打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 初步提交設(shè)計(jì)成果（包括圖紙及論文），整理 正式提交設(shè)計(jì)成果和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 準(zhǔn)備論文答辯 所在專(zhuān)業(yè)審查意見(jiàn)： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 系部意見(jiàn)： 系部主任： 年 月 日 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)前期工作材料 學(xué)生姓名: 黃俊 學(xué) 號(hào)： 05010213 系　部: 機(jī)械工程系 專(zhuān) 業(yè): 機(jī)械工程及自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目: 兩足行走機(jī)器人 —行走控制部分設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師: 路建萍 劉艷 工程師 助教 材 料 目 錄 序號(hào) 名 稱(chēng) 數(shù)量 備 注 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)選題、審題表 1 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū) 1 3 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告〔含文獻(xiàn)綜述〕 1 4 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯〔含原文〕 1 5 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 1 2009年5月 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯 系　　部： 機(jī)械工程系 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 姓 名： 黃 俊 學(xué) 號(hào)： 05010213 外文出處：Luis Alexander，Alexander Mota， Pedro Fonseca 附 件：1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 譯文正確地表達(dá)了原文的意義、概念描述符合漢語(yǔ)的習(xí)慣，語(yǔ)句通暢，層次很清晰。 簽名： 年 月 日 注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。 附件1：外文資料翻譯譯文 比較控制策略的自主線追蹤機(jī)器人 摘要 自主移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)非常激動(dòng)人心的領(lǐng)域，特別是對(duì)那些參加電子產(chǎn)品課程的學(xué)生。作者和阿維羅大學(xué)的學(xué)生參與了一些在這一領(lǐng)域的活動(dòng)。特別是，其中一個(gè)此類(lèi)活動(dòng)是發(fā)明了能夠沿著畫(huà)在地板上直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。為了達(dá)到這一效果，一個(gè)模擬器已經(jīng)實(shí)施并多次測(cè)試了對(duì)機(jī)器人不同控制方法的影響。 本文對(duì)基于MATLAB的機(jī)器人模型和線追蹤模擬器進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)短的描述。然后在導(dǎo)致絕對(duì)誤差（IAE）和積分誤差平方（ISE），易微調(diào)和各自代碼復(fù)雜性方面比較了幾種不同的控制方法。比較的方法:成正比、比例微分、比例積分導(dǎo)數(shù)、模糊、表為基礎(chǔ)的模糊，自我組織唱模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型基礎(chǔ)。 1導(dǎo)言 研發(fā)自主機(jī)器人是一個(gè)跨學(xué)科的活動(dòng)，因此有很大的教育價(jià)值。與此事實(shí)上，考慮到作者一直支持阿維羅大學(xué)學(xué)生小組參加每年一度在法國(guó)舉辦的盛事，在法國(guó)，除了其他的任務(wù)，自主移動(dòng)機(jī)器人必須沿著一條線運(yùn)動(dòng)。為了更好地理解的線追蹤機(jī)器人的行為，為了顯示學(xué)生們?cè)诎l(fā)明機(jī)器人時(shí)來(lái)自物理、幾何、電子、儀表和控制集成方面綜合的科學(xué)理念，作者建立了一個(gè)沿線分布機(jī)器人的分析模型。該模型考慮到一些現(xiàn)實(shí)世界的限制，允許預(yù)測(cè)以電動(dòng)機(jī)電壓為基礎(chǔ)的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。 另外，作者所描述的幾何形狀線追蹤過(guò)程被用來(lái)建立一個(gè)模擬器。這決定了某一機(jī)器人的確定路徑以及該路徑和參考路徑之間的關(guān)系。 該模擬器是一種寶貴的工具，在之前研發(fā)機(jī)器人是能夠比較不同的控制方法以及不同的傳感器布局。這樣在實(shí)際制造過(guò)程中可以更好地決定機(jī)器人有關(guān)的物理性質(zhì)。 下一節(jié)本文將對(duì)機(jī)器人模型和模擬器進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)短的描述，在第3節(jié)是幾種不同控制方法的比較，包括比例、比例微分、比例積分微分，模糊，表為基礎(chǔ)的模糊，模糊自我組織和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型基礎(chǔ)。在第4節(jié)中將提到相關(guān)結(jié)論包括一些對(duì)正在進(jìn)行的工作的評(píng)論。 2仿真機(jī)器人 2.1機(jī)器人模型 之前已經(jīng)提到學(xué)生們建造的機(jī)器人的活動(dòng)通常很簡(jiǎn)單，見(jiàn)（圖1）。 運(yùn)動(dòng)是通過(guò)使用兩個(gè)獨(dú)立的直流電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)每一個(gè)車(chē)輪。差分驅(qū)動(dòng)器用于控制機(jī)器人。一個(gè)或兩個(gè)額外的連鑄機(jī)車(chē)輪用來(lái)保持機(jī)器人的橫向穩(wěn)定。與參考路徑相比較機(jī)器人的偏差是通過(guò)放置在機(jī)器人之前的紅外光探測(cè)器測(cè)量的。 通常情況下，車(chē)輪速度的閉環(huán)控制已經(jīng)不再運(yùn)用。每個(gè)車(chē)輪的速度控制間接地采用馬達(dá)電壓的。此選項(xiàng)可能會(huì)降低性能的跟蹤算法但簡(jiǎn)化了最后的調(diào)整。請(qǐng)記住，閉環(huán)速度控制方向盤(pán)使用將需要調(diào)整兩個(gè)額外的獨(dú)立循環(huán)。圖1，基本機(jī)器人。 圖1 基本機(jī)器人 這些特點(diǎn)已用于計(jì)算模型線追蹤機(jī)器人（圖2 ）。為了進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性，該模型在慣性（質(zhì)量（M） 和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ j ），摩擦系數(shù)（平移（By）和旋轉(zhuǎn)（B）運(yùn)動(dòng)），電動(dòng)馬達(dá)參數(shù)（電阻（ R ）和 電機(jī)常數(shù)（Km）），額外的噪聲（在傳感器中讀?。┖蜋C(jī)器人的物理限制，如線傳感器（5'）的長(zhǎng)度和可用于電機(jī)（VMAX）最大電壓。該模型［l］描述并且計(jì)算電壓應(yīng)用電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的機(jī)器人的線性度（v）和角速度（0)。 2.2線追蹤模擬器 上文已經(jīng)提到機(jī)器人模型與幾何分析線追蹤問(wèn)題是相輔相成的。這個(gè)問(wèn)題屬于一般路徑跟蹤問(wèn)題在眾多文獻(xiàn)[2]中已經(jīng)被解決。特別是，本文呈現(xiàn)的該模擬器用被動(dòng)的方式來(lái)跟蹤未知的線的方法與之前計(jì)劃的跟蹤路徑相反。因此，這是事先得知。 圖2 機(jī)器人模型 幾何分析還表明，可根據(jù)目前的偏差、車(chē)輪速度和機(jī)器人相對(duì)于線的角度位置來(lái)計(jì)算出未來(lái)偏離線（e）。該機(jī)器人是用來(lái)作為參考。然而，為了更好地界定參考軌跡和想象的機(jī)器人軌跡，另一種模式是建立在該機(jī)器人的位置基礎(chǔ)上而做出一個(gè)絕對(duì)的參考。 在這幾何模型基中，機(jī)器人偏離線（e）可根據(jù)機(jī)器人絕對(duì)位置和車(chē)輪的速度來(lái)計(jì)算。知道機(jī)器人的位置（坐標(biāo)X,Y,Z）是有可能計(jì)算相交的傳感器陣列與線（ Xey ,Ye ），然后可以計(jì)算出偏差e（圖3 ）。由此可以得出機(jī)器人位移的軌跡e是非線性的。 圖3 線追蹤幾何模型 在一個(gè)無(wú)限小的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算機(jī)器人位移。如果這個(gè)區(qū)間保持足夠小則是不相關(guān)的，如果直線運(yùn)動(dòng)是分開(kāi)考慮的,那角運(yùn)動(dòng)和其中那些是要首先考慮的。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，這樣的一個(gè)區(qū)間里軌跡點(diǎn)以每5毫米計(jì)算是小到足以獲得同樣的軌跡，不管是角或直線運(yùn)動(dòng)都會(huì)被首先考慮。 幾何模型可以參考線組成的直線段和圓弧的周長(zhǎng)一個(gè)接一個(gè)加入。雖然它似乎有限制，它允許創(chuàng)建幾乎任何種類(lèi)的軌跡順利通過(guò)使用不同的圓弧半徑。圖2 為該機(jī)器人模型。 2.3參考路徑 該模擬是在由直線段與弧線交錯(cuò)的圍成的弧形90°或 180°孔一起插入紙的直片段所組成的參考路徑。這種路徑在圖4中所描述，總長(zhǎng)度約30米。 圖4 參考路徑 2.4機(jī)器人參數(shù) 在5月的這一年，阿維羅大學(xué)以本文模擬為基礎(chǔ)的機(jī)器人為代表參加在法國(guó)堡貝爾納的1996年的國(guó)際移動(dòng)機(jī)器人錦標(biāo)賽。 根據(jù)[1,3]的詳細(xì)資料，下面的參數(shù)為： 重量M = 3.2公斤 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J = 0.7 千克.米2 馬達(dá)最大可用電壓 = 11.5伏特 電機(jī)參數(shù)（R= 7 歐姆和Km= 0.86 N/ A ） 車(chē)輪直徑Rw= 0.03米 車(chē)輪之間的距離 b = 0.27米 線性運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù) By=40kg/s 角運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù) Bw = 0.25 Kg.㎡/s 類(lèi)型傳感器陣列-線性與飽和 寬度傳感器陣列 S=18米 3比較控制策略 可以圖２看出，機(jī)器人模型有兩個(gè)投入，V和Vdif是平均和差別電壓適用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。然而，只有一個(gè)錯(cuò)誤的信號(hào)是偏差的機(jī)器人將通過(guò)傳感器經(jīng)參考路徑傳送。如果機(jī)器人總是向前推進(jìn)，可以看出，任何控制方法，將減少使機(jī)器人回到參考路徑。 由于差動(dòng)電壓是一個(gè)確定的角運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人的，讓它改變方向，使之收斂的路線，一個(gè)簡(jiǎn)單的可能性是使用電子郵件直接控制Vdif在這種情況下，因?yàn)樽罱K目的是為實(shí)現(xiàn)最高速度的參考路徑，平均電壓V，可以設(shè)置為最大值。然而，實(shí)際的電壓適用于馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)器是有限的。反映了修正到平均收益率差電壓變風(fēng)量和Vdif,這將真正提供給機(jī)器人模型。 此外，產(chǎn)出的傳感器功能被損壞和加性噪聲。這噪聲允許這些缺陷影響線路或地板，電器干擾傳感器的讀數(shù)和有限精度。為了便于比較，噪音載體，保持同對(duì)所有運(yùn)行從開(kāi)始到終結(jié)點(diǎn)。 控制是數(shù)字化，采樣周期為100毫秒。 完整的控制系統(tǒng)圖5。那個(gè)參考輸入的路徑進(jìn)行跟蹤。錯(cuò)誤信號(hào)是偏差宣讀的傳感器陣列。 圖5 完整的控制系統(tǒng) 在這種簡(jiǎn)單的模式控制功能可書(shū)面表達(dá)。 在非?？斓臋C(jī)器人中，有興趣的也可以使用Vav作為一個(gè)電子商務(wù)功能。例如，這可以用來(lái)減慢機(jī)器人，同時(shí)描述了曲線和加快沿直線部分。然而，機(jī)器人通常都建不是非?？?，運(yùn)行不到0.5個(gè)D語(yǔ)。因此，在本文其余的簡(jiǎn)單的辦法在（ 1 ）中將被用于。 要比較性能的每一個(gè)控制方法兩項(xiàng)主要措施已使用的整體絕對(duì)誤差（IAE）和積分誤差平方（ISE） ，綜合沿著充分參考路徑。其他兩個(gè)措施也被使用時(shí)，機(jī)器人將達(dá)到最大絕對(duì)誤差（EMax）和平均時(shí)速。 3.1比例控制 最簡(jiǎn)單的形式的控制是使用比例Vdif,=Kp * e控制功能產(chǎn)生。雖然簡(jiǎn)單，這種方法提出了幾個(gè)問(wèn)題。 正如這一點(diǎn)最大價(jià)值為Kp的是很難找到（需要許多判斷）特別是在非線性系統(tǒng)。另外，它能夠提供的相對(duì)較少最佳的性能，因?yàn)樗鼰o(wú)法彌補(bǔ)的滯后所造成的機(jī)器人慣性。為充分參考路徑圖4,使用比例控制Kp= 200 ，造成偏差情節(jié)描述見(jiàn)圖6。注意典型的振蕩起因于與簡(jiǎn)單的比例的方法一起獲得比較差的控制。 圖6 使用Kp=200控制比例 附件2：外文原文 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 黃俊 學(xué) 號(hào)： 05010213 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目： 兩足行走機(jī)器人 —行走控制部分設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師: 路建萍 劉 艷 2009 年 3 月 22 日 開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求 1．開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專(zhuān)業(yè)審查后生效； 2．開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)； 3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書(shū)寫(xiě)（或打?。┰诒鹃_(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫(xiě)文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇科技論文的信息量，一般一本參考書(shū)最多相當(dāng)于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊(cè)）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫(xiě)，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě) 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 摘要 兩足行走機(jī)器人是當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域最活躍的研究方向之一，引起了許多科研工作者的注意。本文介紹了兩足行走機(jī)器人與其他移動(dòng)機(jī)器人相比的主要優(yōu)點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外兩足行走機(jī)器人的研制工作做了綜述，并對(duì)將來(lái)的研究方向和工作重點(diǎn)做出了展望。 關(guān)鍵詞 機(jī)器人 智能控制 兩足行走 1 兩足行走機(jī)器人的一般情況 兩足機(jī)器人是模擬人類(lèi)用兩條腿走路的機(jī)器人[1]。兩足步行機(jī)器人適于在凸凹不平或有障礙的地面行走作業(yè)，比一般移動(dòng)機(jī)器人靈活性強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性好。1972年，日本早稻田大學(xué)研制出第一臺(tái)功能較全的兩足步行機(jī)器人。美國(guó)、南斯拉夫等學(xué)者也研制出各種兩足走行機(jī)器人模型。兩足步行模型是一個(gè)變結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)，單腳支撐為開(kāi)式鏈，雙腳支撐為閉式鏈。支撐點(diǎn)的固定靠摩擦力來(lái)保證，質(zhì)量分布和重量大小都直接影響靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定性。為保證行走過(guò)程中姿態(tài)的穩(wěn)定性，對(duì)行走步態(tài)應(yīng)加嚴(yán)格的約束[2]，[4]。 如圖1中示出了具有11個(gè)動(dòng)力關(guān)節(jié)的兩足步行模型的自由度分配。這些關(guān)節(jié)以旋轉(zhuǎn)軸的方向分為縱搖軸、橫搖軸和偏航軸?？v搖軸實(shí)現(xiàn)前進(jìn)方向的重心移動(dòng)，橫搖軸實(shí)現(xiàn)左右方向的重心擺動(dòng)，偏航軸轉(zhuǎn)換方向。在行走過(guò)程中，通過(guò)縱搖軸的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)動(dòng)作，在前進(jìn)方向上移動(dòng)重心；通過(guò)上驅(qū)體關(guān)節(jié)使上身左傾或右傾，移動(dòng)上身塔載調(diào)節(jié)重心；通過(guò)偏航軸的腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換方向。關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)能源主要有氣壓、液壓和電動(dòng)三種。氣壓式重量輕、安全便宜，但因空氣的可縮性，在變負(fù)載情況下，穩(wěn)定性差。液壓式輸出功率大、快速性好，但需配備動(dòng)力組件。例如，日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授研制的WD-10RD,是具有12個(gè)自由度的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。電動(dòng)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易。但功率密度低、價(jià)格較高[6]。 圖1 兩足步行機(jī)器人自由度的配置 2 兩足行走機(jī)器人的組成 機(jī)器人主要由以下6個(gè)部分組成。 (1)手臂 手臂是機(jī)器人的一部分。該部位由手（手爪）、手臂（手的姿勢(shì)）和手腕組成。手臂通過(guò)各關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的完成。 (2)操作機(jī)構(gòu) 該部位是驅(qū)動(dòng)機(jī)械人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。被用于關(guān)節(jié)部位的操作機(jī)構(gòu)幾乎都是帶有減速器的伺服電動(dòng)機(jī)，但是對(duì)于可以放入手腕和腿中的小型高扭矩的直接驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)的要求則較高。 (3)傳感器 傳感器作為用來(lái)檢測(cè)視覺(jué)、觸覺(jué)、動(dòng)作姿勢(shì)控制等部位，包括用于測(cè)定手腕位置和速度等的內(nèi)置傳感器和用于識(shí)別機(jī)器人作業(yè)對(duì)象的外部傳感器。 (4)移動(dòng)機(jī)構(gòu) 移動(dòng)機(jī)構(gòu)就機(jī)器人的腳，它是用來(lái)移動(dòng)的部位，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的抬腿跨步，以及關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，從而完成一些較為復(fù)雜的動(dòng)作。 (5)控制器（控制裝置） 控制器是用來(lái)控制一系列動(dòng)作的部位[8]，[9]。為了使機(jī)器人的手腕和腿部位活動(dòng)起來(lái)，需要控制器（控制裝置）來(lái)向安裝在這些部位的操作機(jī)構(gòu)和傳感器發(fā)送信號(hào)指令，使其接受位置信號(hào)?？刂破鲿?huì)把人類(lèi)所要求的作業(yè)命令記錄起來(lái)，通過(guò)開(kāi)始質(zhì)量那個(gè)讓其激活，再把必要的動(dòng)作指令傳送給手腕和腿部位。 (6)操作機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)源 操作機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)源主要有液壓式、電動(dòng)式和啟動(dòng)式。 3 兩足行走機(jī)器人的特性體現(xiàn) (1)兩足行走機(jī)器人能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，能夠方便的上下臺(tái)階及通過(guò)不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動(dòng)“盲區(qū)”很小。 (2) 兩足行走機(jī)器人的能耗很小，因?yàn)樵摍C(jī)器人可具有獨(dú)立的能源裝置，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)充分考慮其能耗問(wèn)題。機(jī)器人力學(xué)計(jì)算也表明，足式機(jī)器人的能耗通常低于輪式和履帶式[7～9]。 (3) 兩足行走機(jī)器人具有廣闊的工作空間。由于行走系統(tǒng)的占地面積小，而活動(dòng)范圍很大，所以為其配置的機(jī)械手提供了更大的活動(dòng)空間，同時(shí)也可使機(jī)械手臂設(shè)計(jì)得較為短小緊湊。 (4)兩足行走是生物界難度最高的步行動(dòng)作。但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無(wú)法比擬的。所以，仿人機(jī)器人的研制勢(shì)必要求并促進(jìn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的革命性的變化同時(shí)有力推進(jìn)機(jī)器人學(xué)及其它相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[12]。 兩足機(jī)器人對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)裝置提出了許多特殊要求，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)械的重大變革。兩足機(jī)器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)。這對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及控制理論的研究提供了一個(gè)非常理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在對(duì)其研究的過(guò)程中很可能導(dǎo)致力學(xué)及控制領(lǐng)域中新理論、新方法的產(chǎn)生，另外，仿兩足機(jī)器人的研究還可以推動(dòng)仿生學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)圖形、通信等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。因此，兩足步行機(jī)器人的研制具有十分重大的價(jià)值和意義。 4 兩足行走機(jī)器人的研制展望 兩足行走機(jī)器人與輪式、履帶式機(jī)器人相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)和它們無(wú)法比擬的優(yōu)越性。但是由于受到機(jī)構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、微電子學(xué)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展的制約。至今基本上仍處于實(shí)驗(yàn)室研制的階段，尤其是雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應(yīng)能力仍不是十分理想。只有在走穩(wěn)走好之后再加上臂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)，才談得上真正的仿人[12]。當(dāng)然，仿人不能僅僅局限于這些。還應(yīng)該模仿人類(lèi)的視覺(jué)、觸覺(jué)、語(yǔ)言，甚至情感等功能。仿人機(jī)器人是許多技術(shù)的綜合、集成和提高。目前，主要的攻關(guān)項(xiàng)目還是行走功能的進(jìn)一步提高。日本本田公司生產(chǎn)的仿人機(jī)器人雖已走向市場(chǎng)化。但是，它的功能還很有限，離實(shí)際意義上的擬人化還有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x，所以仿人機(jī)器人給科研工作者提供了廣闊的研究空間，提出了一個(gè)又一個(gè)新的挑戰(zhàn)!同時(shí)也促進(jìn)了許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，導(dǎo)致了一些新理論，新方法的出現(xiàn)。越來(lái)越多的科研工作者投入了這一新興的前沿學(xué)科。 5 總結(jié) 兩足步行是步行方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[13]。兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。與其它足式機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時(shí)間變化較大，質(zhì)心的相對(duì)位置高的特點(diǎn)。是其中最復(fù)雜，控制難度最大的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。但由于雙足機(jī)器人比其它足式機(jī)器人具有更高的靈活性，因此具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，更適合在人類(lèi)的生活或工作環(huán)境中與人類(lèi)協(xié)同工作，而不需要專(zhuān)門(mén)為其對(duì)這些環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。例如代替危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境中(如核電站內(nèi))的工作人員，在不平整地面上搬運(yùn)貨物等等。此外將來(lái)社會(huì)環(huán)境的變化使得雙足機(jī)器人在護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及一般家務(wù)處理等方面也有很大的潛力。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 馬香峰. 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991. [2] 王曉明．電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制．北京航空航天大學(xué)出版社，2003. [3] 吳瑞祥. 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. [4] 熊有倫. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [5] 王志良. 競(jìng)賽機(jī)器人制作技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007. [6] 馬香峰. 工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1996.9. [7] 余達(dá)太，馬香峰. 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1999.4. [8] 劉政華等． 機(jī)械電子學(xué)[M]．北京：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1999.10. [9] Ernest L. Mallet. Robotics: A User-Friendly Introduction [M]. New York: CBS College Publishing, 1985. [10] Yore Koran. Robotics for Engineers [M].McGraw-Hill Book Company, 1985. [11] 張建民. 機(jī)電一體化原理與應(yīng)用[M]．國(guó)防科技大學(xué)出版社，1992.1 [12] 曲家騏. 伺服控制系統(tǒng)中的傳感器[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998. [13] 秦志強(qiáng). 基礎(chǔ)機(jī)器人制作與編程[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社，2007. [14] 高鐘毓. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.2 [15] 陳繼榮. 智能電子創(chuàng)新制作[M]. 北京：科技出版社，2007. [16] 張建民．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1997. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 ２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）： 1 課題目的與預(yù)期目標(biāo) 微機(jī)原理及接口技術(shù)在各科領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，通過(guò)該課題的研究使學(xué)生掌握微機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方法，行走電路的設(shè)計(jì)、對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制設(shè)計(jì)。同時(shí)使學(xué)生掌握工程設(shè)計(jì)的一般方法以及獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，最終使學(xué)生的綜合素質(zhì)得以提高。 2主要研究的問(wèn)題 (1) 設(shè)計(jì)了兩足步行機(jī)器人的硬件電路 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)。 (2) 選擇設(shè)計(jì)了兩足步行機(jī)器人的控制軟件系統(tǒng) 在操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)了應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，搭建了完整的兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件框架 (3) 搭建了17自由度機(jī)器人雙腿的運(yùn)動(dòng)模式 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2所示。 圖2 兩足機(jī)器人行走步行模式 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)： 該生的文獻(xiàn)綜述結(jié)合所要研究地課題比較緊密，從文中可以看出該生對(duì)所要做地工作進(jìn)行了較深入地學(xué)習(xí)。 2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)： 本課題要做什么步驟敘述很清楚，設(shè)計(jì)思路正確，工作量合理，預(yù)計(jì)該生能順利并很好地完成該課題。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在專(zhuān)業(yè)審查意見(jiàn)： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題、審題表 系　　部 機(jī)械工程系 指導(dǎo) 教師 姓 名 路建萍 劉艷 專(zhuān)業(yè)技術(shù)職 務(wù) 工程師 助教 課題名稱(chēng) 兩足行走機(jī)器人——行走控制部分設(shè)計(jì) 適用專(zhuān)業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化 課題性質(zhì) A B C D E 課題來(lái)源 A B C D √ √ 課題預(yù)計(jì) 工作量大小 大 適中 小 課題預(yù)計(jì) 難易程度 難 適中 易 √ √ 課題簡(jiǎn)介 本課題源于“第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中兩足行走機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類(lèi)用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。在機(jī)器人研究領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平的日本，推出了諸如舞蹈機(jī)器人等雙足行走機(jī)器人，但成千上萬(wàn)的傳感器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)使這類(lèi)機(jī)器人造價(jià)非常昂貴。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類(lèi)行走的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。 課題應(yīng)完成的任務(wù)和對(duì)學(xué)生的要求 1、課題調(diào)研、查閱資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告及外文翻譯； 2、總體方案論證及選擇； 3、完成機(jī)器人交替邁腿的控制部分設(shè)計(jì)； 4、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 所在專(zhuān)業(yè)審定意見(jiàn)： 專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人(簽名)： 年 月 日 注：本課題由 黃 俊 同學(xué)選定，學(xué)號(hào)： 05010213 注：1．該表由指導(dǎo)教師填寫(xiě)，經(jīng)所在專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人簽名后生效，作為該專(zhuān)業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題使用； 2．有關(guān)內(nèi)容的填寫(xiě)見(jiàn)背面的填表說(shuō)明，并在表中相應(yīng)欄內(nèi)打“√”； 3．課題一旦被學(xué)生選定，此表須放在學(xué)生“畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料袋”中存檔。  填 表 說(shuō) 明 1．該表的填寫(xiě)只針對(duì)1名學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)選擇使用，如同一課題由2名及2名以上同學(xué)選擇，應(yīng)在申報(bào)課題的名稱(chēng)上加以區(qū)別（加副標(biāo)題），并且在“設(shè)計(jì)（論文）要求”一欄中說(shuō)明。 2．“課題性質(zhì)”一欄： A．產(chǎn)品設(shè)計(jì)； B．工程技術(shù)研究； C．軟件開(kāi)發(fā)； D．研究論文或調(diào)研報(bào)告 E．其它。 3．“課題來(lái)源”一欄： A．自然（社會(huì)）科學(xué)基金與省（部）、市級(jí)以上科研課題； B．企、事業(yè)單位委托課題； C．校、院（系）級(jí)基金課題； D．自擬課題。 4．“課題簡(jiǎn)介”一欄： 主要指該課題的背景介紹、理論意義或?qū)嵱脙r(jià)值。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第14頁(yè) 共29頁(yè) 1 緒論 兩足步行機(jī)器人是指可以使用兩只腳交替地抬起和放下，以適當(dāng)?shù)牟椒ミ\(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，可分為擬人機(jī)器人和桌面型兩足機(jī)器人 (仿人機(jī)器人)大小和人相似，不僅具有擬人的步行功能，而且通常還具有視覺(jué)、語(yǔ)音、觸覺(jué)等一系列擬人的功能；桌面型兩足機(jī)器人通常指體積較小，只具有步行功能及其他少數(shù)特定功能的兩足機(jī)器人，例如具有步行功能和視覺(jué)功能的自主踢足球機(jī)器人。與擬人機(jī)器人相比，桌面型兩足步行機(jī)器人的成本較低，除了具有科研性外，還具有廣泛地娛樂(lè)性，也可以應(yīng)用在教學(xué)和比賽中。國(guó)內(nèi)外的機(jī)器人大賽中，常?？梢钥吹阶烂嫘蛢勺悴叫袡C(jī)器人的身影[1]。 1.1 課題的研究背景和意義 于兩足步行機(jī)器人的擬人性和對(duì)環(huán)境良好的適應(yīng)性等特點(diǎn)，受到各國(guó)政府和研究者的廣泛重視，是當(dāng)今世界的高新技術(shù)的代表之一。它在科研、教學(xué)、比賽和娛樂(lè)等方面都很到了很好的應(yīng)用。 江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽和全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽中經(jīng)常有兩足步行機(jī)器人，它可以參加舞蹈機(jī)器人比賽、兩足競(jìng)走機(jī)器人比賽、Robocop類(lèi)人組機(jī)器人踢足球[10]器人創(chuàng)新比賽、Robocop救援組比賽等。舞蹈機(jī)器人比賽時(shí)使用了日本“KONDO”兩足步行機(jī)器人，性能出眾，發(fā)揮穩(wěn)定，獲得了舞蹈機(jī)器人比賽的冠軍。但是該機(jī)器人是集成度很高的商業(yè)產(chǎn)品，它的控制系統(tǒng)不開(kāi)放底層代碼，難以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和步態(tài)研究。 所以本文基于機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的眾多處理器和操作系統(tǒng)各自的特點(diǎn)，并結(jié)合“KONDO”機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，選用了高性能、低功耗的 8 位AVR? 微處理器內(nèi)核處理器ATMega8P來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制來(lái)。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)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(lèi)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。隨著中國(guó)機(jī)械產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，各高校相繼開(kāi)設(shè)機(jī)械類(lèi)創(chuàng)新課程和比賽，學(xué)生可將其應(yīng)用在各類(lèi)機(jī)械創(chuàng)新作品中，優(yōu)化控制系統(tǒng)參加比賽。日本“KONDO”機(jī)器人如圖1.1所示。 圖1.1 日本“KONDO”跳舞機(jī)器人 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 步行是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，其中兩足直立行走是人類(lèi)特有的步行方式，是所有步行方式中自動(dòng)化程度最高，最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。最早從工程角度研究雙足機(jī)器人并獲得成功的是早稻田大學(xué)的加藤一郎。1972年，加藤實(shí)驗(yàn)室推出了wL-5雙足步行機(jī)器人，這是世界上第一臺(tái)雙足機(jī)器人。 1996年11月本田((HONDA)公司展示了一個(gè)有兩腿兩臂的仿人[2]型機(jī)器人P2,能在平地上行走、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯和跨越障礙，并可提5公斤的重物和使用扳手等簡(jiǎn)單工作;在此基礎(chǔ)上，本田公司又連續(xù)開(kāi)發(fā)了第二代仿人機(jī)器人P3，第三代仿人機(jī)器人Asimo, Asimo高120cm，行走質(zhì)量很高，非常接近人類(lèi)。Sony公司也推出了能歌善舞的機(jī)器人Qrio，不但具有非常出色的步行穩(wěn)定性，而且具有很強(qiáng)的自行辨認(rèn)能力，甚至能在狹隘道路上行走并繞過(guò)障礙物。這兩個(gè)機(jī)器人代表了當(dāng)前世界上兩足步行機(jī)器人研制的最高水平。 Asimo和Qrio都是擬人機(jī)器人，它們除了具有兩足步行功能之外，還具有非常強(qiáng)大的視覺(jué)功能和語(yǔ)音功能，能辨認(rèn)很多目標(biāo)，并能和人進(jìn)行很好的語(yǔ)言及肢體交流。而桌面型的兩足機(jī)器人也一直受到研究者的重視，研究的重點(diǎn)是兩足步行功能。如圖1.2所示。 圖1.2 Asimo(左)和Sony的Qrio(右) 2006年，日本神奈川大學(xué)設(shè)計(jì)的WABIAN-2LL機(jī)器人，身高120cm，重40Kg,在步行中通過(guò)膝關(guān)節(jié)改變腿長(zhǎng)，通過(guò)腰關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來(lái)減少腿部運(yùn)動(dòng)對(duì)身體重心的影響。2007年，大阪大學(xué)的Koh Hosoda等人研究了人類(lèi)行走過(guò)程中的腿、腰、頭、手臂等各部分的協(xié)同作用，在兩足機(jī)器人中引入了三維極限環(huán)協(xié)同理論，設(shè)計(jì)的機(jī)器人Pneumat-BT[6]，[7]。 隨著集成電路的發(fā)展，小型機(jī)器人可以具有功能越來(lái)越強(qiáng)大的嵌入式計(jì)算系統(tǒng)，甚至可以使用運(yùn)算能力很強(qiáng)的圖像處理和模式識(shí)別系統(tǒng)。這使得桌面型兩足步行機(jī)器人和擬人機(jī)器人之間并沒(méi)有嚴(yán)格的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)。2007年，東京Denki大南京師范大學(xué)碩士學(xué)位論文學(xué)的Hideto SHIMIZU等人設(shè)計(jì)了小型兩足步行機(jī)器人HOAP-3，身高60cm，重8. 8Kg，共有28個(gè)自由度，有一個(gè)強(qiáng)大的視覺(jué)處理系統(tǒng)。如圖1.3所示。 圖1.3 WABIAN-2LL(左)、Pneumat-BT(中)和HOAP-3(右) 2006年，西班牙Politecnica de Valencia大學(xué)的Albero和Blanes等人設(shè)計(jì)了具有高性能分布式控制系統(tǒng)的桌面型兩足機(jī)器人YABIRO，高55cm，重4Kg，共27個(gè)自由度，具有獨(dú)特的腰部三自由度結(jié)構(gòu)，如圖所示。該機(jī)器人使用了多個(gè)嵌入式系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)使用了嵌入式個(gè)人計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)，具有非常強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力；主、從控制系統(tǒng)以及傳感器之間使用dual-CAN總線通信。 2006年，韓國(guó)國(guó)立釜山大學(xué)開(kāi)發(fā)了腳底安裝有力傳感器的桌面型兩足機(jī)器人，該機(jī)器人身高28cm，重3.2Kg，如圖所示。同年，韓國(guó)Sung KyunKwan大學(xué)也開(kāi)發(fā)了一個(gè)桌面型兩足步行機(jī)器人，身高45cm，重4.3Kg，共24個(gè)自由度，如圖所示。該機(jī)器人使用了TI公司的DSP TMS320F2407作為控制器，使用直流無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，在兩足步態(tài)設(shè)計(jì)中引入了遺傳算法。如圖1.4所示。 圖1.4 YABIRO-2（左）、釜山大學(xué)機(jī)器人和Sung Kuhn Kwan 大學(xué)機(jī)器人（右） 我國(guó)從80年代中期才開(kāi)始研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人[20，21] ，國(guó)防科技大學(xué)1988年研制成功我國(guó)第一臺(tái)平面型六自由度的兩足機(jī)器人，能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和上下樓梯；之后又現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的全方位行走，1995年，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)步行。 2000年11月，國(guó)防科技大學(xué)又研制出了我國(guó)第一臺(tái)具有人類(lèi)外觀特征、可以模擬人類(lèi)行走與基本操作功能的擬人兩足步行機(jī)器人Pioneero。 2002年，清華大學(xué)精密儀器系、機(jī)械工程系和自動(dòng)化系組成的研究小組開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)擬人機(jī)器人THBIP，共32個(gè)自由度，可以步行、上下樓梯、打太極拳等，并具有視覺(jué)及語(yǔ)音識(shí)別功能[3]。 兩足機(jī)器人的研制發(fā)展過(guò)程，是由少自由度到多自由度、由實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單動(dòng)作到復(fù)雜動(dòng)作、由靜態(tài)步行到動(dòng)態(tài)步行、由僅從簡(jiǎn)單功能到仿生功能的研制過(guò)程。 1.3 本文的主要工作 本文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是兩足行走機(jī)器人的行走控制系統(tǒng)部分，我選用8 位AVR 微處理器內(nèi)核處理器ATMega8P，設(shè)計(jì)了兩足行走機(jī)器人的控制系統(tǒng)。主要工作包括： (1) 設(shè)計(jì)了兩足步行機(jī)器人的硬件電路。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)。 (2) 選擇設(shè)計(jì)了兩足步行機(jī)器人的控制軟件系統(tǒng)。在AVR微處理器中移植了u C/OS-II操作系統(tǒng)；在操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)了應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，搭建了完整的兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件框架[12]，[13]。 (3) 搭建了17自由度機(jī)器人雙腿的運(yùn)動(dòng)模式，通過(guò)17個(gè)舵機(jī)同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)作，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作。 (4) 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)，提出本設(shè)計(jì)的不足，指出需要改進(jìn)的地方。 1.4 本文組織結(jié)構(gòu) 第一章介紹了兩足步行機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 [26] ，由別人設(shè)計(jì)的機(jī)器人總結(jié)對(duì)自己的啟發(fā)提出本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)點(diǎn)。 第二章介紹了控制系統(tǒng)中常用的處理器和操作系統(tǒng)、以及兩足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并說(shuō)明了本文設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)的目的。使用Prote199設(shè)計(jì)了兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件，包括核心電路圖和PWM脈沖信號(hào)控制原理圖。 第三章介紹了使用實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的具體軟件，這里我們使用了Servo Control Software,是實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制器通訊協(xié)議PC機(jī)上專(zhuān)用WINDOWS控制軟件，可以簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)作的操控。 第四章建立兩足步行機(jī)器人步行模式建立，對(duì)機(jī)器人的雙腿運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，對(duì)10個(gè)微型伺服直流電機(jī)的轉(zhuǎn)角角度進(jìn)行了逐個(gè)分析。 第五章對(duì)本文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)今后的深入研究提出了建議。 2 兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 在以比賽、娛樂(lè)、教學(xué)和研究為目的的兩足步行機(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。 2.1 硬件系統(tǒng)的基本要求 兩足步行機(jī)器人是對(duì)人類(lèi)的模仿[15]。但人類(lèi)的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，對(duì)人類(lèi)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)兩足步行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)對(duì)人類(lèi)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(lèi)的僅下肢就具有62對(duì)肌肉，腰部8對(duì)肌肉，在設(shè)計(jì)兩足步行機(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，所以兩足步行機(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(chēng)舵機(jī)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。 圖2.1 機(jī)器人機(jī)械實(shí)物 該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)： (1) 該機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)具有很高的穩(wěn)定性，國(guó)外的一些類(lèi)似機(jī)器人曾獲得機(jī)器人比賽冠軍； (2) 該機(jī)器人踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)各具有兩個(gè)自由度，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使機(jī)器人在不平地面站立； (3) 該機(jī)器人膝關(guān)節(jié)具有一個(gè)自由度； (4) 該機(jī)器人肩關(guān)節(jié)具有兩個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)具有一個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的擺臂功能，用以配合腿部的運(yùn)動(dòng)，抑制擺腿時(shí)產(chǎn)生的左右扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)。 (5) 該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)也具有一個(gè)缺點(diǎn):沒(méi)有腰部扭轉(zhuǎn)自由度，使兩足步行機(jī)器人在行走中不能使用腰部關(guān)節(jié)進(jìn)行姿態(tài)平衡，但這并不阻礙機(jī)器人在平地上的行走。 本文在“KONDO”機(jī)器人[9]機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，用來(lái)替換其自帶的控制系統(tǒng)。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。 2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線和總體方案 2.2.1 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?jī)勺悴叫袡C(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[24]，[25]。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2.1所示。 表2.1 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(zhuān)門(mén)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(zhuān)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(mén)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，在兩足步行機(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)。 2.2.2 直流伺服電機(jī)的控制特性 直流伺服電機(jī)又稱(chēng)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)[22]。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2.2所示的線性關(guān)系。 圖2.2 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 本文中的兩足步行機(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)。 2.2.3 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[11]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[19]，原理如圖2.3所示。 圖2.3 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)，使兩足步行機(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2.4所示。 圖2.4 PWM信號(hào)控制原理圖 2.2.4 電源設(shè)計(jì) 為了增加機(jī)器人的靈活性，兩足步行機(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。 2.2.5 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(lèi)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(lèi)創(chuàng)新課程和比賽[11]，學(xué)生可將其應(yīng)用在各類(lèi)機(jī)械創(chuàng)新作品中，起到優(yōu)化控制系統(tǒng)作用，其電路板界面如圖2.5所示。 圖2.5 兩足行走機(jī)器人控制系統(tǒng)電路板 2.3 舵機(jī)控制器的使用方法 2.3.1 伺服電機(jī)控制板接口功能 圖2.6 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2.6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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 29 頁(yè) 共 29 頁(yè) 3 兩足步行機(jī)器人控制系統(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(mén)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，在兩足步行機(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)了兩足步行機(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)兩足步行機(jī)器人進(jìn)行了關(guān)節(jié)調(diào)試。 3.1 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。 3.2 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(zhuān)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(zhuān)家Jean J. Lacrosse編寫(xiě)，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(xiě)而成的操作系統(tǒng)“Servo Control Software”。其軟件的操作界面如圖3.1所示。 圖3.1 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(zhuān)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。 3.3 伺服電機(jī)控制軟件操作方法 3.3.1 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3.2、圖3.3、圖3.4所示： 圖3.2 串口設(shè)置第一步 圖3.3 串口設(shè)置第二步 圖3.4 串口設(shè)置第三步 3.3.2 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3.5所示。 圖3.5 控制板接線示意圖 單擊鼠標(biāo)左鍵軟件與硬件連接,如圖3.6所示。 圖3.6 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)D3.7所示。 圖3.7 控制通道設(shè)置示意圖 3.3.3 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3.8所示。 圖3.8 操作設(shè)置功能圖 3.3.4 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3.9所示。 圖3.9 指令回顯區(qū) 3.3.5 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3.10所示。 圖3.10 發(fā)送指令間隔時(shí)間控制區(qū) 3.4 微型伺服電機(jī)（舵機(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(chēng)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(chēng)它為自由度。 3.4.1 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3.11和表3.1所示。 圖3.11 “輝盛”MG945舵機(jī) 表3.1 “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 3.4.2 輝盛MG945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3.2所示。 表3.2 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 4 兩足步行機(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(chēng)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(chēng)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。 4.1 本章任務(wù) 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(chēng)，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。首先要把機(jī)器人組裝起來(lái)，其腿部圖片如圖4.1所示。 圖4.1 單腿的實(shí)物圖片 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4.2所示。 圖4.2 腿部舵機(jī)的分布 4.2 靜態(tài)步行模式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)中使用了靜態(tài)步行模式[4][5]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4.2所示。 圖4.2 兩足機(jī)器人行走步行模式 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。 4.3 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4.2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4.3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4.3 激活循環(huán)控制 結(jié) 束 語(yǔ) 兩足步行機(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)前兩足步行機(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)兩足步行機(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，我及我們小組，基本完成了兩足行走機(jī)器人的結(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)。在我負(fù)責(zé)的控制系統(tǒng)這一塊中，我理論設(shè)計(jì)了一套控制方案，我使用的是核心為8位的AVR微處理器控制器，在設(shè)計(jì)過(guò)程中就發(fā)現(xiàn)的它的缺陷，由于我們?cè)O(shè)計(jì)的17自由度機(jī)器人，也就是有17個(gè)微型直流伺服電機(jī)，相應(yīng)的要同時(shí)提供17路的PWM脈沖信號(hào)，這就對(duì)處理器有了比較高的要求，而這時(shí)8位處理器則達(dá)不到使用要求。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，如表2.1中的ARM系列處理器和PC104, PowerPC等單板計(jì)算機(jī)。 (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)。桌面型的兩足機(jī)器人由于受到體積和成本的限制，大多不具備視覺(jué)系統(tǒng)或只有很簡(jiǎn)單的視覺(jué)系統(tǒng)。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，桌面型的兩足機(jī)器人也會(huì)具有復(fù)雜的視覺(jué)系統(tǒng)。這在足球機(jī)器人中尤其重要。 致 謝 本文的研究工作是在劉艷老師的精心指導(dǎo)下完成的。在整個(gè)課題研究過(guò)程中，老師在各方面給予了我無(wú)盡的關(guān)心、幫助和教誨，使本論文的研究工作得以順利完成。老師學(xué)識(shí)淵博，經(jīng)驗(yàn)豐富，思維敏捷，時(shí)時(shí)給我熱情的鼓勵(lì)和不倦的教誨，在研究思想和研究方法上給了我諸多啟示，解答了許多難題，從課程學(xué)習(xí)、論文選題、課題研究到論文撰寫(xiě)無(wú)不凝聚著老師們的心血和汗水。老師待人誠(chéng)懇，心胸寬大，精深的知識(shí)令我受益匪淺。在此向劉艷表示無(wú)盡的感謝，同時(shí)此課題能夠順利完成也離不開(kāi)同學(xué)給我的幫助和指導(dǎo)，在此也特別向他們表示深深的謝意！ 參 考 文 獻(xiàn) [1] 包志軍，馬培蓀. 兩足機(jī)器人到仿人型機(jī)器人的研究歷史及其問(wèn)題[J].機(jī)器人, 1999(4):312-319. 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