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1、模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 摘要 模仿人的形態(tài)和行為而設(shè)計(jì)制造的機(jī)器人就是仿人機(jī)器人， 一般分別或同時(shí)具有仿 人的四肢和頭部。仿生機(jī)器人的發(fā)展可以給國(guó)家科技，教育，經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)很大 的進(jìn)步空間。 本文是在對(duì)國(guó)內(nèi)外人形仿生機(jī)器人資料， 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。此外，本文設(shè)計(jì)了仿生機(jī)器人的主控電路板以及控制程序。 研究小型仿生機(jī)器人的目的就是為了便于普及仿生機(jī)器人研究， 讓自然人與機(jī)器人 能在同一個(gè)空間內(nèi)融洽

2、相處。本文所設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人是采用舵機(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)模塊化仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成和控制部分進(jìn) 行了優(yōu)簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)和詳細(xì)的分析。 關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器人，舵機(jī)，單片機(jī) 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) Abstract This paper is in the form of domestic and foreign bionic robot for data, especially the bond part and the control data were studied under the foundation, the humanoid robot

3、structure, drive, control and sensor of the plan. In this paper, structure of the humanoid robot were detailed design, drawing assembly diagram, parts diagram and complete the corresp onding desig n and calculati on. The desig n of the bionic robot adopts servo moti on, and using the MCU control the

4、 movement of the robot. The design structure of the humanoid robot and con trol part of the detailed an alysis. Researchon bionic robot is designed to facilitate the popularization of bionic robot, let the natural human robot can be in the same space along. Bionic robot is designed in this paper is

5、 the actuator motion, and the motion control of the robotby single chip microcomputer. Structure the design of bionic robot of the moduleand control part of the desig n and simplified and an alyzed in detail. Keywords: bionic robot, steering engine the MCU fdf圖紙 枉務(wù)書 36 KE Mi cros oft V?or i 9.

6、.. EOT14510-00-04 連接 件W 4.7 KB RQT14510-00-Q1 連接 件I 74 KB ROTI4510-00-06 連播 件¥1 85 KB ROT 14510-00-03 連接 件III 97 KB 也 R0T14510-00-05 連接 dwg 人 R0T14S10-OO-O8 連接 件⑷ DWG彳 1 ROT14510-02-00 手臂 351 KB D 霜（jF Aut oCAD 團(tuán)形 BDT14510-DO-07 件vn GO KB ROT14S10-00-02 件II 89 K6 主桎原理圖2 419

7、 KB AutoCAD 團(tuán)形 連接 主控原理圖3 466 KB AutoCAD 圖形 ROTI 4510-01-00 軀干 4&4 O AutoCAD 團(tuán)形 主揑原理圉1 634 KB AuUCAD團(tuán)形 ROT 14510-04-00 褪剖 79S KB AutoCAB 團(tuán)盤 ROT14EiO-OD^O 機(jī)器人裝配盟 961 KE 仿生 設(shè)計(jì)說(shuō)明書C論立） 1,681 KB MieroEoft Word 9... 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 目錄 1緒論 1 1.1仿生機(jī)器人的特點(diǎn) 1 1.2國(guó)內(nèi)外仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 2

8、1.3課題技術(shù)要求 5 2. 人形仿生機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 6 2.1仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 6 2.2 仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 6 2.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 9 2.4仿生機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù) 9 3. 人形仿生機(jī)器人控制系統(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 4. 仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 17 4.1軟件系統(tǒng)的基本要求 17 4.2軟件設(shè)計(jì)的總體方案 17 4.3 舵機(jī)與控制系統(tǒng) 19 4.4舵機(jī)的選擇 20 5. 仿生機(jī)器人步行模式的建立 23 5.1 靜態(tài)步行模式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 23 5.2姿態(tài)運(yùn)動(dòng)

9、的軟件實(shí)現(xiàn) 25 結(jié)論 28 參考文獻(xiàn) 29 致謝 30 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 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

10、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?，F(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（Gy no id），如機(jī)械女仆。反過(guò)來(lái)說(shuō) 亦有開發(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)

11、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仿生機(jī)器人的特點(diǎn) 研究仿生機(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。 仿生機(jī)器人是近年來(lái)興起的類人小型機(jī)器人系統(tǒng)，是機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)新的方 向，人形機(jī)器人就是按照人體的一定比例進(jìn)行微縮的機(jī)器人。這種機(jī)器人從外形 上看據(jù)有人的特征，依賴雙足行走；能像人一樣站立、行走、跳舞、運(yùn)動(dòng)，具有 人一樣的行為，能像人類一樣地生活、學(xué)習(xí)，并且

12、為人類服務(wù)。研究小型人形機(jī) 器人的目的就是為了便于普及人形機(jī)器人研究， 讓自然人與機(jī)器人能在同一個(gè)空 間內(nèi)融洽相處。 模仿人的形態(tài)和行為而設(shè)計(jì)制造的機(jī)器人就是仿人機(jī)器人，一般分別或同時(shí) 具有仿人的四肢和頭部。中國(guó)科技大學(xué)陳小平教授介紹，機(jī)器人一般根據(jù)不同應(yīng) 用需求被設(shè)計(jì)成不同形狀，如運(yùn)用于工業(yè)的機(jī)械臂、輪椅機(jī)器人、步行機(jī)器人等。 而仿人機(jī)器人研究集機(jī)械，電子，計(jì)算機(jī)，材料，傳感器，控制技術(shù)等多門科學(xué) 于一體，代表著一個(gè)國(guó)家的高科技發(fā)展水平。仿生機(jī)器人的發(fā)展可以給國(guó)家科技， 教育，經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)很大的進(jìn)步空間 ⑻0 本課題主要解決了模塊化仿生機(jī)器人各個(gè)模塊之間連接件的設(shè)計(jì)， 以及通過(guò)

13、 C語(yǔ)言編程，對(duì)于伺服電機(jī)模塊進(jìn)行精確地控制。 從而使得整個(gè)系統(tǒng)至少能夠搭 接10種模型，包括變形金剛、機(jī)器貓、機(jī)器狗、機(jī)器兔等造型。 而這樣的一個(gè)仿生機(jī)器人它的意義不僅在教學(xué)上可以給我們帶來(lái)實(shí)體的展 示和實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)制作仿人機(jī)器人來(lái)實(shí)踐機(jī)械結(jié)構(gòu)和復(fù)雜控制軟件模塊的設(shè) 計(jì)。學(xué)生用仿人機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)增強(qiáng)動(dòng)手能力和解決新問(wèn)題的能力。 而且在生 活中也可以進(jìn)行推廣，可以成為自閉癥兒童的開導(dǎo)工具等等。 對(duì)于這樣的仿生機(jī)器人的進(jìn)一步研究和學(xué)習(xí)，我相信在未來(lái)它所具有的經(jīng)濟(jì) 價(jià)值和市場(chǎng)需求是非?？捎^的。I 1.2國(guó)內(nèi)外仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 1.2.1國(guó)內(nèi)狀況 我國(guó)在仿人形機(jī)器人方面做了大量研

14、究，并取得了很多成果。比如長(zhǎng)沙國(guó)防 科技大學(xué)研制成了雙足步行機(jī)器人， 北京航空航天大學(xué)研制成了多指靈巧手， 哈 爾濱工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)也在這方面做了大量深入的工作。 在張啟先院士的主持下，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所于 80年代末開始 靈巧手的研究與開發(fā)，最初研究出來(lái)的 BH -1型靈巧手功能相對(duì)簡(jiǎn)單，但填補(bǔ) 了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)空白。在隨后的幾年中又不斷改進(jìn)，現(xiàn)在的靈巧手已能靈巧地抓持和 操作不同材質(zhì)、不同形狀的物體。它配在機(jī)器人手臂上充當(dāng)靈巧末端執(zhí)行器可擴(kuò) 大機(jī)器人的作業(yè)范圍，完成復(fù)雜的裝配、搬運(yùn)等操作。比如它可以用來(lái)抓取雞蛋， 既不會(huì)使雞蛋掉下，也不會(huì)捏碎雞蛋。靈巧手在航空航天、醫(yī)療護(hù)理等

15、方面有應(yīng) 用前景。 靈巧手有三個(gè)手指，每個(gè)手指有3個(gè)關(guān)節(jié)，3個(gè)手指共9個(gè)自由度，微電機(jī) 放在靈巧手的內(nèi)部，各關(guān)節(jié)裝有關(guān)節(jié)角度傳感器，指端配有三維力傳感器，采用 兩級(jí)分布式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。 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)[18] 0 北京理工大學(xué)在歸國(guó)博士黃強(qiáng)教授的帶領(lǐng)下，

16、 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

17、人，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)步行功能。 2007年7月7日，由哈爾濱工程大學(xué)研制開發(fā)的仿生機(jī)器人螃蟹，經(jīng)過(guò)近 百次試驗(yàn)獲得成功。該仿生機(jī)器人螃蟹長(zhǎng)60厘米，寬35厘米，厚度為25厘米， 體重12公斤，時(shí)速540米/小時(shí)。這只仿生螃蟹配備有衛(wèi)星定位系統(tǒng)，能潛入 4 米深水下進(jìn)行搜救、探測(cè)、錄像等任務(wù)。 目前，我國(guó)仿人形機(jī)器人研究與世界先進(jìn)水平相比還有差距。 我國(guó)科技工作 者正在努力向前，我們熱切地期盼著我們自己水平更高的、 功能更強(qiáng)的仿人型機(jī) 器人與大家見面。 1.2.2國(guó)外狀況 在2005年愛(ài)知世博會(huì)上，大阪大學(xué)展出了一臺(tái)名叫 ReplieeQ1expo的女性機(jī) 器人。該機(jī)器人的外形復(fù)制自日本新聞女

18、主播藤井雅子， 動(dòng)作細(xì)節(jié)與人極為相似。 參觀者很難在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)這其實(shí)是一個(gè)機(jī)器人。 由日本本田公司研制的仿人機(jī)器人 ASIMO，是目前最先進(jìn)的仿人行走機(jī)器 人。ASIMO身高1.2米，體重52公斤。它的行走速度是0-1.6km/h。早期的機(jī)器人 如果直線行走時(shí)突然轉(zhuǎn)向，必須先停下來(lái)，看起來(lái)比較笨拙。而 ASIMO就靈活 得多，它可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)下一個(gè)動(dòng)作并提前改變重心， 因此可以行走自如，進(jìn)行諸 如“8”字形行走、下臺(tái)階、彎腰等各項(xiàng)“復(fù)雜”動(dòng)作。此外， ASIMO還可以握 手、揮手，甚至可以隨著音樂(lè)翩翩起舞［9］。 在仿人機(jī)器人領(lǐng)域，日本和美國(guó)的研究最為深入。日本方面?zhèn)戎赜谕庑畏抡妫?/p>

19、 美國(guó)則側(cè)重用計(jì)算機(jī)模擬人腦的研究。 由于仿人型機(jī)器人集機(jī)、電、材料、計(jì)算機(jī)、傳感器、控制技術(shù)等多門學(xué)科 于一體，是一個(gè)國(guó)家高科技實(shí)力和發(fā)展水平的重要標(biāo)志， 因此，世界發(fā)達(dá)國(guó)家都 不惜投入巨資進(jìn)行開發(fā)研究。日、美、英等國(guó)都在研制仿人形機(jī)器人方面做了大 量的工作，并已取得突破性的進(jìn)展。日本本田公司于1997年 10月推出了仿人形機(jī) 器人P3,美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出了仿人形機(jī)器人科戈（COG）,德國(guó)和澳洲共 同研制出了裝有52個(gè)汽缸，身高2米、體重150公斤的大型機(jī)器人。本田公司最新 開發(fā)的新型機(jī)器人“阿西莫”，身高120厘米，體重43公斤，它的走路方式更加 接近人。 在2013年舉行的機(jī)器

20、人奧運(yùn)會(huì)上，日本 Schaft公司機(jī)器人HRP-2拿到第一。 而美國(guó)NASA花了 300萬(wàn)美元打造的Valkyrie人形機(jī)器人也同時(shí)展現(xiàn)在了世人面 刖。 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

21、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Meltran U成功地實(shí)現(xiàn)了在未知路面上的動(dòng)態(tài)行走［15］。 代表擬人機(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(Advaneed Step in Innovative Mobility) ”，“ASIMO ”和“ P3” 相比，實(shí)

22、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)方面采用了新開發(fā) “ l-WALK(lntelligent Real-time Flexible Walk) ”。l-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［13］。 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)

23、。SDR-3X :頭部2個(gè)自由度、軀干 2個(gè)自由度、手臂4 X 2個(gè)自由度、下肢和足部6 X 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5X 2=10個(gè)，腿部6X2=12個(gè)，獨(dú)立的5個(gè)手指5 X 2=10個(gè))O 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

24、，由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的比留川博等人開發(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 154em，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［14］ O 1.3課題技術(shù)要求 模塊化可拼裝，結(jié)構(gòu)件可更換； 采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)； 具有紅外避障，光敏傳感器； USB下載程序 藍(lán)牙無(wú)線，紅外遙控； 電池可在線充電； 連接簡(jiǎn)單、方便、耐用； 16個(gè)自由度，1

25、0種以上造型； 設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模型，提交零件圖和裝配圖 采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng) 5 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 2. 人形仿生機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是仿生機(jī)器人的重要的部分，在這個(gè)部分中，主要設(shè)計(jì)機(jī)器人的驅(qū) 動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接件等。 主控制器作為電源子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)的機(jī)載化安裝空間。 2.1仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 人形仿生走機(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

26、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。 按照設(shè)計(jì)參數(shù)的要求，從仿人外形和仿人運(yùn)動(dòng)功能要求出發(fā)， 設(shè)計(jì)要求機(jī)器 人自由度具有16個(gè)自由度。 其中下肢8個(gè)自由度。每條腿包括髖部轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)自由度。膝部前向1個(gè)自由 度。踝部前向、轉(zhuǎn)動(dòng)各1個(gè)自由度。上肢8個(gè)自由度。每個(gè)手臂包括肩部肘部各 2個(gè)自由度。 2.2仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 機(jī)器人的機(jī)械安裝示意圖如圖2.1所示，機(jī)器人有一個(gè)傳感器模塊（即頭部）， 一個(gè)主控制器（即胸部），16個(gè)舵機(jī)模塊（各個(gè)關(guān)節(jié)），通過(guò)機(jī)械連接件由螺絲和 卡扣連接而成。 通過(guò)上面所述和查閱相關(guān)機(jī)器人行走的視屏，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)16自由度的

27、機(jī) 器人模型，如圖2.1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。 Front View Rear View 圖2.1 仿生機(jī)器人模型 圖2.1人形機(jī)器人，頭部和身體相連接（圖2.2） o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)）。 8 模

28、塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) # 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 圖2.2 機(jī)器人頭部和身體 # 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 9 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 圖2.4 機(jī)器人右手臂 圖2.5 機(jī)器人左腿 10 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 圖2.6 機(jī)器人右腿

29、 2.3驅(qū)動(dòng)方式的選擇 由于此次設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人只是達(dá)到簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，而且為了使機(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仿生機(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 (NX m) 16 鋁制零件 52 螺栓螺帽 M3 x 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x寬mm) 總體 348 x 195

30、手臂 189 x 49 腿部 198 x 49 舵機(jī)的相關(guān)參數(shù)，如表2.3 表2.3舵機(jī)參數(shù) 型號(hào) 重量k 軸承 減速比 馬達(dá) 6V 7.4V 墻轉(zhuǎn)扭距 (kg-crfl) 空m電 流(mA) s/BQa 堵萍掃拒 空戢工柞電 SR51& 75 230 空業(yè)杯 0JS 141.4 J00J3 021 17 J3 2^7 12 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 3. 人形仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)是用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、傳感器數(shù)據(jù)采集，機(jī)器人與人的交互等。 控制系統(tǒng)有一個(gè)主控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，主控

31、制器對(duì)每個(gè)機(jī)器人的模塊分別控制，機(jī)器 人的運(yùn)動(dòng)控制算法是在主控制器中設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊上的舵機(jī)里有 CPU通過(guò)232 或485總線跟主控制器進(jìn)行通信。 在這部分要設(shè)計(jì)主控制器，編寫程序，設(shè)定與每個(gè)模塊的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)機(jī) 器人的整體協(xié)調(diào)動(dòng)作。 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。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，胯部具有0至3個(gè)自由度。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器 人共有16個(gè)自由度，驅(qū)動(dòng)器為微型直流伺

32、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16路獨(dú)立的高精度單邊沿PWM&號(hào)，用來(lái)控制作為機(jī)器人 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的16個(gè)舵機(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&號(hào)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角為0度到300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 =1.11卩s。 3.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技

33、術(shù)路線和總體方案 3.2.1處理器選型 智能仿生機(jī)器人系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)模塊、傳感器模塊、主控制器模塊及結(jié) 構(gòu)連接件構(gòu)成。 主控制器模塊為機(jī)器人的大腦，總體協(xié)調(diào)各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)、感知等功能。 伺服電機(jī)模塊為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)， 每個(gè)自由度采用一個(gè)伺服電機(jī)模塊。伺 服電機(jī)模塊標(biāo)有不同的ID號(hào)，通過(guò)串行總線與主控制器通信。 傳感器模塊包含幾種傳感器，為機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng)。傳感器模塊唯一的 ID 號(hào)，通過(guò)串行總線與主控制器通信。 結(jié)構(gòu)連接件具有多種形狀，可以搭接成不同形式的機(jī)器人。 在機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的處理器有： TI C2000和C6000系列DSR 8051 和AVR單片機(jī)、A

34、RM系列、STM32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 具有很強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，適合運(yùn)動(dòng)控 運(yùn)動(dòng)控制、語(yǔ)音處理。尤其適合 C2000 系歹y DSP 制，硬件設(shè)計(jì)方便。 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。 具有極強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力， 具有專門的 高級(jí)的視覺(jué)處理和模式識(shí)別 C6000 系歹y DSP 操作系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。 8

35、051和AVR系列單片 結(jié)構(gòu)和指令簡(jiǎn)單；運(yùn)算能力較低，通常不支 簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制和信號(hào)處理，在 機(jī) 持操作系統(tǒng)：幾乎全部芯片都己經(jīng)單片化，硬件 復(fù)雜的控制系統(tǒng)中作為局部控制器。 設(shè)計(jì)非常方便。 典型的RISC處理器，運(yùn)算能力較強(qiáng)，支持 小型機(jī)器人主控制器，常用于運(yùn) ARM7系列 多種操作系統(tǒng)：部分型號(hào)芯片己經(jīng)單片化，硬件 動(dòng)控制和傳感器信號(hào)處理。 設(shè)計(jì)較方便。 專為要求高性能、低成本、低功耗設(shè)計(jì)，運(yùn) 機(jī)器人主控制器，同以進(jìn)行視覺(jué) STM32系列系列 算能力很強(qiáng)，支持多種操作系統(tǒng)；幾乎沒(méi)有單片 處理、語(yǔ)音處理和模式識(shí)別。 化，硬件設(shè)計(jì)

36、較復(fù)雜。 PC104, PowerPC 等單 由PC演化而來(lái)，通用性很強(qiáng)，功耗大，硬 復(fù)雜的擬人機(jī)器人的主控制器。 板計(jì)算機(jī) 件設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。 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

37、為 C6000（和C5000）系列開發(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、1/0、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)。 單板

38、計(jì)算機(jī)由通用計(jì)算機(jī)演化而來(lái)，常見的有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，高性能、低功耗的 8位 STM32F103RCT6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舵機(jī)的控制特性 舵機(jī)又稱為直流伺服電機(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)的仿生機(jī)器人的

39、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 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入 PWMW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 16個(gè)舵機(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16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STM32核心處理器、

40、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 58K (2) 控制系統(tǒng)需要控制16個(gè)舵機(jī)，使機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作。控制直流伺 服電機(jī)的PWM&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?？刂葡到y(tǒng)是用于控制機(jī)器人 的運(yùn)動(dòng)、傳感器數(shù)據(jù)采集，機(jī)器人與人的交互等?？刂葡到y(tǒng)有一個(gè)主控制器來(lái)實(shí) 現(xiàn)，主控制器對(duì)每個(gè)機(jī)器人的模塊分別控制，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制算法是在主控制 器中設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊上的舵機(jī)里有 CPU通過(guò)232或485總線跟主控制器進(jìn)行通 信。 在這部分要設(shè)計(jì)主

41、控制器，編寫程序，設(shè)定與每個(gè)模塊的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)機(jī) 器人的整體協(xié)調(diào)動(dòng)作。 其舵機(jī)PWM&號(hào)控制電路原理如圖3.3所示。 lAfr 1-fiMD 銘口 B9-217zH6C^＞：K^T 芮陽(yáng) £ H-PI 7zRSC-^L 0?z5T 圖3.3 PWM信號(hào)控制原理圖 324電源設(shè)計(jì) 為了增加機(jī)器人的靈活性，機(jī)器人使用高性能充電電池供電。 直流伺服電機(jī) 的電源要求為9V至12V，本文選用了電壓為10V的高性能電池，直接作為直流 伺服電機(jī)的電源。 由于基于STM32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

42、一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換芯片 SWDM02將電 池的直流電源轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流。如圖 3.4所示是機(jī)器人電源部分的控制圖： 18 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 19 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) STD_3RS4_3TM_I 3rg_2*?&4_JTH_j SFD_M54 占El 圖3.4 電源控制原理圖 # 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 4. 仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) STM3系列單片機(jī)通常在其內(nèi)部集成了 CPU存

43、儲(chǔ)器、總線邏輯、I/O、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)了模塊化仿生機(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)了常見的多路 PW產(chǎn) 生方法，具有很高的PW信號(hào)的精度和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，并對(duì)模塊化仿生機(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4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)PW信號(hào)的分時(shí)復(fù)用，并要保證PW信號(hào)的高精度。并且通過(guò)軟件， 能夠及時(shí)地改變P

44、W的輸出。 (3) 通過(guò)RS23接口能和PCM通信。 (4) 接收上位機(jī)的運(yùn)動(dòng)列表，串口和 USB程序下載，能夠從上位機(jī)更新固 件程序。 4.2軟件設(shè)計(jì)的總體方案 CPU STM32F103 軟件開發(fā)平臺(tái)：Keil-C 功能要求：接收上位機(jī)的運(yùn)動(dòng)列表，串口和 US程序下載，能夠從上位機(jī)更 新固件程序。 方式：與上位機(jī)統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)列表格式，控制其他模塊時(shí)采用串口通信，封裝標(biāo) 準(zhǔn)API函數(shù)。 函數(shù)列表： (1) 伺服電機(jī)初始化Motor」nit 函數(shù)功能：電機(jī)初始化 入口參數(shù)：nModule 模塊序號(hào) = 模塊ID 出口參數(shù)：1 成功 0 失敗 函數(shù)原型：BOOL Mot

45、or」nit(ui nt8 n Module ) (2) 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)Motor_Drive 函數(shù)功能：電機(jī)驅(qū)動(dòng) 入口參數(shù)：nM odule 模塊序號(hào) =模塊ID Velocity 運(yùn)行速度，單位：百分比，數(shù)值為正時(shí)朝前；數(shù)值為負(fù)時(shí)朝后。 Degree 旋轉(zhuǎn)角度，單位：度，數(shù)值為正時(shí)順時(shí)針；數(shù)值為負(fù)時(shí)逆時(shí)針， 0 時(shí)停止 出口參數(shù)：1 成功 0 失敗 函數(shù)原型：BOOL Motor_Drive(ui nt8 n Module , ui nt32 Velocity, ui nt8 Degree ) (3) 伺服電機(jī)停止Motor_Stop 函數(shù)功能：電機(jī)停止 入口參數(shù)：n

46、Module 模塊序號(hào) = 模塊ID 出口參數(shù)：1 成功 0 失敗 函數(shù)原型：BOOL Motor_Stop(ui nt8 nM odule ) (4) 讀取電機(jī)溫度Motor_ReadTemp 函數(shù)功能：讀取電機(jī)模塊溫度 入口參數(shù)：nModule 模塊序號(hào) = 模塊ID temp 溫度值 出口參數(shù)：1 成功 0 失敗 函數(shù)原型：BOOL Motor_PWMSet(ui nt8 n Module , ui nt32 temp) (5) 讀取模塊 ID號(hào)Module_ReadID 函數(shù)功能：設(shè)置PW值，調(diào)整電機(jī)速度 入口參數(shù)：nModule 模塊序號(hào) = 模塊ID t

47、emp 溫度值 出口參數(shù)：1 成功 0 失敗 函數(shù)原型：BOOL Module_ReadID(ui nt8 nM odule ) (6) 讀取紅外數(shù)值Sensor_Read 函數(shù)功能：讀取傳感器數(shù)值 入口參數(shù)：nModule 模塊序號(hào) = 模塊ID nSensor 紅外序號(hào)，0=前，1=左, 2=右；光敏=4；聲音=5 value 參數(shù)值 出口參數(shù)：1 成功 0 失敗 函數(shù)原型：BOOlMotor_PWMSet(uint8 nModule , uint8 nSensor , uint32 temp) (7) 讀取模塊 ID號(hào)Module_ReadlD 函數(shù)功能：設(shè)

48、置PW值，調(diào)整電機(jī)速度 入口參數(shù)：nMotor 電機(jī)序號(hào) =模塊ID temp 溫度值 出口參數(shù)：1 成功 0 失敗 函數(shù)原型：BOOL Module_ReadID(ui nt8 nM otor) 4.3舵機(jī)與控制系統(tǒng) 4.3.1工作模式 主控制器模塊為機(jī)器人的大腦，總體協(xié)調(diào)各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)、感知等功能。 舵機(jī)模塊為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)自由度采用一個(gè)伺服電機(jī)模塊。 伺服電 機(jī)模塊標(biāo)有不同的ID號(hào)，通過(guò)串行總線與主控制器通信。 傳感器模塊包含幾種傳感器，為機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng)。傳感器模塊唯一的 ID 號(hào)，通過(guò)串行總線與主控制器通信。 主控制器分別與十六個(gè)伺服電機(jī)以及傳感器相連

49、，主控制器負(fù)責(zé)向各個(gè)舵機(jī) 發(fā)送命令，而舵機(jī)則反饋信息給主控制器。 4.3.2通信原理圖 主控制器負(fù)責(zé)向各個(gè)舵機(jī) 主控制器分別與十六個(gè)伺服電機(jī)以及傳感器相連, 發(fā)送命令，而舵機(jī)則反饋信息給主控制器。 23 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 24 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 圖4.5 通信示意圖 # 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 4.4舵機(jī)的選擇 舵機(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)。

50、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?，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“春天” SR518舵

51、機(jī)，其圖和參數(shù)如圖4.11和表4.1所 示。 圖4.11 “春天” SR518舵機(jī) 根據(jù)機(jī)器人手臂部分受力分析計(jì)算出肩部舵機(jī)應(yīng)承受扭矩: T=F? L=0.79*7.05=5.57kg ? cm 根據(jù)機(jī)器人腿部受力分析計(jì)算出胯部舵機(jī)應(yīng)承受扭矩： T'=F' ? L'=1.004*9.1425=9.18kg ? cm 表4.1 “春天” SR518舵機(jī)參數(shù) 尺寸 重量 速度 扭力 使用電壓 45.9*35.7*41.6mm 75g 0.25sec/60 度 17.3千克/厘米 6V?12V 442所選舵機(jī)的控制特性 通訊

52、類型：485半雙工異步串行總線；通訊協(xié)議： Roboris Dyn amixel 只要符合協(xié)議的半雙工UAR異步串行接口都可以和舵機(jī)進(jìn)行通訊，對(duì)舵機(jī)進(jìn) 行各種控制。主要有以下兩種方式: 方式一：通過(guò)調(diào)試器進(jìn)行控制 圖4.12 PC調(diào)試控制 26 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) # 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 方式二：通過(guò)專用控制器控制 Controller 圖4.13專用控制器調(diào)試控制 用于舵機(jī)通訊的接口必須進(jìn)行如圖4.14處理: 匕匚丨! MU TKEM 麗CU TXD a 7 & SP435 VCC.5V 孑 C6 ND 1

53、 GND 圖4.14 UART接口原理圖 “春天” SR518舵機(jī)全轉(zhuǎn)角為0-300度，它的對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系如表4.2所示 PW波脈寬 舵機(jī)轉(zhuǎn)角 對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角簡(jiǎn)圖 0.5ms 0度 口 0.9ms 45度 表4.2 PWM波脈寬與舵機(jī)轉(zhuǎn)角關(guān)系 # 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 1.5ms 90度 2.1ms 135度 2.5ms 180度 i 27 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 5. 仿生機(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

54、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16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I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)。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

55、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) 仿生機(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 8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

56、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)機(jī)器人的步行。 28 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 6 7 8 9 10 圖5.1 腿部舵機(jī)的分布 圖5.2 機(jī)器人行走步行模式 29 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 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 keil中，其完成從靜止開始起步的過(guò)程的偽代 碼指令如下： mai n() { RightArm

57、1(up,20) { Motor1(up,20) Motor2(0,0) Motor3(0,0) } LeftArm1(dow n,20) { Motor9(dow n, 20) Motor10(0,0) Motor11(0,0) } LeftLeg1(up,18) { Motor13(up,18) Motor15(dow n,18) Motor16(0,0) } RightLeg2(revolve,5) { Motor4(revolve,5) } LeftLeg1(dow n,18) { Motor13(dow n,18) Motor15(u

58、p,18) Motor16(0,0) } LeftLeg1(revolve,5) { Motor12(revolve,5) } RightLeg2(up,18) { Motor5(dow n,18) Motor7(up,18) Motor8(0,0) } RightLeg2(revolveB,5) { Motor4(revolveB,5) } RightArm1(dow n,40) { Motor1(dow n,40) Motor2(0,0) Motor3(0,0) } LeftArm1(up,40) { Motor9(up,40) Moto

59、r10(0,0) Motor11(0,0) } Reset() } 上述完成機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)一步然后靜止的一個(gè)過(guò)程，既從直立形態(tài)開始到抬 右手左腿起步再到直立靜止，然后我們?cè)冱c(diǎn)擊如圖 5.3中的“激活循環(huán)控制”就 可以完成仿生機(jī)器人持續(xù)交替行走的動(dòng)作了 圖5.3 激活循環(huán)控制 結(jié)論 仿生機(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)前仿生機(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STM32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A

60、T51、 STC5係列單片機(jī)。根據(jù)機(jī)器人的扭矩要求選擇了“春天” SR518舵機(jī)。并對(duì)仿 生機(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 動(dòng)。 在本設(shè)計(jì)課題中，本文基本完成了仿生機(jī)器人機(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 16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、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。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ZMF理論對(duì)機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)控制。

61、 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)。 33 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn) [1] 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 [2] 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. [3] 孫富春，朱紀(jì)洪，劉國(guó)棟等?機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論-分析、系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2004. [4] 周遠(yuǎn)清，張?jiān)倥d等編著.智能機(jī)器人系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1989. ⑸ 方建軍，何廣平.智能機(jī)器人[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004. [6] 胡凌云，孫增沂.雙足機(jī)器人步態(tài)控制研究方法綜述[J].

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65、up 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

66、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。 37 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 38 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) r L3m IroH fw 上律電機(jī)于險(xiǎn) 主竝樁原風(fēng)陽(yáng) 39 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) 40 模塊化仿生機(jī)器人設(shè)計(jì) UPM 3U &ddFal±^ 郞UA I學(xué)雪 上籟電機(jī)學(xué)隔 主禪樁更風(fēng)陽(yáng)1 41