1、精品文檔兩足機(jī)器人系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)1、 項(xiàng)目簡(jiǎn)介1.1 項(xiàng)目摘要雙足或人形機(jī)器人，又稱(chēng)仿人機(jī)器人。雙足機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的準(zhǔn)確和控制的實(shí)時(shí), 必須依賴(lài)合理的控制策略和穩(wěn)定的控制系統(tǒng)以及高效的微處理器。按照設(shè)計(jì)要求,本項(xiàng)目選定ATME公司的AVR系列單片機(jī)ATmegal28為控制核心，設(shè)計(jì)一套具有19 個(gè)自由度的雙足人形機(jī)器人及其控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人能夠在自主狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)前后平穩(wěn)行走、單腿站立、側(cè)向平移、左右轉(zhuǎn)向行走、前后翻滾以及標(biāo)準(zhǔn)的體操動(dòng)作等功能。1.2 立項(xiàng)背景機(jī)器人是整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物, 能實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能。機(jī)器人代表了科學(xué)

2、技術(shù)的最高水平, 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。宋健院士在國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)第14 屆大會(huì)報(bào)告中指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是 20 世紀(jì)自動(dòng)控制最有說(shuō)服力的成就, 是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化”。現(xiàn)在 ,國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般來(lái)說(shuō), 人們都可以接受這種說(shuō)法即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)(Robot Institute of America, RIA) 于 1979 年給機(jī)器人的定義：一種可編程和多功能的, 用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專(zhuān)門(mén)

3、系統(tǒng)。作為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支, 雙足機(jī)器人(Humanoid Robot) 由于其廣闊的應(yīng)用空間一直是研究熱點(diǎn)之一。所謂雙足機(jī)器人, 又稱(chēng)仿人機(jī)器人, 是具有人形的機(jī)器人,是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活, 控制系統(tǒng)復(fù)雜, 能完成高難度的動(dòng)作的機(jī)器人。它是機(jī)械、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、微電子學(xué)、模式識(shí)別、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)、仿生學(xué)等多學(xué)科和技術(shù)綜合的結(jié)果, 代表著一個(gè)國(guó)家高科技發(fā)展水平。研制與人類(lèi)特征類(lèi)似, 具有人類(lèi)智能、靈活性, 并能與人類(lèi)交流, 不斷適應(yīng)環(huán)境的雙足機(jī)器人一直是人類(lèi)的努力的目標(biāo)。1.3 項(xiàng)目研究意義與傳統(tǒng)機(jī)器人相比, 雙足機(jī)器人具有顯著的優(yōu)勢(shì), 比一般機(jī)器人有更大的機(jī)動(dòng)

4、性、靈活性 , 同時(shí)也具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。雙足機(jī)器人的出現(xiàn)是控制科學(xué)、傳感器技術(shù)、人工智能、材料科學(xué)等學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步, 以及機(jī)器人使用范圍的擴(kuò)大和人類(lèi)日常生活需要的產(chǎn)物。雙足機(jī)器人在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)探測(cè)、軍事偵察、生活服務(wù)與娛樂(lè)等很多方面都有廣泛的應(yīng)用前景。首先雙足機(jī)器人在拓展人類(lèi)的認(rèn)知范圍上發(fā)揮著重要作用, 在外層空間、深海等人類(lèi)尚不能到達(dá)的環(huán)境都有雙足機(jī)器人的身影；其次雙足機(jī)器人己經(jīng)廣泛應(yīng)用在惡劣、危險(xiǎn)條件下或其它不適合人類(lèi)活動(dòng)的環(huán)境中。雙足機(jī)器人的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用, 對(duì)人類(lèi)社會(huì)的生活和生產(chǎn)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。也正是因?yàn)殡p足機(jī)器人的廣泛的應(yīng)用背景和商業(yè)價(jià)值 , 所以近年來(lái), 雙足機(jī)器人成

5、為機(jī)器人研究領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)熱點(diǎn)。1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20 世紀(jì) 60 年代，最初為工業(yè)機(jī)器人。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬，逐漸由制造業(yè)向非制造業(yè)和服務(wù)行業(yè)發(fā)展。具有人類(lèi)的外形特征，可以模仿人類(lèi)行為的雙足機(jī)器人早已出現(xiàn)。比如，本田機(jī)器人ASMO索尼機(jī)器人QRIOffi韓國(guó)KAIST機(jī)器人KHR-3等。目 前很多國(guó)家都正在積極進(jìn)行雙足機(jī)器人的研發(fā)。主要有美國(guó)、日本、英國(guó)、韓國(guó)、法國(guó)、加拿大等。美國(guó)研究機(jī)器人較早，日本類(lèi)人機(jī)器人研究成果最多。國(guó)內(nèi)雙足機(jī)器人的研究相對(duì)而言起步較晚, 但發(fā)展很快, 并取得了重要進(jìn)展。我國(guó)自“八五”期間開(kāi)始進(jìn)入這一研究領(lǐng)域 , 并

6、在國(guó)家“863”計(jì)劃把開(kāi)發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容列入高科技發(fā)展規(guī)劃中。機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所, 定位于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展、國(guó)家安全和重大科學(xué)工程提供所需要的機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)。另外, 各高校也是國(guó)內(nèi)雙足機(jī)器人研究中的主力軍 , 并取得了很大的進(jìn)展和成果。2、 研究方案2.1 研究?jī)?nèi)容（ 1）完成空間19個(gè)自由度（手臂、髖、膝、踝）的人型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)；精品文檔精品文檔(2)采用ATmegal28乍為控制芯片，控制器負(fù)責(zé)給舵機(jī)和傳感器模塊發(fā)送指 令，以及對(duì)雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制；(3)在移動(dòng)式機(jī)器人模擬軟件 Webots中搭建機(jī)器人平臺(tái)，讓后用C+魏寫(xiě)實(shí) 現(xiàn)前后平

7、穩(wěn)行走、單腿站立、側(cè)向平移、左右轉(zhuǎn)向行走、前后翻滾以及標(biāo)準(zhǔn)的 體操動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)程序，檢驗(yàn)其是否能完成要求的動(dòng)作；(4)在設(shè)計(jì)好的軟硬件平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和要 求。2.2研究方法和技術(shù)路線2.2.1 人型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)項(xiàng)目的要求我們將19個(gè)自由度做了如上圖的配置：其中頭部有一個(gè)自由度，可以保證頭部自由的旋轉(zhuǎn)；每個(gè)手臂配置三個(gè)自由度，肩部2個(gè)自由度保證機(jī)器人可以完成左右伸展手臂和前后擺臂的動(dòng)作，肘部一個(gè)自由度可以讓 其完成抬臂的動(dòng)作；胯部有4個(gè)自由度，保證機(jī)器人橫向移動(dòng)和抬腿的動(dòng)作； 每條腿有三個(gè)自由度，使機(jī)器人能夠靈活的完成腿部動(dòng)作；最后腳踝各配置一 個(gè)自由度，讓其能夠

8、完成轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作。以上就是我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人的所有自由度的配置方案。由于機(jī)械知識(shí)的缺乏，我們初步計(jì)劃購(gòu)買(mǎi)機(jī)器人框架，然后在 框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，讓其符合我們機(jī)器人自由度配置的要求。2.2.2 機(jī)器人內(nèi)核的選擇通過(guò)查閱大量的文獻(xiàn)資料和請(qǐng)教師兄師姐，本設(shè)計(jì)所選用的主控芯片型號(hào)是基于ARM CORTEXM3內(nèi)核的STM32F1O3RB亥內(nèi)核具備了優(yōu)異的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷控制系統(tǒng)，支持優(yōu)先級(jí)配置和中斷嵌套。STM32F103RB有多達(dá)3個(gè)USAR破口，可以完成通訊功能以及ISP程序下載。STM32F103RB具備CANI2C, SPI等通信接口，擁有DM饋制器、3個(gè)16位定時(shí)器以及12位精度的ADC專(zhuān)

9、換模塊，其 FLASHY小為 128K, SRAMfc小為 20K。STM32F103RB功能m rtp0 t/) & 4。d A a esEEgssgspeaysiirrnnrirrirrrinrirTnrinrinE<54匚 酸打 加必用57 W %加 七51 *01唱p ,<DD_2PG13-TfMPER-RTC匚1療 VSS_2PCU-OGC32 IMc3-49 rmTPC15-OSC3l2_OUT匚445 RM2PCC OSCJMc541q RM1PD1 OSC.OUT443 PM。NRST匚7回陽(yáng)FGZ匚6£1 paPC1E&LOFP嗚1 PC

10、9PC；匚1D泊 PCSPCS匚11船J PC7'SSAE12叫q pcgVDDA匚1330 PB15PAC-WKUP匚14股n P511PA1C1S碎 PH13E1B33<17 16 1621 吧 22 2J 路加 3 黑 2。口口 Si 32> JUJJULILJU.LILJLJ Pfi13杳3 口成壬思定立親更瞿息岳品5匕to 凸圖 2-2 STM32F103xx 增強(qiáng)型 LQFP64管腳完全能完成本設(shè)計(jì)的要求。2.2.3 電源電路設(shè)計(jì)在舵機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中為了避免電流波動(dòng)影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，將舵機(jī)驅(qū)動(dòng) 和控制系統(tǒng)分開(kāi)供電。由于機(jī)器人使用的是大扭矩的輝盛995舵機(jī)，每個(gè)舵

11、機(jī)的工作電流是100 mA, 19個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作時(shí)需要1.9A電流，所以舵機(jī)的供電 部分使用了 LM1084-5.0為舵機(jī)提供5 V電壓，該芯片允許輸出的最大電流高 達(dá)5Ao在電源的輸入端使用二極管橋式整流電路，防止電源接入時(shí)的極性錯(cuò) 誤。為了減少電路各部分的電源和地之間的相互干擾，在數(shù)字地、模擬地之間 引入零歐姆電阻，舵機(jī)電源電路如圖所示。用 0MGNDJ 11 MGND圖2-3機(jī)器人舵機(jī)電源電路STM32F103RB制系統(tǒng)需要2.03.6 V的電壓，為I /O 引腳和內(nèi)部調(diào)壓器供電，使用1片AMS1117-3.3產(chǎn)生3.3V穩(wěn)壓電源，電路如圖所示。U4 AMS117-：!-3MGND圖2-

12、4控制系統(tǒng)電源電路精品文檔精品文檔2.2.4 傳感器的選擇陀螺儀與加速度計(jì)：陀螺儀是一種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器，它固定安裝在機(jī)器人上面，可以測(cè)量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)的角速度。把測(cè)量到的角速度在計(jì)算機(jī)算法上進(jìn)行積分，得到的是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)過(guò)的角度，這個(gè)角度很重要，通過(guò)角度，我們可以對(duì)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制。這樣就比起傳統(tǒng)的循線轉(zhuǎn)彎快了很多，在機(jī)器人的直線行走過(guò)程，也可以通過(guò)陀螺來(lái)檢測(cè)機(jī)器人是否走偏，從而來(lái)對(duì)它進(jìn)行糾偏控制。機(jī)器人行走可以分為：走直線的情況和拐彎的情況。直線行走時(shí)理論上陀螺儀應(yīng)該角速度為0，但由于誤差常常不為0. 這是可以采用簡(jiǎn)潔實(shí)用的PID 調(diào)節(jié)控制，達(dá)到穩(wěn)定目標(biāo)。拐彎時(shí)，給機(jī)器人

13、的左右兩輪設(shè)定不同的速度，這樣機(jī)器人便開(kāi)始拐彎，然后我們反復(fù)不斷地讀取陀螺測(cè)得的機(jī)器人目前拐過(guò)角度，直到達(dá)該角度到設(shè)定的角度時(shí)再停止拐彎。不為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和電路選擇三軸陀螺儀， 三軸陀螺儀是能夠準(zhǔn)確測(cè)定運(yùn)動(dòng)物體前后左右方位，主要用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體角速度的慣性器件。利用的是一塊機(jī)械敏感元件，根據(jù)哥氏效應(yīng)，由元件輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)正比于轉(zhuǎn)動(dòng)角速率的電壓。紅外傳感器：選擇功能強(qiáng)大的GP2D1加測(cè)距傳感器。工作中，根據(jù)白色與黑色的反射率不同來(lái)辨 別軌跡；避障工作中，根據(jù)傳感器前方有物體時(shí)有反射信號(hào)到達(dá)接收管來(lái)獲得觸發(fā)信號(hào)。這里使用紅外發(fā)射和接收管，組成紅外傳感陣列來(lái)進(jìn)行環(huán)境判斷，實(shí)現(xiàn)循跡、避障、測(cè)距的功能。超聲波傳感器：超聲波傳感器以其信息處理簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、硬件容易