两足行走机器人行走控制部分设计毕业论文.doc

本科毕业设计说明书（论文）第1页共29页1绪论两足步行机器人是指可以使用两只脚交替地抬起和放下，以适当的步伐运动的机器人，可分为拟人机器人和桌面型两足机器人(仿人机器人)大小和人相似，不仅具有拟人的步行功能，而且通常还具有视觉、语音、触觉等一系列拟人的功能；桌面型两足机器人通常指体积较小，只具有步行功能及其他少数特定功能的两足机器人，例如具有步行功能和视觉功能的自主踢足球机器人。与拟人机器人相比，桌面型两足步行机器人的成本较低，除了具有科研性外，还具有广泛地娱乐性，也可以应用在教学和比赛中。国内外的机器人大赛中，常常可以看到桌面型两足步行机器人的身影1。1.1课题的研究背景和意义于两足步行机器人的拟人性和对环境良好的适应性等特点，受到各国政府和研究者的广泛重视，是当今世界的高新技术的代表之一。它在科研、教学、比赛和娱乐等方面都很到了很好的应用。江苏省大学生机器人大赛和全国大学生机器人大赛中经常有两足步行机器人，它可以参加舞蹈机器人比赛、两足竞走机器人比赛、Robocop类人组机器人踢足球10器人创新比赛、Robocop救援组比赛等。舞蹈机器人比赛时使用了日本“KONDO”两足步行机器人，性能出众，发挥稳定，获得了舞蹈机器人比赛的冠军。但是该机器人是集成度很高的商业产品，它的控制系统不开放底层代码，难以进行二次开发和步态研究。所以本文基于机器人控制系统中常用的众多处理器和操作系统各自的特点，并结合“KONDO”机器人机械结构的特性，选用了高性能、低功耗的8位AVR®微处理器内核处理器ATMega8P来实现对机器人的控制来。设计的控制系统控制指令精简，控制转角精度高，波特率可以实时更改，体积小，重量轻，其可作为类人型机器人、仿生机器人、多自由度机械手的主控制器。随着中国机械产业的不断进步，各高校相继开设机械类创新课程和比赛，学生可将其应用在各类机械创新作品中，优化控制系统参加比赛。日本“KONDO”机器人如图1.1所示。本科毕业设计说明书（论文）第2页共29页图1.1日本“KONDO”跳舞机器人1.2国内外研究现状步行是人与大多数动物所具有的移动方式，其中两足直立行走是人类特有的步行方式，是所有步行方式中自动化程度最高，最为复杂的动态系统。最早从工程角度研究双足机器人并获得成功的是早稻田大学的加藤一郎。1972年，加藤实验室推出了wL-5双足步行机器人，这是世界上第一台双足机器人。1996年11月本田(HONDA)公司展示了一个有两腿两臂的仿人2型机器人P2,能在平地上行走、转弯、上下楼梯和跨越障碍，并可提5公斤的重物和使用扳手等简单工作；在此基础上，本田公司又连续开发了第二代仿人机器人P3，第三代仿人机器人Asimo,Asimo高120cm，行走质量很高，非常接近人类。Sony公司也推出了能歌善舞的机器人Qrio，不但具有非常出色的步行稳定性，而且具有很强的自行辨认能力，甚至能在狭隘道路上行走并绕过障碍物。这两个机器人代表了当前世界上两足步行机器人研制的最高水平。Asimo和Qrio都是拟人机器人，它们除了具有两足步行功能之外，还具有非常强大的视觉功能和语音功能，能辨认很多目标，并能和人进行很好的语言及肢体交流。而桌面型的两足机器人也一直受到研究者的重视，研究的重点是两足步行功能。如图1.2所示。本科毕业设计说明书（论文）第3页共29页图1.2Asimo(左)和Sony的Qrio(右)2006年，日本神奈川大学设计的WABIAN-2LL机器人，身高120cm，重40Kg,在步行中通过膝关节改变腿长，通过腰关节的运动来减少腿部运动对身体重心的影响。2007年，大阪大学的KohHosoda等人研究了人类行走过程中的腿、腰、头、手臂等各部分的协同作用，在两足机器人中引入了三维极限环协同理论，设计的机器人Pneumat-BT6，7。随着集成电路的发展，小型机器人可以具有功能越来越强大的嵌入式计算系统，甚至可以使用运算能力很强的图像处理和模式识别系统。这使得桌面型两足步行机器人和拟人机器人之间并没有严格的区分标准。2007年，东京Denki大南京师范大学硕士学位论文学的HidetoSHIMIZU等人设计了小型两足步行机器人HOAP-3，身高60cm，重8.8Kg，共有28个自由度，有一个强大的视觉处理系统。如图1.3所示。图1.3WABIAN-2LL(左)、Pneumat-BT(中)和HOAP-3(右)2006年，西班牙PolitecnicadeValencia大学的Albero和Blanes等人设计了具有高性能分布式控制系统的桌面型两足机器人YABIRO，高55cm，重4Kg，共27个自由度，具有独特的腰部三自由度结构，如图所示。该机器人使用了多个嵌入式系统，主控制系统使用了嵌入式个人计算机和实时Linux操作系统，具有非常强大的数据处本科毕业设计说明书（论文）第4页共29页理能力；主、从控制系统以及传感器之间使用dual-CAN总线通信。2006年，韩国国立釜山大学开发了脚底安装有力传感器的桌面型两足机器人，该机器人身高28cm，重3.2Kg，如图所示。同年，韩国SungKyunKwan大学也开发了一个桌面型两足步行机器人，身高45cm，重4.3Kg，共24个自由度，如图所示。该机器人使用了TI公司的DSPTMS320F2407作为控制器，使用直流无刷电机作为驱动器，在两足步态设计中引入了遗传算法。如图1.4所示。图1.4YABIRO-2（左）、釜山大学机器人和SungKuhnKwan大学机器人（右）我国从80年代中期才开始研究两足步行机器人20，21，国防科技大学1988年研制成功我国第一台平面型六自由度的两足机器人，能实现前进、后退和上下楼梯；之后又现了实验室环境中的全方位行走，1995年，实现了动态步行。2000年11月，国防科技大学又研制出了我国第一台具有人类外观特征、可以模拟人类行走与基本操作功能的拟人两足步行机器人Pioneero。2002年，清华大学精密仪器系、机械工程系和自动化系组成的研究小组开始研究开发拟人机器人THBIP，共32个自由度，可以步行、上下楼梯、打太极拳等，并具有视觉及语音识别功能3。两足机器人的研制发展过程，是由少自由度到多自由度、由实现简单动作到复杂动作、由静态步行到动态步行、由仅从简单功能到仿生功能的研制过程。1.3本文的主要工作本文设计的主要内容是两足行走机器人的行走控制系统部分，我选用8位AVR微处理器内核处理器ATMega8P，设计了两足行走机器人的控制系统。主要工作包括：(1)设计了两足步行机器人的硬件电路。选用高性能、低功耗的8位AVR微处理器，指令执行时间为单个时钟周期，速度快，控制精度高、I/O口驱动能力更强，