毕业设计（论文）-人形机器人设计.doc

北京科技大学本科生毕业设计（论文）摘要人形机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表，是多学科交叉的综合高新技术领域，它预示着机器人技术未来的发展方向。它涉及到机械电子、计算机、自动控制、无线通讯和仿生材料等众多子学科的相关研究与综合应用。我国积极举办各类机器人大赛，普及机器人知识，以促进机器人技术的发展。本课题以2015年华北五省大学生机器人大赛为背景，自主开发和研究参赛的人形机器人，文中介绍了本届机器人比赛的规则、方案研究等相关内容。重点对人形机器人的机械、电控系统、运动学分析和动作设计等关键技术进行研究。论文第一章主要说明课题来源以及本届人形机器人大赛情况，同时阐明本课题的背景及意义。第二章重点介绍了人形机器人及其相关技术，和国内外人形机器人的发展概况，并结合本课题说明了人形机器人的发展趋势。第三章在分析本届比赛特点的基础上制定参赛方案，研究战术策略，以此确定人形机器人的主要功能及技术要求。第四章首先对机器人各个关节自由度进行了合理配置，共设置了16个自由度。并详细说明其机械结构的设计以及制作过程，最后选择合适的材料进行加工、装配，完成人形机器人的机械系统的搭建，并进行了可靠性分析。第五章阐述了人形机器人的电控系统，包括人形机器人舵机型号、舵机控制板和电池的选取，之后介绍了上位机控制软件及其编程要求，最后说明了用PS2手柄无线控制机器人动作的相关操作。第六章对机器人进行了运动学分析，基于ZMP点对人形机器人行走步态进行了分析，确保进行运动时机器人的稳定性。第七章着重介绍了人形机器人的动作实验，记录了拳击、舞蹈和静态步行的相关动作。本课题的研究为人形机器人的一些仿人动作提供了一个可行的技术参考，形成了一套实用的设计方案和实验方法，可作为人形机器人制作的技术参考。关键词：人形机器人；舞蹈机器人；动作编程；步态规划；舵机控制The design and development of humanoid robotAbstractThe humanoid robot is representative of robot research in the field of the highest achievements, is a multidisciplinary comprehensive high-tech fields. It indicates that the robotics in the future direction of development. It involves the related research and integrated application of mechanical and electronic, computer, automatic control, wireless communication and bionic materials and many sub disciplines. In order to promote the development of robotics, different kinds of robot competition have been organized all over the country to popularize robot knowledge.This paper, based on five provinces of North China University Robot Contest 2015, mainly focuses on developing humanoid robot for the competition. The paper describes the strategy and the key technologies of humanoid robot, mechanical control system, kinematics analysis and motion design etc. in this competition. The paper focuses on the contemporary situation and development of humanoid robot in the first two chapters. It also introduces the significance of this subject based on the competition. Chapters III mainly analyzes the rules of the competition and develops strategies according to the characteristics of the rules. Chapters IV focuses on the research of humanoid robots mechenical structure and explain the progress of design, manufacture, experiment and improvement in details. The fifth part of this paper simply explains the control system of the humanoid robot and its basic control principle.Finally,describing the related operation of PS2 handle wireless control of robot. In order to ensure the stability of the robots motion,Chapters VI focuses on the research of humanoid robots kinematics analysis , and based on ZMP point of humanoid robot walking gait analysis. The last chapter focuses on the robots experiments, recording the movements of boxing, dance and static walking.This article emphasizes on the humanoid robots manufacture, which can be referred as the material of the technology of the humanoid robots. Key Words：humanoid robot；dance robot; action programming；gait analysis; Servo- 4 -目录摘要I引言11绪论21.1课题来源及背景分析21.1.1课题来源21.1.2课题背景分析21.2课题研究意义31.3本章小结42文献综述52.1人形机器人及其技术概述52.1.1人形机器人的定义52.1.2人形机器人的组成52.1.3人形机器人的应用72.2人形机器人的发展概况72.2.1国外人形机器人的发展概况82.2.2国内人形机器人的发展概况102.3人形机器人的发展趋势142.4本章小结143方案研究与策略分析153.1比赛方案研究153.1.1比赛规则分析153.1.2比赛胜负判定163.2比赛策略研究164人形机器人机械系统设计184.1人形机器人的设计要求184.2自由度分配184.2.1头部自由度分配194.2.2上肢自由度分配194.2.3躯干自由度分配194.2.4下肢自由度分配204.3机器人的材料选择214.3.1机器人材料选择原则214.3.2市场可供选择材料分析214.4机械结构设计234.4.1整体尺寸确定234.4.2头部设计244.4.3手臂设计244.4.4躯干设计254.4.5大腿间距264.4.6腿部设计264.4.7足部设计274.4.8虚轴设计284.5本章小结295人形机器人电控系统设计305.1机器人驱动元件选择305.1.1驱动形式选择305.1.2舵机概述315.1.3舵机具体型号选择+舵机速度335.2机器人舵机控制板选择355.2.1舵机控制板对比355.2.2torobot 32路舵机控制板概述365.3上位机控制软件365.3.1 软件界面365.3.2 编程要求375.3.3 脱机工作385.4电池选择385.5 PS2手柄395.6本章小结406人形机器人的运动学分析416.1腿部动作分析416.2人形机器人的手臂动作分析426.3步态分析436.3.1人形机器人的坐标系建立446.3.2运动学方程建立456.3.3人形机器人的零力矩点496.3.4人形机器人的前向运动507人形机器人实验与调试527.1人形机器人仿真实验527.2人形机器人静态步行实验527.3人形机器人拳击动作实验527.4人形机器人舞蹈动作实验527.5本章小结52结论53参 考 文 献54附 录57在 学 取 得 成 果58致谢59北京科技大学本科生毕业设计（论文）引言作为一种娱乐机器人，人形机器人具有很强的观赏性和趣味性，涉及到机械、电子控、通讯、人工智能、机器人学和仿生材料等多个领域。人们在智能化方面进行了各种各样的探索，但是要进一步提高智能水平以向人类看齐，却仍然是一个巨大的挑战。本课题以“2015年华北五省大学生机器人大赛”为背景，自主开发和研究参赛的人形机器人，文中介绍了本届机器人比赛的规则、方案研究等相关内容。重点对人形机器人的机械、电控系统、运动学分析和动作设计等关键技术进行研究。日本走在人形机器人研发的前沿，应用水平较高，如日本产业技术研究所开发的名为HRP-2的舞蹈机器人。研究人员利用特殊摄像机将艺术家跳舞的画面输入电脑，然后将解析后的数据输入给机器人，利用这些数据控制机器人手的动作和脚步，实现了机器人的舞蹈动作。本田公司推出的人形机器人ASIMO，将人形机器人的研究提升到了一个新的高度。ASIMO具有26个自由度，可以通过便携式控制器或个人电脑控制它的前进方向和上肢及腿部的动作可以自动识别人的动作、声音和面容，实现自主行走、上下楼梯等动作，可以说具有划时代的意义。国内由于整体水平的限制，研究相对落后，动作设计和实现方面的相关研究还比较少。本文根据比赛的相关要求，详细的介绍了人形机器人的机械系统、电控系统的设计和制作过程，并进行运动学分析，取得了较为理想的成果，机器人可以完成编排好的拳击、舞蹈动作。1绪论1.1课题来源及背景分析1.1.1课题来源人形机器人通常由多个关节组成，是一个高阶、非线性的多自由度系统，这为机器人的运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个较为理想的实验平台。华北五省大学生机器人大赛中专门设有针对人形机器人的拳击和舞蹈比赛，本课题就是以此为平台对人形机器人的机械结构和电子控制系统等进行研究。华北五省机器人大赛，是由华北五省（市、自治区）教育主管部门共同举办的大学生学科竞赛活动，比赛以智能机器人为研究对象，是面向大学生的一种具有探索性工程实践活动和科技竞赛。大赛每年举办一次，并且在2012年正式将人形机器人比赛加入其中，增加了比赛的观赏性和趣味性。1.1.2课题背景分析本课题研制的人形机器人主要是参加华北五省大学生机器人大赛中人形机器人组的拳击和舞蹈项目的比赛。拳击比赛是考验一个机器人能否猛烈地击打对方使对方倒地或在对方的猛烈打击条件下能否抵挡住或保持平衡能力的对抗赛，往届比赛如图1-1。拳击主要表现机器人如何产生爆发力，并且打中对方的要害部分使机器人被打倒。 图1-1机器人拳击比赛 图1-2机器人舞蹈比赛舞蹈比赛是展现机器人动作与音乐结合的协调性，考验参赛选手的编程编曲能力。本次比赛的场地为1.37m1.52m的平坦区域，地面铺有绿色薄地毯，地毯厚为2mm3mm，舞蹈机器人必须在该范围内运动，往届比赛如图1-2。机器人舞蹈时间应不少于两分钟但不能超过五分钟。机器人舞蹈动作必须是完全自主的，开机启动可用遥控等方式，但表演开始后不得有人为干扰或引导机器人。机器人动作由参赛队伍自行设计控制，可以伴随音乐自行跳舞，表演，机器人服饰根据表演风格自行设计。根据机器人动作的连贯性，观赏性，稳定性以及与音乐的适配性进行打分，按得分由高到低的顺序排序，角逐出冠军。人形机器人设计难点：（1）人形机器人进行步行动作的时候，其重心位置会实时改变，保证机器人平稳工作存在较大困难；（2）在平衡机器人身高、体重、臂展等条件时，需要考虑的问题较多；（3）为了提高对机器人动作的仿人程度，人形机器人需要设置较多的自由度数，要实现对各个关节的准确控制有一定难度；（4）舞蹈动作较为复杂，让机器人按编好的程序连续工作25分钟，前期编程需要的工作量较大；（5）机器人拳击比赛对机器人动作稳定性、出拳的力度以及抗击打能力要求较高，要多方面考虑。1.2课题研究意义人形机器人的研发与制作过程是对大学四年所学专业基础知识的一次重要演练和应用，对于培养一个工程人员应具备的工程素养，提高机械专业的设计创新能力、动手能力、分析解决问题能力都具有十分积极的意义。具体来说，在人形机器人的开发与设计过程中，每一组零件的装配过程乃至每一个零件的设计过程都是对自身专业水平的一次检验和提高。所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，大学所学的专业基础知识大多只是一些理论，而对于工科专业的学生来说，必须要经过工程训练，在工程项目中实践所学内容，才能做到理论联系实际，切实掌握所学内容。在机械方面，需要考虑机器人整体外观，机械结构以及选取材料等问题，对作图能力以及设计能力有着较高的要求。在电控方面，为了控制人形机器人模仿人类的动作，无论是蓝牙无线控制还是有线控制，必须用到通信技术，在机器人与上位机之间建立通信关系。而在对机器人动作进行编排时，通过上位机控制软件控制舵机转动角度和持续时间来实现机器人的动作，这也在考验电控知识。对于电控知识相对薄弱的机械专业学生来说，机器人的制作过程是一个很好的学习过程，可以学到很多单片机原理、通信、传感器应用和自动控制方面的知识，尝试一些电路制作与单片机控制。在人形机器人的制作过程中，可以感受到从图纸到实物成形、从冰冷的零部件到实现人类动作的快乐，每一次成功的喜悦、每一次失败的教训都必将成为人生中一笔宝贵的财富。参加华北五省大学生机器人大赛，有利于激发大学生开发与研制高科技产品的兴趣和学生的想象力；有利于培养学生的科学创新精神，激励学生探索创新思维；有利于提高学生理论联系实际的水平，使学生能在实践中检验和修正自己的设计理论。1.3本章小结本章主要介绍了华北五省大学生机器人大赛的背景，叙述了本课题研究的主要工作，以及本届机器人大赛中拳击比赛和舞蹈比赛的主要规则，针对本届比赛的要求，制订出了本课题研究的主要任务。2文献综述2.1人形机器人及其技术概述2.1.1人形机器人的定义人形机器人，又称仿人机器人，是具有与人相类似身体结构的机器人。1886年法国作家利尔亚当在他的小说未来夏娃中，将外表看起来像人的机器起名为“安德罗丁”（android），就是一种人形机器人。虽然是文学作品里的定义，但已经概括出了人形机器人的雏形。按照利尔亚当的描述，人形机器人由4部分组成：生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）；造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）；肌肉1（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态）；人造皮肤（含有肤色、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。机器人学是一门高度交叉的综合学科2，而人形机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表，是多学科交叉和结合的综合高新技术领域，它预示着机器人技术未来的发展方向。人类是地球上最富有智慧的生物，对人类行为进行模仿的机器人则是对高级智能形式的探索。它涉及到机械电子、计算机、传感、自动控制、无线通讯、精密机械和仿生材料等众多子学科的前沿研究与综合集成。2.1.2人形机器人的组成人形机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、传感器、控制系统和驱动器等四部分组成3。机械本体是机器人实施动作的执行机构。为对机械本体进行精确控制，传感器应提供机器人本体或其所处环境的相关信息，控制系统依据控制程序产生指令信号，通过控制各关节运动坐标的驱动元件，使各臂杆端点按照要求的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态到达空间指定的位置。驱动器将控制系统输出的信号变换成大功率的信号，以驱动机械本体工作。（1） 机械本体机器人的本体由机械手和移动装置两部分组成。机械手由手臂和末端执行器组成。手臂通过各个关节的运动使末端执行器进行预定的运动或到达预定的位置。末端执行器直接作用于任务对象，它是手部、抓持机构、手爪及固定于手臂末端的工具的总称。机器人的移动装置有轮式、双足式及特殊机构等类型。人形机器人出于对仿人程度的考虑，通常都选择双足式移动机构。（2） 控制系统控制系统是机器人的指挥中心4，相当于人的大脑功能，负责对作业指令信息、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节按所需的顺序、沿确定的位置或轨迹运动，完成特定的作业，其流程图如图2-1所示。图2-1 机器人控制系统图（3） 传感器传感器是机器人的感测系统，相当于人的感觉器官，是机器人系统的重要组成部分，包括外部传感器和内部传感器两大类5。外部传感器用来感知机器人所处的工作环境或工作状况信息，又可分成环境传感器和末端执行器传感器两种类型；前者用于识别物体和检测物体与机器人的距离等信息，后者安装在末端执行器上，检测处理精巧作业的感觉信息。常见的外部传感器有触觉传感器、力传感器、视觉传感器等。而内部传感器主要用来检测机器人本身的状态，为机器人的运动控制提供必要的本体状态信息，如速度传感器、位置传感器等。（4） 驱动器驱动器是机器人的动力系统，相当于人的心血管系统，一般由驱动装置和传动机构两部分组成。因驱动方式的不同，驱动装置可以分成电动、液动和气动三种类型。驱动装置中的电动机、舵机、液压缸、气缸可以与操作机直接相连，也可以通过传动机构与执行机构相连。传动机构通常有齿轮传动、链传动、带传动、蜗轮蜗杆传动等几种类型。2.1.3人形机器人的应用人形机器人具有人类相似度很高的外观，可以适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，并可以在很多方面扩展人类的能力，在服务，医疗，教育，娱乐等多个领域得到广泛应用6。在服务领域，21世纪人类将进入老龄化社会，发展人形机器人能弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务，医疗等社会问题。人形机器人可以与人友好相处，能够很好地担任陪伴，照顾，护理老人和病人的角色，以及从事日常生活中的服务工作，因此家庭服务行业的人形机器人应用必将形成新的产业和新的市场。在医疗领域，人形机器人可以用于假肢和器官移植，用人形机器人技术可以做成动力型假肢，协助瘫痪病人实现行走的梦想。在教育领域，人形机器人在教育领域主要有两种应用：学生通过制作人形机器人来学习机械结构和复杂控制软件模块的设计；学生用仿人机器人进行实验来增强动手能力和解决实际问题的能力。在娱乐领域，人形机器人可以用来在展览会上做广告，因为它在外形上更接近人类，所以更能引起人的兴趣。另外，它还可以用于家庭娱乐。2.2人形机器人的发展概况关于人形机器人的研究开始于20世纪60年代末，至今已有40多年的历史。国内外的许多学者都在从事人形机器人的研究与开发，如今人形机器人已经成为机器人技术领域里的主要研究方向之一。由于人形机器人代表了机器人技术的尖端水平，因此各个国家在人形机器人技术上都不遗余力地投入人力、财力、物力进行相关研究，其机械结构、电子控制系统、动作平稳性、步态规划等都是现在机器人研究领域的热门项目7。2.2.1国外人形机器人的发展概况早在1968年，英国的R.Mosher制造出了第一台双足步行机器人8，名为“Rig”，正式拉开了人形机器人研究的序幕，但该机器人只有踝关节和髋关节，操作者根据力反馈来保持机器人的平衡。同年，日本早稻田大学的加藤一郎教授也开始着手展开双足人形机器人的研制工作9。南斯拉夫的M.vukobratovic于1969年提出了ZMP(Zero Moment Point)理论，较好地解决了动态步行稳定性判断问题，并且成功地研制出了全世界第一台具有人类基本特征的双足人形机器人。此后，各国科学家在此理论的基础上进行了更深入的研究，并且取得了一系列优秀的成果。美籍华人郑元芳研制的双足步行机器人10-12，其中SD-2机器人具有8个自由度，能在平地上完成前、后、左、右行走的动作，并且还能够走斜坡13，14。法国国立信息与自动化研究所INRIA和Poitiers大学力学实验室共同研发制造出了一种具有15个自由度的双足步行机器人BIP200015，已经初步具备人的一些特征关节，能完成站立、上下楼梯、行走和爬坡等动作。从1986年开始，本田公司16着手研制双足人形机器人，其中P系列的多款人形机器人都算得上是同时代的翘楚。2011年11月20日，本田公司推出了人形机器人ASIMO，将人形机器人的研究提升到了一个新的高度。ASIMO机器人身高1.2m，体重43kg，具有26个自由度，可以通过便携式控制器或个人电脑控制它的前进方向和上肢及腿部的动作17。ASIMO的眼睛是一台摄像机，在锁定并计算好行进路线后，“陀螺仪”负责惯性导航，修正行走线路的偏差；“六轴向力传感器”用于测量台阶的级数，使ASIMO能够连续通过较长的楼梯而不会失足；“关节角度传感器”用于测量地面是否平整，以便使ASIMO可以聪明地躲过沟沟坎坎；“速度传感器”则保证ASIMO 不会因为超速而摔倒18。正是由于这些技术的应用，使得ASIMO可以自动识别人的动作、声音和面容，实现自主行走、上下楼梯等动作，可以说具有划时代的意义。2000年11月21日，索尼公司推出了娱乐型人形机器人“Sony Dream Robot-3x”，简称为SDR-3X（如图2-2）。其身高为50cm，重量为5kg，共计24个自由度。SDR-3X机器人具有实时自适应运动控制系统，可以通过传感器实时检测外部路况，使得它可以在任意地形的路况进行稳定行走。SDR-3X主要靠上身动作表演,下身仅仅适从跟随。由于在腰关节特设了两个自由度 ,因此她能表演展臂、劈叉、踢球、倾倒后自主站立、优美舞姿等19。SDR-3X安装ISA系列的三种体积小、重量轻、精度高、内藏减速器和ASIC驱动控制电路板的专用AC伺服电机,真正实现了电机集成技术，该系列自制电机的重量仅是同类传统电机的1/51/4，SDR-3X采用的控制系统软件为OPEN-R。由于索尼的SDR-3X人形机器人定位都是娱乐型的机器人，其机构也是按串联20-21设计制造的，所以虽然它的承载能力低，但是其结构更加灵活，容易做各种动作。 图2-2 SDR-3X 图2-3 QRIO 图2-4 KONDO2003年12月18日，索尼公司通过对控制系统和ISA-Intelligent Servo Actuator的改进，推出了世界上第一款实现跑步功能的双足人形机器人22QRIO。QRIO（如图2-3）身高58cm，体重7kg，全身共计38个自由度。它具有非常强大的运动、思考、辨别能力，依靠3颗64位的RISC处理器，能够实现正常的对话和运动等功能。头部有7个话筒,两个CCD 摄像机,能够感知周围的环境,自动搜寻声音或物品来源,并通过人工智能进行识别23。在2005年鸡年春节晚会上,为刘德华伴舞的两个机器人就是QRIO。QRIO机器人最大的突破就是跑步，它可以在跑步时滞空20ms，双脚跳跃时滞空40ms，机器人实现跑步这一高难度动作可以算是机器人发展史重要的一个里程碑。在小型人形机器人方面，一些研究者使用舵机作为驱动元件制作机器人平台。图2-4是日本KONDO公司推出的KONDO，身高0.34m，体重1.2kg，共17个自由度。KONDO24通过两片多路运动控制器控制17个微型伺服马达运动，实现各种动作。KHR-1HV编程可以直观的采用流程图设定机器人的动作；也可以采用世界首创的动作仿真“示范教学功能”，用手操作机器人的表演步骤，电脑便会将这一组动作完全的纪录起来，并正确储存。利用“示范教学功能”，可以使机器人在短时间内做出一整组的动作，比起其他需要花数小时设定的机器人，KHR-1HV的动作设定之快速、简单，令人叹为观止。2.2.2国内人形机器人的发展概况国内人形机器人的研究起步较晚，1989年，国防科技大学25研制出中国第一台人形机器人“先行者”（如图2-5）。它身高1.4m，重2Okg，采用了串联机构。针对高速动态步行控制问题，通过分析支撑脚踝关节负载力矩对系统整体动态平衡的影响，利用倒摆式模型与约束控制相结合的步态综合设计与控制方法，定义了步态稳定性的概念，使得我国首次实现了双足步行机器人稳的动态步行，步行周期为0.81秒，步长为2022厘米。能够快速自如地平稳步行，能够在小偏差、不确定环境中行走，并具有一定的语言功能。“先行者”机器人的成功研制，拉开了我国人形机器人研发的序幕，此后多所高校和研究院所进行了相关的研究，并且取得了一系列骄人的成果。哈尔滨工业大学从1985年开始研制双足人形机器人，前几年研制的HIT-I、HIT-与HIT-（如图2-6）型双足人形机器人不断改善系统结构26。2001年推出的HIT-双足人形机器人，其上身和脚掌安装了三维微型加速度传感器，足底有二维力矩传感器，采用直流电机经谐波减速实现关节转动，腿部为串联结构方式，每条腿具有6个自由度(髋关节3个，膝关节l个，踝关节2个)。全身共有17个自由度，实现了平地静态各个方向的行走及上下楼梯动作，同时在多传感器的辅助协调在线控制下，实现了准动态行走，行走速度达到0.2m/s，其整体指标逐步达到国际先进水平。 图2-5 先行者 图2-6 HIT- 图2-7 BHR-02 2002年，北京理工大学完成了人形机器人 BHR-01的研制。2005年，中科院沈阳自动化所和北京理工大学合作研制了人形机器人BHR-02（图2-7），是目前国内最先进的人形机器人。BHR-02机器人共计32个自由度，它身高1.6m，体重63kg，腿部结构为串联方式，采用直流电机经谐波减速后，由同步齿型带传动实现关节转动。BHR-02成功实现了正常路况下的行走和转弯、上下台阶，它还能够感知自身的平衡状态及地面高度变化，从而实现了未知地面情况下的稳定行走27，28。它还具有语音对话、视觉、平衡觉、力觉等功能，功能达到了国际先进水平。在国际上BHR-02机器人首次实现了打太极拳、表演武术等高难度复杂动作。BHR-02的面世，使中国成为继日本之后，第一个研制出无外接电缆行走，集电源、感知、驱动、机构和控制于一体的高水平人形机器人国家，标志着我国人形机器人研究已经跨入世界先进行列。为了直观地表示人形机器人的发展史，以及各个机器人的特点，本文根据所查文献，集中选取了一系列有代表性的机器人进行了对比，结果如表2-1所示。表2-1 著名机器人对比机器人型号高度/m质量/kg自由度头肩肘腕手腰髋膝踝实现动作P31.613028231110212第一个完全独立依靠两条腿行走的机器人。该机器人有三维视觉，头部能自如转动，双脚能躲开障碍物，能改变方向，在被推倒后可以自我平衡。ASIMO1.24826231110312可以在运动过程中改变其脚部的落地位置，并且还可以将走路、向前跑、倒退跑这几个动作连续得非常自然而没有明显的停顿，还可以单腿连续跳跃或进行双腿的连续跳跃。稳步行走，上下楼梯，单脚站立。SDR-3X0.5524231110212最高速度为15m/min的前进/后退/左右横行；在前进过程中左右转身(异步转90度)；由伏卧/仰卧状态起立；单腿站立(在斜面上也可)；在凸凹不平的路面上行走；踢球；舞蹈。另外，SDR-3X可以识别20种声音，讲由声音合成的20种语言，同时对颜色也可以识别。HRP-4C1.584330221110212可以做出喜、怒、哀、乐、惊讶等表情。具备有能够边看边学歌手唱歌的能力，甚至能将歌手演唱时的嘴型记录下来，模仿唱歌时的种种表情、呼吸体态等。KONDOKHR-10.341.217121000212通过两片多路运动控制器，控制 17 个微型伺服马达运动，实现行走、转弯、跳舞等各种类人动作。QRIO0.58738231110212实现自然行走，可通过“眼睛”来发现墙壁的存在，并避免与墙壁相撞。在倾斜变化的地面上,能够自动平衡身体以避免跌倒；在跌倒时能自我保护；能看到并分辨视野中的物体，还可以转动头部来协助判断,从而确定最优的路线。能与人进行对话交流；能够跳舞,跳跃,在跳跃状态下不接触地面的时间可达40ms。WABIAN-2R1.486441231251312有着弯曲的足弓和灵活的脚趾，它的脚跟能先着地，能抬起脚趾。这是一个进步，虽然和人类走路相比较仍然存在差异。最新的WABIAN-2R能旋转脚，重心横向运动也从50毫米减少到 34毫米，而人类为30毫米,与人类相差无几。先行者1.42017121000212完成原地扭动、平地前进、后退、左右侧行和左右转弯等动作。此外，该机器人还具有一定的语言功能，并能表演眨眼动作。先行者在步行中，通过手臂前后摆动与下肢动动相协调，实现了小偏差未知地面环境中的动态稳定行走。BHR-21.66332231110212以1km/h的速度行走，具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能，表演太极拳、刀术等复杂的动作。另外，由于使用基于多种传感器的稳定行走控制方法，保证了机器人能够感知自身平衡状态及地面高度变化，从而能在未知地面情况下实现稳定行走。2.3人形机器人的发展趋势研制人形机器人是为了创造出一种创新型工具，使机器人具备人类的一些相应特征（如思维、行走、判断、感官等能力），在一定程度上代替人类从事相关的工作以服务人类，并且能够与人类和谐相处的高端智能机器人。由于双足人形机器人具有更灵活的行走能力，能够适应各种地形，具有较强的越障能力，可以轻松地上下楼梯，行动盲区较少，使得人形机器人拥有了比工业机器人更广阔的工作空间。而且人形机器人具有更高的智力水平，故人形机器人更能够适应未知环境，并且可以自主完成一些工作。因此，在危险的、对人体有害的、或是超高温的工作环境中，对于一些重复性的、机械的工作，人形机器人完全可以代替人类保质保量地完成这些工作29。另外，由于人形机器人具有与人相似的外形特征，并具备良好的人机交互能力。所以，在娱乐与服务领域，人形机器人具有更突出的优势和更加广阔的应用前景。人形机器人可以做成礼仪、导游机器人，在景点、酒店接待客人，并且可以与人进行简单的交流对话。在大型游乐园，为了增加娱乐性，人形机器人还可以唱歌和表演舞蹈，还能跟人进行交流。人形机器人是能够与人相互影响的最理想的机器人，因为它的外形像人，它的思维方式和行为方式也将越来越接近人。人形机器人能够通过与环境的交互不断获得新知识，而且还能用它的设计者根本想象不到的方式去完成各种任务，它会自己适应非结构化的、动态的环境。长远来看，从技术发展的角度考虑，人形机器人的研发制造将会对传统的机械电子、计算机控制方式提出更大的挑战，促进技术的不断发展，比如：操作结构的优化设计；开放式的控制技术，模块化的控制系统；基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感应技术等30。并将极大地推进仿人学的研究和应用，使人类更好地了解探索生命的奥秘。当然，人形机器人对人类的益处远不止这些，它将会给人类在科技、社会、经济、文化、伦理等方面带来深远的影响。2.4本章小结本章重点阐述了人形机器人的概念及其技术的发展概况，还介绍了与人形机器人相关的常识，包括人形机器人的定义、组成、分类及发展史，分析了国内和国外在人形机器人领域的一些进展和现在的发展水平，并对人形机器人的未来发展趋势做了展望。3方案研究及总体设计3.1比赛方案研究3.1.1比赛规则分析机器人拳击比赛是考验一个机器人能否猛烈地击打对方使对方倒地或在对方的猛烈打击条件下能否抵挡住或保持平衡能力的对抗赛。比赛场地为直径2m的圆盘，地面铺有绿色薄地毯，地毯厚为2mm3mm，参加拳击比赛的机器人必须在该范围内运动，场地图如图3-1。人形机器人拳击比赛具体规则如下：（1）比赛时双方必须戴上标准的拳击手套，否则不允许参加比赛；（2）总身高600mm,总体重5.0kg,总臂长250mm；（3）整个比赛分3轮进行，每轮比赛时间为2分钟，中间休息1分钟；（4）在每轮比赛中，如果某一方打倒对方，或使对方从圆盘滚下来就得1分，被打倒或被推下的一方应在15秒内（若本轮比赛结束时间未到）调整机器人重新开始比赛，故意拖延时间超过15秒，裁判应提出警告并给对手队增加1分，超过30秒（若本轮比赛结束时间未到）不能比赛者，裁判应宣布该轮比赛结束，对方以3:0胜出，待休息1分钟后再进行新一轮比赛；（5）将3轮比赛成绩累加，得分最高者获胜。如果在比赛结束时仍然平局就进行加时赛，在规定时间内先击倒对方者获胜；（6）在比赛过程中，如果机器人不在对方打击条件下自行倒下去而过30秒钟后仍然起不来就算负给对方（0:2），但如果自己能站起来，就允许比赛照常进行； 图3-1拳击比赛场地 图3-2舞蹈比赛场地舞蹈比赛是展现机器人动作与音乐结合的协调性，考验参赛选手的编程编曲能力。本次比赛的场地为1.37m1.52m的平坦区域，地面铺有绿色薄地毯，地毯厚为2mm3mm，舞蹈机器人必须在该范围内运动，比赛场地如图3-2。机器人舞蹈时间应不少于两分钟但不能超过五分钟。机器人舞蹈动作必须是完全自主的，开机启动可用遥控等方式，但表演开始后不得有人为干扰或引导机器人。机器人动作由参赛队伍自行设计控制，可以伴随音乐自行跳舞，表演，机器人服饰根据表演风格自行设计。3.1.2比赛胜负判定人形机器人拳击比赛的胜负判定：整个比赛分3轮进行，每轮比赛时间为2分钟，将3轮比赛成绩累加，得分最高者获胜。如果在比赛结束时仍然平局就进行加时赛，在规定时间内先击倒对方者获胜。人形机器人舞蹈比赛的胜负判定：根据机器人动作的连贯性，观赏性，稳定性以及与音乐的适配性进行打分，按得分由高到低的顺序排序，角逐出冠军。3.2机器人驱动元件选择人形机器人的驱动元件是整个机器人系统的重要组成部分，所有动作的执行都是以它为基础的。所以，在完成机器人整体方案设计之前，必须先根据实际要求确定驱动元件具体的型号。3.2.1驱动形式选择目前机器人的驱动方式主要有电动机驱动、气压驱动和液压驱动三种。考虑到气压驱动具有稳定性差、不容易控制等缺点，而液压驱动又有成本高、重量大、工艺复杂等缺陷，所以目前机器人尤其是小型的双足人形机器人，一般采用电动机驱动的方式。目前在市场上，有很多种电动机向机器人提供动力：交流电机、直流电机、步进电机、伺服电机。由于双足步行机器人的精度要求比较高，而交、直流电机的工作特点是通电就转，断电就停，比较难进行机器人的位置控制；步进电机虽能按一定的精度工作，但它本身是一个开环系统，精度达不到要求。伺服电机可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，并且可把收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，位置、速度精度非常准确。综上所述，选择使用伺服电机更合适。表3-1电机对比电机类型优点缺点相对功率应用范围交流电机结构简单，制造方便，较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机起动转矩小、起动电流大、电机效率低、控制复杂，能量回馈性能差最强大型机械，接交流电的场合直流电机容易购得；型号多；功率大；接口简单转速太快，需要减速器；电流较大；较贵；控制复杂较强较大型的机器人步进电机精确的速度控制；型号多；适合室内机器人；接口简单；便宜功率与自重比小；电流较大；体积大；较难与车轮装配；负载能力低；功率小最弱巡线跟踪机器人；迷宫机器人舵机内部带减速器；型号多；便宜；易安装；功率适合小型机器人；接口简单； 负载能力较低；速度可调范围较小中等小型机器人；步行机器人双足人形机器人要完成比赛要求的特定动作，其实是各个关节位置的某种组合，而且人形机器人关节的转动角度一般都小于180度，对应到舵机驱动上，就是各个驱动舵机转动角度的某种组合。所以，如果要让双足人形机器人精确的实现各种比赛动作，其本质就是实现对驱动舵机旋转角度的精确控制。综上所述，并结合表3-1中各种电机的对比，最终决定人形机器人的驱动方式为舵机驱动。3.2.2舵机概述舵机属于伺服电机，最早用于船舶上实现其转向功能，由于可以通过程序连续控制其转角，因而常用于实现智能小车的转向以及机器人各类关节运动中。早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，俗称舵机。（1)舵机的组成一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成：外壳、舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等，如图3-3所示。图3-3舵机组成舵机的输入线共有三条，如图3-4所示，红色是电源线，一边黑色的是地线，这两根线给舵机提供能源保证，主要是电机的转动消耗。另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。 图3-4舵机的输入线图 图3-5舵机输出角度与输入脉冲的关系（2)舵机工作原理控制电路板接收来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为：控制信号控制电路板电机转动齿轮组减速舵盘转动位置反馈电位计控制电路板反馈。舵机的控制信号周期为20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.52.5ms，相对应的舵盘位置为0180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20ms、宽度为1.5ms（如图3-5）的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180度，适用于需要不断变化并可以保持的驱动器中，比如说机器人的关节、飞机的舵面等。（3)舵机的分类舵机通常分为模拟舵机和数码舵机两种。传统模拟舵机和数字比例舵机的电子电路中无MCU微控制器，一般都称之为模拟舵机。数码舵机电子电路中带MCU微控制器故俗称为数码舵机。数码舵机具有反应速度更快，无反应区范围小，定位精度高，抗干扰能力强等优势，现在已逐渐取代模拟舵机。鉴于数码舵机的诸多优势，最终决定选择数码舵机作为驱动元件。3.2.3舵机具体型号选择在进行舵机选型计算之前，先将整个人形机器人结构进行简化，将舵机简化为质量块，将连接件简化为质量杆，且其重心均落在几何中心处。根据比赛要求，假设人形机器人总质量为5kg，其中，每只手臂质量为0.8kg，下肢质量为1.2kg，电池、躯干、控制板等共计1kg。（1)肩关节舵机选择在机器人手臂的3个关节中，经过分析得知，肩关节承受的力矩最大。比赛要求手臂长度不超过250mm，假设机器人手臂长度为250mm来进行计算。在手臂可以活动的范围内，当手臂抬到水平位置时，肩关节承受的力矩最大，为。此时，手臂重心位于手臂中点处。则，（2)髋关节舵机选择在机器人腿部的3个关节中，经过分析得知，髋关节需要提供力来使得机器人完成抬腿动作，故其承受的力矩最大。比赛要求机器人身高不超过600mm，假设机器人下肢长度为300mm来进行计算。在下肢可以活动的范围内，当把腿抬到水平位置时，髋关节关节承受的力矩最大，为。此时，手臂重心位于手臂中点处。则，（3)足部关节舵机选择机器人踝关节共2个自由度，类比表3-1中现有机器人选用的舵机，舵机的最大扭矩均小于15，得知踝关节舵机承受的力矩较小。但是为了降低人形重心，决定机器人踝关节采用尺寸、质量较大的舵机。出于稳定性、安全性考虑，根据计算所得数据，决定选择有150%左右扭矩富余的舵机。其中，髋关节力矩放大150%后，要求舵机的最大输出扭矩应该在27左右，对比多种舵机后，决定髋关节采用DOMAN DM-CLS300MD数码舵机。出于整体性考虑，决定除了踝关节外，剩余的所有舵机均采用DOMAN DM-CLS300MD数码舵机。对于踝关节来讲，最重要的就是稳定性、可靠性，运用类比法，最终决定采用较为可靠的Hitec HS-5805MG舵机。两种舵机的相关参数见表3-2所示。 表3-2 选用舵机相关参数 舵机种类参数Hitec HS-5805MG（踝关节）DOMAN DM-CLS300MD（除踝关节以外的关节）实物图质量（g）19762尺寸（mm）663057.6402041速度（sec/60)4.8V：0.19 6.0V：0.144.8V：0.19 6.0V：0.15扭矩（kgcm）4.8V：19.8 6.0V：24.74.8V：27.2 6.0V：28.83.3机器人总体设计3.3.1机器人设计思路目前，市场上在售的人形机器人有很多，将不同型号的机器人按照自由度、舵机型号、控制方式以及可完成动作类型进行对比，如下表3-3所示。通过对人形机器人比赛规则的解读，以及对一些具体问题的分析，并对比现有的人形机器人，最终确定了如下几个基本的设计思路：（1）人形机器人进行拳击、舞蹈以及步行动作的时候，重心位置会实时改变，出于对机器人运动过程稳定性的考虑，避免因头重脚轻导致机器人摔倒，应该采取必要措施来降低机器人重心；（2）比赛对人形机器人的尺寸和体重均有限制，所以需要在设计时多方面考虑，先确定大致尺寸，再具体设计机构尺寸，然后结合选择的驱动元件等，将机器人的体重限制在比赛要求范围之内；（3）在进行步行动作的设计时，为了保证其稳定性以及动作连贯性，必须要先进行运动学分析；（4）参加拳击比赛时，机器人拳击对出拳的力度要求较高，故需要采用大转矩的驱动元件，同时为了提高抗击打能力，需要选择强度较高的材料；（5）参加舞蹈比赛时，机器人要按编好的程序连续工作25分钟，由于舞蹈动作较为复杂且要求美观，所以在动作编排时应该发散思维，多参考音乐剧、舞蹈的动作，结合机器人的结构来设计动作。表3-3舵机人形机器人对比3.3.2整体尺寸确定考虑到机器人参加拳击比赛时，对方主要会攻击我方机器人的头部进行得分，或是击倒我方机器人。机器人的头部受到外力F的所用后，会产生如图3-6中s轨迹所示的运动趋势,这种运动趋势是以A点为中心的，分别计算外力F和机器人自身重力对A点产生的转矩和： 图3-6机器人受力分析 （3-1） （3-2）要保证舞蹈表演机器人的稳定性，必须使外力F产生的转矩小于或等于机器人自身重力产生的转矩,即T1T2。是机器人站立时的身高，是对方机器人击打产生的力，是机器人半脚掌之长。根据对往届拳击比赛机器人的分析，得知10N，机器人质量按比赛允许的最大质量5kg计算，得： （3-3）为了降低机器人的重心，保证其运动的平稳性，决定