（机械制造及其自动化专业论文）小型仿人机器人控制系统设计与研究.pdf

致谢 本论文是在我的导师赵建东副教授的精心指导和殷切关怀下完成的。导师专 业知识渊博深厚、治学态度严谨、工作方法科学、待人平易和蔼，让我受益匪浅， 并时刻鼓励着我踏实做事，诚实做人。在此，特别感谢导师孜孜不倦的教导，保 证了我整个论文的顺利完成，值此论文完成之际，向导师致以崇高的敬意和由衷 的感谢。 。 在实验室学习以及论文撰写期问，要感谢师兄商执一、王自上，同门杨磊， 师弟李兆轩，师妹吴龙美、张丽娜以及机器人小组各位同学对我的热情帮助，在 此向他们表达我的由衷感谢之心。 另外要感谢我的家人和朋友，感谢他们在生活和学习上给予我无比的动力。 最后再次向所有关心、帮助过我的人们致以深深的敬意! 感谢你们! 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 绪论 机器人r o b o t ，这一词最早起源于捷克作家卡雷尔卡佩克于1 9 2 0 年发表的科幻 剧本罗萨姆的万能机器人。剧本中，卡佩克把捷克语中具有奴隶意思的“r o b o t a ， 写成了“r o b o t ”，意指具有同人类一样的外形特征、运动功能以及感情感知等功能 的机器。剧本中，机器人能够从事繁重的劳动，是人类工作和家庭生活中必不可 少的成员之一u 吨1 。 如今，伴随着科学技术的不断发展，机器人技术已经广泛应用在我们生活和 工作的很多领域中，而不是只停留在科幻剧本里的天方夜谭。2 1 世纪人类社会发 展日新月异，在服务、医疗、教育和娱乐等行业，出现了越来越多的机器人身影， 正经历着从产业用机器人向生活用机器人转变的时代。清洁型机器人、看家型机 器人的发展，可带来更省时省力安全的家庭生活；陪护型和护理型机器人的发展， 可以很大的提高老年人和病人的生活质量，使社会生活更加和谐；康复型机器人 的发展，可以更有效的帮助患者恢复健康，解决部分医疗问题；教育型机器人的 发展，可以更直观的给学生和机器人爱好者提高研究平台，有助于提高控制论等 多门相关学科的教学与实验；小型仿人机器人还可以用来做高级玩具或做广告， 给人们带来无限乐趣。 相比于带式、轮式、履带、爬行等类型机器人，双足仿人机器人拥有更多突 出优点，集中体现在： ( 1 ) 更强的环境适应性。双足仿人机器人移动盲区很小，不仅能在平地上行走， 还能适应各种非结构的复杂地面环境( 如上下楼梯，上下斜坡，走非平整地面等) ， 同时也拥有更强的逾越障碍能力。 ( 2 ) 更强的类人操作能力。未来的仿人机器人都将配置更加灵活的多自由度仿 人灵巧手，这将极大提高仿人机器人操作能力( 如抓取物体、扭转开关、端送物 体、甚至谈钢琴等) 和工作空间。 ( 3 ) 更亲切的类人感。仿人机器人的外形和功能与人相近，更加容易吸引人类 的目光，人类在与其合作的环境中具有更好的亲切感和安全感。 ( 4 ) 更低的能耗。通过科学的机器人力学计算表面，双足仿人机器人比其它驱 动方式的机器人拥有更高是能效，适合未来时代需求。 ( 5 ) 通过结合仿人机器人的高级感知决策系统，良好的步行穿越能力和灵巧的 北京交通大学硕士学位论文 机械手，以及其它关节( 如腰和手臂等关节) 的联动辅助功能，可实现危险环境 下的代人作业。 正因如此，才有“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能”，才有研究 像人一样具有行走功能的仿人机器人一直是人类的梦想和追求。卜4 | 。 当前机器人技术虽然已经得到了长足的发展，但是从目前机器人控制技术、 人工智能等技术的发展来看，机器人要完全实现高自主性、高智能、高灵活性、 高仿人性还有很长的路要走；加上人类对自身结构和功能的了解也不彻底，都限 制了仿人机器人的发展，同时也j 下是这些局限，给仿人机器人的研究工作带来了 广阔的研究方向和内容。 机器人控制系统，包括控制器、驱动执行器、机器人机构以及各种传感器。 其功能类似于人类本身的大脑和所有神经感觉系统，是仿人机器人的核心组件， 其性能的好坏直接影响机器人整体性能的发挥。 因此，本论文拟在搭建一个小型仿人机器人，并重点对其控制系统做研究与 设计，以期实现小型仿人机器人样机的基本步行功能，并通过不断试验，优化控 制策略，使该样机成为科研和教学助手，并成为以后继续深入研究仿人机器人的 基础平台之一。 1 2 仿人机器人国内外研究现状 自上世纪6 0 代末开始仿人机器人的研制工作以来，世界各地许多国家许多学 者投入大量精力财力对其进行深入研究，一系列成果随之诞生，多种型号的仿人 机器人开始进入我们的世界，对后续研究产生深刻影响。 1 2 1 国外仿人机器人及其控制系统研究现状 国外仿人机器人研究起步较早，尤其在以日本、韩国、美国为代表的经济发 达国家中，仿人机器人技术的研究一直处于世界领先地位。 ( 1 ) 日本 日本在高复杂度多功能高仿人性的仿人机器人研究领域，一直处于世界领先 地位，尤其以本田公司的“a s i m o ”为代表，是仿人机器人研究领域里的国际最高 水平。 小型仿人机器人“a s i m o ”诞生于2 1 世界伊始，之后改进版不断有重大突破。 目前公布的最新款为0 6 版，如图1 1 a 。它具有杰出的步行能力和智能，是目前世 界上唯一能够爬楼梯、慢速奔跑的双足机器人，能够开电灯、开门、拿东西、拖 2 l 绪论 盘子、推车、还具有语音以及人脸识别功能，操作人员可以使用语音控制a s i m o 以及使用手势来与之交流。本田公司为a s i m 0 开发了称为i w a l k 的智能实时柔 性行走技术，该技术能够实时预测并设计机器人下一步的步态和重心位置，并按 照预测来实现实时联系步行运动。此技术，使a s i m 0 能够智能的改变自己的行走 速度、行走步幅、行走方向以及行走坡度，目前在国际仿人机器人研究领域内， 只有a s i m o 能够实现这种智能动态行走。其控制系统如图1 1 b ，主要采用基于 压缩p c i 总线的分布式控制系统嗡吲。 馨。 ，繁 掣篇 黛鬻 a b 图1 1 ：a s i m o 样机及其控制系统图 f i g u r e1 - 1 ：t h ep r o t o t y p ea n dt i l ec o n 仃o ls y s 钯mb l o c kd i 姆锄o f a s i m o 索尼公司在娱乐机器人研究中颇有成果。2 0 0 2 年底推出第二代小型仿人机器 人s d r 4 x ，身高5 8 c m ，体重6 5 k g ，有3 8 个自由度，拥有2 个微处理器分管运 动功能与思维功能。2 0 0 3 年，在s d r 4 x 的基础上研制出世界上第一个会跑的小 3 之， ， 北京交通人学硕七学位论文 型仿人机器人“q 刚o ”，如图1 2 a ，其控制系统如图1 2 b 。它身高5 8 c m ，可实现 跳跃时4 0 毫秒、奔跑时2 0 毫秒的两足悬空的状态，是全世界首个实现集控制系 统和电源系统于一体的独立型跑动机器人口。8 3 。 豢 鬈 图1 2 ：q r l o 样机及其控制系统图 f i g u r e1 2 ：t h ep r o t o t y p ea i l dt h ec o n t m ls y s t e mb l o c kd i a 鲈a mo f q r i o 日本k o n d o ( 近藤科学) 公司2 0 0 4 年推出第一款小型仿人机器人k h r 1 ， 身高0 3 4 m ，体重1 2 埏，有1 7 个自由度，采用高性能数字舵机进行驱动，可实 现稳定行走、俯卧撑、前后滚翻、侧翻。两年后，推出k h r 2 h v ，动态行走质 量大幅提高，还能做更加复杂的动作如后空翻等。2 0 0 9 年7 月推出第三代 k h r 3 h v ，更是在硬件和软件上大幅创新，身高0 4 m ，体重1 5 k g ，由17 个 1 4 k g c m 扭力的伺服马达驱动，可实现倒立、跳跃、上下楼梯等高难度动作睁1 0 1 。 图1 3 ：k h i 卜一l 、k h r - 2 h v 、k h r 一3 h v f i g u 【r el - 3 ：t h er o b o tp m t o t y p eo f k h i 卜l 、k h l 卜2 h v 、k h i 卜_ 3 h v 4 1 绪论 日本北野共生系统工程研究所，2 0 0 2 年展出婴儿机器人p i n o ，如图1 4 。其 身高7 0 c m ，体重4 5 埏，有2 6 个自由度，可做独立步行、旋转、挥手等动作。开 发人员希望使用尽量便宜的构件( 市场上常见的遥控车伺服马达、镁铝合金等) 、 适当的加工精度，构筑一个低成本的平台，以使更多研究人员可以轻松的进行仿 人机器人研究。目f j ，该研究所还公布了p i n 0 的详细技术资料，使之成为一个 开放的机器人项目1 。 图1 4 ：p i n o 机器人 f i g u r el - 4 ：p l n or o b o t 千叶理工学院研制的m o 印h 3 机器人，如图1 5 。更是灵异。它虽然只有3 0 厘 米高，但配备了1 4 个电子控制器、3 0 个马达和1 3 8 个压力传感器，具有敏捷的动 作，拥有打斗技艺，可以表演空手道绝技n 引。 图1 5 ： m o 叩h 3 机器人 f i g u r el - 5 ：m o 叩h 3r o b o t ( 2 ) 韩国： 韩国计划，在2 0 1 8 年以前，使韩国发展成为世界三大机器人强国之一。在仿 人机器人研究领域，韩国科学技术院于2 0 0 4 年成功开发出新型智能机器人 c h u b o ”，如图1 6 ，其身高1 2 5 厘米，体重5 5 公斤，步幅超过3 0 厘米，步行时 爨节。誊0鼍一舔 x i r ： 北京交通大学硕士学位论文 速达1 2 公里。它拥有良好的音频识别和说话的功能，以及良好的全角度双目视觉 功能。它全身共有4 1 个灵活柔顺的关节自由度，拥有灵活的5 手指机械手，每个 手指都能像人一样单独运动，“h u b o ”能像人一样握手，以及玩各种手势游戏，还 能跳布鲁斯m 1 4 | 。 f ；l a p t o pc 唧u t e r - i r e l e s s j l a n 一一一_ - m a i nc o m p u t e r ( w i n d o w sx pw it h 图1 6 ：h u b o 样机及其控制系统图 f i g u r e1 - 6 ：t h ep r o t o t y p ea n dt h ec o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a mo fh u b o ( 3 ) 美国： 美国的机器人技术一直处于世界领先地位，但主要是军用目的，其中以波士 顿动力公司已经研制成功的大狗“b i gd o g 机器人和正在设计当中的“猎豹”机 器人斐然世界。而在没有确切功能定位的仿人机器人研究上，投入相对较少。 2 0 1 0 年，吉尼亚理工大学机器人和机械装置实验室的创始人丹尼斯洪，带领 他的团队，成功制作了“c h a r l i ”机器人，如图1 7 ，其名称是“c o g i l i t i v eh u m a l l o i d a u t o n o m o u sr o b o t 诚ml e 锄i n gi n t e l l i g e n c e 的缩写，意思是“有自主认知功能的 仿人机器人 ，是美国第一台真正意义上的仿人机器人，身高约1 5 2 m ，没有远程 电源或遥控计算机，另外c h a r l i 腿部由弹簧组成肌肉系统，所以在行走的时候 每一步都会很有弹性，且像人一样左右摆动。“c h a i u i 的研制成功，标志着美 国也进入了由日本和韩国主宰的国际仿人机器人俱乐部n 5 l 。 6 1 绪论 图1 7 ：c h a r l i 及其腿部结构图 f i g u r el 一7 ：t h ep r o t o 勺，p eo fr o b o tc h a r l ia n di t sl e gs t r u c t u r ec h a n ( 4 ) 法国 法国a l d e b a r a nr o b o t i c s 公司研制的机器人n a o ，在学术领域范围内全球运用 最为广泛。该公司将n a o 的技术开放给所有的高等教育项目，并在2 0 1 0 年成立 基金会支持在机器人及其应用领域的教学项目。n a 0 机器人，如图i 8 ，身高5 8 c m ， 重约4 3 k g ，配置多种传感器及嵌入式软件，能够实现声音合成、音响定位、视觉 图像探测、躲避障碍物，还能够表现出愤怒、恐惧、悲伤、幸福等丰富的面部感 情n 6 。 图1 - 8 ：n a o 机器人 f i g u r el 一8 ：t h ep r o t o t y p eo f r o b o tn a o 1 2 2 国内仿人机器人及其控制系统研究现状 与国外相比，我国仿人机器人技术研究起始于8 0 年代中后期，虽然起步较晚， 但发展迅猛。陆续的不断有很多高校以及科研单位加入仿人机器人研究队伍中， 不断推出新的仿人机器人，不断创新做出新的成果。 ( 1 ) 国防科技大学： 7 北京交通大学硕士学位论文 国防科技大学是国内研究仿人机器人最早的学校，1 9 8 9 年，研制成功国内第 一代两足步行机器人，该机器人的结构和功能相对比较简单，只能实现平行地面 前进和倒退步行。1 9 9 0 年，研制成功第二代空间运动型两足步行机器人，该机器 人同时是我国国内第一台较为完整的两足步行机器人系统。2 0 0 0 年，研制成功了 第三代“先行者”机器人，该机器人是我国第一台具有人类外形特征的仿人型两足 步行机器人，能够实现平地上的各种基本步念。2 0 0 3 年，成功研制第四代仿人机 器人，共有3 6 个自由度，脚底装有力力矩传感器，关节采用正交轴设计，实现 无缆行走，可以完成人的腿部、手部和头部的基本动作。控制系统采用w i n d o w s c e 操作系统，整体结构采用基于c a n 总线的分层控制方式【 。9 1 ，如图1 9 b 。四 代仿人机器人样机如图1 9 a 。 主控计算机 c a n 接口卡 a b 图1 。9 ：国防科技大学仿人机器人及其b l a c k m a n 控制系统 f i g u r e1 - 9 ：t h eh u m a n o i dr o b o t0 f n u d t 锄dt h ec o n t r o ls y s t e mo f b l a c k m 锄 囝 右腿控制器至右腿驱动与反馈至右腿各轴系 左腿控制器至左腿驱动与反馈至左腿各轴系右手控制器至右手驱动与反馈至右手各轴系左手控制器至左手驱动与反馈至左手各轴系右臂控制器至右臂驱动与反馈至右臂各轴系左臂控制器至左臂驱动与反馈至左臂各轴系 头部控制器至头部驱动与反馈至头部各轴系 1 绪论 ( 2 ) 北京理工大学： 北京理工大学自主开发的b h r 一2 ，如图卜1 0 。它是全世界第二个( 继日本之 后) 研制出集感知、控制、驱动、电源和机构于一体、并无外接电缆行走的高水 平双足仿人机器人。其身高1 6 m ，重6 3 k g ，共3 2 个自由度。具体分为头部2 个自由度，肩关节3 个自由度，肘关节1 个自由度，腕关节2 个自由度，手部3 个自由度，髋关节3 个自由度，膝关节1 个自由度，踝关节2 个自由度。可实现 步幅为o 3 3 m ，速度为l k m h 的稳定步行功能。它能够根据自身的力和力矩传感 器以及平衡能力传感器来感知机器人本体的平衡状态和地面高度的变化，实现在 未知地面上的稳定行走，并且能够表演太极拳晗旷2 2 i 。 图1 1 0 ：b h r 2 的样机和控制系统图 f i g u r e1 - 1 0 ：t h ep r o t o t y p ea n dt h ec o n t r o js y s t e md i a g r a mo f b h r - 2 9 x 2 趁 北京交通大学硕士学位论文 ( 3 ) 清华大学： 清华大学的t h b i p 一1 型仿人机器人采用基于c a n 总线的分布式双子网控制系 统，由人工智能层、协调层和执行层组成，其中人工智能层由工作站组成，协调 层由笔记本电脑和工控机组成，执行层由位置伺服控制器组成。该系统具有良好 的动态响应、优秀的步态跟随、以及较小的稳态误差等动静态控制品质乜3 。2 钔。具体 控制系统如图卜1 1 所示。 之后，清华大学还推出了t h b i p i i 型机器人。t h b i p i i 按照小孩的基本比例 进行设计，总质量1 8k g ，身高7 0 0 姗，2 4 个自由度，包括下肢1 2 个自由度( 髋 关节旋转、侧摆和自订摆3 个自由度，膝关节前摆1 个自由度，踝关节f ；i 摆、侧摆2 个自由度) ，上肢1 0 个自由度( 肩部前摆、侧摆2 个自由度，肘部前摆1 个自由 度，腕部旋转1 个自由度，手部夹持1 个自由度) 和头部2 个自由度，同时装配 了较多传感器：躯干陀螺仪、脚底和手掌的六维力矩传感器、视觉以及音频系统 等。其控制系统分为感知层、决策层、协调层、执行层瞳6 。2 7 1 。 图1 1 1 ：t h b i p l 型仿人机器人样机及控制系统图 f i g u r el l l ：t h ep r o t o t y p ea n dt h ec o m r o ls y s t e md i a g r a mo ft h b i p l ( 4 ) 哈尔滨工业大学： 哈尔滨工业大学在双足步行机器人方面的研究起步很早，8 4 年至今推出了三 种双足步行机器人：h i t i 型、h i t i i 和h i t i i i 型。2 0 0 4 年研制成功国内第一个 小型仿人足球机器人“h i t 。 h i t 一3 ，如图卜1 2 ，其身高约0 5 m ，全身共1 7 个关节，材料为硬性铝钢。配 1 0 1 绪论 置两台d s p ，分别控制机器人的行为决策和驱动机器人行动，能够在不平整地面行 走，速度可达0 2 m s ，并能完成踢球动作。此外，还能通过摄像头，来判别障碍、 足球、球门以及其它足球机器人等，从而实现自主避障，准确射门乜引。 图1 1 2 ：h l t 仿人足球机器人 f i g u r e1 - 1 2 ：h u m a n o i ds o c c e rr o b o to f h i t ( 5 ) 上海交通大学： 上海交通大学的机器人实验室，设计和加工了小型仿人机器人样机m i h i ，以 满足当今社会需要的集多功能化、低成本化、家用化于一身的小型仿人机器人。 该快小型仿人机器人双腿伸直站立时，身高为7 9 8 n l n l ，身体总重达2 6 k g ，全身共 有2 5 个关节自由度，由伺服电机驱动。其控制系统由运动控制模块和协同处理模 块组成，协同处理模块负责向运动控制模块发送控制指令，运动控制模块由关节 控制器和电机驱动器组成，电机驱动器接收控制器指令，并按照接收的控制指令 来驱动关节电机实现对应位置转动，同时通过电机输出轴上的编码器对电机实际“ 转动位置轨迹进行采样，并实时反馈给电机驱动器，构成关节闭环控制系统，来； 实时调整关节运动轨迹，实现稳定步行控制。如图1 1 3 ，给出了m i h i 的仿人机 器入样机及其控制系统框图啪q 0 | 。 雷l l 回图j 回国 图1 1 3 ：上海交通大学m i h i 样机及其控制系统 f i g u r el 1 3 ：1 1 1 ep r o t o t y p ea n dt h ec o n 仃o ls y s t e md i a g r a mo f m l h lo f s j t u 雷 曷麴 j，-_-t。_ 雷麴 j，_-i_-。、 北京交通大学硕士学位论文 ( 6 ) 其它高校： 第二炮兵学院自主研制的仿人机器人d f 一1 。其身高4 5 c m ，设有1 9 个自由度， 由舵机驱动。能够实现步行、俯卧撑、上楼梯等功能。运动控制系统核心是a r m 9 ， 用来完成信息融合和决策规划，并通过串口发送具体的行为控制指令，将机器人 要执行的动作按规定的协议发给舵机驱动器，舵机驱动器再驱动舵机执行相应转 动命令，实现机器人稳定步行。如图卜1 4 ，给出了d f 一1 小型仿人机器人的样机及 其控制系统框图。川。 图1 1 4 ：第二炮兵学院d f 一1 样机及其控制系统 f i g u r el - 14 ：t h ep r o t o t y p ea n dt h ec o n t r o ls y s t e md i a g r a m0 fd f - i 四川理工学院的孟凯提出了一款新颖的小型开环控制双足行走机器人系统， 如图1 1 5 。该系统由机械系统、驱动系统和控制系统3 部分组成，能够实现了机 器人的协调稳定运动。其样机身高4 5 0m m ，重量2 埏左右，关节自由度2 1 个， 由舵机驱动口别。 图1 1 5 ：机器人样机 f i g u r el 1 5 ：t h ep r o t o t y p eo f r o b o t 1 2 1 绪论 1 3 论文的主要工作和组织结构 本论文做了小型仿人机器人整个系统设计，包括结构设计、驱动选取、数学 模型建立、步态规划、控制系统设计，并重点集中在控制系统的设计上，分为控 制策略制定、控制系统硬件搭建和控制系统软件编写，在此基础上实现了仿人机 器人样机开环稳定步行、俯卧撑、踢球等动作功能；此外，为了进一步做闭环控 制，还搭建了仿人机器人联合控制仿真系统，实现了基于p i d 位置反馈控制的虚 拟样机稳定行走，证明此次设计的完整性和成功性。论文共分为六章，其组织结 构如图1 1 6 所示。 可鬈黟 广一一一一一一一一一一一一鬯一一一一一一一一一一一一1 图1 1 6 ：论文总体结构 f i g u r e1 16 ：t h em a i n 行锄eo fd i s s e r t a t i o n ( 1 ) 第一章为绪论，首先，介绍了本课题提出的背景和意义；然后，介绍了 1 3 北京交通大学硕士学位论文 仿人机器人国内外研究现状，阐述了国内外仿人机器人重点研究成果，并分析了 部分型号仿人机器人的控制系统；此外，还指出了本论文的主要研究内容。 ( 2 ) 第二章，重点介绍了小型仿人机器人的整体样机设计。首先，介绍了此 次设计的小型仿人机器人预期功能目标；接着，重点分析了小型仿人机器人的样 机本体设计，包括样机自由度的功能介绍和选取设计、机械结构和机械尺寸的设 计、制作材料的选择；然后，建立了仿人机器人运动学和动力学模型；最后，还 介绍了步态规划方法并给出了步态规划结果。 ( 3 ) 第三章，重点介绍了小型仿人机器人控制系统的硬件部分。首先，介绍 了目f j f 仿人机器人的三种控制方式，并对控制方式和控制策略做了选择和设计； 然后，对控制系统硬件部分做了选择设计，包括对目前主流微处理器做的介绍和 选取、主控制器的选择和从控制器的选择，并在这基础上设计了仿人机器人控制 系统硬件组成结构图。具体细分为：a d 及压力等传感器的选择和电路设计、摄 像头和放音器等多媒体设备的选择和电路接口介绍、以及最后设计的电压转换电 路等。 ( 4 ) 第四章，重点介绍了小型仿人机器人控制系统的软件部分。首先，对当 今主流的嵌入式操作系统做了分析和选取；然后，重点介绍了此次控制程序的功 能框图和主程序流程设计；接着，分析设计了各个子程序的流程，包括u s b 转串 口通信子程序、a d 转换采集子程序、多媒体语音发声程序、摄像头采集以及视 频处理程序、p i d 反馈控制子程序；最后，提出了整体控制策略。 ( 5 ) 第五章，重点介绍了小型仿人机器人的实验和仿真部分。首先，计算并 介绍了单自由度关节位置反馈闭环控制数学模型；接着，重点介绍了基于虚拟样 机的仿人机器人a d a m s 运动学和动力学仿真；然后，重点介绍了小型仿人机器 人的联合仿真；最后，通过大量实验，成功的实现了机器人虚拟样机行走稳定控 制。 ( 6 ) 第六章，是论文的总结与展望部分，总结了全文的研究工作内容，指出 了研究成果与不足之处，并提出了今后需要重点研究解决的问题以及发展方向。 1 4 2 小型仿人机器人样机系统设计 2 小型仿人机器人样机系统设计 2 1 小型仿人机器人样机及功能目标 本课题的目的在于开发一款经济型小型仿人机器人，其性能指标有：首先， 机器人能够实现在平整地面上连续稳定行走，能够全身协调自然运动；然后，结 合一定的语音和视频功能，以及其它传感器( 角度传感器、压力传感器等) 实现 对机器人的闭环控制，让机器人拥有视觉、接近觉、触觉等感知能力，进一步提 高机器人整体功能；此外，要使机器人结构简单，成本可控，并使之成为一个后 续机器人研究开发平台。 最终，制作的仿人机器人样机如图2 1 。 图2 1 ：小型仿人机器人样机 f i g u r e2 一l ：t h ep m t o t y p eo fs m a h u m a n o i dr o b o t 2 2 小型仿人机器人结构设计 2 2 1 关节自由度选取 人类最大的特征是双足直立并能实现双足行走，这个过程离不开人类数量众 多的骨骼和肌肉的支持。而在仿人机器人系统中，自由度的数量设置以及位置分 配就如同模拟人类的骨骼和肌肉组织，因此仿人机器人要想实现稳定灵活的步行 1 5 北京交通大学硕士学位论文 功能就离不开仿人机器人本身自由度的分配。可见，自由度的配置对机器人功能 实现起着决定性作用。下肢主要关节自由度的作用如表2 1 。 表2 1 ：机器人关节功能作用 塑坠! 旦兰：! 堡鱼旦里! i q 翌堕丝坠旦! 型望! ! 关节自由度方向功能 鉴于此次预设的机器人功能：站立、稳定行走、俯卧撑、踢球，再结合仿人 机器人整体研制成本和控制精度，选定下肢的自由度数为5 术2 个，上肢及头部共 4 宰2 + 1 个自由度。具体自由度分配如图2 2 ，其中： 头部自由度分配：颈部1 个y a w 方向自由度，实现头部旋转； 上肢自由度分配：肩关节2 个：p i t c h 方向+ r o l l 方向，肘关节1 个i 沁n 方向， 腕关节1 个y a w 方向，实现上肢灵活运动； 下肢自由度分配：髋关节2 个：p i t c h 方向+ r o l l 方向，膝关节1 个p i t c h 方向， 踝关节2 个：p i t c h 方向+ r o l l 方向。 图2 2 ：仿人机器人自由度分布图 f i g u r e2 - 2 ：t h el a y o u to fd o fo f h u m a n o i dr o b o t 1 6 嘲 科+ 乒雕 2 小型仿人机器人样机系统设计 2 2 2 整体结构与尺寸设计 参考人类身体结构大致比例，并结合实际样机，采用s o l i d w o r k s 软件建模，最 终确定实际机器人样机结构如图2 3 ，机器人双腿伸直站立时，从脚底至头顶的高 度为3 7 5 m m ，左右肩宽为2 8 9 m m ，身体总重约2 6 蚝。 蕾 攫一； 剐l - ：。 _ 硝 ；警 簟 骥 一蛆 j 麓 图2 3 ：小型仿人机器人样机结构 f i g u r e2 3 ：t h es 仃1 j c t u r eo fs m a l lh u m a n o i dr o b o tp r o t o 够p e 此外，参考人体生理学中正常人体的各个主要关节活动范吲3 3 1 ，并结合此次 设计的小型仿人机器人的预期功能目标，设计了小型仿人机器人各个关节的转动 角度范围。其具体数值如表2 2 ，其中，“一代表仿人机器人中没有该对应关节， 另外仿人机器人全部关节转动角度值均做略微调整，成为9 的倍数，是为了对应 舵机控制器的控制命令，可减少计算时四舍五入导致的误差。 ， 表2 2 ：机器人各关节活动范嗣 ! 垦尘! 皇兰：兰；婴曼! 旦堕i q 璺墅坐g 曼q 垒坠婴塑q i 垒j q i 旦! 璺 关节名称人类正常关b j h r - l 各 节活动范围关节活动范围 1 7 曩曼辨曩孵 ? 豁 同门u_ 北京交通大学硕士学位论文 2 2 3 整体样机材料选择 仿人机器人下半身的连接件( 包括舵机架、舵盘、u 型架、胸板、以及螺丝 螺母等) 以铝合金等金属为主要制作材料，因为它具有成本低、比重小、强度高、 切削性能好等特性，不仅能够降低仿人机器人样机的整体重量，还能够保证机器 人具有足够高的刚度。此外，还可以在连接件受力较小部位打减重孔，来进一步 降低仿人机器人整体重量。 仿人机器人上半身，包括上肢和头部的所有关节，承受力相对较小，采用密 度更低的塑料舵盘和塑料链接件，不仅可以降低整个样机重量，还可以增加机器 人样机美观度。 脚板材料，选择了航空塑料和航空橡胶。航空塑料密度小、强度大、刚性好、 尺寸稳定不变形，而且透明美观；航空橡胶具有质量稳定、韧性好、寿命长、摩 擦系数高的特点。 1 8 2 小型仿人机器人样机系统设计 2 3 仿人机器人运动学模型 仿人机器人的运动学模型，主要是研究关节变量和机器人末端关节位置问的 关系，也就是建立仿人机器人摆动腿的状态和其它各关节状态间的时间函数。 建立仿人机器人运动学模型。本次论文重点研究工作集中在仿人机器人的双 足，即腿部十个关节的运动学模型。腿部模型足串联机构，其运动链由中间连杆 和终端连杆组成。为正确描述其内部各刚体运动关系，可引入d h 法则。m 1 ：1 ) z i 的方向是沿第i 个关节的运动轴线；2 ) x i 定义为z i 与z i 】的公垂线，正方向是后者 指向前者，且若z i 与z i 1 相交，则x i = z i z i 一1 ；3 ) y i 按右手法则确定y i = z i x i 。 并按照该方法，最终建立仿人机器人各关节坐标系，确立各关节x 、y 、z 正方向， 如图2 4 所示。 图2 4 ：仿入机器人d h 坐标系 f i g u r e2 4 ：t h ed hc o o r d i n a t es y s t e mo f h u m a n o i dm b o t 设旋转矩阵r a b ，表示坐标系b 相对于坐标系a 的旋转变换矩阵。设右脚与地 面固定，且交点坐标系定为o ；则通过计算可依次得到相邻坐标系间的转换矩阵如 下： r 0 0 1 1 ， r c o s e 2 一s i n e 2 01 r o 一1 = i s i n e l 一c o s e l o l ； r 1 22i oo一1i ； lc o s 0 1 一s i n 0 】 o j l s i n 0 2c o s 0 2 oj rc o s 0 3一s i n 0 30 1fc o s 0 4一s i n 0 40 1 r 2 3 = ls i n 0 3 c o s 0 3 o l ；r 3 4 = ls i n 0 4 c o s 0 4 o i ； l 001 j lo o1 j c o s e 5 一s i n o s 0 1fs i n e 6 c o s e 60 1 r 4 5 = l oo1 i ；r s 一6 = l c o s 0 6 s i n 0 6 o l ； l s i n e 5一c o s 0 5 o jl o01 j 1 9 北京交通大学硕士学位论文 艮7 供昌囊卦阢8 = 怿：筘孙民。= e 盏三：冕73 j ；鸥川= 【姘紫一。泸8 孙 f c o s 0 9一s i n e 9 0 1f c o s e l o s i n e l o 01 r 8 9 = ls i n 0 9 c o s 0 9 o i ；r 9 1 0 = l oo一1 i ； 【 001 j 【s i n e l oc o s e l o 0j 得到仿人机器人双腿d h 坐标系中，由j 坐标系描述k 坐标系的旋转矩阵计算通 式为： r j k = 兀高1r i 一( i + 1 ) 2 4 仿人机器人步态规划 ( 式2 1 ) 仿人机器人的步行周期如图2 5 ，包括步行起始阶段、步行循环阶段、步行结 束阶段。其中，步行起始阶段包括机器人上电初始化位置和行走预备位置，一般 指机器人由双腿直立进入双腿弯曲状态前后。步行结束阶段包括机器人步行循环 阶段结束后由抬腿到原地放腿，然后收起弯曲双腿直立的状态。步行循环阶段相 对较为复杂，分为单脚着地和双脚着地状态，单脚着地又包括右脚单着地和左脚 单着地，此阶段需要合理结合仿人机器人运动学和动力学计算，需要双腿十个关 节自由度协调运动来合理移动重心，不然容易发生碰撞、摔倒等事故口5 1 。 在机器人步行周期中，为了使步行循环阶段仿人机器人行走稳定，就需要确 定每个关节的运动轨迹、转动角度、转动速度和加速度等，就需要步态规划。步 态规划有三个最基本的准则： ( 1 ) 尽可能降低仿人机器人重心高度，并使之保持在一定的水平线上，减少 高度波动。这样可减少仿人机器人势能，等同于减少舵机输出动能和力矩；重心 高度位置不突变，可以保证机器人行走时更平稳，冲击更少。 ( 2 ) 保持落地脚底面与地面水平。这样可减少因脚底与地面不完全接触，而 导致脚底发生滑位、偏转、等导致机器人不能稳定站立的因素；此外，保证脚底 与地面平行接触还可以降低地面对机器人的局部冲击力，减少外力干扰。 ( 3 ) 保持仿人机器人上半身始终与地面垂直。这样可大幅减少因上半身倾斜 或晃动而对下肢各关节尤其是侧摆髋关节产生的力矩冲击，有利于仿人机器人稳 定行走。 2 小型仿人机器人样机系统设计 步行起始阶段 厂一一1 厂一一 抬左腿“前迈左腿一双脚着地 二：二二二 r _ 双脚着地- 一前迈右腿_ 抬右腿卜左移重心 i l 一一一。一jl 一一 - 一 7 是否结束循环步行， r 一一一一一一一一-；霉；#i二二j_；_i二二一一_ 2 5 本章小结 图2 5 ：仿人机器人步行周期图 f i g u r e2 - 5 ：t h e6 9 u r eo fh u m a n o i dr o b o tw a i k i n gc y c l e 本章主要论述了小型仿人机器人整个系统的设计过程。第一节，首先定位了 此次设计的小型仿人机器人的预期功能目标；第二节，重点介绍了此次样机本体 的结构设计，包括整体自由度设计、制作材料选择、样机尺寸设计等；第三节， 介绍了仿人机器人运动学和动力学数学模型，以此作为后续研究的理论依据；第 四节，阐述了仿人机器人的步态规划方法，并给出了此次设计的步态。 2 l 3 小型仿人机器人控制系统硬件设计与实现 3 小型仿人机器人控制系统硬件设计与实现 3 1 仿人机器人控制方案设计 目前，国内外已研制成功的仿人机器人的控制系统，大致可分为以下这三种 控制方式【3 6 】：集中式控制、主从式控制、分布式控制。其中：集中式控制，是指 系统中只有一个处理器，由该处理器完成所有信息采集和控制任务；主从式控制， 是指系统中有两个处理器，一个是主控制器，负责采集整体信息、规划整体运动、 发送控制命令，另一个是从控制器，负责接收主控制器命令并控制底层执行机构 运动；分布式控制，是指系统中有多个处理器，并且它们之问通过现场总线通信 技术实时交互信息，协调完成各自任务。这三种控制方式都有各自的优缺点和应 用范围，如下表3 1 。 表3 1 ：不同控制方式的特点 t a b i e3 1 ：t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd 硐e r e n tc o n t r o lm o d e s 此次设计的仿人机器人的预期功能目标，不仅要实现仿人基本步行功能，还 要在其基础上添加视觉、语音等，后期还将添加多种传感器，达到实时反馈仿人 机器人的运动状态，功能相对较为复杂，因此选用主从式控制方式。这样既可以 较好的实现预期相对较为复杂的功能，又能比较好的控制仿人机器人整体经济成 本。 确定仿人机器人控制方式以后，再依据人工智能递阶控制思想，将控制系统 细分为三层：智能层、组织层和执行层，如图3 1 。 北京交通大学硕士学位论文 图3 1 ：系统分层控制策略 f i g u r e3 - 1 ：t h eh i e r a r c h i c a ic o n t r o ls t r a t e g yo ft h es y s t e m 首先，智能层由a r m l l + l i n u x 的嵌入式控制系统组成，主要用于：接受离线 规划的任务，通过摄像头视频捕获、刖d 位置采样转换等采集机器人信息，并通 过自身算法决策舵机转动位置并将其发送给组织层和执行层。 然后，组织层由舵机控制板组成，主要负责接受智能层发送过来的群舵机位 置转动控制命令，并实时控制每个舵机转动。 最后，执行层由舵机驱动、音频驱动、摄像头驱动、电源转换电路等系统组 成，主要负责接收智能层和组织层的命令，并执行相应的舵机转动任务、音频报 警任务、摄像头视频采集、l c d 显示任务等。 3 2 智能层硬件方案设计 3 2 1 智能层硬件功能需求分析 宏观上，智能层要同时完成舵机转动控制命令发送、视频采集处理、液晶屏 l c d 显示、音频发音、加信息处理等多种程序的运行，所以它必须首先具备多 3 小型仿人机器人控制系统硬件设计与实现 任务同时执行的能力，而且要求其运算速度即c p u 内核频率越高越好；另外，智能 层要实时通过自身摄像头采集并处理视频，并显示实时采集的视频，所以其最好 具备针对视频处理的硬件特性；之外，由于程序功能比较复杂，占用内存空间相 对较大，因此，智能层硬件系统必须具备较大的内存空间和较好的内存读取速度； 最后，要尽量保证智能层的性价比，提高经济性。 微观上，智能层必须要有摄像头接口、音频接口、d 接口、多种通信接口 ( r s 2 3 2 串口、u s b 等) 、显示屏接口以及多路1 0 接口等。 3 2 2 智能层硬件选型 由智能层宏观性能需求可知，一般的单片机系统和d s p 系统难以满足其要求， 工控机和p l c 等又性价比不高；而常用的嵌入式控制器，其结构如图3 2 ，在处理 器c p u 核心如a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等其基础上，只添加存储器和只与嵌入式 应用紧密相关的外围功能电路，能以最低的功耗和资源满足应用要求，比较适合 用于承担智能层。 一、 一 f 电源与晶振) ( 串口控制器j 、一一， 、 一- 、 f存储器) f u s b 控制器 ： 、 一一一 ，一 c p u ( 。总线控制器jf 定时器) 、一 、一，7 一， ( 看门狗 ) (串行i oj 、一， “蒜赢八 一、 ( ，d m a 控制器) 一 、，7 图3 2 ：m c u 内部结构图 f i g u r e3 2 ：t h es t m c n j r eo fm c u 在处理器中，删应用最为广泛，功耗低，性价比高，配套资源丰富，开放 性和通用性较好。而较新的删1 1 处理器，更是增加了针对媒体处理的单指令流 多数据流的扩展，提高了视频处理性能；主频可以从基本的3 5 0 5 0 0 m h z 扩展到 2 5 北京交通大学硕士学位论文 1 g h z ，执行a r m v 6 架构的指令；增加了快速浮点运算；因此，选用a r m l l ，作 为此次仿人机器人控制系统的处理器c p u 。 众所周知，a i w 公司只做芯片设计并将其授权给感兴趣的合作产家。s 3 c 6 4 1 0 ， 就是拥有a i w 公司授权的著名半导体公司三星公司，主推的基于a r m l l 的微处 理器，因其功率低、性价比高而取得非常广泛的应用，国内很多公司都是基于 s 3 c 6 4 1 0 做的丌发板。 再结合智能层微观性能需求，以及为了提高机器人研制周期、减少时问和经 济的耗费损失，最终选用了基于s 3 c 6 4 l o 的o k 6 4 1 0 开发板1 3 ，如图3 3 ，作为仿 人机器人控制系统智能层的主要硬件系统。其主频可达5 3 3 m h 舶6 7 m h z ，1 2 8 m 字节d d r 内存，l gb v t en a n df l a s h 。 图3 3 ：o k 6 4 1 0 实物图 f i g u r e3 - 3 ：t h ep h o t os h o wo f o k 6 4 1 0 表3 2 ：智能层接口配置方案 旦垒! 皇三：兰；卫星! 坠! 呈垡堑皇璺q 堂型堕i q 望塑堂堂q ! ! 坐! ! i 篷坐! 皇堡! 智能层接口作用智能层接口作用 在此次控制系统设计中，主要用到开发板的五线r s2 3 2 电平串口和网口，用 来实时调试程序；用到u s bh o s t 插口，用来连接舵机控制板；用到c m o s 摄像 3 小型仿人机器人控制系统硬件设计与实现 头接口，用来连接o v 9 6 5 0 摄像头，采集视频数据；用到l c d 接口，连接4 3 寸 的t f tl c d ，来实时显示捕获的视频；用到音频输出接口，连接放音器来发声； 用到a d 接口，连接电位计，来实时采集舵机转动角度，如表3 2 所示。 3 3 组织层方案设计 3 3 1 组织层硬件功能需求分析 此次样机系统研制中，设计了1 9 个关节自山度，后期为了提高仿人机器人的 转弯行走、俯身运动、手臂功能以及脖颈功能，肯定会添加更多关节自由度。因 此，组织层要至少能够控制1 9 路以上的舵机。 另外，组织层要能够实时接收智能层的每一条群舵机控制命令，并将其并发 的、实时的转化为多路舵机的同时协调运动，以保证机器人行走的稳定性。 3 3 2 组织层硬件选型 通过市场调研，最终选用了u s b s s 3 2 路舵机控制器1 38 | ，如图3 4 。该控制器 主控芯片采用8 位a