（机械电子工程专业论文）类人足球机器人的无线通信系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文类人足球机器人的无线通信系统的研究机械电子工程专业研究生吴建指导教师王进戈类人型机器人的研究已有3 0 年的历史，研制与人类外观特征类似，具有人类智能、灵活性并能够与人交流，不断适应环境的类人机器人一直是人类的梦想之一。类人型机器人研究是多门基础学科，多项高技术的集成，代表了机器人的尖端技术。可以预见，类人机器人将是今后机器人发展的主要方向。类人机器人的开发是机器人研究中重要而困难的阶段，而基于多个类人机器人的无线通信系统的研究将为其迈出极为重要的一步。本文研究主要基于类人机器人的无线通信系统。主要研究内容如下：( 1 ) r o b o n o v a i 类人型机器人的软件和硬件系统的研究与开发。分析了机器人的总体框架，机器人所使用的控制器和伺服电机，高性能电池与快速充电系统。机器人的软件系统主要包括r o b o n o v a i 类人型机器人所使用的r o b o b a s i c 开发环境和编程语言。并根据r o b o b a s i c 编程语言和开发环境的特点设计了简单的应用机器人编程语言。( 2 ) 分析了m i r o s o t 系统中的无线通信系统的通信原理及组成。根据大量的比赛经验和相关的实验数据，证明了现有无线通信系统的通信可靠性有待提高，为类人机器人无线通信环境积累了经验。( 3 ) r o b o n o v a i 系统所采用的无线通信系统的研究与开发。针对类人机器人足球比赛通信环境的高效性和实时性，提出了一套无线通信系统设计方案。建立了类人足球机器人通信子系统的通信平台，给出了基于该系统硬件设计，并为多机器人系统提出了一套可行的对话协议。实验和比赛结果证明了该通信系统的可行性。( 4 ) 详细分析了多机器人的通信方式及其解决方案；针对f i r a 的全自主赛事a u t o - a n d r o s o t ，设计了基于i e e e 8 0 2 1 1 b 的无线局域网和无线网卡的通信平西华大学硕士学位论文台；建立基于c s 模式的对话管理；并为多机器人系统的协作问题求解提出了一套可行的对话协议。论文最后对全文进行了总结，提出了要进一步研究的问题。关键词：足球机器人，类人机器人，无线通信，对话协议，通信平台i i西华大学硕士学位论文_ _ 一一r e s e a r c ho fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nh u m a n o i ds o c c e rr o b o ts y s t e mm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gp o s t g r a d u a t ew uj i a ns u p e r v i s o rw a n gj i n 。g et h er e s e a r c ho fh 唧a 1 1 0 i dh a sb e e n3 0y e a r s t or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h er o b o t si sag r e a td r e a m w h i c hh a v et h ec h a r a c t e r so fh u m a na p p e a r a n c e s ，c a nh a sn 啪a l li n t e l l i g e n c e c o m m u n i c a t ej u s tl i k ew ed oa n da c c l i m a t i z ei t s e l ft oe n v i r o n m e n t r e s e a r c ho nh 眦a 1 1 0 i dr o b o ti n t e g r a t e dp l e n t yo fm 曲一n e wt e c h n o l o g y w ec a l lc o r l c l u d et h a tt h eh u m a n o i dr o b o tr e s e a r c hw i l lb et h em a i nd i r e c t i o no fr o b o td e v e l o p m e n t a st h em o s ti m p o r t a n ta n dd i f f i c u l ts t e po ft h ew a yt or o b o t ，t h er e s e 剐ho fn 廿e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nh u m a n o i dr o b o ts y s t e mw i l lb et h ef o c u so ft h ef u t u r ed e v e l o p m e n t i nt h i sd i s s e 眦i o 玛w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no fh u m a n o i dr o b o ts y s t e mi ss t u d i e d t h ep r i m a r ys t u d y i n gc o n t e n ti sf o l l o w s ( 1 ) d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr o b o n o v a is o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m t h ec o n f i g u r a t i o n , c o n t r o l l e r , s e r v o ，b a t t e r i e s ，e l e c t r i f i c a t i o ns y s t e mo fr o b o t sa l ea n a l y z e d t h er o b o ts o f t w a r ei sm a i n l yc o n s i s to fd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ta n dp r o g r a m m el a n g u a g eo fr o b o b a s i c ，a n dd e s i g na p p l i c a t i o np r o 伊猢el a l l 舒1 8 9 e ( 2 ) t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nm i r o s o ts o c c e rr o b o ts y s t e mi sa n a l y z e dmt h ep a p e r t h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi st e s t i f i e dt ob ee n h a n c e da c c o r d i n gt oa 田e a td e a le x p e r i e n c e sa n dc o r r e l a t i v ee x p e r i m e n td a t a t h er e s e a r c hi sa l s op r e p a r e df o rh u m a n o i dr o b o tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( 3 ) d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr o b o n o v a 1w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m aw i r e l e s st e l e c o m m u i l i c a t ed e s i g np r o je c ti sp r e s e n t e df o rt h ek 曲- e f f i c i e n c ya n dr e a 】t i i t l eo fh 啪a i l o i dr o b o ts o c c e rt o u r n a m e n ts y s t e m i nt h i sp a p e r , w es e tu pt h ei i i西华大学硕士学位论文c o m m u n i c a t i o np l a t f o r mo fac o m m u m c a t l o ns u b s y s t e mo fh u m a n o i ds o c c e rr o b o t ，a n dd e m o n s t r a t et h eh a r d w a r ed e s i g n ，a n do f f e rav i a b l ed i a l o gp r o t o c o lf o rc o o p e r a t i o np r o b l e ms o l v i n go fh u m a n o i dr o b o ts y s t e mi ti ss h o w nt h a t t h ee x p e r i m e n ta n dc o m p e t i t i o nr e s u l tp r o v et h a tt h es y s t e mi sf e a s i b l ea n ds u c c e s s f u l ( 4 ) c o m m u n i c a t i o nm e t h o da n ds o l u t i o na r es t u d i e si nm u l t i - a g e n ts y s t e m ac o m m u n i c a t i o np l a t f o r mo ft h es u b s y s t e mi ss e tu p 、航t i li e e e 8 0 2 1lba n dw l a nn e t w o r kc a r d i t sd i a l o gm a n a g e m e n ti ss e tu p 谢t i lc sm o d e l ，a n dav i s a b l ed i a l o gp r o t o c o lf o rc o o p e r a t i o np r o b l e ms o l v i n go fm u l t i r o b o ts y s t e mi sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：s o c c e rr o b o t ，h u m a n o i dr o b o t , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，d i a l o gp r o t o c o l ，c o m m u n i c a t i o np l a t f o r mi v西华大学硕士学位论文声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。学位论文作者签名：导师签名：关爱签字日期：2 一? 年j 月7日6 7西华大学硕士学位论文西华大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书；2 、不保密z 适用本授权书。( 请在以上口内划4 )学位论文作者签名：炙龟指导教师签名：日期：一7 ( 日期：州( i 西华大学硕士学位论文1 绪论1 1 研究的目的和意义研制具有人类外观特征、可以模拟人类行走与基本操作功能的类人型机器人，一直是人类机器人研究的梦想之一【1 】。类人型机器人研究是一门综合性很强的学科，其本身包含着多项高科技成果，很大程度上代表着一个国家的高科技发展水平。r o b o n o v a i 类人机器人是种新型的二足类人机器人，具有1 6 个自由度，通过改变其转角和转角速度来达到控制机器人姿态和动作的目的。r o b o n o v a i类人型二足机器人除了可以用脚走路外，更可以表现各种高难度的仿人动作，如跑步、雀跃、伏地挺身、侧翻、前滚翻、后滚翻、倒立、上下楼梯等众多高难度动作，适合参加r o b o c u p 2 】和f i r a 3 】等类型的机器人比赛，也非常适合各个高校和研究所的学习科研开发用途。而目前对于r o b o n o v a 1 型机器人的开发研究十分有限，除了能够进行有关的动作设计外，其他各方面研究的都处于起步阶段，而在以多个r o b o n o v a - i型类人机器人所组成的多智能体系统中，如何在复杂多变的环境中，对类人机器人进行实时无线控制，目前国内在这方面的研究极为匮乏，所以改进和完善该类人机器人的无线通信系统显得尤为重要。可以预见，类人机器人将是今后机器人发展的主要方向。全视觉自主闭环控制系统的开发则是类人机器人研究中重要而困难的阶段，而基于多个类人机器人的无线通信系统的研究将为其迈出极为重要的一步。我校不仅一直参加了f i r a 组织的全球性足球比赛，而且也逐步参与涉及到目前人工智能的多个研究热点的足球机器人的开发，这为我们的研究提供了一个很好的研究平台。这个平台可以提高相关技术在更高层次上的衔接和在更深层次上的创新。因此，开展类人足球机器人的研究是人工智能从基础理论走向实际应用的一个战略性步骤。这也提供了一种素质教育和创新教育与前沿研究相结合的生动形式。由于类人足球机器人的研制具有实践性强、探索性强和综合性强的特点，有利于学生迅速接触前沿研究，并促使学生的创新能力和专业素质得到提高。为未来国家智能机器人产业的发展提供充足的人才储备【4 1 。西华大学硕士学位论文1 2 国内外研究现状分析随着控制理论、计算机技术以及多传感器信息融合技术的发展，世界机器人发达国家的学者在双足步行机器人技术的理论和实验上作了大量的研究，鉴于以上情况，我国也将双足步行机器人技术列为国家自然科学基金及8 6 3 等项目予以大力地支持【5 】。同时“十一五”规划把服务型智能机器人作为先进制造业自动化领域的一个重大项目和专题，并立志着重发展服务型智能机器人。与轮式和多足机器人相比，类人机器人更加适应于复杂的地形并且具有更加灵活的运动方向和速度变化范围，因此得到了国内国外的广大研究学者的广泛关注。1 2 1 国内的研究现状与分析我国对机器人【6 】的研究工作起步较晚，但是在国家有关部门支持和广大科技工作者的努力下，进展较快，己在工业特种机器人和智能机器人各个方面取得了明显的成绩，为我国机器人学的发展奠定了良好的基础。2 0 0 0 年1 1 月2 9 日，中央电视台新闻联播报道：我国首台类人型机器人研制成功。1 1 月3 0 日，全国各大报都在显著位置发表了这一消息。由于类人型机器人集机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志，因此，世界发达国家都不惜投入巨资进行开发研究。日、美、英等国都在研制类人形机器人方面做了大量的工作，并已取得突破性的进展。日本本田公司于1 9 9 7 年1 0 月推出了类人形机器人p 3 ，美国麻省理工学院研制出了类人形机器人科戈( c o g ) ，德国和澳洲共同研制出了装有5 2 个汽缸，身高2 米、体重1 5 0 公斤的大型机器人。本田公司最新开发的新型机器人“阿西莫”，身高1 2 0 厘米，体重4 3 公斤，它的走路方式更加接近人。我国也在这方面作了很多工作，国防科技大学、哈尔滨工业大学研制出了双足步行机器人，北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学研制出了多指灵巧手等。双足步行机器人研究是一个很诱人的研究课题，而且难度很大。在日本开展双足步行机器人研究已有3 0 多年的历史，研制出了许多可以静态、动态稳定行走的双足步行机器人，上面提到的p 2 、p 3 是其中的佼佼者。在国家8 6 3 计划、国家自然科学基金和湖南省的支持下，长沙国防科技大学2西华大学硕士学位论文于1 9 8 8 年2 月研制成功了六关节平面运动型双足步行机器人，随后于1 9 9 0 年又先后研制成功了十关节、十二关节的空间运动型机器人系统，并实现了平地前进、后退，左右侧行，左右转弯，上下台阶，上下斜坡和跨越障碍等人类所具备的基本行走功能。近期在十二关节的空间运动机构上，实现了每秒钟两步的前进及左右动态行走功能。经过十年攻关，国防科技大学研制成功我国第一台类人型机器人“先行者 ，实现了机器人技术的重大突破。“先行者 有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以动态步行【。瑚】。在张启先院士的主持下，北京航空航天大学机器人研究所于8 0 年代末开始灵巧手的研究与开发，最初研究出来的b h 一1 型灵巧手功能相对简单，但填补了当时国内空白。在随后的几年中又不断改进，现在的灵巧手已能灵巧地抓持和操作不同材质、不同形状的物体。它配在机器人手臂上充当灵巧末端执行器可扩大机器人的作业范围，完成复杂的装配、搬运等操作。比如它可以用来抓取鸡蛋，既不会使鸡蛋掉下，也不会捏碎鸡蛋。灵巧手在航空航天、医疗护理等方面有应用前景。类人型机器人是多门基础学科、多项高技术的集成，代表了机器人的尖端技术。因此，类人形机器人是当代科技的研究热点之一。北京理工大学自主研发的类人机器人是国内处于领先水平的机器人，身高1 5 8 m ，体重7 6 公斤的“b h r 一1 ”可以以l k m h 的速度行走，步幅达到了3 3 c m 。随后开发的类人机器人“b h r _ 2 身高达到1 6 0 c m ，重量6 3 公斤，全身共有3 2个自由度，配备力传感器、视觉传感器、加速度计、倾角计、编码器等各类传感器共4 4 个，可模仿人类前进、后退、侧行、转弯、上下台阶以及太极拳表演等各种复杂动作。“b h i 卜1 和“b h r - - 2 如图1 1 所示。类人型机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产、生活中有着广泛的用途。目前，我国类人型机器人研究与世界先进水平相比还有差距。我国科技工作者正在努力向前，我们热切地期盼着我们自己水平更高的、功能更强的类人型机器人与大家见面。我们也应该清醒地看到，与机器人产业发达的国家如日本、美国、德国等国家相比，我们仍有很大差距。两华大学硕士学位论文a ) b h r 1 机描人b ) b h r 2 机器人f i g1 - 1b h r 一1 r o b o ta n db h r 一2r o b o t图】1b h r i 机器人和b h r 一2 机器人i 2 2 国外的研究现状与分析目前，在类人机器人领域的研究，日本具有绝对的领先优势。日本的高校和公司都投入了很大的精力展开对类人机器人的研究。日本本田公司从1 9 8 6 年至今已经推出了p 系列1 ，2 ，3 型机器人。其研究宗旨是：机器人应该要与人类共存并合作，做人类做不到的事，开拓机动性的新领域，从而对人类社会产生附加价值。本田公司的类人机器人p 3 是具有代表性的类人机器人。p 3 身高1 6 0 c m ，重1 3 0 k g ，腿的自由度为1 2 ，臂的自由度为1 4 ，手的自由度为4 。驱动器为带有谐波驱动的直流伺服电机，传感器包括摄像机，陀螺仪等。在2 0 0 0 年推出了类人机器人a s i m o - - a d v a n c e ds t e pi ni n n o v a t i v em o b i l i t y , 高1 2 0 c m ，体重4 3 k g ，使用个人电脑或便携式控制器操作步行方向和腿部及手的动作。臂展角达到了1 0 5 度，大于p 3 的9 0 度。而且具有3 6 个自由度，使动作更加灵活和自然。新款的a s i m o ( 如图1 - 2 所示) 奔跑速度已经达到了6 k m h ，并且可以实时预测f 一步的行走动作，使运行更加稳定。a s i m o 除了具有网络接入功能外，还可以关闭电灯开关，打开门把手，未来还将要继续研究识别人的动作、姿势、面容和声音，能够回应人类5 0 个不同的呼叫、问候和询问；可以回应人类发出的大约3 0 种不同活动命令，将类人机器人的研究工作推向了一个新的台【9 “。1 0 。西华大学硕士学位论文索尼于2 0 0 3 年3 月推出的s d r - 4 xi i 类人型机器人身高5 8 c m ，体重7 公斤，全身共有3 8 个自由度【1 1 1 ，使用一种索尼公司自行开发的智能伺服电机i s a( i n t e l l i g e n ts e r v o a c t u a t o r ) 驱动，实现了全身相协调的动态运动控制，过加速、感和陀螺仪等传，实现了动控制的在线动态规划，在运动过程中对外力干扰可以实时响应，作出倾斜、后退或是跌倒的实时判断以及跌倒后爬起的实时响应，能在l o m m 的不规则地面和相对移动的地面上行走。己经具备丰富的人机交互形式，基于两组彩色c d d 摄像头形成立体视觉系统，能够识别十种不同的人脸表情特征，可以根据被识别人相应的面部表情( 喜、怒、哀、乐等) ，选择相应的语言和语调，与被识别人进行富有情感的语言交流：自备一个2 0 0 0 0 单词的词库，通过7组麦克风感知周围环境的立体声，可进行连续语句的识别和判断并执行相应动作，例如唱歌、跳舞或者与人进行简单的交谈等。s d r - - 4 x h 代表了当前国际上类人机器人研制的先进水平。2 0 0 3 年1 2 月，索尼公司通过对控制系统和i s a w i n t e l l i g e n ts e r v oa c t u a t o r的改进，使更名后的q r i o 机器人( 如图1 3 所示) 在世界上第一次实现了类人机器人的跑动。q r i o 机器人身高5 8 c m ，重7 k g ，应用6 4 位s c 处理器。牵引每个关节的小型执行器得到了改进，新型的综合适应控制系统可以通过各路传感器采集到的信息，对机器人身上的3 8 个关节进行实时控制。q m o 能够进行更加先进的运动。位于q r i o 头部的4 个轴和腰部的一个轴极大地增强了它的表达能力，它的双手还各有5 只灵活的手指。q r i o 可以通过传感器判断地面类型，并相应地调整步行姿态，可以适应各种路面，凹凸不平的地板、沙滩、台阶、斜坡都畅通无阻。灵活地重心调整让q r i o 几乎成了不倒翁，在行走过程中，如果突然遇到阻力( 比如你用手去推它) ，q r i o 渐渐停止步伐，甚至后退，以防止摔倒。它还能在一块晃动的模拟冲浪板上保持平衡，就像运动员一样。为了提高对路线的辨识能力，q r i o 由两个c c d彩色摄像头提供视觉，让它可以立体地观察场景，并判断自身与目标间的距离，确定最优的路线。q r i o 也可以进行无线网络接入，身材不太高，重量轻，安静，安全，非常适合未来家庭服务。q r i o 类人机器人已经成为世界上智能水平最高的类人机器人之一。大阪大学研制的类人足球机器人v i s i o nn e x t a 高4 7 2 c m ，重3 1 k g ，有2 35西华大学硕士学位论文个关节，该机器人是在2 0 0 4 年机器人杯世界大赛人型机器人小组赛获得冠军的 v i s i o n ”的后续机器人。运算能力达到了“可与笔记本电脑媲美”的水平。使用了加速度传感器，配备了陀螺仪，还增加了关节检测功能，提高了运动性能和位置控制精度。类人足球机器人v i s i o nn e x t a 在机器人足球世界杯上屡创佳绩。大阪大学的机器人如图1 4 所示。早稻田大学、东京大学、卡内基梅隆大学等国外著名高校和大公司都开展了对类人机器人的研究，并取得了巨大的进展。很多大学都参加了足球机器人世界杯，促进了沟通和交流，加快了类人机器人的发展。东京大学的机器人如图1 - 5所示。一津学”? 、。皤“叠铲! ? _疆，j i ；，f i 9 1 - 2 a s m i i sj o g g m g图1 - 2 a s i m o 的跑步姿态)一4 崂0 f 1 9 1 - 3 q p d ob e l o n g t o s o n y图1 - 3 索己公司的q r i of i g1 - 4h u m a n o i ds o c c e rr o b o to f o s a k au n i v e r s i t y圈1 - 4 大阪大学的类人足球机器人f i gl - 5t h e u n i v e r s i t y o f t o k y o h 7图1 - 5 东京大学h 7西华大学硕士学位论文1 3 论文的结构及主要内容目前，组建类人型机器人球队进行比赛，在国内甚至国际上都是刚刚起步。2 0 0 8 年，f i r a 第一次推出了半自主类人机器人的3 v s 3 比赛( s e m i h u r o s o t ) ，使机器人像人类一样用双脚走路并且踢球，这也是机器人足球发展的必经之路。我们采用r o b o n o v a i 类人型机器人来参加f i r a 世界杯的3 v s 3 类人机器人比赛。本论文主要研究基于类人机器人的无线通信系统的研究。本论文的结构如下：第一章详细介绍了类人机器人研究的目的和意义；当前国内外对类人机器人的研究进展及成果；以及本课题主要研究内容。第二章介绍了所采用的r o b o n o v a i 类人型机器人的软件和硬件系统。主要包括机器人的总体框架，机器人所使用的控制器和伺服电机，高性能电池与快速充电系统。机器人的软件系统主要包括r o b o n o v a i 类人型机器人所使用的r o b o b a s i c 开发环境和编程语言。并根据r o b o b a s i c 编程语言和开发环境的特点分析了简单的应用机器人编程语言第三章介绍了m i r o s o t 系统中的无线通信系统的通信原理和组成，然后根据大量的比赛经验和相关的实验数据，证明了现有无线通信系统的通信可靠性有待提高，为类人机器人无线通信环境积累了经验。第四章介绍了r o b o n o v a i 系统所采用的无线通信系统，即蓝牙无线通信系统。针对类人机器人足球比赛通信环境的高效性和实时性，提出了一套无线通信系统设计方案。在本章建立了类人足球机器人通信子系统的通信平台，给出了基于该系统硬件设计，并为多机器人系统提出了一套可行的对话协议。实验和比赛结果证明了该通信系统的可行性。第五章详细分析了多机器人的通信方式及其解决方案；针对f i r a 的全自主赛事a u t o - a n d r o s o t ，设计了基于i e e e 8 0 2 1 1 b 的无线局域网和无线网卡的通信平台；建立基于c s 模式的对话管理：并为多机器人系统的协作问题求解提出了一套可行的对话协议。最后一章对课题研究情况进行总结，并指出全自主机器人进一步开发的研究方向。7西华大学硕士学位论文2r o b o n o v a i 机器人软件和硬件系统设计2 1 机器人的硬件系统2 1 1r o b o n o v a i 机器人概述r o b o n o v a i 机器人身高3 1 c m ，腿长18 c m ，臂长1 5 c m ：带标准电池的机器人重量近似为1 3 k g ；总共有1 6 个自由度，其中两臂各3 个自由度，两条腿各5 个自由度；应用的是m r c 3 0 2 4 控制器，还有红外遥控接收终端，倾斜传感器和蓝牙接收端。机器人的结构图如图2 1 所示。f i g2 - 1t h es t r u c t u r eo f r o b o n o v a - 1图2 - 1r o b o n o v a 1 机器人结构类人机器人的结构设计的合理程度会对类人机器人的运动产生很重要的影响，因此，为了完成像人一样的运动，设计与人类似的结构就十分必要了。类人机器人是一个多关节且具有冗余自由度的复杂的系统，一个功能齐全的智能类人机器人必须得有一个结构紧凑、配置合理的机械本体。机器人的机构的性能决定西华大学硕士学位论文了机器人的操作特性。设计出合理、优化的本体机构与结构有助于提高机器人动作的协调行与稳定性，有助于提高机器人的智能化和拟人化程度，有助于完善机器人的各项功能。r o b o n o v a 1 类人机器人具有非常合理的功能模块和结构布局，其功能说明如下：1 ) r o b o n o v a i 提供教学或娱乐等用途的全功能套件，可双足步行、翻筋斗、跳舞并可编程控制，符合参加r o b o c u p 和f i r a 机器人大赛。2 ) 容易安装和拆卸：只需螺丝刀即可安装或拆卸。3 ) 伺服电机：1 6 个专用h i t e ch s r 8 4 9 8 h b 数字伺服电机。具有过电流保护以及位置反馈信息，使程序规划机器人时更简易快速，系统板最多可以支持2 4 个电机控制。4 ) 金属骨架：电镀金属电机固定架，胸背控制板保护面均由坚固耐冲击塑料组成。5 ) 电源供应：6 v 可充电环保镍氢电池( n i m h ) ，也选苛责7 4 v 锂聚合物( l ip o l y )电池替换。6 ) r o b os c r i p & r o b or e m o c o n ：容易操作的接口软件，使用者可以快速操作与设定机器人的动作，对于不熟悉程序编写的朋友也可以轻松操作。7 ) r o b o n o v a l 类人机器人身高只有3 1 c m ，带标准电池的机器人重量近似为1 3 k g ；这样可以降低机器人的整体造价，更便于广泛开展研究工作。r o b o n o v a 1 类人机器人结构的比例如表2 1 。表2 1r o b o n o v a 1 类人机器人身体比例t a b l e2 - lh e i g h ta n dm a s sr a t i oo fr o b o n o v a - 1h u m a n o i dr o b o t机器人结构上身下身高度( c m )1 31 8高度所占比例( )4 25 8重量( k g )0 4 9 50 7 9 0重量所占比例( )3 86 29西华大学顾十学位论文r o b o n o v a - i 类人机器人由电镀金属固定架，组成轻巧而坚稳r o b o n o v ai 骨架。r o b o n o v a i 类人机器人如图2 - 2 所示。f i g2 之r o b o n o v a 一1h u m a n o i dr o b o t图2 4r o b o n o v a 1 类人机器人2 13 机器人控制嚣r o b o n o v a l 娄人机器人采用m r c 3 0 2 4 控制器，它能够同日寸控制多达2 4个电机，基于a t m e g a 1 2 8r j s c 芯片的m r c 3 0 2 4 控制器更容易编程以满足类人机器人研究的需要。控制器的实物图如图2 - 3 所示；控制器的结构图如图2 4所示：控制器的电路图如图2 - 5 所示：m r c 3 0 2 4 控制器的详细信息在表2 - 2 中。目前r o b o n o v a i 类人机器人只用1 6 个端口，还有8 个可以扩展。还有几个模数转换端口可以扩展，用来新加一些超声波传感器，罗盘等。还有3 个p w m端口( p w m 0 一p w m 2 ) 可供扩展。高速的串行通信终端t x 和r x ，现在它们用西华大学硕十学位论文来发送和接收蓝牙通讯信号。b a t t e r yc o n n e c t o r 是连接电池的端口，标准电压在65 v - 7 5 v 之间，c h a r g i n g c o n n e c t o r 是充电的端e l ，将标准的充电器连接到端口即可充电。r s 2 3 2 串口是下载程序的端口，通过串口线连接p c机到控制器，把p c 机内r o b o b a s i c 代码下载到控制器。f i g2 - 3c o n t r o l l e r图2 - 3 控制器的实物图表2 - 2m r - c 3 0 2 4 控制器详细信息t a b l e2 - 2t h es p e c i f i c a t i o no f m r - c 3 0 2 4c o n t r o l l e rp r o g r a mm e m o r y3 2 k b v t e sm f f m m e c o n l r o lr e c e o t i o ny e sb i u d o d 血c o , t 0 1r e c e d t i o i ly e sn m i i b n g b l m t o 劬y e sc 叫u a o nf e a t u r e1 m u 女c2r s 2 3 2 ( u , 心t ) s e f i a lc o m m u n i c a t i o n0 l l l 百gr 0 1 ) 0 cp f o 笋舢m 辈r o b o b a s i c v 20西华大学硕士学位论文m r - c 3 0 2 4 控制器具有对机器人控制的众多优点，可以说m r c 3 0 2 4 控制器是需要控制多个电机的类人机器人的最佳选择。m r 3 0 2 4r o b o n o v a 搭载的控制器特色：1 最多可连接2 4 个r cs e l v o ；具有s e r v o 伺服机参数设定功能；2具有4 0 个d i g i m i i o 、3 个p w m 输出、8 个a d 变换p o r t ：3最多可接4 个陀螺仪( g y r o ) ：4装有压电式风鸣器b o z z e r ，有6 种音乐声效；5可以连接超声传感器、i r 遥控器等；可外接l c d 模块( 选配) ；6高速串行通讯( u a r t ) ：7提供多种操作软件：r o b o b a s i c r o b o s c r i p t r o b o r e m o c o n 。f i g2 4t h es t r u c t u r eo f t h em r - c 3 0 2 4图2 4m r - c 3 0 2 4 控制器的结构图西华大学硕士学位论文f i g2 - 5t h ec i r c u i to ft h em r - c 3 0 2 4图2 - 5m r - c 3 0 2 4 控制器的电路图2 1 4 伺服电机考虑到类人机器人的特点，对关节驱动电机的要求如下【1 2 1 3 】：( 1 ) 较好的快速性。这要求电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，本体机构的快速响应性能愈好，伺服电动机快速响应的性能一般是以电动机的机电时间常数的大小来衡量。( 2 ) 起动转矩惯量比大。在驱动负载的情况下，要求机器人的电动机的起动转矩大，转动惯量小。( 3 ) 控制特性有较好连续性和直线性。随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。( 4 ) 较宽广且平滑的调速范围。( 5 ) 体积小、质量小、轴向尺寸短。这样便与在机器人本体上安装，能够减轻机器人的总重量。西华大学硕士学位论文( 6 ) 较高的可靠性和稳定性。能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并于有较大的短时过载能力。在r o b o n o v a 一1 类人机器人中，我们选择h i t e c 公司生产的具有较高性价比的h s r - 8 4 9 8 h b 电机。h s r - 8 4 9 8 h b 电机具有几种不同的类型，安装到机器人不同的关节上，可以最大限度地提高机器人关节的扭矩。这种专门的类人机器人电机如图2 - 6 所示。f i g2 h s r - 8 4 9 8m o t o r图2 - 6h s r 8 4 9 8 h b 也机连接到电机的灰色线是信号线，靠近灰色线的黑色线是正极，另一根黑色的线是负极。h s r 8 4 9 8 h b 电机是专门的机器人电机，它具有过载保护功能，还可以反馈电机的角度数据，因此可以更方便地对机器人进行控制。表2 - 3 列出了h s r 8 4 9 8 h b 电机的详细参数。西华大学硕士学位论文2 1 5 高性能电池与快速充电r o b o n o v a 1 类人机器人采用的是可充电的高能镍镉电池，电池的充电是把充电器连接到机器人的控制器进行充电的。充电器连接之后，充电器上的灯变为红色，当电池充满电之后，灯变为绿色。另外出于设计的考虑，我们还可选择7 4 v 锂聚合物( l ip o l y ) 电池做为替换或者备用。电池的标准容量是1 0 0 0 m a h ，标准电压是6 v ；完全充电大约需要4 0 分钟时间，不过充电时间因电池的剩余电量的不同而不同。当电池变热时应立即停止充电，过度充电可能会对电池造成损伤。镍镉电池如图2 7 所示，快速充电器如图2 8 所示。充满电的电池可供r o b o n o v a 1 类人机器人正常工作6 0 分钟。1 5西华大学硕+ 学位论文一+ 4f i g2 - 7 n i m hb a t t e r y图2 7 镍铺电池f i g2 - 8q u i c k c h a r g e r图2 8 快速充电器2 2 机器人的软件系统2 2 1 基本框架r o b o n o v a 一1 类人机器人的编程设计系统是包括编辑和编译的r o b o b a s i c集成开发环境：用r o b o b a s i c 语言以及r o b o b a s i c 开发环境提供的c a t c h & p l a y功能和r o b o s c r i p t & r o b o r e m o c o n 功能来完成机器人的开发。r o b o n o v a 1 机器人适用r o b o s c r i p t 和r o b o b a s i c 两种编程语言r o b os c r i p 是专为初学者设计的操作接口软件，使用者可以快速操作与设定机器人的动作，对于不熟悉程序编写的朋友也可以轻松操作。r o b ob a s i c 是为中高阶学习者，具有使用b a s i c 语法结构的程序环境，可藉由程序规划，改变机器人的控制方式，例如增加各种传感器后，机器人高难度动作安排等，满足挑战机器人应用的尖端学习者。开发环境提供的r o b o s c r i p t & r o b o r e m o c o n 功能对于初学者是很理想的，计算机屏幕显示出每个电机( 关节) 的滑动条，让滑动条改变电机的位置，简单的通过鼠标拖动滑动条就可以形成一个复杂的动作，r e m o c o n 提供了一个调用这些动作的图形用户接口。r o b o s c r i p t 和r o b o r e m o c o n 的操作界面如图2 - 9 和2 1 0 。实验时，开发人员就可以用r o b o b a s i c 语言和r o b o b a s i c 开发环境提供的c a t c h & p l a y 功能或者r o b o s c r i p t 对机器人进行快速的开发。可以开发机器人的西华大学硕士学位论文前进，后退，转动，侧移等基本动作；也可以开发机器人的倒立，起立，翻滚等复杂动作：还可以开发机器人的舞蹈等。在这里我们主要介绍r o b o - b a s i c ，用于编制机器人动作程序。隧鹚懑趱趱；l ，z 蔓墨蚤曼焉t w r ，v ! ! v - v x 三墨= 墨暴互强! 曼墨! 曼曼一f i g2 - 9 t h eo p e r a t e i n t e r f a c e o f r o b o s c r i p t图2 - 9r o b o s c r i p t 操作界面图f i g2 - 1 0t h eo p e r a t ei n t e r f a c eo f r o b o r e m o c o n2 - 1 0r o b o r e m o c o n 操作界面熏蔷黧一西华大学硕十学位论文2 3r o b o - b a s i c 语言r o b o b a s i c 语言作为一门专门为控制机器人而设计的语言，不仅具有很多普通高级语言的基本语法，还具有专门控制机器人所需要的命令。r o b o b a s i c语言具有普通的声明定义变量的命令：流控制命令；数字信号的输入输出命令，对内存的读写命令，对液晶显示屏的控制命令，还有一些算术运算命令等。专门为机器人而设计的命令是r o b o b a s i c 语言的最大特色。专门的控制机器人的命令主要包括电机的控制命令，电机的分组命令，模拟信号处理命令，外部通讯命令等。r o b o b a s i c 操作界面如图2 1 l 所示。f i g2 - 1 1t h eo p e r a t e i n t e r f a c eo f r o b o - b a s i e图2 - 1r o b o - b a s i c 操作界面2 31r o b o b a s i c 控制指令r o b o b a s i c 是用来控制机器人的可执行的编程设计语言。用r o b o b a s i c ，那些用来控制机器人的控制指令被添加到一般b a s i c 的编程环境中。其中包括1 2 种指令：声明与定义指令：d i m ；a s ；c o n s t ；b y t e ：i n t e g e r ：西华大学硕士学位论文流程控制命令：i f ；t h e n ；e l s e ；e l s e i f ；e n d i f ；f o r ；1 o ；g o t o ；g o s u b ；r e t u r n ；e n d ：s t o p ；r u n ；w a i t ；d e l a y ；数字信号输入与输出指令：i n ；o u t ；b y t e i n ；b y t e i o u t ；p u l s e ；t o g g l ；k e y i n；n e x t ：s t a