（机械工程专业论文）基于avr单片机的双足机器人控制系统设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 双足或人形机器人，又称仿人机器人。现代的双足机器人是一种高度智能 化机器人，关节转动灵活，控制系统复杂，能完成高难度的动作和精细化作业。 作为机器人研究领域的一个重要分支，双足机器人一直是国内外研究热点之一， 具有很高的工业、商业甚至是军事价值。随着科学技术的发展，双足机器人越 来越受到世界各国关注和重视，代表了机电一体化领域科学技术发展的最高水 平。 控制系统作为整个双足机器人的大脑，对双足机器人的稳定运行起核心作 用。双足机器人要实现动作的准确和控制的实时，必须依赖合理的控制策略和 稳定的控制系统以及高效的微处理器。按照设计要求，本文选定a t m e l 公司的 a v r 系列单片机a t m e g a l 2 8 为控制核心，设计了一套双足机器人运动控制系统。 本课题双足机器人实现了平面内的任意方向的行走，躲避障碍物，自身平衡， 并通过试验验证了双足机器人的运动和控制能力。论文的主要内容有： 论文综述了双足机器人的国内外研究现状，介绍了本文的选题背景、主要 研究内容和研究意义和双足机器人的系统构成。 双足机器人控制系统的硬件以a t m e g a l 2 8 为核心，由微控制器模块、集成 传感器的舵机模块、电源模块等构成。微控制器模块主要进行各种信息、数据 的处理，协调系统中各功能模块完成预定的任务；驱动模块主要负责控制驱动 舵机和传感器，实现机器人的动作以及传感器的数据采集；电源模块负责整个 移动机器人的电源供给。 在硬件平台的基础上根据仿生学的方法，建立双足机器人运动数据库，然 后通过优化设计得出最优运动轨迹。然后进行运动控制软件设计，根据所掌握 的数据，设计出适合双足机器人的运动控制程序，并且进行了运动控制精确性 程序改进。 在运动控制系统仿真通过后，对双足机器人进行了运动控制试验，试验结 果表明，运动控制效果良好，满足设计要求。 关键词：双足机器人；控制系统：单片机；舵机 华北电力人学硕二l ：学位论文 a b s t r a c t b i p e dr o b o t ，a l s ok n o w na st h eh u m a n o i dr o b o t，i sah u m a n o i dr o b o t ah i g h l y m o d e mi n t e l l i g e n tb i p e dr o b o th a sm a n yf e a t u r e ss u c ha sf l e x i b l er o t a t i o nj o i n t s ， c o m p l e xc o n t r o ls y s t e m ，c o m p l e t i n gt h ed i f 右c u l ta n da c c u r a t ea s s i g m n e n t a s 柚 i m p o n a n tb r a n c hi nt h ef i e l do fr o b o t ，b i p e dr o b o ti sa l w a y so n eo ft h eh o ts p o t s ， w i t hv e r yh i g hc o m m e r c i a la n dm 订i t a r yv a l u e w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c e a n dt e c h n 0 1 0 9 y ；b i p e dr o b o th a sb e e na t t r a c t e dm o r ea n dm o r e c o n c e mo ft h ew o r i d a n ds t a n df b r t h eh i g h e s tl e v e lo fm e c h a t r o n i c so fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y t h ec o n t r o ls y s t e m ，a st h eb r a i no ft h ew h o l eb i p e dr o b o t ，p l a y sak e yr o l ei n s t e a d yo p e r a t i o no fb i p e dr o b o t s t be n s u r et h ea c c u r a t ea n dr e a l t i m ec o n t r o lo f m o b i l er o b o t ，t h er a t i o n a lc o n t r o l s t r a t e g y ， t h es t a b l ec o n t r o ls y s t e ma n dt h e e f j f i c i e n tm i c r o p r o c e s s o ra r en e c e s s a r y a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，t h e a t m e g a l2 8i ss e l e c t e dw h i c hi sp r o d u c e db ya t m e lc o m p a n ya st h ec o r eo ft h e c o n t r o ls y s t e m t h eb i p e dr o b o th a sc o m p l e t e dt om o v et o w a r de a c hd i r e c t i o n ，v o i d o b s t r u c t i o n sa n db a l a n c ei t s e l f - a n dt h em o v a b i l i t ya n dc o n t r o l l a b i l i t va r ev e r i f i e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h e p r e s e n td o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lr e s e a r c hc o n d i t i o n ，a n dt h eb a c k g r o u n d ， r e s e a r c hc o n t e n t sa n dt h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo ft h i st h e s i sa r ei n t r o d u c e da tt h e s a m et i m e s u b s e q u e n t l y ， ab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h es y s t e ms t r u c t u r e t h eh a r d w a r ec i r c u i to fb i p e dr o b o tc o n t r 0 1s y s t e mi sb a s e do na t m e g a l2 8a s t h ec o r ec o n t r 0 1c h i p ，t h ec o n t r o is y s t e mi sd i v i d e di n t om i c r o c o n t r o l l e rm o d u l e ，t h e d r i v e rm o d u l eo ft h es e r v o sa n dt h es e n s o r s ，t h ep o w e rm o d u l ea n ds oo n ：e v e r y m o d u l ei si n t r o d u c e da n da n a l y z e di nd e t a i l t h em i c r o c o n t r o n e rm o d u l em a i n l y c o n c e m so nd e a l i n gw i t hk i n d so fi n f b n n a t i o na n dd a t aa n dc o o r d i n a t i n gt h e m n c t i o n a lm o d u l e st oa c h i e v et h ee x c e p t e dt a s k s t h ed r i v e rm o d u l ei s m a i n l y r e s p o n s i b l ef b rt h ec o n t r o lo fs e r v o sa n dt h es e n s o r st oa c h i e v et h er o b o t sm o t i o n a n dt h ed a t aa c q u i s i t i o nf r o mt h es e n s o r s t h ep o w e rm o d u l ei si nt h ec h a r g eo ft h e p o w e r o nt h eh a r d w a r ep l a t f o m a c c o r d i n g t ot h eb i o n i c s ，m ed a t ab a s ei s c o m p l e t e d， a n dt h eo p t i m a lt r a j e c t o r yi sc a l c u l a t e dt h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m a n dt h e b i p e dr o b o tm o v e m e n tc o n t r o lp m 伊锄 i s d e s i g n e da n d i m p r o v e da b o u tt h em o t i o nc o n t r o la c c u r a c y t h r o u g ht h ed e b u g g i n g ，t h er e l a t e de x p e r i m e n t sa r em a d et ot e s tt h e 如n c t i o n o ft h er o b o t t h es i m u l a t e dr e s u l ta n dp r a c t i c a lp e r f o m a n c eb o t hv e r i f yt h a tm e d e s i g n e dc o n t r o ls y s t e mh a sg o o dp e r f o m a n c ea n d m e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：b i p e dr o b o t ；c o n t r o ls y s t e m ；m i c r o c o n t r o l l e r ；s e r v o i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 机器人是整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物，能 实现环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能。机器人代表了 科学技术的最高水平，在工业、农业、医学建筑业甚至军事等领域中均有重要 用途【1 1 。宋健院士在国际自动控制联合会第1 4 届大会报告中指出：“机器人学 的进步和应用是2 0 世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动 化”【2 1 。 现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都 可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的 一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会( r o b o ti n s t i t u t eo f a m e r i c a ，r i a ) 于1 9 7 9 年给机器人的定义：一种可编程和多功能的，用来搬运 材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程 动作的专门系统【3 1 。 作为机器人研究领域的一个重要分支，双足机器人( h u m a n o i dr o b o t ) 由于 其广阔的应用空间一直是研究热点之一。所谓双足机器人，又称仿人机器人， 是具有人形的机器人，是关节转动灵活，控制系统复杂，能完成高难度的动 作的机器人。它是机械、自动控制技术、计算机技术、人工智能、微电子学、 模式识别、通讯技术、传感器技术、仿生学等多学科和技术综合的结果，代表 着一个国家高科技发展水平。研制与人类特征类似，具有人类智能、灵活性， 并能与人类交流，不断适应环境的双足机器人一直是人类的努力的目标【4 1 。 与传统机器人相比，双足机器人具有显著的优势，比一般机器人有更大的 机动性、灵活性，同时也具有更广泛的应用领域。双足机器人的出现是控制科 学、传感器技术、人工智能、材料科学等学科的技术进步，以及机器人使用范 围的扩大和人类日常生活需要的产物。双足机器人在工农业生产、科学探测、 华北i u 力人学硕。 ：学位论文 军事侦察、生活服务与娱乐等很多方面都有广泛的应用前景。首先双足机器人 在拓展人类的认知范围上发挥着重要作用，在外层空间、深海等人类尚不能到 达的环境都有双足机器人的身影；其次双足机器人已经广泛应用在恶劣、危险 条件下或其它不适合人类活动的环境中。双足机器人的迅速发展和广泛应用， 对人类社会的生活和生产产生了深远的影响。也正是因为双足机器人的广泛的 应用背景和商业价值，所以近年来，双足机器人成为机器人研究领域内的一个 热点【5 1 。 1 2 双足机器人的研究概况 双足机器人的研制开始于2 0 世纪6 0 年代末，只有3 0 多年的历史。然而， 双足机器人的研究工作进展迅速。目前，世界上的双足机器人研究主要集中在 日本、美国、西欧等国家，研究领域覆盖了体系机构、仿人视觉、仿人交互、 仿人双足步行的控制等。 作为科学技术发展最活跃的领域之一，机器人的发展体现了一个国家技术 水平的高低。双足机器人能够运动到特定位置、执行相应任务，具备环境感知、 实时决策和行为控制等功能，因此拥有很高的军事、商业价值，双足机器人技 术也正在渗透到人类生活的各个层面。随着应用范围的扩大对机器人的研究又 提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，以及近年不断发生的自然灾 害和持续的军事冲突，促使世界各国以新的眼光更加重视移动机器人的发展【6 】。 1 2 1 国外双足机器人研究现状 1 9 6 8 年，日本早稻田大学加藤一郎教授在日本首先展开了双足机器人的研 制，并于1 9 6 9 年研制出w a p l 步行机器人，以人造橡胶肌肉做为关节，通过 注气、排气使肌肉收缩、牵引关节转动，实现迈步。1 9 7 1 年，加藤实验室研制 出w l 5 双足步行机器人，实现步幅0 1 5 m 、每步4 5 s 的静态步行。1 9 7 3 年， 加藤等人在w l 5 的基础上配置机械手及人工视觉、听觉装置，组成自主式机 器人w a r o t 1 。1 9 8 0 年加藤等人又推出w l 9 d r 双足机器人，实现了步幅 0 4 5 m 、每步9 s 的准动态步行。1 9 8 4 年，加藤实验率又研制出采用踝关节力 2 华北电力大学硕士学位论文 矩控制的w l 1 0 r d 双足机器人，实现了步幅0 4 m 、每步1 5 s 的平稳动态 步行。1 9 8 6 年，加藤实验室再次研制w l 一1 2 r d 步行机器人，实现了步行周期 1 3 s 、步幅0 3 m 的平地动态步行。加藤实验室丁1 9 9 9 年推出的w a b i a n 和w a b i a n r i i 仿人机器人如图1 1 所示，该机器人增加了更多的自由度， w a b i a n r i i 高1 8 9 m ，重1 3 1 4 k g ，头部可前后、俯仰、摆动、转动，肩 部可回转，基于全身协调运动控制的方法实现机器人的稳定运动；该机器人还 具有视觉、听觉，能够按部分手势和声音调整行走的起停、方向、步速、步幅， 还可与人简单交流【7 1 。 图l - lw a b i a 小卜- r i i 仿人机器人 1 9 8 6 年，日本本田公司制定了研制家用仿人型机器人的计划，并于2 0 0 3 年4 月新推出a s i m 0 ( a d v a n c e ds t e pi ni n n o v a t i o nm o b i l i t y ) 仿人机器人，如图 1 2 所示，身高1 2 m ，重4 3 k g ，3 6 个自由度，能够在复杂状态下稳定行走， 最高速度可达1 6 k m h 。a s i m o 根据自身携带的传感器系统，可根据环境状 况采用不同的步态；根据行动路线上的具体情况反馈，对障碍进行回避；不仅 能按照指定的方向运动，也可按照声音运动；并可根据内存中的记忆，对人脸 华北f 也力人学顶： ：学位论文 进行判断识别【引。 图1 2 本田公司a s i m o 机器人 日本经济、贸易和工业部支持开发的类人机器人项目h r p 历时五年，先后 开发了h r p 一1 、h r p 2 仿人机器人样机，如图1 3 所示。h r p 2 部分零件采用 镁合金铸造，大大减轻了重量。目前，该研究小组通过对腰部关节的控制使 h r p 2 率先实现了类人大小的机器人从仰卧状态向正常站立状态的转变【9 1 。 图1 3h i 冲2 仿人机器人 日本东京大学的j s k ( j o u h o us y s t e mk o u g a k a ) 实验室研制了h 5 、h 6 和h 7 仿人机器人。图1 4 所示的h 6 机器人一共有3 0 个自由度，步态规划中考虑了 4 华北电力火学硕士学位论文 动态平衡条件，采用遗传算法和动态反馈法实现上体的补偿运动，保证了z m p 轨迹的跟踪：上体的运动轨迹通过三次样条插值实现。机器人的头部安装有两 个c c d 彩色摄像头，可以定位前方物体，并可在c c d 的协助下用7 自由度的 手抓取物体。h 6 机器人高1 3 7 m ，重5 5 k g ，共有3 5 个自由度，外壳使用了 航空材料，机器人本体具有坚固和质量轻的特点。h 6 和h 7 每步跨距约o 2 5 m ， 能够在户外自主稳定行走，并可识别预先定义的人脸【1 0 】。 f 图l 一4h 6 仿人机器人 富士通的h o a p - 1 仿人机器人身高o 4 8 m ，重6 埏，最高速度l k m h ， 如图1 5 所示。2 0 0 3 年推出的h o a p 2 机器人采用了基于神经网络的控制方法， 可以使机器人从俯卧状态迅速站起，并利用协调控制的方法使机器人在踢球时 保持身体的重心平衡，还可利用手指抓取东西【1 1 1 。 华北l 乜力人学硕i i ：学位论文 图l - 5h o a p l 仿人机器人 美国的双足或者仿人机器人研究一直侧重人工智能领域，认为仿人机器人 仅仅具有人类的外形，模仿人类走路奔跑，作一些简单的表演是远远不够的。 仿人机器人应具备人类的学习能力，即不依靠预先编程就能对所处的状况做出 正确反应。“科戈”( c o g ) 是美国麻省理工学院人工智能实验室开发的仿人机 器人，作为人工智能开发的平台使用。“科戈由头、躯干、胳膊及双手组成， 没有腿和脊柱，也没有集中控制的“大脑”。他的“大脑”是由不同的处理器 组成异种机互联网络控制，可以同时处理多项任务。“科戈 的两只眼睛由一 台广角照相机和一台窄视野照相机组成，每一台照相机均可俯仰和旋转。工作 的时候，首先通过广角照相机观察周围事物，然后利用窄视野照相机近距离仔 细观察事物。“科戈”的头可前后左右转动，头上安装麦克风和处理器帮助它 辨别声音，确定去看什么地方。现在，“科戈”正在学习观察事物，研究人员 希望借鉴幼儿的发育过程，使“科戈 由简到难，逐步学会各种本领【1 2 】。 6 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 国内双足机器人研究现状 国内双足机器人的研究相对而言起步较晚，但发展很快，并取得了重要进 展。我国自“八五”期间开始进入这一研究领域，并在国家“8 6 3 ”计划把开发 智能机器人的内容列入高科技发展规划中。机器人学国家重点实验室依托于中 国科学院沈阳自动化研究所，定位于国民经济和社会发展、国家安全和重大科 学工程提供所需要的机器人技术与系统。另外，各高校也是国内双足机器人研 究中的主力军，并取得了很大的进展和成果【l3 l 。 2 0 0 4 年6 月，哈尔滨工业大学足球机器人研究小组的科研人员研制的国内 首个两足足球机器人h i t ，如图1 6 所示。h i t 头部和身体都是由硬性铝钢制成 的。它的全身共由1 7 个关节组成，和人很相似，有头部、身体和双腿。在方方 的头部上，最引人注目的是它那由摄像头做成的“眼镜 ，科研人员介绍说， 机器人观察对方的球员和躲避障碍物全靠这个装置了。而头部下方的方型身体 里则安装着“小家伙”的“心脏”两台数字信号处理器。据介绍，其中一 部处理器主要用来控制机器人的行为决策，而另一部处理器的任务则是驱动机 器人行动的每个关节【1 4 】。 图卜6h i t 机器人 7 华北电力人学顾卜学位论文 2 0 0 6 年4 月，中国科学院自动化研究所研制的两款仿人机器人。这两款 仿人机器人分别是中国首个表情机器人“童童”和中国首个仿人画像机器人 “贝奇”。前者可眉目传情，后者则可现场作画，代表着目前中国仿人机器人 研制的最高水平。卡通外形的“童童”堪称一个表情表演大师，其脸内安装有 十多台微型伺服电机，可带动五官做出多种不同程度、不同速率的变化动作； 头部安装两部伺服电机可带动头部左右转动和摇头晃脑，以辅助和加强面部表 情表达。被称为太空画师的“贝奇”综合运用了计算机视觉、人脸识别、高精 度运动控制等尖端技术。其眼睛是一部数码相机，手是一条具有高技术含量的 仿真臂，一台先进的电脑就是它的大脑。它画像时，首先从数码相机拍摄的图 像中提取出人脸特征，再转化为运动指令，控制机器手在图板上画出肖像【l5 1 。 如图卜7 所示： 图1 7 童童和贝奇 1 3 本课题的主要研究内容 论文主要对双足机器人的控制系统进行设计，主要研究内容为： ( 1 ) 根据控制要求，选用a x 一1 2 舵机；了解其运动特性，通过数据手册深 华北电力大学硕士学位论文 入学习其通信协议。 ( 2 ) 采用a t m e g a l 2 8 作为控制芯片，控制器负责给舵机和传感器模块发送 指令，以及对双足机器人的运动进行控制。 ( 3 ) 采用a x s 1 传感器模块中包含的红外和声音传感器作为双足机器人的 感知系统，对周围的环境信息进行探测。其中红外传感器用于检测障碍物和悬 崖，声音传感器用于检测声音的次数，以此来执行相应的操作。 ( 4 ) 在硬件平台基础上根据模块化思想进行机器人的软件程序设计。 ( 5 ) 在设计好的软硬件平台上进行相关的实验，实现控制系统设计目标和 要求。 本文各章节安排如下： 第1 章“绪论”，对课题研究背景及意义进行概述，阐明国内外研究现状 并介绍论文的主要内容。 第2 章“双足机器人系统”，主要叙述了双足机器人的机械结构、驱动系 统、感知系统等，重点介绍a x 一1 2 舵机以及a x s 1 传感器模块的功能和通信协 议等，为实现控制做准备。 第3 章“双足机器人控制系统硬件构成”，对以a v r 单片机为核心的机器 人控制系统控制板进行说明，并详细叙述组成模块功能。 第4 章“双足机器人控制系统软件设计”，在硬件的基础上确定数据采集 方法，完成双足机器人动作数据的采集与优化，按照功能要求，试验软件程序 的设计，包括主程序、驱动程序以及避障程序的设计，编写运动控制程序。 第5 章“运动控制系统仿真与试验”，在搭建的系统软硬件平台的基础上， 进行仿真和实验，验证机器人硬件和软件设计是否满足要求。 第6 章“结论与展望”，给出本课题的研究总结，指出有待改进之处，并 提出后续工作的研究展望。 9 华北电力大学硕：b 学位论文 第2 章双足机器人系统 双足机器人运动控制功能的实现，必须拥有能胜任的运动系统、精确的感 知能力以及完整的控制系统，并具有既安全而又友好地与人协作的能力。在设 计双足机器人系统时，应首先考虑机器人的用途，因为用途不同，机器人的机 械结构也就不同；此外，还要考虑机器人的稳定性、外形尺寸、费用以及工作 环境等。移动机器人要根据传感器获得的信息，实现机器人的自主运动避障【1 6 】。 根据这一总体思想，进行双足机器人的系统设计，本机器人系统主要包括以下 四个部分： ( 1 ) 机械结构：可实现较复杂运动的机构和维持双足机器人的稳定： ( 2 ) 驱动系统：实现双足机器人各关节灵活转动； ( 3 ) 感知系统：可感知周围环境并向控制系统反馈相应的位置、转矩、 声音等信息； ( 4 ) 控制系统：实时处理传感器信息的反馈，并按照相应的运动法则驱 动系统动作，由机械设备执行相应动作。 2 1 系统功能分析 双足机器人的职能指标为自主性、适应性和交互性。本文中设计的双足机 器人可以实现前后行走，左右转弯，避障、自平衡等动作。该双足机器人是通 过声控来实现的，控制系统通过判断传感器模块检测到的击掌次数进入不同的 模式，并执行相应的功能。机器人总共包括漫游、循线、避障等几个模式，另 外，无论在何种模式下，机器人在运动过程中，如果检测到身体倾斜，会自动 调整平衡，防止摔倒。各模式功能如表2 1 所示： l o 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 双足机器人功能表 击掌次数模式 功能 l 停止 击掌一次机器人会立即停下来 2 次前进 进入漫游模式后，通过检测声 3 次后退 2 漫游音的次数来实现前进、后退、左 4 次左转 转及右转 5 次右转 3 循线根据程序中设定好的路线行走 机器人在行进过程中，遇到障碍物则停止并报警，然后判断障 碍物的大小，如果障碍物在机器人的跨越范围之内时，继续前行； 4 避障 如果障碍物超过机器人的跨越范围时，机器人左转或右转9 0 。 后，继续前进。 5 平衡机器人在斜度变化的平面上，自身姿态调节，保持平衡 2 2 双足机器人的机械结构 双足机器人一切功能的实现离不开它的机械机构，它是整个双足机器人系 统的基础，因此我们首先进行机械机构的组装。 在设计双足机器人时应遵循以下机构设计原则： ( 1 ) 机器人结构应仿生学设计，各个关节运动灵活、无干涉，可拆卸，方 便试验、调试、和修理。 ( 2 ) 应给双足机器人暂时未能装配的传感器、功能套件等预留安装孔，以 备将来功能改进与扩展。 ( 3 ) 采取模块化设计，各个功能模块之间相互独立装配，互不干扰【17 1 。 机械结构包括运动机构和支撑结构等，机器人机械结构参数如表2 2 所示： 1 1 华北电力大学硕二【= 学位论文 表2 2 双足机器人结构参数表 项目参数 身高 重量 臂展 腿高 足掌尺寸 3 5 0 m m 1 2 5 k g 5 0 0 m m 1 9 0 m m 1 0 0 m m 6 0 m m 2 2 1 双足机器人的移动机构 双足机器人的移动机构是保证机器人具有良好的环境适应能力的关键，如 灵活的转向能力、较大的转矩和越障能力，机构设计的成功与否将直接影响整 个机器人的性能【1 引。 双足机器人的移动机构可以采用腿式。腿式移动机器人地形适应能力强、 能越过大的壕沟和台阶，其缺点是结构比较复杂，控制难度大，但是缺点是移 动较慢。 本文采用人形双足机器人，现有一款b i o l o i d 机器人完整套件，它使用模 块化的组件，可以自由组装，是一个非常适合教学、研究的机器人套件。所以 就地取材，借助这个套件，组装出一个双足机器人，采用1 8 个a x 1 2 + 舵机分 别控制十八个关节。这种十八个舵机驱动的人形双足机器人通用性好，驱动能 力强，动作灵活，能实现多种复杂动作，比较适合仿人机器人研究。全身骨架 采用工程塑料材料，部分承重部分，使用加强处理的部件。机器人的模型如图 2 1 所示： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图2 一l 双足机器人3 d 模型 2 2 2 移动机器人的身体结构 双足机器人采用仿人体骨架结构，十八个舵机安装在跟人类关节活动的相 同位置，电源及控制板骨架背部腔体，a x s 1 传感器模块位于机器人头部。每 条下肢有六个舵机，支持六个自由度，上肢有三个舵机，支持三个自由度。移 动机器人的实物图如图2 2 所示： 图2 2 机器人实物图 牛北l 【5 力人学硕，i ：学位论文 2 3 双足机器人的驱动系统 目前，直流电机、步进电机和舵机为在机器人的运动控制中较常用的电机。 在本课题中，需要十八个能精确控制角度且可以保持的电机作为机器人的关节 使用。由于本移动机器人对速度要求较高，并且对转矩要求也较高，通过计算， 电机转速最高为11 0 r p m 。如果用直流电机，由于存在转速和力矩的限制，需 要搭配减速器，缺点是不能控制角度。选用步进电机能控制角度，但是需配驱 动器。在满足系统的控制要求前提下，考虑到功能的实现和经济性等因素，本 课题采用的d y n a m i x e l 系列a x 1 2 舵机作为驱动，它是机器人精确控制专用的 伺服电机。它不但能精确控制角度，作为机械人的关节所使用；也可以通过软 件设置为无限旋转模式，作为车轮使用【饽】。 2 3 1a x 1 2 数字舵机概述及特- l 生 a x 一1 2 舵机是一款智能化、模块化的驱动元件，主要包括微处理器一个、 精确直流电机一个、位置传感器齿、温度传感器、轮减速器以及具备通讯功能 的控制芯片等构成，其内部构造如图2 3 所示： 图2 - 3a x - 1 2 舵机内部结构、 a x 1 2 数字舵机主要可以包括以下两方面功能：一是作为舵机，转角范围 o 。3 0 0 。；二是作为电机，可以自由旋转，应用范围广。a x 1 2 数字舵机采 用数字信号控制，控制方便，响应迅速；每个舵机都拥有唯一的i d 号，采用 网络驱动模式、d a i s y 总线连接方式，可以实现网状串连控制，便于连接2 0 1 。 它的具体参数如表2 3 所示： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 a x 1 2 数字舵机内部配有a t m e g a 8 微处理器一个，作用是接收反和馈控制 器发送的数据包，通过特定的编码后给伺服电机发送p w m 信号，控制电机的 起停。因此，控制舵机其实就是控制a t m e g a 8 ，由于舵机的状态和参数都存储 在a t m e g a 8 的r a m 和e e p r o m 相应的地址里，所以对舵机进行控制也就是 对舵机的相应地址读和写数据的过程。对舵机的读写是通过特定的程序包进行 也就是所谓的通信，与舵机的通信是通过特定的通信协议进行，如表2 3 所示： 表2 3a x 1 2 参数 2 3 2a x 一1 2 舵机通信协议 与一般的c 伺服电机( 舵机) 使用p w m 控制不同，a x 1 2 数字舵机控 华北乜力大学硕l ：学位论文 制为数字信号控制，主控制器和舵机采用t t l d a i s y 总线的连接方，通过半 双工异步串行通讯协议( 8 位数据位、1 位终止位，无奇偶校验位) 通信。主控 制器发送和接受数据包控制舵机。这里的数据包有两种：一个是指令包，是从 主控制器发给舵机的指令；另一个是状态包，是舵机返回给主控器的指令。如 果主控器向i d 为n 的舵机发送指令包，则只有唯一i d 为n 的舵机反馈相应 的状态并且执行需要的动作。控制原理图如图2 4 所示： 图2 4 舵机控制原理图 下面是舵机指令包和状态包的具体格式： ( 1 ) 指令包( 控制器发送给舵机的指令) 格式： 圆圆圆圃困团团圆 其中：i o x f f l1 0 x f fl 为包头，为传送指令包的固定格式； i i d 号1 每个舵机对应唯一的i d ，可连接2 5 4 个i d ，范围从o x o o 到o x f d 。 另外，i d 号码为0 x f e 的i d 是广播i d ，表示与控制器连接的所有舵机。向i d 为o x f e 发送的指令包讲传递到同一网络的所有i d ，因此，向广播i d 发送的 指令包不会收报任何状态包。 睛令包长度l ：该值表示为“参数个数( n ) + 2 ”。 指令1 就是舵机执行的指令。 惨数1 | 惨数n l ：除指令本身外，用该值表示需要传送的附加信息。 胶验码l ：校验码的计算方法如下： 圆咂丑恒巫亟哥匿列圜圃； “”表示非逻辑运算。 1 6 华北电力火学硕士学位论文 表2 4a x 1 2 指令表 指 指令的表示 功能 参数个数 令 值 ( 2 ) 状态包( 舵机接收主控器的指令包后返回的响应) 格式： 圆圆圆圆匝圆团团圆 其中，状态包跟指令包大致相同，只是比指令包多了一个匿囫，错误 形式内容包括：控制器发送未定义的指令或者舵机出现过载、过热以及输入电 压过高、校验码不正确等错误，并且会在相应的位置l 。 1 7 华北电力人学硕二l 学位论文 由于a s l 的通信协议以及控制方式跟a x 1 2 类似，通过d a i s y 总线串连 即可，所以操作方式就不做赘述。 2 4 双足机器人的感知系统 除了移动能力，环境感知能力是双足机器人另一种基本能力，机器人的智 能性取决于感知能力的高低。双足机器人的感知系统决定感知能力，感知系统 是机器人与环境、人实现交互的重要i o 工具，是机器人获取信息的窗口。移 动机器人之所以能在已知或未知的环境中面向目标智能运动，完成一定的动作 控制，是多传感器感知外部环境信息和自身状态反馈结合的结果。 双足机器人的传感器包括内部和外部两类传感器。内部传感器用来检测机 器人自身的状态，是完成机器人运动控制所必需的传感器，如位置检测、速度 控制等，它们是构成机器人不可或缺的基本元件。外部传感器用来感知机器人 所处环境及状态反馈的传感器，取决于机器人所要实现的功能，如视觉传感器、 超声波传感器、红外传感器、声音传感器等。通过这些传感器采集信息，然后 采取适当的方法，将这些获取的环境信息加以综合处理分析，控制机器人智能 运动。 本设计中双足机器人除了采用a x 1 2 舵机中自带的位置、速度、温度、供 电电压及扭矩等内部传感器外，还采用a x s 1 传感器模块作为外部传感器【2 。 2 4 1 内部传感器 a x 1 2 舵机除了内置有位置、速度传感器用于检测电机的旋转速度以及舵 机的旋转角度，还有包括内部温度、供电电压以及扭矩等传感器，用于检测舵 机内部的状态，还能反馈内部温度、扭矩、供电电压等情况。此外， l e d 灯 还能提示或关闭舵机扭矩自我保护。 2 4 2 外部传感器 d y i l a m i x e l 系列a x 1 2 传感模块由红外距离传感器、转矩传感器、红外遥 控器、声音探测传感器、光度探测传感器、温度探测传感器和蜂鸣器构成。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 红外距离传感器 红外距离传感器是以红外线为介质，利用红外线反射原理对障碍物距离进 行探测反馈。它由一对红外信号发射管和接收管构成，发射管发射特定频率的 红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当检测方向有障碍物时，反射回 来的红外信号被接收管接收，经过处理之后，就能获得障碍物的距离数据【2 2 1 。 红外传感器有不受可见光影响，白天黑夜均可测量的优点，而且角度灵敏 度高、结构简单、价格较便宜。 ( 2 ) 转矩传感器 转矩传感器是利用扭轴把转矩转换成扭应力或扭转角，再转换成与转 矩成一定关系的电信号的传感器。扭轴的形式有实心轴、空心轴、矩形轴 等。按照作用原理不同，扭应力式转矩传感器可分为电阻应变式和压磁式 两种；扭转角式转矩传感器可分为振弦式、光电式和相位差式三种【23 1 。 ( 3 ) 声音传感器 声音传感器是机器人另一种必需的外传感器，它原理是是将声源通过空气 振动产生的声波转化为电信号进行测量。a x s 1 以38 0 0 h z 的频率来检测声音， 不但能检测声音的大小，还能检测声音的次数，并把数据存放在相应的寄存器 地址中【2 4 1 。 2 5 双足机器人控制系统 双足机器人控制系统根据双足机器人所要完成的功能以及从传感器反馈回 来的信号控制机器人的执行机构完成特定的功能。机器人所要达到的功能、机 器人的本体结构和机器人的控制方式决定控制系统的构成。 双足机器人控制系统一般要满足以下几点： ( 1 ) 控制系统的小型化、轻型化、标准化、模块化。由于机器人控制系统 是放置于机器人本体上的，为了方便安装和连接，要求控制系统尽可能小型化； 同时要求控制系统尽可能做到轻型化，这样可以减轻机器负载，减少系统的功 耗；另外，为了系统日常的维护且具有良好的可扩展性，系统尽可能的标准化、 模块化【2 5 1 。 1 9 华北电力人学硕0 ：学位论文 ( 2 ) 系统有良好的可靠性。由于干扰信号会影响机器人的正常工作，因此 要综合考虑软硬件任务的分配和选择接地、隔离、屏蔽以及工艺性等方面的因 素。 ( 3 ) 系统有很好的稳定性。稳定性是控制系统的基本要求，双足机器人运 动中首要和基本的问题是实现稳定的行走【2 6 1 。 本方案是以a t m e g a l 2 8 芯片为控制核心，按照模块化设计，各子模块功能 为： ( 1 ) 微处理器模块：是控制系统的核心，包括微控制器及其相关外围电路， 主要功能是处理各种信息和数据，协调系统中的各个功能模块完成预定的程序； ( 2 ) 驱动模块：控制双足机器人系统中的舵机和传感器模块，实现舵机速 度和位置的精确控制，完成前进、后退、直行、转弯、避障等动作控制； ( 3 ) 传感器模块：包括速度、位置、距离、声音等传感器，主要负责双足 机器人运动过程中的状态和环境检测反馈； ( 4 ) 电源模块：给整个双足机器人提供电源供给，实现系统离线运动，主 由1 2 v 蓄电池组及相关调压稳压电路组成。 ( 5 ) 串口通信模块：依据r s 2 3 2 通信协议与上位机进行串口通信； ( 6 ) j t a g 调试：可以实现在线编程、调试仿真调试等功能【2 7 1 。 在确定控制系统的总体方案之后，就要进行系统的硬件电路设计和软件程 序设计，在接下来的章节中将详细介绍。 2 6 本章小结 本章从整体上说明了双足机器人系统构成，主要分析了机器人的系统功能 和系统结构，其中包括机器人的机械结构、驱动系统、感知系统以及控制系统 等。首次介绍了双足机器人的躯体结构，然后详细介绍了a x 1 2 舵机和a x s 1 传感器的特点及其通信协议，最后提出了机器人控制系统总体方案。 华北电力火学硕：l ：学位论文 第3 章双足机器人控制系统硬件构成 控制系统的硬件设计是移动机器人设计的核心部分，决定了机器人系统的 性能是否稳定、运动柔性及精确性，也决定了机器人控制的方便程度和系统的 开放性。本控制系统使用的控制器是基于a v r 单片机为核心的较为高级的控制 板，具有工作稳定，控制精度高和开放性强等特点【2 引。如图3 1 所示： 图3 - l 控制器实物图 双足机器人控制器由微控制器模块、集成传感器的舵机模块、电源模块等 构成。 3 1 微处理器模块 微控制器是整个控制系统的核心部件，它的选择不仅决定了控制系统的工 作效率、控制精度等性能，同时也制约了其它系统的设计。因此，合理选用控 制系统的核心控制器，对系统的设计至关重要。微控制器的选型需要综合考虑 诸多因素，主要包括以下几个几点： 关于控制器的类型，目前国内外双足机器人采用的微控制器有多种，从低 2 l 1 # 北咆力人学硕二j ：学位论文 档次的5 1 单片机到高档次的1 6 位、3 2 位单片机，都有应用。考虑本机器人的 功能的设计要求，须在高性能与低功耗以及经济性方面综合平衡【2 9 1 。 从功能需求上，由于本机器人的控制要求较复杂，单片机的片内资源需较 丰富，而且要有较强的i o 能力，以方便日后功能扩展。 从控制软件开发支持上，应具备有较大的存储空间，而且要便于开发和程 序调试。 在综合考虑了价格、性能、开发难易程度等各种因素后，本设计选用 a t m e l 公司的a t m e g a l 2 8 单片机作为本系统的控制核心。如图3 2 所示 图3 2a t m e g a l 2 8 芯片 a t m e g a l 2 8 是一款高性能、低功耗的8 位高档a v r 微处理器。1 9 9 7 年， a t m e l 挪威设计中心的a 先生与v 先生出于市场考虑，将其先进的f l a s h 技 术与8 0 5 1 单片机结合起来，推出了8 位全新配置的精简指令集( r i s c ) 的单 片机，即a v r 单片机。目前为止，a t m e l 公司己推出3 0 多种型号的a v r 单 片机，包括a t t i n y 、a t 9 0 、a t m e g a 三大系列，分别对应低档、中档、高档产 品【3 1 1 。a t m e g a l 2 8 是a v r 单片机中功能最强也是性能最好的一款，目前在市 场上得到了广泛的应用，其性能主要体现在以下几个方面： ( 1 ) c p u 内核具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器。所有的寄存器 都直接与算术逻辑单元( a l u ) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内 2 2 华北电力大学砍士学位论文 同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通 的复杂指令集处理器高1 0 倍的数据吞吐率。 ( 2 ) 片内具有1 2 8 k b 的系统内可编程f l a s h ，寿命为1 0 0 0 0 次擦写周期， 且程序高度保密，可避免非法窃取；内部还集成了4 k b 的片内e e p r o m ， e e p r o m 采用了单独的总线结构有较快的访问速度和较短的工作代码，掉