（机械设计及理论专业论文）双足步行娱乐机器人的初步研究.pdf

北京椰也丈学硕i ：研究生学位论文2 0 0 3摘要 摘要 机器人尤其是双足步行机器人汇集了当今世界在机电、材料、计算机、传感 器、控制技术等多个学科领域翦尖端技术，两娱乐机器人不强调技术辨先进性窝 复杂性，而是以给人们带来欢乐和享受为宗旨。本文试图在这两者之间找到一个 结合点，开发一个结搦简单、磁本较诋毽是能够实现简革步行韵双足梳器人玩其。 论文的第一部分首先简要地介绍了机器人的概念、发展历程以及类人型机器 人和娱乐机器入的情况，然屠介绍了本研究项目的背景和目标，提出了机器人自 由度设置、步态规划和控制系统设计等三个研究要点。 论文的第二部分阐述了双足机器人玩具的总体设计原则和目标，提出了机器 人的总体结构，讨论了关节鑫由度熬设置和驱动系统以及传感器鲍配置闷题。 论文的第三部分对人类的步行过程进行了详细的分析，介绍t z m p ( 零力矩点) 枫器入行走稳定性评价标准。根据翦入提战静步态援划思想，采用三次样条插值 计算机器人的脚部和腰部轨迹，并计算出各个关节的轨迹，利用旋量理论计算出 重心轨迹，采取迭代计算方式找到具有最大稳定性的步态。并使用o p e n g l 对机 器人的步态进行了黪形仿真。 论文的第四部分设计了机器人的单片机控制系统方案，建立了以8 0 c 1 9 6 k c 芯片为核心、扩展了外国接嗣的单冀机硬传系统，然后确定了系统的软馋续毒勾， 编写了汇编语言控制程序，实现了对命令响应、任务调度和关节控制等三个层次 懿控制功链。 关键运：步行机器人自由度步行分析步态规划单片机8 0 c 1 9 6 北京邮l h 大学硕i 研究生学位论文2 0 0 3a b s t t a c t a b s t r a c t r o b o t s ，e s p e c i a l l yb i p e dr o b o t s ，c o n t a i na d v a n c e dm e c h a n i s mt e c h n o l o g y ，m a t e r i a l s c i e n c e ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y , s e n s o r st e c h n o l o g ya n dc y b e r n e t i c s ，e t c e n t e r t a i n m e n t r o b o t so rr o b o t t o y sa i m t h ee n j o y m e n ta n d p l e a s u r ew h i c ht h e yb r i n g t op e o p l e i nt h i s p a p e r , w et r yt of i n da j o i n to f h u m a n o i dr o b o t sa n dr o b o tt o y sb yt h ed e v e l o p m e n t o f a b i p e dr o b o tt o yw i t hs i m p l es t r u c t u r ea n d l o w c o s t ，w h i c hc a nw a l ks l o w l y i np a r tio ft h i st h e s i s ，f i r s tw ei n t r o d u c eb r i e f l yt h ec o n c e p ta n dh i s t o r yo f r o b o t s ， e s p e c i a l l yh u m a n o i dr o b o t sa n de n t e r t a i n m e n tr o b o t s ，t h e nt h es i g n i f i c a n c ea n dg o a l o fo u rw o r ka r ep o i n t e do u t ，a n do u rr e s e a r c hp o i n t sa r el i s t e d ：t h ed e g r e e so ff r e e d o m o f o u rr o b o t t o y , t h eg e n e r a t i o no f w a l k i n gp a t t e ma n dt h ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e m i np a r ti i ，w ep r e s e n tt h eg e n e r a lp r i n c i p l e sa n d t a r g e t so f o u rd e s i g n ，p u tf o r w a r d t h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo ft h eb i p e dr o b o tt o ya n dd i s c u s st h en e e d e dd e g r e e sa n dt h e d i s p l a c e m e n to f f r e e d o m a n dt h ec o n f i g u r a t i o no f d r i v e s y s t e ma n d s e n s o r s i np a r ti i i ，w ed i s c u s si nd e t a i lt h ew a l kl o c o m o t i o no fh u m a n ，t h e ni n t r o d u c et h e c o n c e p to fz m p ( z e r om o m e n tp o i n t ) a sam e a s u r eo ft h eq u a l i t yo fs t a b i l i t yw h i l e r o b o t sw a l k b a s e do nam e t h o do fg a i tp l a n n i n gp r e s e n t e db yo t h e rr e s e a r c h e r s ，w e g e n e r a t et h ef o o tt r a j e c t o r i e sa n dh i pt r a j e c t o r yb y3 ”o r d e rs p l i n ei n t e r p o l a t i o n s ow e c a ng e tt h et r a j e c t o r i e so f j o i n t sa n dt h e nc a l c u l a t e t h et r 旬e c t o r yo ft h ec e n t e ro f g r a v i t yb ya p p l y i n gt h es c r e wt h e o r y b yi t e r a t i v ec o m p u t a t i o nt h eh i pt r a j e c t o r yw i t h h i g hs t a b i l i t y i s d e r i v e d f i n a l l y , w ed e m o n s t r a t et h e r o b o t s w a l k i n gb yg r a p h s i m u l a t i o n u s i n go p e n g l ， i nt h el a s t p a r t ，w ed e s i g n t h ec o n t r o l s y s t e m o fo u rr o b o t t o y b a s e do n m i c r o c o n t r o l l e ra n da8 0 c 1 9 6 k cs i n g l eb o a r dc o m p u t e rs y s t e mw a ss e tu pw h i c h c o n t a i n ss o m e p e r i p h e r a li n t e r f a c e s t h e nw ep r e s e n tt h es t r u c t u r eo f s o f t w a r es y s t e m ， d e v e l o pt h e c o n t r o l p r o g r a mu s i n ga s s e m b l yl a n g u a g ea n dr e a l i z et h et h r e e l e v e l c o n t r o lf u n c t i o n s ：c o m m a n d r e s p o n s e ，t a s ka s s i g n m e n ta n dj o i n tc o n t r 0 1 k e y w o r d ：b i p e dr o b o t ；f r e e d o m ；w a l ka n a l y s i s ；g a i ts y n t h e s i s ；s i n g l eb o a r dc o m p u t e r ； 8 0 c 1 9 6 北京| | f f u 人学硕j 。研究生学位论文2 0 0 3第一章绪论 第一章绪论 机器人技术作为二十世纪人类最伟大的发明之一，自六十年代初问世以来， 经过了四十多年的发展，已取得很大的进步。工业机器人在经历了诞生一成长一 成熟期后，已成为制造业中不可或缺的核心装备，世界上约有7 5 万台工业机器人 正被应用在生产第一线上。特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途 广泛而大有后来居上之势，类人型机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器 人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世， 而且正以飞快的速度向实用化迈进。 1 1 1 机器人定义 1 1 机器人概述 机器人问世已有几十年，机器人仍然没有一个统一的定义。原因之一是机器 人还在发展，新的机型、新的功能不断涌现。根本原因主要是因为机器人涉及到 了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。 1 9 8 7 年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有 自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。” 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是 这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能 力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。 在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到 机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技 术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗 透。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。 1 1 2 现代机器人的发展历程 现代机器人的研究始于二十世纪中期，其技术背景是计算机技术和自动化技 术的发展。美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1 9 4 7 年开发了遥控机械手，1 9 4 8 年又开发了机械式的主从机械手。1 9 5 4 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概 念，并申请了专利。 1 9 6 5 年，m i t 演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机 北京 j j | j i u 大学硕i ：l 口f 究生学位论文2 0 0 3第一章耋f i 论 器人系统。1 9 6 7 年日本成立了人工手研究会( 现改名为仿生机构研究会) ，同年 召开了日本首届机器人学术会。1 9 7 0 年在美国召开了第一届国际工业机器人学术 会议。从7 0 年代开始，机器人的研究得到广泛的普及。1 9 7 3 年，米拉克隆公司的 理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人。到了八十年代，工 业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国”的美称。 随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，机器人在功能和技术层次上有 了很大的提高，机器人的视觉、触觉和移动能力等技术就是典型的代表。由于这 些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。8 0 年代，将具有感觉、思考、决策和 动作能力的系统称为智能机器人。 1 1 3 双足步行机器人 与比轮式机器人相比，双足步行机器人有更 好的移动能力和环境适应能力。人们一直希望出 现一种具有人类外观特征、可以模仿人类行走动 作的机器人，能够代替人类完成一些人类不能完 成或不方便完成的任务，或者为人类的日常生活 服务。随着机器人技术的飞速发展，科学家们开 始致力于双足步行机器人的研究并取得了很大的 成果。 在双足步行机器人的研究方面，日本走在了 世界的前列。日本本田技研工业公司相继推出了 p 1 、p 2 、p 3 和“阿西莫”( a s i m o ) 双足步行机 器人。a s i m o 具有体型小、质量轻、动作紧凑轻 柔的特点。它通过体内的重力传感器和脚底的触 觉传感器把地面的状况送回计算机进行处理和判断，不仅能走平路，还可以上 下台阶和走倾斜的路【8 】。 2 0 0 0 年1 1 月2 9 日，我国首台双足步行机器人在国防科技大学研制成功，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，并具备一定的语言功能。最近，北京理工大学也研制 开发出了双足步行的机器人。 双足步行机器人集机电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一 体，代表了机器人的尖端技术。双足步行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。 北京l f | j j 电大学颁i ：研究生学位论文2 0 0 3 帮一章绻论 1 1 4 娱乐机器人 机器人不但开始广泛地应用于工业生产领域，嚣旦开始走入人们的日卷生 活。娱乐机器人作为机器人中的一支新军，开始逐渐为人们所熟悉。娱乐机器人 以其亮露敕龄形、良好豹交互缝力、事富熬功能等特点绘入锭謦寒耪耱上豹事受， 赢得了人们的喜爱。 索是公司接窭静夺黧双是娱乐登橇器入“s o n yd r e a m r o b o t - 4 x ”( s d r - 4 x ) 不 但可以在高低不平的地丽上行迮，还可以完成起 立、单腿站立、踢球、虢舞等韵作。鼗乡 还纂备 较强的语吉交互能力和图像识别功能。这款机器 人可以根据家中环境的变化调节自己的行为，还 有蜜己懿“性格”秘“感。涛”。索熙公司攥出 的另一款产品宠物机器狗a i b o ，能像真狗那样 列唆、乞食、疆麓尾巴，瑟量会在入抚摸它瓣对 候，像真狗一样撒娇。 由嗣本文部科学省管辖静科学毅术振兴事业溺开发的“p i n o ”双避祝器入，其 有向前后左右蹭着脚移动的“步行功自& ”、根据受到的不同对待最后变成三弛不同 性格的“成长功熊”、遇到障碍物改变方向的功能以及会话功能等。 1 2 1 项目背景 1 2 本项露贫绍 机器人不仅为众多领域提供了科学研究的课题，而且本身也蕴涵了无限的商 戡。素霆公司剩羽枧器入是琢褫究孛熬残暴攘塞的宠物撬器狻a i b o ，在毒场主菲 常畅销，风靡一时；当机器人足球在展览和电视上亮相厝，许多企业都希望能将 这系统开发藏游戏橇藏娱象装置，零i 入家庭或娱乐场掰。由魏可觅，未来静娱 乐机器人和智能玩具产业将是一个广阔的大市场。 中国是世界上最大的玩其生产和出口大国，每年有大量的玩具出口欧美等发 达围家。但是中园生产的玩具科技含量和睢加值e b 较低，很多玩具厂家只是欧美 企业的代工厂。中国要成为玩具生产强国，就必须能够开发和生产出大量具有高 秘技含量秘裹瓣趣僮懿产晶。褪器入嚣具黪为高楼嚣具憋一耱，具套较裹瓣技术 含缀和市场价值，正日益受到人们的青睐。 级疑翳嚣市沥上捺壅靛媛乐瓿器入或橇器入凝其，骚么凌耗过予简荸，只是 悲京郎e 毡大学鞭士研究生学垃论交2 0 0 3第一章缋论 外形仿人类或动物，采用轮式行走或不能行走；要么过于高档和复杂，如索怒公 司的s d r 4 x ，饿能先进，功能众多，但是技术复杂，开发难度很大，丌发成本 很蕊，造成偷格高器，普通消费者难以承受。如果l 够开发出一种媚对简荦、成 本较低但怒能够完成简单行走运动的双足机器人玩具，将会填补玩具市场上的一 个空白，受到市场的欢迎，嚣此其有一定豹市场徐值。 1 2 2 项目任务 根据机器人玩具的市场定位，我们需要开发出一个具有人类外形的双足机器 人瑗具的跟型，黄先实现基本的运动功能，鄹能够在平地上以步 亍方式裁进，进 而实现转弯、单腿站立、踢球、跳舞等复杂运动方式，并具备简单的人机交甄能 力。在此鏊醚之上，加入寇的语寄功能鞫感觉功耱，如麓识别主入的声謇，酶 应语音命令，感知周围的环境和人类的触摸，增强人机交互能力。但是要求机器 人玩具的结构应尽可能简单，生产容易，成本较低。 1 2 3 研究要点 自由度选择 橇嚣人鳃塞莲l 度数鲎稻分布溏嚣与极嚣久的瞧髭有嶷接懿关系。蠡由度熬多 少决定了机器人的潜在应用能力。自由度设置过少，机器人的动作不灵活甚至无 法实现。爱实现橇器入的前遂、后邋、转耷之类抟行走动作，腿部静关节蠡由度 数目不能太少。文献【1 l 】对双足机器人的腿部关节数量和分布与机器人的行走能 力之间的关系体了详细的分析。对于单腿站立、踢球及跳舞等表演动作，不但对 腿部，而且对手部的自由度数量也蠢要求。反过来，自由度设置过多，就会导致 机器人体积增大，重量增加，结构复杂。熙大的问题是。自由度增多加大了控制 z 笮量，壤热了接日需求羁控嗣难魔，镬羧翱系统熬硬件窝软件罄复杂证。魏乡 ， 自由度过多也使得机器人的步态规划更困难。因此，选择合适的自由度对机器人 来说菲常重要。 步态规划 双足规器人的步态是指在步行运动过程中，祝器人身体的各个邦分在时序和 空间上的种协调关系，步态规划就是根据步行的要求和地面条件的约束，设计 凄枢器人各运动部分( 或关节) 鲍运动较遗。由子双足机器入是悫在不稳定系统， 在进行步态规划时需要同时考虑机器人的稳定性。 行走步态规鲻一直是双足步 亍机器人豹一个骈究热a l l 一2 u 。z a r r u g h 1 等人 通过记录人类运动的数据，研究了双足机器人的行走步态。m c g e e r 2 提出了一种 4 北京邮i 乜大学颀l 研究生学位论文2 0 0 3 第一章婊论 自然的行迮步态，这种步惫出在一个斜坡上枧器人豹重力和惯性相互作用两产 生。为了将最低能耗行走方式扩展剐水平面和斜坡上，c h a n n o n 3 等人采用最小 化能量消耗函数生残步态豹方法。然而，这些研究缀少考虑到双是机器人的稳定 性。因为双足机器人很容易翻倒，就有必要在决定行走步态时将稳定性考虑进去。 z h e n g 1 0 提出了个静态稳定步态合成方法。菇了裸i 芷双是机器久的动态稳定 性，t a k a n i s h i 4 、s h i n 5 和h i r o s e 8 等人都提出了基于z m p ( 零力矩点) 【6 】的行 走步态合成方法，但是这些方法没有考虑到腿部或躯干运动的平滑秣，躯干的运 动可能过于剧烈。因此，必须找到神高稳定度的、易于实现的步态规划方法， 并将其应用于我们的机器人玩具。 控制系统 双足穰器人静鑫由度数比较离，需要控割的交量比较多，两显夏相存藕合关 系，描述机器人状态和运动的数学模型是个非线性模烈，随着状态的不同其参 数也在变亿。因此，机器入的控箭系统是一个与梳构运动学和动力学原理密切裾 关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统，要实现比较精确的控制，必然对控 制系统的硬件和软件要求很高 3 2 1 。 出予我们敬目标只是开发一个相对 毫肇、成本较低弱双是捉器人嚣具，数只 能采取简化的控制方法，选择相对低档的控制系统。单片机控制系统元器件容易 获褥，戏本毙较 豪廉，按本滩度不悫，瑟髓毒众多熬魄较成熟懿控铡方案，是跑 较理想的选择。需要根据机器人控制任务的轻重，采用合适的控制方案，选择合 适的擎片税芯片，搭配必要静矫霞扩展电鼯，缀戏一个荜片梳控制系统。在硬件 系统建立的基础上，确定控制系统的软件体系结构，明确各部分功能，采用适当 的编程语言加以实现。 1 3 本文主要工捧 在第二章，确定了双足税嚣入玩其豹总体络稔。极器久其有取耱、双手、躯 干及头部等部分，共设有1 9 个关节自由度。每个关节按照模块化原则设计驱动机 构，选择了驱动系统的电梳麓号和减速器类型。确定了机器入玩具使用的传感器， 镪括编码器、酝位器和零位开关等。还选择了用寒控制机器入嚣具的遥控摸块以 及机器人使用的电源。 在第三章，对双足枧器入的行走步态及其特点进行了详细魄分析，讨论了枫 器人行走时的稳定性评价标准。利用前人提出的步态规划思想，结合实际情况， 编制程序，实现了对机器入前向壹线行走步态进行规划，计算机器人脚帮轨迹帮 j ! 窒! ! ! ! ! ! ! = ；! = ；堂堡主盟塑竺堂堡垒塞! ! ! !一一坠二| 曼! ! 堕一 腰部轨迹，进而计算出机器入各个关节的轨迹以及重心的轨迹。并利用o p e n g l 对机器人的步念进行了图形仿真。 在第四章，设计了一个以8 0 c 1 9 6 k c 芯片为核心、扩展了外部程序存储器、 并口和计数器等外围芯片的单片机控制系统，分为上身控制板和腿部控制板两个 部分，各负责一部分关节的控制任务，两板之间采用串口进行通信。设计了电机 的驱动放大电路。 在第五章，确定了控制系统的软件结构，对机器人进行三个层次的控制。使 用汇编语言编写了控制软件的主程序和各功能予程序，实现了对命令的响应、任 务的调度和关节的控制。 北京| | | f i u 大学硕l ：研究生学位论文2 0 0 3 第二章总体设计 第二章总体设计 要设计和开发一个机器人玩具，首先应该对其进行总体的分析和设计，确定 机器人玩具的大致功能、基本结构和系统配置等。机器人玩具的外观应该与人类 相似，也具有头、躯干、手和腿等基本部分。机器人玩具的关节设置对其功能和 结构将产生根本的影响，我们将参照人类的情况设置机器人玩具的关节尤其是腿 部的关节，使其能够实现基本的步行功能和其它附加功能。机器人玩具的机械结 构、驱动系统、需要安装的各类传感器和使用的电源等也是总体设计时要考虑的 问题。 2 1 开发目标和原则 在开发机器人玩具之前，应该根据市场需求和现有的技术条件确定一个合理 的开发目标和设计原则，并在具体设计中坚持和贯彻这些原则。机器人玩具的功 能按照重要性和难易程度分成基本功能和扩展功能，先实现对于机器人玩具来说 最具有意义的基本功能，如基本的行走功能等，再在此基础上加上其它各种辅助 功能。 2 1 1 机器人玩具的功能 通过研究市场上现有的各种高档玩具，分析机器人玩具的特点和消费者的需 确定了双足步行娱乐机器人需要具有以下基本功能： 机器人玩具外形与人相似，有双手、双腿、躯干和头等几部分： 机器人玩具能够在平整的地面上以步行方式向前行走，并在此基础上实现转 弯功能； 双手可以做出几套不同的连续动作； 可以接受遥控指令，按照不同的指令执行不同的动作。 在实现上面的基本功能之后，还可以给机器人玩具加上以下扩展功能： 给机器人玩具加上语音模块，使其能够接受语音指令的指挥，并根据不同的 动作和情况发出不同的声音； 给机器人玩具加上触感、温度、避障和声光等各类传感器。使机器人玩具具 备定的环境适应能力和人机交互能力，更富有娱乐性。 2 1 2 设计原则 求 芍 筇 d 筇 北京邮i 乜人学坝l ：研究生学位论文2 0 0 3第二章总体设计 双足步行娱乐机器人玩具不同于普通的玩具，它不但具有人类的外形特征， 而且能够使用双足行走，不同于市场上常见的虽然具有人的外形但没有移动能力 的仿人玩具，或者只是在脚底装上轮子来实现移动功能的玩具，也不同于类似索 尼公司“a i b o ”的四足宠物狗，使用四条腿移动。我们的机器人玩具也不同于具 有高昂的成本、复杂的控制系统和先进的性能的双足步行机器人，它定位在玩具 上面，要求成本低廉，普通消费者能够购买得起，功能相对来说也比较单一，因 此不能采用高档的材料和元器件。基于以上的考虑，我们有下面几条设计原则： 1 ) 经济性：在满足功能的前提下尽可能采用简单的方案，使用常见的、供应丰 富的材料和元器件，以降低生产成本； 2 ) 可靠性：机器人玩具的使用环境比较恶劣，有电机启制动火花对无线通讯及 控制系统的干扰，有可能遇到的碰撞以及关节被卡住造成电机堵转等各种情 况，对机器人控制系统提出了一定的要求。 3 ) 强壮性：机器人的手、腿都是由各个关节链接起来的，对刚性的要求比较高。 在机械设计上，机器人应具有较好的刚性和较小的传动间隙，不至于发生严 重的机械变形，各种接插件不能松动、脱落。 4 ) 可维护性：包括机械维护和控制系统软硬件维护。机械上尽可能采用模块化 设计方法，减少零部件种类，提高通用性，便于安装拆卸，同时也可以提高 可靠性和经济性。控制系统软硬件设计同样采用模块化设计，便于检测调试。 2 2 关节设置 机器人的关节自由度数量和分布情况与机器人的性能有直接的关系，自由度 的多少决定了机器人的潜在应用能力。文献1 1 1 对双足机器人的腿部关节数量和 分布与机器人的行走能力之间的关系作了详细的分析。自由度设置过少，机器人 的动作不灵活甚至无法实现。要实现机器人的前进、后退、转弯之类的行走动作， 腿部的关节自由度数目不能太少。对于单腿站立、踢球及跳舞等表演动作，不但 对腿部，而且对手部的自由度数量也有要求。本田的机器人一共设有2 6 个自由度， 其中两条腿各6 个，双手各7 个自由度 8 】。 2 2 1 腿部的关节 我们把人体作为实际的参考模型，本着尽可能简化的原则，尽量使机器人关 节的位置、旋转的角度和重心的位置与人的实际情况相符，但是要考虑所有的情 况是很困难的。设人体所在的坐标系n x 轴指向人的前进方向，y 轴指向左侧方向， z 轴垂直向上。 北京邮电人学硕1 研究生学位论文2 0 0 3第二章总体设计 首先来考虑踝关节。在单腿支撑阶段，支撑腿的整个脚压在地面上，通过踝 关节支撑整个身体。在运动的过程中，上身应该保持垂直向上，只作自由的平移 运动，既不向前或后俯仰，也不在左右方向倾斜。支撑腿随着上身的移动而绕着 脚摆动。这样踝关节就必须有两个互相垂直的自由度，一个可以绕x 轴旋转，允 许腿左右摆动，用来调整身体在前视平面中的位置，一个可以绕y 轴旋转，允许 腿前后摆动，用来调整身体在侧视平面中的位置。 然后我们考虑髋关节。跟踝关节一样，在上身移动的过程中，髋关节也需要 有两个互相垂直的自由度，以便使腿能够随上身移动而前后或左右转动。这样我 们在每条腿上至少需要设置4 个自由度，才能使重心自由地移动。 每条腿设置4 个自由度，可以实现行走功能，但是机器人的行走动作会受到 很多的限制，而且对关节驱动力矩的要求也比较高，某些步态实现起来可能很困 难。增加额外的自由度将能够改善机器人的运动性能，降低所需的驱动力矩，使 其拥有更大的灵活性。机器人的行走灵活性依赖于腿部所拥有的自由度 1 1 。 通过添加膝关节，增加一个自由度，可以使脚垂直地往上提至一定的高度， 以越过障碍物，同时使行走动作更加灵活，也减小了各个关节的驱动力矩，可以 完成更加灵活的步态 1 1 】。膝盖基本上是一个铰链式的关节，只有一个自由度， 可以绕y 轴旋转。在侧视平面内，髋关节、膝关节和踝关节各有一个自由度，这 三个自由度互相配合，可以完成复杂的动作。 图2 1 机器人关节示意图 9 北京邮i u 大学颁l ：研究生学位论文2 0 0 3 第二章总体设计 每条腿具有上述的5 个自由度，机器人能够比较灵活地前进和后退了，但是 不能改变行走方向，只能直线行走。要想让机器人能够转弯，还必须给每条腿增 加一个自由度。通过给髋关节加上一个绕z 轴旋转的自由度，可以使腿往外侧旋转， 改变脚的跨出方向。这个新增的自由度是机器人改变行走方向所必需的。为了实 现转弯，机器人必须将重心移到一条腿上，以此腿支撑身体而抬起另一条腿，将 非支撑腿向外旋转到新的方向上后落地。然后机器人将重心转移到新的支撑腿 上，再抬起旧的支撑腿并将身体旋转到新的方向上来。这样髋关节就成为类似于 人类髋关节的球铰，具有三个自由度。 这样腿部的关节自由度设置情况为：踝关节为可以绕x 轴和y 轴旋转的2 个自 由度关节，膝关节为1 个自由度的转动关节，只可以绕y 轴转动，髋关节可以绕互 相垂直的x 、y 、z - - 个轴旋转，为3 自由度关节。我们对机器人玩具的脚进行了简 化，整个脚部( 包括脚面和脚趾) 不再设置关节或自由度。这样每条腿的自由度 数为6 个，两条腿共有1 2 个自由度。 2 2 2 手部的关节 同样按照简化的原则，参照人体模型，手臂的关节数量也减少到最低程度。 肩部设置2 个自由度，一个绕x 轴旋转，使手臂可以向外侧抬起，一个绕y 轴旋动， 使手臂可以前后摆动。肘部设置1 个绕y 轴旋转的自由度，使下臂能相对上臂转动。 为了使机器人的自由度数量不至太多，减少系统的复杂性和控制的难度，腕部和 手的自由度全部取消，以后可以给手加上一个带自动回复力的夹持器，使其能够 拿住某些简单的物体。这样每只手臂有3 个自由度，两只手臂共6 个自由度。 2 2 3 其它关节 为了使机器人玩具更拟人化，我们给机器人的头部加上一个自由度，使其可 以绕z 轴转动。这样整个机器人玩具共有1 9 个自由度。其中腿部1 2 个，手部6 个， 头部1 个。 2 3 1 机械结构 2 3 总体结构和系统配置 我们需要开发的机器人玩具是具有两只手和两条腿的完整的类人型玩具，有 躯干和可以转动的头部。根据各方面权衡，我们决定机器人玩具的总高度为 o 北京邮电人学硕 研究生学位论文2 0 0 3 第二章总体设计 5 8 0 r a m ，宽度为2 0 0 r a m ，各部分的比例参照人体设计，重量控制在5 k g 之内。机 器人玩具的骨架采用铝合金材料制成，重量轻，易于加工。如果批量生产，可以 改用塑料，以节省成本。 机器人玩具共1 9 个关节自由度，每个关节自由度由一台直流电机通过减速器 驱动，置于骨架内。减速器采用模块化设计原则，除了2 个髋关节中的垂直轴关 节外，腿部其余1 0 个关节采用同一种减速器。而机器人剩下的9 个关节采用另一 种减速器。总共只有两种减速器，简化了设计工作和生产任务。每个关节旋转的 最大角度范围根据在人体行走实验中观测到的角度值确定。 机器人玩具的头部设计为卡通类的球形，可以装上发光器件作为眼睛，也可 以装上声音设备。机器人的手简化为只具有人手的基本外形，没有自由度，但是 可以夹住物体。机器人的脚简化为一块方形平板，必要的时候可以在其底部加装 弹性减震装置和力传感器等。 2 3 2 驱动系统 1 ) 电机的选择 电动机是机器人驱动系统中的执行元件，常采用步进电动机、直流伺服电动 机等。步进电动机是一种将电脉冲信号变为相应的直线位移或角位移的数字模拟 转换元件。一般电动机是连续转动的，而步进电动机则每当接收一个脉冲电信号， 转子就转过一个相应的角度( 称为步距) 。它的角位移量或线位移量与输入脉冲 数成正比，转速或线速度与脉冲频率成正比。在负载能力范围内，这些关系不因 电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。步进电动机可以在很宽的范围内 通过改变脉冲频率来调速，能够快速起动、反转和制动。由于步进电动机的这些 优点，经常被用于开环控制系统中，在不需要反馈元件的情况下能够比较精确地 控制目标位置和速度。 直流伺服电动机将外来的控制信号转换成机械轴的转动，对控制信号的变化 反应比较快速。所谓反应快速，是指加上控制电压时能快速起动，撤除控制电压 后能立即停止转动，控制电压的大小和相位改变时，转速和方向也能迅速改变。 直流伺服电动机的可控性和响应性比较好，有比较理想的机械特性和调节特性， 可以在很大的范围内简单而平滑地调速，起动力矩也比较大。 步进机转速和位置控制比较容易实现，可不用反馈回路，但受尺寸限制，超小 型的步进电机很难购到，而且步进电动机的驱动器比较复杂，体积也往往较大。相 反，小的直流伺服电动机容易得到，且通过减速系统可获得较大的转矩，但是要 控制位嚣和速度，需要反馈回路，对控制系统的要求比较高。 经过综合比较，我们决定采用小型的直流电动机。关节的驱动扭矩定为满足 北京l _ i j 【匕人学硕i 研究生学位论文2 0 0 3第二章总体设计 机器人在平地以一定的速度行走的需要，具体计算过程不再讨论。由于腿部的关 节对力矩、响应速度和位置精度的要求较高，除了2 个髋关节中的垂直轴关节外， 腿部其余1 0 个关节决定采用带有编码器的m a x o na m a x 直流电机，额定功率 6 w ，额定电压9 v ，空载转速8 5 2 0 r p m ，堵转扭矩1 8 0 m n m ，起动电流1 8 5 a ，最 大持续电流0 7 6 a ，最大持续扭矩7 3 6 m n m ，重量5 3 9 。2 个腿部垂直关节和上身 的7 个关节对行走的影响不大，决定采用普通玩具电机。 2 ) 减速器的选择 由于电机转速较高，关节所需的驱动力矩较大，故要求减速器的变比很大。 经过计算，腿部中的1 0 个关节减速器的变比为5 0 0 ，其余关节减速器的变比为4 0 0 。 要实现比较大的减速比，比较常用的减速器有行星齿轮减速器、谐波减速器 和涡轮蜗杆减速器等。行星齿轮减速器和谐波减速器可以得到比较大的减速比， 但是价格较高。经综合考虑，决定采用一级涡轮蜗杆加三级常规齿轮减速方案， 腿部1 0 个关节采用同一种减速器，其余关节采用另一种减速器。整个机器人玩具 只有两种减速器，提高了通用性。 2 3 3 传感器 a ) 编码器 为了对腿部关节进行比较精确的位置控制，需要采用反馈闭环控制方式，且 反馈元件采用编码器。编码器按工作原理可分为光学编码器和磁性编码器等，磁 性编码器的可靠性比光学的要高。按输出信号的意义可分为绝对式编码器和增量 式编码器，绝对式编码器可以记录关节的绝对位置，但是结构复杂，价格较高； 增量式编码器只能输出相对位移量，但是结构简单，价格低廉，配合相应的电路 可以得到绝对位置和速度以及运动方向。与m a x o n 电机配套的数字式磁性轴角 编码器可以直接安装在电机上，与电机同轴。编码器输入电压3 8 v 2 4 v ，输出5 v 脉冲信号，兼容t t l 电平，每转脉冲数为1 6 个。每个编码器提供a 、b 两个通道的 正交信号，相位相差9 0 度。将此两路脉冲经过鉴相电路处理，可提取出电机的转 速信息和旋转方向信息。因为编码器与电机同轴，即使关节速度较低，也可以得 到较多的脉冲，从而能保证精度。机器人玩具总共使用1 0 套这样的编码器，用于 腿部的关节。 b ) 电位器 机器人玩具上身的关节对位置精确度要求不高，为了简化控制电路以及降低 成本，我们决定采用电位器作为关节的反馈元件。电位器是最常见的一种电阻式 位移传感器，具有很多优点。它的输入输出特性可以是线性的，由输出信号可以 很简单地得到被测量；输出信号选择范围大，只需改变基准电压，就可以得到比 北京邮l 乜大学硕j ：研究生学位论文2 0 0 3 第二章总体设计 较大或比较小的输出电压信号；这种位移传感器不会因为失电而失去检测的信 息；还有性能稳定、结构简单等优点。目前电位器的精度已经达到应用于一般关 节控制的水平。机器人玩具总共使用9 个电位器，分别用于手部、头部的关节和 腿部的2 个垂直轴关节。 c 1 零位开关 为了使机器人玩具腿部使用增量式编码器的关节能够回到自己的零位，必须 给关节装上零位开关，供机器人归零动作( 回到初始位置) 使用。零位开关通过 一定的机械结构安装在关节上，当关节回到零位时，要求输出开关信号或脉冲信 号。零位开关可根据具体使用条件选用光学传感器、霍尔磁传感器或接触开关等。 2 3 4 无线遥控模块 给机器人玩具加上无线遥控功能，可以使机器人玩具更具有操作性和娱乐 性。机器人玩具所需的操作命令比较少，只有前进、后退、左转、右转、挥手、 摇头等。在机器人玩具的研究开发阶段，可以考虑使用市场上现有的成熟的无线 遥控模块，以减小开发工作量。深圳运筹实业公司生产的y c r 2 0 0 型无线遥控装 置小巧轻便，便于使用。这套装置分为发射模块和接收模块，发射模块上有1 2 个 按钮，可以对应1 2 个不同的命令，每个命令用4 位二进制数字进行编码。接收模 块用来接收发射模块发出的无线信号，将接收到的命令翻译成4 位编码，送到输 出端口上并加以保持，同时输出一个高电平中断请求信号。故接收模块可直接与 单片机接口连接，极易使用。接收模块工作电压为5 v ，所需功率很小， 2 3 5 电源 在选择电源时应考虑以下几个方面： 能量密度：安装在双足步行娱乐机器人里面的小电机有十几台之多，加上控 制系统，需要的功率比较大。而机器人必须将电源随身携带，也就是要将电 源放蠢在机器人体内。故对电源的能量密度( 单位质量的最大能量，瓦时，千 克) 要求比较高，以便在满足一定时间的使用要求下尽可能减少电源的体积 和重量。 电压等级：通常小直流电机与控制电路对电压的要求不同。对于控制系统的 电子线路采用5 v 电压供电，电流一般不大，通常在几十个毫安到几百毫安之 间。电机的供电电压则为9 v ，需要的电流也相当大，尤其是在几台电机同时 起动的时候。 电压稳定性：控制电路对供电质量要求很高，需要用稳定的电源供电。而直 流有刷电机转动时会产生一定的高频噪声干扰，故电机和电子线路的供电电 北京邮f u 大学硕l 。研究生学位论文2 0 0 3 第一二章总体设计 源应很好地隔离，同时对电子线路采取抗干扰措施。 综合比较上述因素，我们决定采用1 2 v 镍氢可充电电池，由多节电池串连组 成电池组。考虑到电压等级不同和电机干扰等因素，选用两套电源分别对驱动电 路和控制系统板供电。 北京邮i u 大学硕l 研究生学位论文2 0 0 3第三章步态分析与计算 第三章步态分析与计算 双足步行机器人的步态是指在步行过程中，机器人身体的各个部分在时序和 空间上的一种协调关系，也可以说是各个关节在运动过程中每时每刻的位置、速 度和加速度。步态规划就是根据步行的要求和地面条件的约束，设计出预期的机 器人各运动部分( 或关节) 的运动轨迹。步态规划的最终目的是得到预期的各关 节位置随时间变化的曲线，最终通过计算机控制实现这一运动轨迹曲线。本章只 讨论直线行走的步态。 3 1 双足步行分析 要进行步态规划，首先应该清楚人类是如何步行的，即需要对人类的步行过 程进行分析。本节对步行过程进行了详细的分解分析，目的是找出步行中关键的 动作特点和要领。步行中很重要的一个方面是人体重心的移动。按照对重心的支 撑方式不同，步行过程可分为双腿支撑阶段和单腿支撑阶段。按照在步行过程中 重一i i , 是否超出支撑区域的不同，人类的步行有静态步行和动态步行之分。本节将 对此进行简要的介绍。 3 1 1 步行过程 人类通过交替地以一条腿作为支撑，向前摆动另一条腿，并伴以躯干和手臂 的运动，来实现灵活的步行运动，其过程和机理是非常复杂的。我们的步行机器 人玩具要完全模仿和实现人类的步行动作，是非常困难和不现实的。因此，我们 在分析和模拟人类的步行运动时，通常都进行一定的简化，去掉一些复杂的、难 以控制和实现的动作细节，只抓住主要的动作特点和要领。我们的步行过程 3 2 1 分析从静止站立开始，假设先迈左腿，过程如下( 见图3 1 ) ： 1 ) 双腿微曲并拢站立，此时身体重，1 1 , 落于两脚之间的中1 1 , 位置上( 图3 1 ( 1 ) ) 。机 器人的双腿、髋部和两脚之间的地面构成一个平行四边形，腿部的四个侧向 关节( 绕x 轴旋转的关节) 为四边形的顶点。 2 1 起步时，侧向关节旋转，机器人身体往右侧移动( 上身始终保持垂直向上) ， 重心偏向右脚。当重心落在右脚上时，身体完全由右腿支撑，此时右腿称为 支撑腿。同时腿部的前向关节( 绕y 轴旋转的关节) 旋转，身体也略为往前， 左脚的脚后跟抬起( 图3 1 ( 2 ) ) 。左脚脚尖虽然还在地面上，但可以认为已经没 有力的作用，属于“虚地”状态。左腿成为游腿，此时进入到单腿支撑阶段。 北京1 1 | | f 电大学硕l 研究生学位论文2 0 0 3第兰三章步卷分析与计算 鼗关苇 向踝关 ( 1 ) ( 2 )( 3 ) 图3 1 爹行过程 ( 4 ) 1 6 北京邮电人学硕l 研究生学位论文2 0 0 3第三章步态分析与计算 右脚掌 ( 5 )( 6 )( 7 ) 图3 - 1 步行过程( 续) ( 8 ) 1 7 口 北京邮i u 大学硕l 研究生学位论文2 0 0 3 第三章步态分析与计算 3 ) 腿部的前向关节继续运动，左脚脚尖离开地面，处于抬起状态，同时向前跨 出( 图3 一l ( 3 ) ) 。上身也往前移动，但重心仍然保持在支撑腿的脚面范围内，此 为静态行走。若为动态行走，重心可在支撑范围之外。支撑腿以踩关节为轴 心向前摆动。 4 1 左脚摆过支撑腿，开始往地面落下，脚后跟先着地，此时开始进入双腿支撑 阶段( 图3 1 ( 4 ) ) 。上身除了继续往前移动外，同时侧向关节开始动作，身体从 右侧偏离位置向中间位置进而向左侧偏离位置移动( 图3 1 ( 5 ) ) 。重心同时向前 移动和向左侧偏移，渐渐从后脚( 右脚) 转移到前脚上。前脚( 左脚) 的脚尖落向 地面，后脚的脚后跟离开地面。 5 ) 当重心完全移到左脚上后，左腿成为新的支撑腿。此时整个左脚完全落在地 面上，而右脚脚后跟已经抬起，脚尖“虚地”。右腿成为游腿，机器人进入新 的单腿支撑阶段( 图3 i ( 6 ) ) 。 6 ) 如果继续前进，则转向第3 步，只是此时左腿为支撑腿，右腿为游腿，与上一 步正好相反( 图3 。1 ( 7 ) ) 。当右脚跨出去并落地时，又进入新的双腿支撑阶段( 图 3 一l ( 8 ) ) 。如此循环往复，即可形成连续的行走动作。 7 ) 若要停止前进，则在后脚抬起并跨出之后，往前摆- 4 , 段落至与支撑脚并列 的位置，恢复为并立姿态( 图3 1 ( 1 ) ) 。 在双腿支撑阶段，左右方向的重心移动