（控制科学与工程专业论文）仿人足球机器人运动规划方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 近年来 随着r o b o c u p 和f i r a 等国际机器人足球比赛相继引入仿人足球机 器人的竞技单元 极大地促进了仿人足球机器人技术的发展和国际交流 但是就 目前发展水平来看 仿人足球机器人技术还远未达到人类的期望 本文主要对仿 人足球机器人运动规划方法进行了研究 首先在分析了仿人足球机器人本体结构后 设计了仿人足球机器人控制系统 应用齐次坐标表示法建立了机器人的运动学模型 基于l a g r a n g e 方程建立了单脚 支撑期的动力学模型 其次 对仿人足球机器人动作单元规划进行研究 以给出的运动规划策略为 基础 对机器人运动过程中的主要动作进行了分类和定义 对几种典型的基本步 态进行了规划 同时分析了其他基本动作单元步态规划的主要问题 针对仿人足 球机器人典型的摔倒过程 给出了仿人足球机器人自我保护的摔倒策略 最后 对仿人足球机器人路径规划方法进行了研究 考虑到在给定路径上 仿人足球机器人机构约束对机器人运动效率的影响 提出路径曲折度的概念 并 将其作为路径规划寻优过程的目标函数 采用蚁群智能算法解决路径寻优问题 提出了基于交叉操作的周游最优蚂蚁的改进蚁群算法 实验验证 改进算法提高 了收敛速度和搜索效率 主题词 仿人足球机器人 z m p 稳定性判据 步态规划 路径规划 路径曲 折度 蚁群算法 周游最优蚂蚁 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1r e c e n ty e a r s w i t ht h ei n t e r n a t i o n a lr o b o t i cs o c c e rs u c ha sr o b o c u pa n df i r a s u c c e s s i v e l yp r o v i d i n gt h ep l a t f o r i l l f o rh u m a n o i ds o c c e rr o b o t t h ei n t e m a t i o n a l e x c h a n g eo fh u m a n o i ds o c c e rr o b o tt e c h n o l o g yh a sb e e np r o m o t e dh u g e l y h o w e v e r t h ec u r r e n td e v e l o p m e n ti ss t i l lf a rf r o mr e a c h i n gt h eo u re x p e c t a t i o n i nt h ep r e s e n t s t u d y w em a i n l yf o c u s e do nt h er e s e a r c ho fm o t i o np l a n n i n go fh u m a n o i ds o c c e rr o b o t f i r s t l y t h ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e da f t e ra n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n dm a i n f r a m ep a r a m e t e r so fh u m a n o i ds o c c e rr o b o t m o r e o v e r t h ek i n e m a t i c sm o d e lw a sb u i l t b yh o m o g e n e o u sc o o r d i n a t e sw h i l ek i n e t i c sm o d e lo fs i n g l e s u p p o r t i n gw a sb u i l tb y l a g r a n g ef u n c t i o n s e c o n d l y t h em o v e m e n tu n i to nh u m a n o i ds o c c e rr o b o tw a ss t u d i e d t h ep r o c e s s o fr o b o te x e r c i s ew a sc l a s s i f i e dt os o m ea c t i o n sb a s e do nt h em o t i o np l a n n i n gs t r a t e g y i na d d i t i o n t h et y p i c a l g a i t sw e r ep l a n n e da n dt h em a i np r o b l e m so ft h ea c t i o np l a n n i n g o fo t h e rb a s i cg a i tu n i t sw e r ea n a l y z e da sw e l l f u r t h e r m o r e af 砒lp r o t e c t i o ns t r a t e g y w a sp r o v i d e da c c o r d i n gt ot h ef a l l i n gp r o c e s so fh u m a n o i ds o c c e rr o b o t f i n a l l y t h eh u m a n o i ds o c c e rr o b o tp a t hp l a n n i n gm e t h o dw a ss t u d i e d h u m a n o i d s o c c e rr o b o te f f i c i e n c yw o u l db ei n f l u e n c e dd u et ot h em a c h i n er e s t r i c t i o n t h i sp a p e r p u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fp a t hc r o o k e dd e g r e e sw h i c hw a su s e da st h eo b j e c t i v e f u n c t i o ni nt h ep a t hp l a n n i n g n l ea n tc o l o n ya l g o r i t h mw a sa d o p t e dt os o l v et h e i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o np a t hp r o b l e m s i na d d i t i o n a ni m p r o v e da n tc o l o n ya l g o r i t h m t h eo p t i m a lt r a v e l l e da n t sb a s e do nc r o s s o v e ro p e r a t i o n w h i c hi m p r o v e dt h ea l g o r i t h m c o n v e r g e n c es p e e da n ds e a r c he f f i c i e n c yw a sp r o p o s e d k e yw o r d s h u m a n o i ds o c c e rr o b o t z m ps t a b i l i t yc r i t e r i o n g a i tp l a n n i n g p a t hp l a n n i n g p a t hc r o o k e dd e g r e e s a n tc o l o n ya l g o r i t h m o p t i m a lt r a v e l l e d a n t s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1仿人机器人自由度分配与关节运动范围 7 表2 仿人机器人几何尺寸分布 7 表33 种算法的比较结果 5 3 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1国外具有代表性的仿人机器人 2 图1 2 国内具有代表性的仿人机器人 3 图1 3德国n i m b r o 队的成员 4 图1 4 国内外具有代表性的仿人足球机器人 5 图2 1仿人足球机器人样机 8 图2 2 仿人足球机器人几何尺寸分布 8 图2 3 基于视觉伺服的运动规划与控制结构图 9 图2 4 控制系统硬件框图 1 0 图2 5 主控制器电路板 1o 图2 6c m u c 锄3 视觉传感器模块 1 1 图2 7s c a 6 1 倾角传感器模块 1 1 图2 8 主控制器与舵机通信流程 1 2 图2 9 仿人足球机器人系统软件主程序流程图 l3 图2 1 0 仿人足球机器人参考坐标系 1 4 图2 1 1 数值法求逆运动学解的基本流程 1 7 图2 1 2 雅克比矩阵的描述 1 7 图2 1 3 仿人足球机器人v r 结构图 1 8 图3 1机器人行走过程中的支撑多边形 2 2 图3 2 三维空间脚掌所受地面作用力示意图 2 2 图3 4 仿人机器人质点模型 2 7 图3 5 周期步态仿真结果 3 2 图3 6 周期步态行走关键点截图 3 2 图3 7 仿人足球机器人下蹲过程 3 3 图3 8 起步动作z m p 参考轨迹和脚掌落地时序 3 4 图3 9 转弯过程中机器人双足轨迹变化过程 3 4 图3 1 0 转弯步态规划的仿真结果 3 6 图3 1 1 转弯过程中由模型计算的z m p 轨迹 3 7 图3 1 2 转弯步态关键点截图 3 7 图3 13 踢球步态规划仿真结果 3 9 图3 1 4v r 中踢球动作关键点截图 3 9 图3 1 5 仿人足球机器人前向摔倒保护策略示意图 4 0 图3 1 6 仿人足球机器人摔倒过程简化模型 4 1 图3 1 7 向后摔倒保护策略示意图 4 2 图3 1 8 俯卧恢复到站立 4 3 图3 1 9 仰卧恢复到站立 4 4 图4 1仿人足球机器人工作环境 4 6 图4 2 扩展障碍 4 7 图4 3 扩展障碍后机器人工作环境 4 7 图4 4 最短路径比较 4 7 第 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 5 最优解路径 5l 图4 6 采用基本蚁群算法时目标函数收敛曲线 5 2 图4 7 采用遗传蚁群算法时目标函数收敛曲线 5 2 图4 8 采用改进后的遗传蚁群算法时目标函数收敛曲线 5 3 图4 9 直走步长和斜走步长 5 4 图4 1 0 转弯方向 5 5 图4 1 1 转弯动作 5 5 图4 1 2 机器人在解路径上生成的足迹序列 5 6 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果 也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目 学位论文作者签名 日期 研年 7 r 月夥日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留 使用学位论文的规定 本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档 允许论文被查阅和借阅 可以将学位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 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 作者指导教师签名 堡盎丛 年 月2 莎日 年f f 月夕6 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 仿人机器人技术是集机械 电子 计算机 传感器 智能控制等多学科于一 体 是多种高科技成果的集中体现 仿人机器人的研究 具有重要的学术价值 应用前景和广泛的社会效益 著名机器人学专家加藤一郎教授将仿人机器人描述 为 由能工作的手 能行动的脚和有意识的头脑组成的一个个体 同时具有非接 触传感器 接触传感器 固有感及平衡感等感觉器官和能力 l 而在电影机械公敌 中 导演甚至赋予仿人机器人以感情色彩 这或许是人类对机器人未来发展的美 好愿望 从功能实现的角度考虑 人们一般定义的仿人机器人具有以下三个特征 2 l 能在人类所处的现实环境中工作 当机器人能像人一样活动时 就不需要为机器人而改变人的环境 如通过狭 窄的走道 电梯等对于非人形机器人来讲必须清除障碍 这增加了许多额外的开 销 2 能使用人类所使用的工具 人类设计了很多适合于自己的工具 如司机的座椅便于驾驶 起子或剪刀适 合于手指操作 这些工具可被仿人机器人直接使用而不需要做任何修改 相比为 非人形机器人重新设计制作各种各样的工具要经济很多 3 具有人的形状 当机器人看起来与人自身的形状一样时 会使人觉得更加亲近 具有人的外 形更容易使机器人成为人类的伙伴 并为人类带来乐趣 这是娱乐机器人最重要 的因素 仿人机器人具备的这些特征 使其在军事 制造业 娱乐业 科学探测 康 复医学 服务业等多个方面 都具有重大的应用潜力 仿人机器人可以在复杂恶 劣的环境中代替人类作业 进行科学探测和样品采集 分析等工作 也可根据具 体军事任务和目标 构成外骨骼机器人和机器人战士 为军用机器人研究提供技 术储备 在康复医学中 可作为辅助行走装置 帮助病人恢复健康 在家政服务 中 可替代人们完成各种家务 把人们从琐碎的家务中解脱出来 目前 许多仿 人机器人系统和技术已成功应用于娱乐业 康复医学等方面 仿人足球机器人是仿人机器人技术研究的分支 与一般的仿人机器人相比较 仿人足球机器人具有体积小 质量轻 运动灵活等特点 非常适合相关理论算法 的实验验证 另外由于仿人足球机器人的竞技娱乐性 使得其更容易走进人类的 生活 因此仿人足球机器人已经成为仿人机器人技术研究的热点之一 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学忙论支 本学位论文课题基于8 6 3 重点项目 多机器人系统技术 的子课题 竞技与 娱乐多机器人系统 课题研究的主要内容包括基于视觉的环境认知与定位 仿 人机器人复杂动作实时规划与控制和多机器人协作与对抗等几个方面 本文重点 对仿人足球机器人运动规划方法展开研究 课题研究的主要应用前景主要面向如 2 0 0 9 年中田国际丁业博览会和2 0 1 0 年上海世博会等重大场合 加入集机器人餐厅 多机器人竞技娱乐场和机器人智能家居生活菇三种系统展示平台 向国内外公众 展示 机器人让未来生活更美好 的新模式和新概念 从而引领智能机器人技术 发展 为未柬机器人新兴产业的发展提供技术储备 1 2 国内外研究现状 121 国外仿人机器人研究现状 影 t 搏 第2 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 国内从事仿人机器人技术研究的主要是一些高技 成果比较突出的有北京理 工大学 清华大学 哈尔滨工业大学 国防科技大学等 如图12 a 所示 为北京 理工大学研制的第二代仿人机器人 汇童 1 机器人高1 6 0 c m 重6 3 k g 可以 演示太极拳和刀术等各种复杂的动作 清华大学设计的t h b i p i 如图 2 b 所示 成功实现了平地前进 后退 侧行 连续上下台阶行走 以及端水 太极 拳和点头等动作 哈尔滨工业大学目前为止已经研制了三代h i t 系列机器人系统 如图1 2 忙 所示为h 1 t i l i 型仿a 机器人 国防科技大学从 9 8 8 年至2 9 9 5 年期间 先后研制成功平面型六自由度双足机器人k d w i 空间运动型k d w i i 和 k d w 4 i i 1 3 2 0 0 3 年6 月 又研制成功了第二代仿人机器人 b l a c k m a r m 1 1 5 实现了多种步态和动作的实验演示 如图12 d 所示 螽黛 热 a b h r 0 2 b t h b i p c h i t h i d b l a c k m a n a 图12 国内具有代表性的仿人机器人 123 仿人足球机器人研究现状 1 9 9 6 年 r o b o c u p 国际联合会成立 并在日本举行了表演赛 以后每年举办 一届 r o b o c u p 机器人足球世界杯的最终目标是2 0 5 0 年组建一支由仿人机器人组 成的机器人足球队战胜当年人类世界杯冠军f 1 日 2 0 0 2 年的r o b o c u p 比赛中启动 了类人组的比赛 比赛要求仿人足球机器人反应迅速 能进行较为激烈的对抗 因此参赛队伍要综台考虑其仿人机器人的运动能力 平衡以及团体协作能力和智 能决策能力 目前仿人足球机器人的比赛主要由中型组和小型组组成 2 0 0 8 年 在苏州 r o b o c u p 中国站比赛中 德国的n i m b r o 队获得中型组比赛冠军 如图13 a c 所示为n i m b r o 队的成员b o d o r o b o t a 和d y n a p e d 3 0 d o 高 0 3 c m 重5 k g r o b o t i n a 高1 2 2 c m 重9 k g d y n a p e d 高1 0 5 c m 重7 k g 其中g o b o t i n a 的结构虽 第3 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 为复杂 总共有2 3 个自由度 腿部6 个自由度 臂4 个自由度 躯干3 个自由度 由3 5 个d y n a m i x e i 舵机驱动 n i m b r o 小型组的表现也非常出色 如图13 d 1 所示 为小型组n i m b r o 队的成员r u d i 高6 0 c m 重3 3 k g 总共2 0 个自由度 腿部6 个自由度 臂3 个自由度 躯干2 个自由度 主控制器是索尼的u x 小型p c 机 其处理器为1 3 3 g h zi n t e l 单核处理器 1 g br a m 3 2 g bs s d 存储 r u d i 的传感 器模块主要包括 摄像头 双轴加速度计和两个陀螺仪 劬b o d o0 r o b o t i n a c d y n a p e d q 小型组成员r u d i 图13 德国n i m b r o 队的成员 其他国外参赛队伍中 日本的t e a m o s a k a 队比赛中也取得了较好的成绩 如 图1 4 a 所示为t e a m o s a k a 小型组成员 其共有1 8 个自由度 腿部6 个自由度 臂3 个自由度 全部由d y n a m i x e l a x l 2 舵机驱动 p x a 2 7 0 型的核心处理器 主 频为6 0 0 m h z 1 2 8 m 的可用r a m 与r u d i 相比较 其处理能力较差 传感器主 要由摄像头和加速度计组成 国内近几年参加r o b o c u p 比赛成绩比较突出的有清华的火神队和浙江大学的 w u k o n g 队 如图14 c 所示 清华大学火神队成员t h h r p 3 高5 8 2 m m 重 46 k g 总共2 3 个自由度 每条腿6 个自由度 臂4 个自由度 头部2 个自由度 由r x 1 0 r x 一2 8 和r x 6 4 三种电机驱动 主控制器为p c i 0 4 传感器由视觉传感 器和倾角加速度计组成 浙江大学的w u k o n g 高6 0 c m 重33 k g 总共2 2 个自由 度 其中每条腿6 个自由度 臂3 个自由度 躯干2 个自由度 头部2 个自由度 传感器由摄像头 陀螺仪和加速度计组成 f i r a 国际机器人足球联合会是另一个比较有影响力的机器人足球赛事组织 该组织1 9 9 6 年举办了第一届机器人足球比赛 2 0 0 9 年8 月哈尔滨工业大学的 飞 人 仿人机器人在第十四届f i r a 世界杯机器人大赛中 以1 分0 7 秒的成绩突破 了仿人机器人短跑比赛世界纪录 原世界纪录为5 分钟左右 r o b o c u p 和f i r a 这 第4 页 戛遵 承舔 l 晨 rkj巨 移翼 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 f a t e a m o s a k ac o 火神t h h r p 3 c w u k o n g 圈14 国内外具有代表性的仿人足球机器人 124 仿人机器人运动规划研究现状 仿人机器人运动规划主要包括步态规划 路径规划和任务作业规划 由于受 整体研究水平所限 任务作业规划目前并不是仿人机器人技术研究的主要问题 路径规划其实质就是规划仿人机器人在环境中的离散足迹序列 仿人机器人路劲 规划方法可分为两类口8 基于博弈论思想的离线路径规划和基于传感器信息融合 的在线滚动路径规划方法 k u f f n e r 和c h e s t n u t t l l 9 1 1 2 0 提出了基于博弈论思想的离线 路径规划方法 该算法的核心思想是通过启发搜索方式规划出从初始位置到目标 位置的离散足迹系列 目前这个规划方法在h 6 h 7 和a s i m o 等机器人上得到了成 功应用 但是这种方法计算复杂度高 实时性较差 只适合于存在静态障碍物的 环境 为了使得仿人机器人能够跨越障碍物或在障碍物上行走 y a s a r 和m u n a w a l i 在k u 墒e r 的规划方法基础上 提出了一种改进的足迹规划方法 这种方法是根据 确定的一个支撑足位置 通过环境地图计算出有限的落地足迹 这种方法提高了 规划效率 减少了规划时间 基于传感器信息融合的在线滚动路径规划方法是一 种实时的规划方法 主要用于目标移动或可能存在移动障碍物的环境 这种方法 主要应用传感器返回给控制系统的信息 实时更新当前位置到目标位置的离散足 迹序列 从而达到适应环境变化的目的 基于传感器信息融台的在线滚动路径规 划方法在a s i m o 上得 应用 取得了较好的效果 步态规划是运动规划底层任务 其实质就是舰划机器人各关节的运动轨迹 几何约束法是一种应用非常广泛的步态规划方法 几何约束法的思想是首先给出 仿人机器人关键点的移动曲线 再通过约束方程求解机器人在行走过程中各关节 的运动轨迹m il 2 3 i 但由于规划过程中 关键点的运动曲线多依靠实验经验得到 因此再实现机器人行走快速性方面有局限 神经网络步态规划法是将神经网络系 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 统应用于仿人机器人步态规划 2 4 1 这种方法可以避免对仿人机器人复杂的物理模 型进行精确描述 但是由于其计算复杂度较高 而且各种步态都要进行训练 具 有较好泛化性的训练样本获取困难 这种方法主要应用于离线步态规划 遗传算 法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程形成的一种自适应全局优化概率搜 索算法 2 5 目前这种方法主要用来机器人运动步态的优化 另外还有一些步态规 划方法如模糊逻辑规划法 自然步态规划法等 2 6 1 1 1 8 这些方法目前在实际中应用 的还比较少 1 3 本文研究的主要内容 本文主要以仿人机器人足球比赛为背景 围绕仿人足球机器人运动规划展开 研究 研究主要内容包括 机器人本体结构分析和控制系统设计 运动学和动力 学建模 稳定性判定 机器人基本动作的步态规划和复杂动作的控制策略 机器 人路径规划方法等问题 具体的章节安排如下 第二章对仿人足球机器人系统和数学模型进行分析研究 首先分析了现有仿 人足球机器人实验平台本体结构的特点 设计了仿人足球机器人控制系统 在此 基础上 对机器人的运动学和动力学模型进行了研究 发现传统的d h 坐标表示 法不适合描述本文的机器人模型 因此采用齐次坐标表示法建立机器人系统的运 动学模型 并给出机器人逆运动学求解的方法 最后基于l a g r a n g e 函数建立了机 器人动力学模型 第三章对仿人足球机器人基本动作步态规划和复杂动作进行研究 首先分析 研究了基于z m p 的稳定性判据 然后针对仿人足球机器人的特点 给出其运动规 划的策略 以此为基础 对机器人运动过程中的主要动作进行了分类和定义 然 后对几种典型的基本步态的运动过程进行了规划 同时分析了其他基本动作单元 步态规划的主要问题 最后针对仿人足球机器人典型的摔倒过程 研究了机器人 自我保护的摔倒策略和快速恢复站立策略 第四章对仿人足球机器人路径规划方法进行了研究 首先研究了仿人足球机 器人在比赛中的路径规划问题 基于栅格法对机器人工作环境进行建模 考虑到 仿人足球机器人机构约束等原因 提出路径曲折度的概念 并给出了路径规划寻 优过程的目标函数 然后研究了基于蚁群算法的路径规划方法 针对传统的基本 蚁群算法存在的问题 提出了基于交叉操作的周游最优蚂蚁的改进蚁群算法 最 后在给出的环境模型和目标函数的基础上 通过实验验证了本文提出的改进蚁群 算法相对于传统蚁群算法的优势 且给出了仿人足球机器人足迹序列生成的方法 第五章为总结与展望 总结本文研究内容 分析论文研究的不足之处 并提 出下一步研究工作的重点 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章仿人足球机器人系统分析与建模 2 1 仿人足球机器人的本体结构 仿人足球机器入的本体结构是完成任务的基础平台 灵活实用的本体结构对 验证机器人运动规划方法非常关键 仿人足球机器人在工作环境中需要实时获得 环境信息 在头部配置了前向和侧向两个自由度 机器人除头部外 在结构上具 有对称性 肩部各配置前向侧向两个自由度 肘部各一个自由度 髋部三个自由 度 膝部一个 踝部两个 因此仿人足球机器人总共需要配置2 0 个自由度 本文 以r o b o t i s 公司的d y n a m i x e la x 1 2 型舵机和标准连接件设计了具有2 0 个自由度 的仿人足球机器人本体结构 如图2 1 所示 机器人高约2 8 6 m m 重约2 k g 见表 1 为仿人足球机器人各部位的自由度分配 表2 给出了机器人结构参数 并在图 2 2 中给出机器人的几何尺寸分布图 表l 仿人足球机器人自由度分配与关节运动范围 第7 页 斟2i 仿人足球机器 样机 剀2 2 仿人足球机器人儿何尺寸分布 2 2 仿人足球机器人控制系统设计 仿人机器人足球比赛具有高度实时 动态的特性 不仅要求机器人具有稳而 快的行走能力 而且要求机器人能够完成各种复杂动作 能够准确而实时地识别 王 境叶 的静态目标和多个动态移动物体 包括球 本方机器人和对方机器人 能够根据识别定1 奇 结果进行任务规划 路径规划和动作规划 能够通过卧作实现 第8 贞 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 与另一队机器人的对抗 这对仿人足球机器人的复杂运动能力 实时环境识别能 力 基于视觉伺服的控制能力 多机器人协作与对抗能力都提出了较高的要求 因此设计先进的仿人足球机器人控制系统是研究机器人运动特性 验证相关理论 算法的基础 2 2 1 控制系统总体设计 仿人足球机器人控制系统的底层控制采用p i d 控制 中层控制采用基于视觉 反馈的动作单元切换方法 高层采用基于视觉伺服的路径规划方法控制 如图2 3 所示为视觉伺服的运动规划与控制结构图 首先通过仿真平台离线规戈8 各动作单 元的步态 将得到的最优规划结果存储在主控制器中 视觉传感器采集环境信息 处理后生成目标的二维位置信息 然后将其发送给主控制器 主控制器依据当前 机器人的位姿和目标位置 在线路径规划获得机器人到达目标位置的最优路径 机器人通过得到的最优路径生成由当前位置到达目标位置的动作序列 然后按照 该动作序列主控制器调用规划数据 并向舵机发送指令到达目标位置 高层控制 图2 3 基于视觉伺服的运动规划与控制结构图 2 2 2 控制系统硬件设计 根据仿人足球机器人的本体结构特点 机器人总共有2 0 个自由度 因此执行 机构需要个2 0 舵机 为了机器人更好的完成任务 机器人实时获取工作环境信息 和机器人自身当前姿态信息非常重要 根据这些需求 选择相关器件和芯片 设 计了基于d s p 2 8 0 8 的主控制器模块 选择d y n a m i x e l a x 1 2 舵机作为执行机构 采用c m u c 锄3 嵌入式视觉传感器获取机器人工作环境的信息 s c a 6 1 t 倾角传 感器模块获取机器人自身姿态信息 根据任务需求给出的控制系统硬件框图 如 图2 4 所示 第9 页 国防章 学技术大学研究生院硕十 位论文 自 g gl a m ls 一j r e 一 一 l 刊i 磊i 司 l j 一 d s p e gk i 自 1 m 口 ln 厂i i i 1 女 一1 f 叫n 一 h i l o 厂 磊 j 嚣h n 图2 4 控 e 系统硬件框圈 22 2 1 主控制器的设计 仿人足球机器人主控制器对实时性要求较高 同时由于要存储离线规划好的 再动作单元的数据 控制器的存储空间也必须考虑 毛控制器是机器人控制系统 硬件的核心 需要通过多个串口控制整个系统的通信 通过分析选择丁i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 为中央处理单元的主控制器 t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 是高性 能的3 2 位d s p 芯片 该芯片的工作频率可达1 0 0 m h z 速度很快 而且f 2 8 0 8 片 内f l a s h 达6 4 k 字节 可以满足规划数据对存储空间的需求 另外该芯片采用两线 异步收发模式的串行接h u a r t 串口 可供系统扩展多个串口 d s p 2 8 0 8 有两个 串口s c i a 和s c i b 分别接舵机和p c 机 另外将s p i 接口通过g m 8 1 4 1 扩展为 两个s c i 串l 分别接摄像头和无线通信模块 如图25 所示为基于d s p 2 8 0 8 的 辛控制电路板实物图 圈2 5 土控制器电路扳 2 22 2 传感器模块设计 机器人运动过程中 为了减轻辛控制器的运算负拇 使主控制器能专心完成 在线路径规划的任务 考虑选择具备图像处理器的视觉传感器 目前嵌入式视觉 系统已经在机器人控制中得到广泛应用 课题中采用c m u c a m 3 嵌入式视髓系统 作为视觉传感器 如圈2 6 所示 该系统内建a r m 7 t d m i 控制器 罔像处理速率 为2 6 帧侮秒 以2 6 f p s 的速率进行运动监测m j c m u c a m 3 能用来追踪或监测颤 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 色 特别是在差别大并且颜色比较深的情况下 更容易识别跟踪口 机器人足球 比赛场地为绿色 球的颜色为红色 所以比较容易跟踪 仿人足球机器人运动过 程中 图像的采集 处理以及目标识别都由a r m 7 t d t i i 完成 a r m 7 t d m i 展终通过 r s 2 3 2 串口将目标识别结果发送给主控制器 然后由主控制器根据目标识别结果 并结合之前离线规划结果完成路径规划 局部运动规划和步卷规划任务 在图像 采集的过程中 并不采用传统的基于p w m 信号控制的电机来控制头部方向 而是 主控制器通过控制安装在机器人头部的2 个a x 一1 2 舵机实现对c m u c a m 3 摄像头 方向的控制 圉27s c a 6 1 倾角传感器模块 仿人足球机器人的任务背景是足球比赛 激烈的对抗在所难免 在对抗的过 程中机器人可能有较大幅度的倾斜甚至摔倒 囚此实时跟踪机器人的倾斜程度对 控制机器人稳定行走和摔倒保护非常重要 s c a 6 1 t 是一种高分辨率的单轴倾角 传感器 如罔27 所示 其测量范围为 9 0 0 9 比例电压输出 数字s p i 或模拟 输出 可用于倾斜测量 加速度和位置测量 上电后的加速度极限为2 0 0 0 0 g 抗 冲击能力非常强 课题中应用两个s c a 6 1 t 传感器 安装方向正交 用于测量两 个正交方向上机器人躯干的倾角和加速度 输出方式选择模拟输出 将输出信号 反馈给主控制器中d s p 2 8 0 8 自带的a d 转换器 完成模拟信号向数字信号的转换 2 2 2 3 控制器和舵机的通信 仿人足球机器人的2 0 个舵机都选择d y n a m i x e l a x 1 2 关节型舵机口 该舵机 第1 l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的位置和速度控制精度可达1 0 2 4 级 0 1 0 2 3 最大转角为3 0 0 度 通信波特率为 7 3 4 3 b p s 1 m b p s 命令信号是数字型数据包 通信协议类型为半双工异步串口通 信 每个舵机都有一个控制表存储舵机的状态和控制信息 控制表由一个r a m 区 和e e p r o m 区组成 对舵机的控制实际上是通过向其控制表中写指令 而要获取 舵机当前状态实际上就是读取控制表相应的值 主控制器和d y n a m i x e l a x 1 2 舵机之间通信通过发送和接受数据包实现 数据 包包括两种 指令包和状态包 指令包是主控制器发给舵机 而状态包是舵机发 给主控制器 如图2 8 所示为舵机和主控制器之间的通信流程图 数据包的前两个 字节o x f f 是开始标志 i d 表示舵机的i d 号 l e n g t h 是指令包的长度 2 为参数数目 指令包第四个字节i n s t r u c t i o n 是指令 如0 x 0 3 是向舵机写数据指 令 而状态包第四个字节e r r o r 表示舵机返回的出错数据 数据包的 p a r a m e t e r l p a r a m e t e r n 指的是除了指令或出错数据外的其他附加数据 c h e c k s u m 是数据校验值 计算方法如下 c h e c k s u m 上d l e n g t h i n s t r u c t i o n p a r a m e t e r l p a r a m e t e r n 如果c h e c k s u m 2 5 5 则 以低字节作为c h e c k s u m 值 一表示逻辑反 运动规划 的算法和数据就是以附加数据的形式通过d s p 2 8 0 8 的串口发送给舵机 d y n a m i x e l a x 1 2 舵机按照控制表的当前值执行相应的动作 指令包 圆圆回匹匦四匝匦匦至圃匝受画囹 臣受亚囹匪亘囹 状态包 压囹匪亘圈囤 重塑四 二王垂重圈匝歪墅垂匡圃一巨至受受垂垂基蜀匝蚕重茎圜 图2 8 主控制器与舵机通信流程 2 2 3 控制系统软件主程序设计 控制系统的软件部分主要由系统初始化 主程序循环 定时器中断和串口 中断等构成 由于视觉系统返回的结果随环境的变化而变化 视觉模块通过置 位主控制器的中断寄存器 将变化结果传给控制器 再由控制器规划当前路径 另外通过设置定时器中断 使得路径规划的结果得到执行 仿人足球机器人控 制系统软件设计的核心是主程序设计 其主要包括在线路径规划程序 动作序 列生成程序 动作单元切换程序等 图2 9 为控制系统程序流程图 在准备阶 段完成整个控制系统的初始化 然后 主控制器读取视觉子系统反馈的目标物 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 体的当前位置 并判断机器人当前是否到达目标区域 如果到达 则执行相应 任务动作 如踢球等 否则进行运动规划 生成动作序列 控制机器人以最优 路径接近目标区域 如此重复 直到机器人完成任务动作 园 读取鳍标物体位置 i 局部运动规戈9 生成动作序列 一 发送指令给舵机 控制机器人运动 图2 9 仿人足球机器人系统软件主程序流程图 2 3 仿人足球机器人运动学建模 2 3 1 齐次坐标表示法 d e n a v i t h a r t e n b e r g d h 方法是一种最常用的描述仿人机器人连杆关系和仿 人机器人建模的方法 尤其在描述串联机构连杆之间相对运动时非常方便 但采 用d h 方法对本文的仿人足球机器人整体进行分析建模时 发现所有相邻局部坐 标系之间的相对运动都是关于x 和z 轴的 而无法表示关于y 轴的运动 因此任何 关于y 轴的运动 此方法就不适用 而这种情况在本文的仿人足球机器人本体结构 中比较普遍 另外d h 表示法其实质就是齐次坐标变换在一定规则下的应用 而 这种规则的引入必然使得建模灵活性变差 因此本文利用基本的齐次坐标表示法 3 1 描述机器人连杆机构之间的位姿关 系 仿人机器人是多连杆机构 在获得各连杆之间结构参数的基础上 通过齐次 变换矩阵可以求得任意关节之间及其在世界坐标系中的位姿 设位姿矩阵 丁 表示 局部坐标系 相对于母连杆坐标系 的位置和姿态 可表述为 f l r p i 广 1 2 lo o o 1 i 2 j 式2 1 中 p 为坐标系 原点在 坐标系中的位置矢量 r 为坐标系 在坐标系 中的姿态矩阵 假定母连杆的绝对位置p 和姿态r 已知 那么 的 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 齐次变换矩阵为 正 钏 亿2 则 的齐次变换矩阵可根据链乘法则求得 r t2 丁 2 3 从而得 的位置和姿态 p r j 女n f p p f r f p 2 4 r r f r 2 5 这样通过两两相邻连杆局部坐标系之间的齐次变换矩阵 应用链乘法则即可 求得仿人机器人各个关节在参考坐标系中的位姿 2 1 图2 1o 仿人足球机器人参考坐标系 2 3 2 仿人足球机器人运动学建模 通过对仿人足球机器人本体结构的分析 建立了仿人足球机器人的坐标系 如图2 1 0 所示 选择坐标系 为参考坐标系 机器人静止时其与世界坐标系重合 在建立坐标系的过程中遵循的基本原则为 选取各关节的转动轴为局部坐标系的z 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 轴 对于转动轴为前向或侧向的坐标系 x 轴正向为竖直向上 y 轴的正向根据x 轴和z 轴的正向 由右手定则确定 在建立机器人所有的局部坐标系后 即可获得 相邻坐标系之间齐次坐标变换的参数 齐次坐标变换的参数见附录a 在附录a 中9 表示关节角 口 表示局部坐标系绕其x 轴旋转的角度 p t 表示坐标系 原 点在 i 坐标系中的位置矢量的转置 从附录a 中可看出局部坐标系之间关于y 轴 存在运动 应用2 3 1 中齐次坐标变换理论即可求得坐标系 到坐标系 的齐次 坐标变换矩阵 关节1 5 1 7 2 0 对应局部坐标系的参考坐标系为 见附录b 通过链乘法则可求得仿人机器人髋部中心的局部坐标系 关于参考坐标系 的齐次坐标变换矩阵 6 o 乃 兀 z 2 6 0 另外以坐标系 为参考坐标系 可求出仿人机器人上肢和另一条腿的所有局部坐 标系关于 的齐次变换矩阵 然后通过链乘法则可求得其关于世界坐标系的齐次 变换矩阵 如机器人右手末端坐标系 关于参考坐标系 的齐次变换矩阵为 62 3 疋 乃7 互 兀7 t i7 t 2 兀 互 2 7 z 0t 2 l 这样即可求得仿人足球机器人的运动学模型 为逆运动学解的求取和动力学 建模分析建立了基础 2 3 3 仿人足球机器人逆运动学求解方法 仿人机器人的运动学求解问题包括正运动学问题和逆运动学问题 正运动问 题指已知关节角q q 岛 包 和q 与机器人位姿s 之间的映射关系厂 q 寸s 求取连杆的位姿s p l 蜀 p 2 马 岛 r 逆运动学f 3 题是指根据机器人的 位姿 求各关节角 即给出机器人某时刻的期望位姿s s 通过映射关系厂 q s 求出机器人期望位姿s 的关节角鼠 0 2 最 逆运动学求解比较复杂 存在唯一解 多解和无解的情况 目前逆运动学求解方法主要包括解析法求解 数值法求解 解析法求解必须满足前提条件 三个相邻关节轴相交于一点或相互平行1 3 2 1 如图 2 1 0 所示 课题研究的仿人机器人的髋部三个相邻的关节轴不相交于一点 且不 相互平行 因此应用解析法求解存在困难 另外由于神经网络对非线性函数的良 好逼近能力 如b p 神经网络和小脑模型神经网络 目前已在机器人控制中得到应 用 3 3 3 4 1 但是为了使得网络具有较好泛化能力 训练样本的选择非常关键 样本 选择一般是借鉴其他模型计算结果 或者采用通过修改人类运动的关键数据作为 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 样本 但是这两种方法都存在较大误差 因此经过研究分析本文采用数值计算法 求解机器人的逆运动学解 逆运动学数值法求解的基本思路是 正运动学的计算结果与目标有差异时修 正关节角 如此循环直到末端关节达到目标位姿 如图2 11 所示为数值法求逆运 动学解的基本流程 其中 p 耐 为期望位姿 q 为自定义的关节角矢量 为了 避免奇异姿态 该值的初始值一般给一个满足姿态约束条件且较小的值 末端连 杆当前位姿与目标位姿的误差e r r a p 欲 由式 2 8 求得 e r r a p 放 i 竺l 卸 p 阿一罗 放 以 2 8 i 0 0 o 1 r e 虮 卜 上忙烈 句 2 9 2s i n 0l l 7 l 吃1 一吒2j 吒1 2 r ir 2 眨 吩1 r 3 2 口 一s 型2 k夕 上式中r 为旋转矩阵 i l e r r a p a r l j 表示对误差e r r a v 欲 取厶范数 关节角修 正量幻的计算如式 2 1 1 所示 其中j 是雅克比矩阵 a q j 1 i i j l e r r a p 欲 2 1 1 1 k z x w d 雅克比矩阵是用来描述机器人关节的微小位移与空间运动之间关系的矩阵 如图 2 1 2 所示 以机器人髋关节为根部 某一侧脚掌为末端连杆的运动关系 口 表示 第 个关节轴在局部坐标系中的单位矢量 雅克比的计算公式为 i 口l 1 n a 口2 p n p 2 口 一l p n p 一1 oi 2 1 2 l g la 2 a n 一1 口 j 其中a 表示在世界坐标系中第 个关节轴的单位矢量 肌表示第 个关节的局 部坐标系原点在世界坐标系的位置 综上 根据式 2 8 2 1 2 n 可计算出关节角的修正量 g 如此不断循环直到误 差足够小 即可求出关节角大小 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 l 数值法求逆运动学解的基本流程 2 3 4 运动学仿真平台 图2 1 2 雅克比矩阵的描述 基于前面建立的仿人足球机器人的模型 首先在s o l i d w o r k s 软件中绘出仿人 足球机器人的结构图 以 w r l 格式的导出文件 然后基于数据驱动图形的原理 在 m a t l a b 中利用虚拟现实 v i r t u a lr e a l i t y 简称v r 工具箱 建立了仿人机器人的运 动学仿真平台 如图2 1 3 所示 为s o l i d w o r k s 中建立的机器人结构图导入到v r 中的结果 第1 7 页 国