基于Kinetis的双足行走机器人控制系统设计文献综述

1中国石油大学（华东）毕业设计（论文）文献综述基于 Kinetis 的双足行走机器人控制系统设计学生姓名：学 号：专业班级：指导教师：中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）文献综述2基于 Kinetis 的双足行走机器人控制系统设计文献综述1 研究目的及意义本课题以飞思卡尔 FSLBOT 双足行走机器人为控制对象，采用飞思卡尔的 32 位 ARM Cortex-M4 高性能微控制器 MK10DN512ZVLL10 为核心，实现对双足行走机器人的控制。双足机器人采用一个 32 位的微处理器、物理传感器和通信模块组成其基本的控制系统。通过对动作程序进行解析，MCU 将产生 PWM 波控制机器人各个关节，从而完成预定的动作。借助传感器和通信模块可以实现实时控制功能，让机器人对外界的触摸、语音或其他激励信号做出相应的动作反馈。基于这一实践平台和相关工具软件我们能够在嵌入式开发领域得到入门级训练。2 双足行走机器人的国内外研究现状2.1 国外双足行走机器人研究现状为了推动双足机器人的发展，世界诸多研究机构纷纷列出了研制计划，其中日本的投入最大。日本本田公司从1986年至今已推出了P系列1、2、3型机器人，其中“P3”的推出，首次实现了一向被认为是难题的双足稳定行走，将双足机器人的研制工作推上了一个新的台阶。本田公司于2000年11月20同推出了ASIM0(Advanced Step Innovative Mobility)，并展示了ASIMO的步行情形。“ASlMO”与“P3”相比，实现了小型轻量化，通过提高双脚步行技术使其更接近人类的步行方式。中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）文献综述“ASIMO”通过事先预测“下面转弯以后重心向外侧倾斜多少”等重心变化，可以使得从直行改为转弯时的步行动作变得连续流畅。2005年6月索尼宣布开发成功了新款双足行走机器人“SDR一4XII”，新型机器人除强化了人机对话功能、提高通信能力外，还在运动性能方面做了改进，以缓和摔倒时的冲击力。在行走中失去平衡摔倒时，能独立做出判断并回避摔倒。2005年7月日本威斯通公司展示了一种新型双足行走机器人BRH一02，它代表该公司参加了在大阪举行的本年度世界机器人大赛。新机器人高472cm、重3lkg，共有23个关节，为提高机器人的运动能力，新机器人在提高了马达的输出功率的同时，还大大提升了运算能力。新机器人除采用第一代机器人使用的加速度传感器外，还配各了螺旋仪。此外，为提高运动性能和位置控制精度，该机器人还增加了关节位置检测功能。2.2 国内双足行走机器人研究现状我国双足机器人的研制工作起步较晚，自1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈尔滨上业大学和国防科技大学最为典型。哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足行走机器人，己经完成了三个中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）文献综述型号的研制工作。HIT-I共10个自由度，重70kg，高1.2m，关节由采用直流电机采用谐波减速器驱动，控制系统由lO个MCS一51单片机系统组成；HIT-II共12个自由度，该机器人髋关节和腿部结构采用了平行四边形结构；HIT-Ill，踝关节采用两电机交叉结构，同时实现了静态步行和动态步行。国防科技大学在1989年研制成功了一台双足行走机器人，这台机器人具有10个自由度，身高14米，体重20公斤，能完成静态步行。2000年11月，机器人的行走频率从过去的1步/6秒，提高到了2步/秒；从只能平地静态步行，到快速自如的动态步行，在机械结构、控制系统结构、协调运动规则和控制方法等关键技术方面均取得一系列突破。还有清华大学、上海交通大学、北京航空航人大学等高等院校和研究机构也在近几年投入了相当的人力、物力，进行双足行走机器人这个领域的研究工作。3 课题的研究目标、研究内容拟解决的关键问题3.1 研究目标本课题将综合利用 Keil、Altium Designer 等嵌入式开发及印刷电路板设计软件，结合相关设计知识，来完成机器人控制系统的软件设计和硬件设计。中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）文献综述3.2 研究内容(1) 控制系统软件设计学习 MCU 的性能及内部主要功能模块与存储空间的地址分配了解基本的编程结构、编程模式及寻址方式编写机器人控制器的底层驱动程序并进行构件化封装结合外围器件进行控制程序的编写与调试(2) 控制系统硬件设计 了解芯片的引脚总体布局情况，掌握硬件最小系统电路 进行电路总体设计与元器件选型 绘制控制电路原理图与 PCB 图(4) PCB 的试加工和测试分析(5) 整体系统的调试和优化问题3.3 拟解决的关键问题（1）MCU 同时控制多路舵机（2）机器人行走动作库的调试（3）实现与外围传感器模块的通信4 课题拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及其可行性分析4.1 研究方法、技术路线及实验方案中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）文献综述（1）采用 Keil 编写控制程序参考芯片手册和相关例程逐步熟悉各模块的操作从控制一路舵机入手掌握多路舵机控制方法经串口与外围模块通信（2）采用 Altium Designer 绘制控制电路原理图及 PCB 图在设计电路的同时进行元器件选型工作，制作元件的封装库布置元器件和走线时要符合设计规范，减少信号干扰4.2 可行性分析目前已对多路舵机控制的原理、动作库的调试及控制器电路原理图的绘制有了很多比较深入的研究。本课题依托 Kinetis 开发例程和芯片参考手册，以及 MCU 开发系统软件 Keil 及 PCB 设计软件 Altium Designer 的应用，通过控制舵机的实现机器人的相应动作。5 课题的创新性（1）采用的 Kinetis 微控制器的内核为 ARM Cortex-M4。ARM Cortex-M4 具有高效的信号处理能力和低功耗、低成本、易于使用的优势。（2）采用飞思卡尔的 FSLBOT 机器人系统的铝合金框架结构，在减轻机器人身体的重量的同时保证了机械强度和稳定性。（3）采用航模用舵机作为关节电机。舵机采用 PID 控制器，伺服功率放大器由脉冲宽度调制器（PWM）和开关控制电路组成，直流伺服电机是舵中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）文献综述机的执行元件，再加上减速机构即可满足精确控制的要求。6 课题的计划进度和预期成果 6.1 课题的计划进度1-5 周查阅 Kinetis 芯片的各种资料，并进行综合分析，提出控制器的设计方案，撰写开题报告。6-7 周 对 FSLBOT 的机械结构分析，进行机器人步态规划。8-9 周 控制系统软件设计。10-12 周 控制系统硬件设计。13-15 周 进行机器人控制系统试验及调试。16-17 周 撰写毕业论文，准备答辩6.2 预期的研究成果完成控制系统的软件和硬件设计，实现飞思卡尔 FSLBOT 机器人的动作控制。控制系统在后期优化后能够打造成学习嵌入式开发的开发平台，可以满足教学与实验的需要。7 参考文献1 ARM.Cortex-M4 Technical Reference ManualpdfDB/OLhttp：/wwwarmcom，20092王宜怀，刘晓升,嵌入式技术基础与实践 M北京：清华大学出版社，20073 冯晓伟，飞思卡尔：拓展ARM和ColdFire内核32位MCU N.中国电子报2010-07-27.中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）文献综述4阮晓钢，仇忠臣，关佳亮，双足行走机器人发展现状及展望 J.机械工程师2007,2:17-19.5郭清，教学双足机器人的研究 D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008:4-6.6 王宜怀，吴瑾，蒋银珍,嵌入式系统原理与实践ARM Cortex-M4 Kinetis M. 北京：电子工业出版社，2012.3.7飞思卡尔推出混合信号 ARMCortex-M4 微控制器系列 KinetisEB/OL/media/2010/0622.asp，20108 梁静强，许瑛，彭应龙，双足步行机器人的结构及其控制系统设计 J.机械工程师，2007,3：47-49.9The Free RTOS ProjectEB/OL，201010 张勇，许东来,小型双足步行机器人的步态规划 J.计算机仿真，2010，27（11）：148-149.11 邵贝贝，龚光华，单片机认识与实践 M.第一版.北京：北京航空航天大学出版社，2006.8:81-92.12 曾强，方跃法.双足步行机器人整体协调运动规划 J.机械，2007，34（2）：53-55.13姚丹丹，构件化可裁剪嵌入式工控板 SDK60 的设计与应用基于 ARM CortexM4 Kinetis 系列微控制器 D.苏州：苏州大学，2012:2-11.14王超艺，基于 CortexM4 内核的 Kinetis 微控制器的应用研究 D.苏州：苏州大学，2011:1-9.中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）文献综述15杨 熙,赵永瑞,张兴,基于 MAX17830 的矿用电池电源管理系统设计 J.微型机与应用，2012,31（21）：85-87.16ARM.Conex-MSeriesEB/OL./products/processors/cortex-m/index.php，2009.17ARM.Cortex-M4ProcessorEB/OL