仿人形机器人设计

目录摘要.1第一章 设计综述.31.1 智能机器人系统国内外发展现状.31.2 智能机器人系统设计任务概述.41.3 课程设计主要内容. . . .4第二章 方案设计. . . .62.1机械结构方案设计.62.2驱动方案选择.62.3 结构的合理性及参数的合理性.7第三章 机械系统设计.93.1 机械系统总体方案.93.2 关键零部件结构设计.10第四章 控制系统设计.114.1 控制系统总体方案.114.2 运动控制器选型.124.3驱动电机控制电路设计.124.4 电源供电电路设计.12第五章 软件系统设计.135.1 软件系统总体方案.135.2位姿控制方案与流程.13第六章 装配与调试.176.1机器人系统整体装配.176.2系统调试流程与状况.186.3系统缺陷与改进.19第七章 市场应用前景分析.21项目心得.22参考文献.23附录一 成本分析.24 第一章 设计综述1.1 人形机器人系统国内外发展现状人形机器人是具备人类外形特征和行动能力的智能机器人，可以采用双腿行走方式，通过手臂和身体的协调完成一些简单的功能，以及通过简单的语言和人类交流，人形机器人具有显著的优势，与传统的机器人相比，人形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。人形机器人以与人为近似的形态出现，对人类来说就不会感到特别的陌生，也不会产生排斥心理，更容易被人类所接受，所以人形机器人将是未来的日常应用中最重要的机器人。日本在人形机器人方面做出了重要尝试，而其他技术强国也在机器人上做了大量的工作，但侧重点和运用环境和日本有很大的不同。我国的人形机器人研究起步于1986年启动的国家技术计划（863计划），经过二十多年的研究，同样取得了丰硕的成果，如北京理工大学研制的机器人“汇童”有32个自由度，能打太极拳，会腾空行走，并能根据自身的平衡状态和地面高度变化，实现未知路面的稳定行走。图1.1 汇童目前，人形机器人向着两个方发展，一是外形上向着人类的细部特征相同的方向发展;另一个是功能上接近真实人类，具备和人类一样的运动能力和灵活性，对环境的判断能力。目前这两个方面都取得了显著的成果，但两方面的结合似乎还存在着一些难题，比如，如何提高机器人的关节灵活性与减少和简化机器人关节结构的矛盾，以及如何提高行走效率的问题等等。但随着技术的进步以及各种新型工程材料的运用，这些矛盾会在不远的将来得到解决。1.2 人形机器人系统设计任务概述 人形机器人作为一个复杂的机电系统，其设计内容包括机构学、控制技术、传技术、人工智能技术。具体概述如下：（1） 机构学人形机器人的各种机构是构成机器人的基本框架，也是机器人各项功能实现的载体。该人形机器人项目设计任务中主要包括机械臂与机械足。其中机械臂包括肩、肘、腕三个关节，机械足包括胯、膝、腕等五个关节，头部仅需要一个舵机来完成头部转动的一个自由度。（2） 控制技术人形机器人是一个机电复合体，先进的机构离开了控制技术，只能是机器框架。人形机器人的自由度数比较高，需要控制的变量比较多，而且互相有耦合关系，描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型。随着状态的不同，其参数也在变化。因此，机器人的控制系统是一个与机构运动学和动力学原理密切相关的、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的要求很高。由于目标只是一个开发的相对简单、成本较低的人形机器人，故尽量采取简化的控制方法，选择相对低档的控制系统。故在该设计项目中选用舵机控制板控制系统，由于其成本比较低廉，技术难度不高。（3） 传感器技术 在后续的设计产品升级后，在实现基本功能之后，还可以给机器人升级加上传感功能，加给机器人上语音模块，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，给机器人加上触感、温度、避障和声光等各类传感器。使机器人具备一定的环境适应能力和人机交互能力，使其具有娱乐性。（4） 人工智能技术 人工智能，这无疑是需要大数据来支撑的。例如在今后的升级中可以通过万物互联使得机器人可以控制所有电器。就像人们能想象到的是像终结者那样，有能力，有思维，能进行各种语音、文字、图像识别。1.2 课程设计主要内容 本项目小组基于人形机器人的市场定位，需要开发一个具有人类外形的机器人实现基本的运动功能。在此基础上，加入一定的语音功能和感觉功能，加强人机交互能力。但是要求机器人的结构尽可能的简单、生产容易、价格低廉。因此完成人形机器人的设计，主要包括机械部分、传感部分、控制部分三大部分的设计，这三大部分可分为驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统。其中项目内容包括设计一个人形机器人系统，该机器人能够模仿人类行走方式迈步前进，并进行结构设计，每个臂包括腕、肘、肩三个关节，每个足包括腕、膝、胯等五个关节，头部一个关节完成头部的转动，软件方面运用舵机控制板完成舵机的控制实现迈步前进流程。通过研究市场上现有的各种高档产品，分析机器人的特点和目标要求，确定了人形机器人需要具有以下基本功能。（1）机器人外形与人相似，有双臂、双腿、躯干、头等几个部分。（2）机器人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。（3）可以接受开关指令，按照不同的指令执行不同的动作，后续升级中，在实现上面的基本功能之后，还可以给机器人加上以下扩展功能： 机器人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。 机器人通过加入触感、温度、避障和声光等各类传感器，使机器人具备一定的环境适应能力和人机交互能力，更富有娱乐性。第二章 方案设计2.1 机械结构方案设计 该项目中设计的人形机器人由两条腿、两条臂、躯干、头部组成。每个臂包括腕、肘、肩三个关节，每个足包括腕、膝、胯等五个关节，头部一个关节完成头部的转动。各部分比例参考人类设计，机器人的骨架由铝合金材料制成，质量轻，方便加工，如果产品投入大批量成产，也可将铝合金改成塑料，更加轻便，成本相对更低。本着尽可能简化的原则，尽量使机器人关节的位置，所能旋转的角度以及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相当复杂的。因此最终确定的机械结构如图2.1所示。图2.1 机器人结构2.2 驱动方案选择电动机是机器人驱动系统的执行元件，常采用步进电动机，直流伺服电动机等，步进电动机，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，要控制位置和速度，需要反馈回路，对控制系统的要求比较高。根据人形机器人驱动装置的要求：驱动装置的重量尽可能要轻、效率要高、反应速度要快、控制尽可能灵活、位移偏差和速度偏差要小、经济上合理、尽量减少所占空间、安全可靠等。 根据上述要求以及常用电机比较，决定采用MG995小型直流伺服，电动机关节的驱动扭距满足机器人在平地以一定的速度行走的需要。通过舵机控制板控制驱动舵机，其中手臂分布三个舵机、腿分布五个舵机、头部包含一个舵机，完全对称结构总共包括17个MG995型号的舵机，采用24路舵机控制板加以控制完成实现稳定行走动作要求。舵机型号及形状如下图：图2.2 MG995舵机2.3 结构的合理性及参数的合理性结构的合理性 按照人形机器人的架构特点组建人形机器人结构。通过前期的准备工作，所需要的结构支架为：U型梁支架、大脚板、多功能舵机支架、长U支架、短U支架、L型支架、一字型支架、斜U支架。安装一整套的17自由度的人形机器人所需要的结构支架数如下表所示：表1 人形机器人结构支架种类与数量结构支架U型梁 长U 短U L型一字型斜U舵机支架大脚板所需数量147444162（1）多功能舵机支架与短U支架、短U支架与长U支架连接时保持对齐，使其结构稳定。再通过U型梁将两条腿联接固定，将后胸板与双臂联接固定保证其整体性。（2）双腿、双臂为对称结构，保证重心不偏移，保持运动平稳性。（3）最终完成的模型建立按照人类的比例与关节位置、以及运动时的重心转换过程。（4）大脚板的结构：大脚板需要沉孔，这样可以使螺丝帽埋进沉孔，使底部光滑，且多功能支架放置位置水平，左右对齐，以达到其稳定效果。 图2.3 大脚板（5）胸腔内部藏有减压模块和单片机以及舵机控制板，设计时留有一定的空间，按照其各功能板的尺寸确定，胸板尽可能的采用塑料材料，保证更加轻便，使重心尽可能的低，能够保证运动的过程中尽可能做到稳定、不偏移。图2.4 胸腔参数的合理性 参数的设计主要是舵机旋转角度范围的选择。不同位置的舵机所需要实现旋转角度有不同，根据所需要的人类相似的关节角度来控制舵机的旋转角度。本项目小组全部选择0180舵机符合关节运动要求，且方便采购。第3章 机械系统设计3.1 机械系统总体方案 人形机器人是一个复杂的大系统，关节自由度数多，机构比较复杂，是一多输入多输出、强耦合、非线性的复杂多刚体的人形行走动力系统。为了实现人行走这一基本动作，对人形机器人进行良好的控制，搭建一个适合人形机器人特点的机械系统，选择有效的控制策略，实现人形机器人的稳定行走。 本课题设计的机器人机械系统主要由24路舵机控制板、机器人本体各部分舵机组成，通过舵机控制板实时控制舵机运动，即运动控制模块发出控制命令，运动控制模块接受控制命令后，执行相应的动作。通过舵机控制板控制驱动舵机，其中手臂分布三个舵机、腿分布五个舵机、头部包含一个舵机，完全对称结构总共包括17个MG995型号的舵机，采用24路舵机控制板加以控制完成实现稳定行走动作要求。执行系统腿部五关节执行系统手臂三关节总控制系统 图3.1 机械系统总体方案图3.2 关键零部件的结构设计后胸板的结构设计：考虑到后胸板需要联接两端的手臂、U型梁以及整体的减压模块，故其在结构设计中需要满足与多功能舵机控制板螺栓孔的对应要求，其结构设计相对复杂，要求较高。且在满足螺栓孔要求的基础上还要满足重量尽量轻的要求，放置重心太高。在材质的选择上，依然考虑重量方面的影响，最终确定材料为塑料。图3.2 后胸板第4章 控制系统设计4.1 控制系统总体方案本项目所用的总控制系统为STM32F103RCT6单片机控制系统，舵机控制用舵机控制板来完成，外加蓝牙模块，实现人形机器人的脱机执行与远程操控。表2 STM32F103RCT6单片机的主要参数名称参数控制器系列/系列STM32核心尺寸32bit输入/输出数51程序存储器大小256KB存储器容量（RAM）32KB输入/输出线数51振荡器类型外部，内部计时器数8周边器件ADC, DAC, DMA, PWM, 计时器嵌入式接口类型I2C, JTAG, SPI, UARTPWM通道数16电源电压范围2V 到 3.6V舵机的控制主要是PWM波的调制，选用舵机控制板，可快速方便地调制PWM波，是舵机的控制更加简便、快捷。控制系统整体安装如下：图4.1 控制系统安装图4.2 运动控制器选型 机器人的运动由24路舵机控制板控制执行，通过调节舵机控制板中相应舵机的参数，完成多个舵机的联合运动，共同完成人形机器人的行走功能。4.3 驱动电机控制电路人形机器人的电路控制图如下：图4.2 人形机器人舵机控制电路图 如图4.1所示，电源电压经过降压模块的降压，降低到舵机所需要的6V，然后与舵机控制板的VS、GND相连给舵机供电，此处降压，因舵机较多，电压满足的同事，一个降压模块无法提供所需电流，因此，在此处设计成两个降压模块，共同给所有的舵机供电。另外还需一个降压模块，降电压降低到3.3V，一次给32单片机供电，同时，32单片机的3.3V接舵机控制板的VSS，32单片机的GND接舵机控制板的GND，以此给舵机控制板供电，至此，实现所有的用电元件的供电。4.4 电源供电电路设计电源采用的是11.4V的小型锂电池，主要是经过降压模块，将电压降低到6V和3.3V，实现给舵机、32单片机和舵机控制板的供电。第5章 软件系统设计5.1 软件系统方案设计人形机器人所需要实现的功能如下： 1）模仿人的动作，进行直立行走； 2）在实现行走功能的前提下，实现机器人的遥控。根据机器人所需要实现的功能，确定所需的软件系统。人形机器人的行走功能和遥控功能都能够由舵机控制板和STM32F103RCT6单片机来实现，通过调节舵机控制板中各个舵机所需的PWM波的占空比，可实现舵机的不同位姿的调节。调节完毕后，可利用STM32F103RCT6单片机的串口，进行串口通信，以此来实现人形机器人的脱机控制。5.2 位姿控制方案与流程人形机器人的位姿可共分为两部分，一部分为初始位姿，另一部分为循环位姿。具体分为以下七步以及相应舵机控制板参数： 1）初始位姿： 1 静止站立位姿：#1P1530#2P1620#3P2200#4P1400#5P1500#8P1500#9P1350#10P1400#11P1922#12P1370#13P1450#14P1430#16P1620#17P1550#18P720#19P1400#20P1360T1000 图5.1 站立位姿图 2 重心左移位姿：#1P1430#2P1620#3P2200#4P1400#5P1550#8P1500#9P1350#10P1400#11P1922#12P1370#13P1450#14P1430#16P1670#17P1550#18P720#19P1400#20P1260T1000图5.2 重心左移位姿图 3 迈出右腿位姿：#1P1320#2P1450#3P2250#4P1180#5P1540#10P1300#12P1300#16P1660#17P1380#18P720#19P1300#20P1280T1000图5.3 迈出右腿位姿图 2）循环位姿： 1 重心向右前方移动位姿：#1P1640#2P1600#4P1250#5P1478#16P1530#17P1400#19P1260#20P1480T1000图5.4 重心向右前方移动位姿图 2 迈出左腿位姿：#1P1660#2P1700#4P1470#10P1500#12P1500#17P1690#18P850#19P1550#20P1550T1000图5.5 迈出左腿位姿图 3 重心向左前方移动位姿：#1P1400#2P1750#4P1520#5P1560#16P1670#17P1630#18P850#19P1450#20P1250T1000图5.6 重心向左前方移动位姿图 4 迈出右腿位姿：#1P1320#2P1450#3P2250#4P1220#5P1540#10P1300#12P1300#16P1650#17P1350#18P720#19P1300#20P1300T1000图5.7 迈出右腿位姿图 每一条位姿的调节最有一项均为此条位姿执行到所需位姿所需的时间，人形机器人行走的速度调节，可依靠修改每条位姿执行的时间进行修改，依次来调节人形机器人行走的速度。第6章 装配与调试6.1 机器人系统整体装配 人形机器人由两条腿、两条臂、躯干、头部组成。每条腿、臂及躯干均属于一个小装配体，最终完成人形机器人总体的装配。在系统整体装配的过程中也按照上述的方法，首先完成手臂的装配，腿的装配，再按照对称的原则完成另外一只腿以及手臂的装配。接下来完成胸腔内部以及胸板的装配，最后将装配好的五部分联接起来，实现总体装配。 手臂是三个舵机、三个多功能舵机支架、一个短U、一个长U、一个L型支架以及手组成。按照相应的顺序完成装配，最终效果图如下。图6.1 手臂装配图 腿是五个舵机、五个多功能舵机支架、四个短U、一个斜U、一个脚板组成。按照相应的顺序完成装配，最终效果图如下。图6.2腿部装配图胸部是前后左右胸板、泡沫板、三个减压模块、一个24路舵机控制板、单片机组成。按照相应的顺序完成装配，最终效果图如下： 图6.3 胸部装配图 最终五部分的总装，如图6.4所示图6.4 整体装配图6.2 系统调试流程 （1）调试流程 人形机器人完成仿人的直立行走是一个相对较复杂的过程，本项目成员在调试的过程中由简到繁采用了一种循序渐进的过程。首先完成的双足机器人的直立行走的方式，在这个过程中，仅仅需要两条腿的是个舵机参与完成，相对来说重心较好控制，完成起来相对简单。 图6.5 两足机器人行走 在完成两足机器人直立行走过后，加入胸部装配图以及手臂装配体，最终确定由16个舵机参与完成，重心相互转换，运动相对稳定的行走机器人。图6.6 人形机器人行走 6.3 系统缺陷与改进在重心确定的过程中遇到很多困难，最终通过当人形机器人迈左腿向前进的时候，将其重心转移到最腿上，当其转换腿变成右腿向前时，也使其重心转换在右腿上，以此相互交替，最终实现运动平稳。 从双足机器人到人形机器人的过程中，忽略双臂舵机的控制，导致运动不稳，最终改正用24路舵机控制板完成对17个舵机的完全控制，完全模仿人类走路，腿向前迈进，手臂向后摆的姿态。第7章 市场应用前景分析 人形机器人是一类能双足行走的智能机器人，与传统机器人相比，有很大的优势，但人形机器人也远比传统机器人要复杂。人形机器人是具备人类外形特征和行动能力的智能机器人，可以采用双腿行走方式，通过手臂和身体的协调完成一些简单的功能，以及通过简单的语音和人类交流。与传统的机器人相比，人形机器人具有显著的优势。人形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重要的产物，人形机器人以与人近似的形态出现，对人类来说就不会感到特别的陌生，也不会产生排斥心理，更容易被人类所接受，所以人形机器人将是未来的日常应用中最重要的智能机器人。从人形机器人诞生那天起，科研人员一直都砸寻求更前进的技术，我们可以看到研究者的主要工作集中在行走机构的控制方法上，这是因为，人形机器人的最大特点就是和人类一样双足行走，但是双足行走方式虽然是最有效的行走方式，但同时也是相对复杂因此，要使机器人贴近人的行走姿态还需要大量的研究工作。现阶段，全国所有产业都进入转型阶段，先提倡科技创业、科技发展，中国目前急需摆脱“制造”大国的国情，从而发展科技，成为“智造”大国。机器人具有较高的可以含量，而且目前正处于快速发展的阶段，具有广大的市场，在不就的将来，机器人将进入我们的家庭，成为生活的必须品，而人形机器人又是机器人行业中的佼佼者，具有更为广阔的市场和更好的发展前景。 项目心得 设计往往离不开自己的阅历，经验的积累固然可以从书本上学到不少，但是事非躬亲很难在脑海中留下深刻的印象，对别人的经验，自己没有一定的基础，要理解吸收真的是一件很不容易的事