双足步行机器人设计及运动控制讲解

1、哈尔滨理工大学综合课程设计 目录 第1章序言2 1.1双足机器人现状2 1.2技能综合训练意义2 13技能训练的内容2 第2章元件选择、结构设计3 2.1元件选择3 2. 2结构设计三维设计图4 2.2.1零件三位模型以及装配4 2.2.2装配三维模型7 第3章控制系统设计10 第4章系统软件编程与仿真12 第5章 结论错误!未定义书签。 参考文献17 -1- 哈尔滨理工大学综合课程设计 第1章序言 1.1双足机器人现状 随着世界第一台工业机器人1962年在美国诞生，机器人已经有了三 十多年的发展史。三十多年来，机器人由工业机器人到智能机器人，成为 21世纪具有代表性的高新技术之一，其研究涉及

2、的学科涵盖机械、电子、 生物、传感器、驱动与控制等多个领域。 世界著名机器人学专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机 器人应当具有的最大特征之一是步行功能。”双足机器人属于类人机器 人，典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿 及競关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑 及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动。 双足机器人不仅具有广阔的工作空间，而且对步行环境要求很低，能 适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，其步行性能是其它步行结构 无法比拟的。研究双足行走机器人具有重要的意义 1.2技能综合训练意义 技能训练是在学生修完除毕业

3、设计外全部理论和时间课程以后的一次综 合性时间教学环节，其目的和意义在于： 通过技能训练，了解机器人机构及控制系统设计的基础知识； 掌握机器人系统中元部件的正确选择方法和特性参数的确定； 培养学生对所学知识的综合应用，理论联系实际的能力； 培养学生的动手能力和实际操作能力； 1.3技能训练的内容 1、主要内容： 1）、机器人结构设计; 2）、控制系统软硬件设计与仿真； 3）、八自由度机器人运动控制。 2、训练形式 学生以小组为单位，集体讨论确定整体方案；指导教师给岀实训方 向，技术指标等，协助学生完成训练任务。 哈尔滨理工大学综合课程设计 第2章元件选择、结构设计 2.1元件选择 2.1.1电

4、机的选择 常用的电机有直流电机、步进电机、舵机等。下面我们大概对直流电 机、步进电机、舵机进行一下对比(见表24) 表21电机对比 电机 优点 缺点 适用重量 应用场合 直流 电机 功率大、接口简 单、容易购得型 号多 较难装配、较 贵、控制复杂 任何重量 的机器人 较大型机器 人 步进 电机 精确的速度控制 型号多、接口简 单、便宜 体积大，较难 装配、功率 小、控制复杂 轻型机器 人 巡线跟踪机 器人，迷宫 机器人 舵机 易于安装、接口 简单、功率中等 负载能力较低 速度调节范围 较小 重至 2. 5kg 的 机器人 小型机器 人，步行机 器人 所以此处选取XQ-RS313不带两个耳朵全金

5、属齿轮13公斤大扭力 舵机作为双足机器人的传动机构。 参数说明:XQ-RS313舵机 1. 重量：62g 2. 尺寸：约 60nuiiX40miiiX35.5nun 3. 速度：0.17 秒/60 度(4.8V)； 0.13 秒/60 度(6.0V) 4. 扭矩：13kg cm 5. 使用温度:0+55摄氏度 6. 工作电压:4.8V-6V 2.1.2关节材料及尺寸的选择 由于舵机已经选定，则根据加入垫片以后各宽度设计支架的宽度，并 按着人体比例设计大腿、小腿处需要的支架的长度。(如下图标注所示) 根据资料查阅，绝大多数小型双足机器人关节材料均选用铝合金作为 材料，整个结构采用1.5mm的铝合

6、金(LY12)飯金材料，这种材料重量轻、 硬度高、强度虽不如钢，但却大大高于普通铝合金。且这种材料具有弹性 模量、密度比高的特点。又因为机器总重不超过2.5KG,舵机扭矩为13 kg - emo强度远小于铝合金的抗弯强度。所以符合要求。如图212。 -3- 哈尔滨理工大学综合课程设计 图2-1-2关节初步设计简图 2. 2结构设计三维设计 221零件三位模型以及装配 1、舵机，双足机器人的核心部件，型号XQ-RS313,如图221 -4- b 圏222舵盘 哈尔滨理工大学综合课程设计 3、铝合金支架，用于机器人的腿部主体支撑关节，起着连接舵机与 舵机、舵机与腰部的身体板的重要作用。如图2-2-

7、3 图2-2-3铝合金支架 4、连接块，在4个面上都有螺纹孔，用于舵机与铝合金关节的连接 以及关节与关节之间的连接，如图2-2-4 图2-2-4连接块 5、底部机器人脚板，中空设计便于在崎岖不平的道路上行走时提供 足够的摩擦力，如图2-2-5 哈尔滨理工大学综合课程设计 图2-2-7双足机器人模型 女LI图2-2-8为Proe-engineer的双足机器人主视图截图 -8- 哈尔滨理工大学综合课程设计 图2-2-8双足机器人主视图 如图2-2-9为Proe-engineer的双足机器人左视图截图 图2-2-9双足机器人左视图 -9- 哈尔滨理工大学综合课程设计 第3章控制系统设计 舵机的控制信

8、号实质是一个可调宽度的方波信号(PWM)o该方波信号 可由单片机來产生。目前采用单片机做舵机控制器的方案比较多，可以利 用单片机的定时器中断实现PWMo 电路设计方案有二种： 1、利用555定时器实现外部中断； 2、用单片机内部中断。考虑到制作成本，不宜增加外设，故采用方 案2。方案电路图设计如图31所示。 Sfengzhca - ISIS Professional Ji垃)O髓叫IA辎Q)總誓綁龈审1)m 繚Q)觀 08审勺： * +氏Q实倉 叭X也羯腐初1EIM.目客 MT0M$ERrt) QPTOO)IRRF RJL11IP RES RESfW：5 0 BUTTON GP omcfl C

9、OHRM OTVSTAL LED-fiFEEN ! II 1 !蚀烷翊 Red 41 11300 帧 h 图31电路图 -10 哈尔滨理工大学综合课程设计 舵机控制器以80C51单片机为核心，该控制器中单片机可以产生8个 通道的PW信号，分别由80C51的P1. 0P1.7端口输出。输出的8路 PW信号通过光耦隔离传送到下一级电路中。方波信号经过光耦传输后， 前沿和后沿会发生畸变，因此反相器采用40106反相器对光耦传输过来的 信号进行整形，产生标准的PWM方波信号。 根据经验舵机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流，若舵机与单片 机控制器共用一个电源，则舵机会对单片机产生较大的干扰。因此，舵机

10、 与单片机控制器采用两个电源供电，两者不共地，通过光耦来隔离，并且 给舵机供电的电源最好采用输出功率较大的开关电源。该舵机控制器占用 单片机的个SCI串口。串口用于接收上位机传送过来的控制命令，以调节 每一个通道输出信号的脉冲宽度。MAX232为电平转换器，将上位机的 RS232电平转换成TTL电平。 -11- 哈尔滨理工大学综合课程设计 第4章系统软件编程与仿真 舵机的控制信号为周期20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度 从0.5ms-2. 5ms,相对应舵盘的位置为0-180度，呈线性变化。 也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输岀轴就会保持在一个相对应 的角度上，无论外界转矩怎样改

11、变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信 号，它才会改变输岀角度到新的对应的位置上。 舵机输岀转角与输入信号脉冲宽度的关系如图4-1所示： 输入信号脉冲宽度 （周期为20ms） 舵机输出轴转角 0 5 3 1 2.5ms 图4-1舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系 -12 哈尔滨理工大学综合课程设计 测试编程如下(实现45 ,135。的脉冲信号) #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar a; uiiit b; sbit pwl=POAO; sbit pw2=P0Al; void angle(floa

12、t Sl_angle5float S2_angle5uint action_time ) / uint Sl_pw,S2_pw; uchar S l_loop_niim,S2_loop_num; uchar flag=0; S l_pw=(uint)(500+100*S l_angle/9); S2_pw=(uint)(500+100*S2_angle/9); S l_loop_num=S l_pw/20; S2_loop_num=S2_pw/20; TRO=1; while(Iflag) / i pwl=l; while(a!=S l_loop_num); pwl=0; while(!(a=

13、126); a=0; pw2=l; while(a!=S2_loop_num); pw2=0; while(!(a=12); a=0; b+; if(b=action_time) TR0=0; -13- 哈尔滨理工大学综合课程设计 flag=l; b=0; void main() P0=0 x00; TMOD=0 x02; TH0=236; TL0=236; EA=1; ETO=1; angle(0,0,50); angle(45,135,50); void TimeO()intemipt 1 i a+; -14- 哈尔滨理工大学综合课程设计 0 0 0 0.CO 3 I O 口 :卜 回 C

14、lwIC 和 CFF 401C6 - U4A JVn O.CO III | | ! 6脸痢 ”制硕涵丽両阀 图4245和135转角时候的示波器波形 图42 45和135。波形图 -15 哈尔滨理工大学综合课程设计 第5章结论 通过这次技能训练主要运用80C51单片机为控制器开发了一个双足机 器人系统，该机器人系统是由6个舵机构成的6自由度的机械系统。 在设计时，首先对双足机器人的结构、系统控制电路和应用软件的功 能进行了设计与分析，确定了系统的总体结构和组成。 通过这次设计，使我们巩固了机器人设计制造以及单片机的知识，熟 练运用各种制图软件(ProE, AUTOCAD),编程软件(Proteus, Ke订)。提 高了我们的动手能力以及团队写作能力。为我们的毕业设计打好坚实的基 础。 从实践中体会到了学习研究机器人的乐趣。 -16 哈尔滨理工大学综合课程设计 参考文献 1、潘存云、高里基.通用工业机器人运动仿真系统IRKSS.机器人. 19949 94-97 2、徐爱钧，彭秀华.Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与U