(整理)双足机器人计划书.

1、精品文档两足机器人系统的研究与实现1、 项目简介1.1 项目摘要双足或人形机器人，又称仿人机器人。双足机器人要实现动作的准确和控制的实时, 必须依赖合理的控制策略和稳定的控制系统以及高效的微处理器。按照设计要求,本项目选定ATME公司的AVR系列单片机ATmegal28为控制核心，设计一套具有19 个自由度的双足人形机器人及其控制系统。实现机器人能够在自主状态下实现前后平稳行走、单腿站立、侧向平移、左右转向行走、前后翻滚以及标准的体操动作等功能。1.2 立项背景机器人是整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物, 能实现环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能。机器人代表了科学

2、技术的最高水平, 在工业、农业、医学建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。宋健院士在国际自动控制联合会第14 届大会报告中指出：“机器人学的进步和应用是 20 世纪自动控制最有说服力的成就, 是当代最高意义上的自动化”。现在 ,国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说, 人们都可以接受这种说法即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会(Robot Institute of America, RIA) 于 1979 年给机器人的定义：一种可编程和多功能的, 用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门

3、系统。作为机器人研究领域的一个重要分支, 双足机器人(Humanoid Robot) 由于其广阔的应用空间一直是研究热点之一。所谓双足机器人, 又称仿人机器人, 是具有人形的机器人,是关节转动灵活, 控制系统复杂, 能完成高难度的动作的机器人。它是机械、自动控制技术、计算机技术、人工智能、微电子学、模式识别、通讯技术、传感器技术、仿生学等多学科和技术综合的结果, 代表着一个国家高科技发展水平。研制与人类特征类似, 具有人类智能、灵活性, 并能与人类交流, 不断适应环境的双足机器人一直是人类的努力的目标。1.3 项目研究意义与传统机器人相比, 双足机器人具有显著的优势, 比一般机器人有更大的机动

4、性、灵活性 , 同时也具有更广泛的应用领域。双足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需要的产物。双足机器人在工农业生产、科学探测、军事侦察、生活服务与娱乐等很多方面都有广泛的应用前景。首先双足机器人在拓展人类的认知范围上发挥着重要作用, 在外层空间、深海等人类尚不能到达的环境都有双足机器人的身影；其次双足机器人己经广泛应用在恶劣、危险条件下或其它不适合人类活动的环境中。双足机器人的迅速发展和广泛应用, 对人类社会的生活和生产产生了深远的影响。也正是因为双足机器人的广泛的应用背景和商业价值 , 所以近年来, 双足机器人成

5、为机器人研究领域内的一个热点。1.4 国内外研究现状现代机器人的研究始于20 世纪 60 年代，最初为工业机器人。随着科学技术的发展，机器人的应用领域也在不断拓宽，逐渐由制造业向非制造业和服务行业发展。具有人类的外形特征，可以模仿人类行为的双足机器人早已出现。比如，本田机器人ASMO索尼机器人QRIOffi韩国KAIST机器人KHR-3等。目 前很多国家都正在积极进行双足机器人的研发。主要有美国、日本、英国、韩国、法国、加拿大等。美国研究机器人较早，日本类人机器人研究成果最多。国内双足机器人的研究相对而言起步较晚, 但发展很快, 并取得了重要进展。我国自“八五”期间开始进入这一研究领域 , 并

6、在国家“863”计划把开发智能机器人的内容列入高科技发展规划中。机器人学国家重点实验室依托于中国科学院沈阳自动化研究所, 定位于国民经济和社会发展、国家安全和重大科学工程提供所需要的机器人技术与系统。另外, 各高校也是国内双足机器人研究中的主力军 , 并取得了很大的进展和成果。2、 研究方案2.1 研究内容（ 1）完成空间19个自由度（手臂、髋、膝、踝）的人型机器人结构设计及实现；精品文档精品文档(2)采用ATmegal28乍为控制芯片，控制器负责给舵机和传感器模块发送指 令，以及对双足机器人的运动进行控制；(3)在移动式机器人模拟软件 Webots中搭建机器人平台，让后用C+魏写实 现前后平

7、稳行走、单腿站立、侧向平移、左右转向行走、前后翻滚以及标准的 体操动作的驱动程序，检验其是否能完成要求的动作；(4)在设计好的软硬件平台上进行相关的实验，实现控制系统设计目标和要 求。2.2研究方法和技术路线2.2.1 人型机器人结构设计根据项目的要求我们将19个自由度做了如上图的配置：其中头部有一个自由度，可以保证头部自由的旋转；每个手臂配置三个自由度，肩部2个自由度保证机器人可以完成左右伸展手臂和前后摆臂的动作，肘部一个自由度可以让 其完成抬臂的动作；胯部有4个自由度，保证机器人横向移动和抬腿的动作； 每条腿有三个自由度，使机器人能够灵活的完成腿部动作；最后脚踝各配置一 个自由度，让其能够

8、完成转弯的动作。以上就是我们设计的机器人的所有自由度的配置方案。由于机械知识的缺乏，我们初步计划购买机器人框架，然后在 框架的基础上进行改造，让其符合我们机器人自由度配置的要求。2.2.2 机器人内核的选择通过查阅大量的文献资料和请教师兄师姐，本设计所选用的主控芯片型号是基于ARM CORTEXM3内核的STM32F1O3RB亥内核具备了优异的计算性能和先进的中断控制系统，支持优先级配置和中断嵌套。STM32F103RB有多达3个USAR破口，可以完成通讯功能以及ISP程序下载。STM32F103RB具备CANI2C, SPI等通信接口，拥有DM馈制器、3个16位定时器以及12位精度的ADC专

9、换模块，其 FLASHY小为 128K, SRAMfc小为 20K。STM32F103RB功能m rtp0 t/) & 4。d A a esEEgssgspeaysiirrnnrirrirrrinrirTnrinrinE<54匚 酸打 加必用57 W %加 七51 *01唱p ,<DD_2PG13-TfMPER-RTC匚1疗 VSS_2PCU-OGC32 IMc3-49 rmTPC15-OSC3l2_OUT匚445 RM2PCC OSCJMc541q RM1PD1 OSC.OUT443 PM。NRST匚7回阳FGZ匚6£1 paPC1E&LOFP呜1 PC

10、9PC；匚1D泊 PCSPCS匚11船J PC7'SSAE12叫q pcgVDDA匚1330 PB15PAC-WKUP匚14股n P511PA1C1S碎 PH13E1B33<17 16 1621 吧 22 2J 路加 3 黑 2。口口 Si 32> JUJJULILJU.LILJLJ Pfi13杳3 口成壬思定立亲更瞿息岳品5匕to 凸图 2-2 STM32F103xx 增强型 LQFP64管脚完全能完成本设计的要求。2.2.3 电源电路设计在舵机驱动过程中为了避免电流波动影响机器人运动稳定性，将舵机驱动 和控制系统分开供电。由于机器人使用的是大扭矩的辉盛995舵机，每个舵

11、机的工作电流是100 mA, 19个舵机同时工作时需要1.9A电流，所以舵机的供电 部分使用了 LM1084-5.0为舵机提供5 V电压，该芯片允许输出的最大电流高 达5Ao在电源的输入端使用二极管桥式整流电路，防止电源接入时的极性错 误。为了减少电路各部分的电源和地之间的相互干扰，在数字地、模拟地之间 引入零欧姆电阻，舵机电源电路如图所示。用 0MGNDJ 11 MGND图2-3机器人舵机电源电路STM32F103RB制系统需要2.03.6 V的电压，为I /O 引脚和内部调压器供电，使用1片AMS1117-3.3产生3.3V稳压电源，电路如图所示。U4 AMS117-：!-3MGND图2-

12、4控制系统电源电路精品文档精品文档2.2.4 传感器的选择陀螺仪与加速度计：陀螺仪是一种运动姿态传感器，它固定安装在机器人上面，可以测量机器人运动过程中旋转的角速度。把测量到的角速度在计算机算法上进行积分，得到的是机器人运动旋转过程中转过的角度，这个角度很重要，通过角度，我们可以对机器人的转动进行控制。这样就比起传统的循线转弯快了很多，在机器人的直线行走过程，也可以通过陀螺来检测机器人是否走偏，从而来对它进行纠偏控制。机器人行走可以分为：走直线的情况和拐弯的情况。直线行走时理论上陀螺仪应该角速度为0，但由于误差常常不为0. 这是可以采用简洁实用的PID 调节控制，达到稳定目标。拐弯时，给机器人

13、的左右两轮设定不同的速度，这样机器人便开始拐弯，然后我们反复不断地读取陀螺测得的机器人目前拐过角度，直到达该角度到设定的角度时再停止拐弯。不为了简化结构和电路选择三轴陀螺仪， 三轴陀螺仪是能够准确测定运动物体前后左右方位，主要用于测量运动物体角速度的惯性器件。利用的是一块机械敏感元件，根据哥氏效应，由元件输入轴的转动产生一个正比于转动角速率的电压。红外传感器：选择功能强大的GP2D1加测距传感器。工作中，根据白色与黑色的反射率不同来辨 别轨迹；避障工作中，根据传感器前方有物体时有反射信号到达接收管来获得触发信号。这里使用红外发射和接收管，组成红外传感阵列来进行环境判断，实现循迹、避障、测距的功能。超声波传感器：超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易