兩足行走機(jī)器人—身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)
兩足行走機(jī)器人—身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì),兩足行走機(jī)器人—身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì),行走,機(jī)器人,身體,頭部,結(jié)構(gòu),部分,部份,設(shè)計(jì)
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文) 第 28 頁 共28 頁
1 緒論
1.1 引言
什么是機(jī)器人呢?在國際上,關(guān)于機(jī)器人的定義很多,出發(fā)點(diǎn)各不相同,有的強(qiáng)調(diào)工業(yè)機(jī)器人特征,有的側(cè)重于智能機(jī)器人。美國機(jī)器人協(xié)會認(rèn)為“機(jī)器人是一種用于移動各種材料、零件的工具或?qū)S醚b置;是通過程序動作來執(zhí)行各種任務(wù),并具有編程能力的多功能操作機(jī)”,顯然該定義指的是工業(yè)機(jī)器人,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)也有類似的定義。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(JIRA)定義機(jī)器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的且能夠完成各種移動來代替人類勞動的通用機(jī)器。有些定義直接把機(jī)器人分為工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)器人兩種情況來解釋,認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人是“一種能夠執(zhí)行與人的上肢(手和臂)類似動作的多功能機(jī)器”,智能機(jī)器人是“一種具有感覺和識別能力,并能夠控制自身行為的機(jī)器”。我國的蔣新松院士曾建議把機(jī)器人定義為“一種擬人功能的機(jī)械電子裝置”。盡管定義各不相同,但有共同之處,即認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)具有下列特征:
(1)像人或人的上肢,并能模仿人的動作;
(2)具有智力或感覺與識別能力;
(3)是人造的機(jī)械或機(jī)械電子裝置。
當(dāng)然,隨著機(jī)器人的進(jìn)化和其智能的發(fā)展,這些定義很難涵蓋其本質(zhì),有必要修改[1]。
1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù)
1.2.1 機(jī)器人的發(fā)展
20世紀(jì)40年代,伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn),關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。60年代美國的 Consolidatedcontry公司研制出第一臺機(jī)器人樣機(jī),并成立了Unimation公司,定型生產(chǎn)了Unimate機(jī)器人。20世紀(jì)70年代以來,工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起,機(jī)器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)科。1970年,第一次國際機(jī)器人會議在美國舉行。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。目前,盡管關(guān)于機(jī)器人的定義還未統(tǒng)一,但一般認(rèn)為機(jī)器人的發(fā)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代。第一代機(jī)器人,主要指只能以“示教一再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人,其只能依靠人們給定的程序,重復(fù)進(jìn)行各種操作。目前的各類工業(yè)機(jī)器人大都屬于第一代機(jī)器人。第二代機(jī)器人是具有一定傳感器反饋功能的機(jī)器人,其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息,通過計(jì)算機(jī)處理、分析,機(jī)器人按照己編好的程序做出一定推理,對動作進(jìn)行反饋控制,表現(xiàn)出低級的智能。當(dāng)前,對第二代機(jī)器人的研究著重于實(shí)際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機(jī)器人是指具有環(huán)境感知能力,并能做出自主決策的自治機(jī)器人。它具有多種感知功能,可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維,判斷決策,在作業(yè)環(huán)境中可獨(dú)立行動。第三代機(jī)器人又稱為智能機(jī)器人,并己成為機(jī)器人學(xué)科的研究重點(diǎn),但目前還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段。機(jī)器人技術(shù)己成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)與重心,并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用。可以預(yù)見到,機(jī)器人將在21世紀(jì)人類社會生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。
1.2.2 機(jī)器人技術(shù)
機(jī)器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科,該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛,集中了機(jī)械工程、電氣與電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果,代表了機(jī)電一體化的最新成就。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長,它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會進(jìn)步的需要,是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前,機(jī)器人及其自動化成套裝備己成為國內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,與此同時它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂等各個領(lǐng)域滲透。目前,雖然機(jī)器人的能力還是非常有限的,但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學(xué)科的發(fā)展和社會需要的發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢,如網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、協(xié)作機(jī)器人技術(shù)、微型機(jī)器人技術(shù)和雙足步行機(jī)器人技術(shù)等。人們普遍認(rèn)為,機(jī)器人技術(shù)將成為緊隨計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后的又一次重大的技術(shù)革命,它很可能將世界推向科學(xué)技術(shù)的新時代[2]。
1.3 雙足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國內(nèi)外研究概況
1.3.1 雙足步行機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)
機(jī)器人是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物,因?yàn)槿藗兛偸窃O(shè)法讓機(jī)器來代替人的繁重工作,從而發(fā)明了各種各樣的機(jī)器。機(jī)器的發(fā)展和其它事物一樣,遵循著由低級到高級的發(fā)展規(guī)律,機(jī)器發(fā)展的最高形式必然是機(jī)器人。而機(jī)器人發(fā)展的最高目標(biāo)是制造出像人一樣可以行走和作業(yè)的機(jī)器人,也就是擬人機(jī)器人。因?yàn)樗哂辛己玫沫h(huán)境適應(yīng)性,并且這種優(yōu)秀品質(zhì)在高低不平的路面上以及具有障礙物的空間里更加突出,所以與之相關(guān)的問題己經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。擬人機(jī)器人的研制工作開始于20世紀(jì)60年代,短短的幾十年時間內(nèi),其研制工作進(jìn)展迅速。步行機(jī)器人的研制工作是其中一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前,機(jī)器人的移動方式主要包括輪式、履帶式、爬行式、蠕動式以及步行等方式。對輪式和履帶式移動機(jī)器人的研究主要集中在自主運(yùn)動控制上,如避障路徑規(guī)劃等。這兩種機(jī)器人過分依賴于周圍環(huán)境,應(yīng)用范圍受限。爬行和蠕動式機(jī)器人主要用于管道作業(yè),具有良好的靜動態(tài)穩(wěn)定性,但速度較低。常見的步行機(jī)器人有雙足、四足和六足等情況。自然界事實(shí)、仿生學(xué)以及力學(xué)分析表明:在具有許多優(yōu)點(diǎn)的步行機(jī)器人中,雙足步行機(jī)器人因其體積相對較小,對非結(jié)構(gòu)性環(huán)境具有較好的適應(yīng)性,避障能力強(qiáng),移動盲區(qū)很小等優(yōu)良的移動品質(zhì),格外引人注目。首先,對于支撐路面,雙足步行機(jī)器人的要求很低,理論上只需要分散的、孤立的支撐點(diǎn),就可以通過機(jī)器人自行選擇最佳的支撐點(diǎn),獲得最佳的移動性能。而輪式移動機(jī)器人通常要求連續(xù)的、硬質(zhì)的支撐路面,對于惡劣的支撐路面,它只能被動的適應(yīng)。其次,在存在障礙物的情況下,雙足步行機(jī)器人能夠跨越與自身腿長相當(dāng)?shù)恼系K物,甚至跳越障礙,而輪式移動機(jī)器人僅能滾越尺寸小于輪子半徑的障礙物。機(jī)器人力學(xué)計(jì)算表明,足式步行機(jī)器人的能耗通常低于輪式和履帶式[7]。
1.3.2 雙足步行機(jī)器人的步行特點(diǎn)及研究意義
世界著名機(jī)器人專家,日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大的特征之一是步行功能”。一般說來,機(jī)器人的步行方式有兩種,即靜態(tài)步行與動態(tài)步行。靜態(tài)步行是指低速步行,不考慮慣性力,機(jī)器人在行走過程中只需要滿足靜力平衡條件,即重心要始終保持在支撐腳區(qū)域內(nèi):動態(tài)步行與之不同,必須考慮慣性力的影響,行走過程中要滿足動態(tài)平衡,即控制系統(tǒng)的零力矩點(diǎn)(zMP)始終在支撐腳的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。動態(tài)步行具有速度快效率高等優(yōu)點(diǎn)。靜態(tài)步行可以看作動態(tài)步行的特例。和輪式、履帶式、爬行式、蠕動式等機(jī)器人相比,雙足步行機(jī)器人在具有上述難以取代的優(yōu)越性的同時,也存在很多的技術(shù)難關(guān),穩(wěn)定步行和高速運(yùn)動都困難的。雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)存在著高階、強(qiáng)耦合、多變量及非線性等特性,這些特性使得雙足步行機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的精確求解非常困難,而且也沒有十分理想的理論或方法來求解逆運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)解析解,只有外加一些限制條件,如能量消耗最小,峰值力矩最小來求解運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的近似解,這往往導(dǎo)致了機(jī)器人的規(guī)劃運(yùn)動與實(shí)際運(yùn)動有較大的出入。所以,迄今為止雙足步行機(jī)器人還是以“靜步行”為主,特點(diǎn)是步速較低、步幅較小,其運(yùn)動性能與人類相比還相距甚遠(yuǎn)。由于步行機(jī)器人的發(fā)展受到機(jī)構(gòu)學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等學(xué)科發(fā)展程度的制約,還處于實(shí)驗(yàn)室研制階段,距離真正意義上的擬人機(jī)器人還有相當(dāng)?shù)木嚯x[10]。在這一領(lǐng)域內(nèi)還有許多的問題等待我們?nèi)ソ鉀Q。雙足步行是生物界最難的動作,它的完美實(shí)現(xiàn)必然要求機(jī)器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面產(chǎn)生巨大的變革和創(chuàng)新,從而有力地推動相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。同時,雙足步行機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動、多傳感器,而且具有冗余自由度,這給控制研究帶來很大困難,也相應(yīng)的給各種控制策略和優(yōu)化方法提供了理想的試驗(yàn)平臺,因此,對雙足步行機(jī)器人的研究具有很高的理論價值,引起國內(nèi)外無數(shù)專家學(xué)者的矚目[4]。為了促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在我國的發(fā)展,全國各地尤其是部分高校舉辦了各種類型的機(jī)器人大賽。中國機(jī)器人大賽是由中國自動化學(xué)會機(jī)器人競賽工作委員會和科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心主辦的一個全國性的賽事。其中最為引人矚目的舞蹈機(jī)器人項(xiàng)目就是為了促進(jìn)雙足步行機(jī)器人的發(fā)展而設(shè)立的。由于步行機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)目前還存在很多技術(shù)難題,前幾屆由中國科技大學(xué)主辦的舞蹈機(jī)器人大賽基本上是以輪式機(jī)器人為主,還沒有出現(xiàn)步行機(jī)器人參賽。由此可見,雙足步行機(jī)器人的發(fā)展還有一段很長的路要走。研制雙足步行機(jī)器人的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是步態(tài)規(guī)劃。所謂的步態(tài),是指在步行過程中,步行本體的身體各部位在時序和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系;步態(tài)規(guī)劃就是給出機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置與時間的關(guān)系,是雙足步行機(jī)器人研制中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),也是難點(diǎn)之一。步態(tài)規(guī)劃的好壞將直接影響到雙足步行機(jī)器人的行走穩(wěn)定性、美觀性以及各關(guān)節(jié)所需驅(qū)動力矩的大小等多個方面,已經(jīng)成為雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?;谏鲜鲈颍菊n題擬進(jìn)行雙足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃研究,研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機(jī)器人平臺,為進(jìn)一步的擬人機(jī)器人研制奠定基礎(chǔ)。
1.3.3 國外研究概況
擬人機(jī)器人的研究是一個很誘人、難度很大的研究課題。關(guān)于這方面的研究日本走在了世界的前列。早稻田大學(xué)理工學(xué)部1973年建立了“人格化機(jī)器人”研究室,曾開發(fā)出不少擬人機(jī)器人系統(tǒng)。例如會演奏鋼琴的機(jī)器人、雙足步行機(jī)器人以及電動假肢等。該研究室的帶頭人高西淳夫教授說:“人格化機(jī)器人的一個很大特征就是它具有與人類相近的結(jié)構(gòu)。機(jī)器人與人類的共存是我們研究開發(fā)的課題之一”。當(dāng)今世界,有“機(jī)器人王國”之稱的日本在雙足步行機(jī)器人研究領(lǐng)域處于絕對領(lǐng)先地位,具有代表性的研究機(jī)構(gòu)有加藤實(shí)驗(yàn)室、日本早稻田大學(xué)、日本東京大學(xué)、日本東京理工學(xué)院、日本機(jī)械學(xué)院、松下電工、本田公司和索尼公司等。日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授于1968年率先展開了雙足步行機(jī)器人的研制工作,并先后研制出場系列樣機(jī)若干年研制出P-1平面自由度步行機(jī)器人,該機(jī)器人具有六個自由度,每條腿有骼、膝、踩三個關(guān)節(jié);關(guān)節(jié)處使用人造橡膠肌肉,通過充氣、排氣引起肌肉收縮,肌肉的收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)步行。1971年,研制出WAP-3型雙足機(jī)器人,仍采用人工肌肉,具有11個自由度,能在平地、斜坡和階梯上行走。該機(jī)器人重130kg高0.9m,實(shí)現(xiàn)步幅15cm,每步455的靜態(tài)步行;同年又研制出WL-5雙足步行機(jī)器人,該機(jī)器人采用液壓驅(qū)動,具有11個自由度,下肢作三維運(yùn)動,上軀體左右擺動以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人重心的左右移動。1973年,在WAP-5的基礎(chǔ)上配置機(jī)械手及人工視覺、聽覺等裝置組成自主式WAROT-1。1980年,推出WL-9DR(Dynam Refined)雙足機(jī)器人,該機(jī)器人采用預(yù)先設(shè)計(jì)步行方式的程序控制方法,通過對步行運(yùn)動的分析及重復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步態(tài)軌跡,用設(shè)計(jì)出的步態(tài)控制機(jī)器人的步行運(yùn)動,該機(jī)器人采用了以單腳支撐期為靜態(tài),雙腳切換期為動態(tài)的準(zhǔn)動態(tài)步行方案,實(shí)現(xiàn)了步幅45cm,每步95的準(zhǔn)動態(tài)步行。1984年,研制出采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的WL-10DR雙足機(jī)器人,增加了踝關(guān)節(jié)力矩控制,將一個步行周期分為單腳支撐期和轉(zhuǎn)換期。1986年,又成功研制了wL- 12(R)雙足機(jī)器人,該機(jī)器人通過軀體運(yùn)動來補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)了步行周期23秒,步幅30cm的平地動態(tài)步行。代表雙足步行機(jī)器人和擬人機(jī)器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。本田公司從1986年至今已經(jīng)推出了Pl,PZ,P3系列機(jī)器人,在PZ和P3中,使用了大量的傳感器:陀螺儀(測定上體偏轉(zhuǎn)的角度和角速度)、重力傳感器、六維力/力矩傳感器和視覺傳感器等,利用這些傳感器感受機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)和外界環(huán)境的變化,并基于這些傳感器對下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動做出調(diào)整,實(shí)現(xiàn)動態(tài)步行。并且于2000年11月20日,推出了新型雙足步行機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)了與人一樣自然行走的新姿態(tài)控制技術(shù),自律連續(xù)移動技術(shù)以及可順暢地與人同步動作的技術(shù)等,使其更容易適應(yīng)人類的生活空間,通過提高雙腳步行技術(shù)使其更接近人類的步行方式。雙腳步行技術(shù)方面采用了新開發(fā)的技術(shù),雙腳步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的“預(yù)測運(yùn)動控制功能”,它可以實(shí)時預(yù)測以后的動作,并且據(jù)此事先移動重心來改變步調(diào)。以往由于不能進(jìn)行“預(yù)測運(yùn)動控制”,當(dāng)從直行改為轉(zhuǎn)彎時,必須先停止直行動作,然后才可以轉(zhuǎn)彎。索尼公司于2000年11月21日推出了人形娛樂型機(jī)器人SDR-3X(Sony DreamRobot一3x)。SDR一3X:頭部2個、軀干2個、手臂 4×2個、下肢和足部6×2個,共計(jì)24個自由度。2001年7月,川田工業(yè)公司的航空機(jī)械業(yè)務(wù)部開發(fā)出了研究用類人型雙足步行機(jī)器人。該機(jī)器人身高146.8cm,體重55kg,關(guān)節(jié)自由度全身合計(jì)32個。通過使用具有搖桿(Joystick)的操作部件,可以令該機(jī)器人向任何方向自由步行。該產(chǎn)品在腳趾處安裝有關(guān)節(jié),從而提高了步行的速度,并且能夠爬上最高階差為25cm的樓梯。2002年6月12日,機(jī)器人世界杯國際委員會宣布將從2002年6月20日起在日本的福岡與韓國的釜山舉行機(jī)器人世界杯大賽。從該屆起,將增設(shè)雙足步行機(jī)器人的足球賽事。這標(biāo)志著機(jī)器人選手參加的世界杯又向人類走近了一步。該大賽的目標(biāo)是“在2050年之前,制造出能夠戰(zhàn)勝當(dāng)時世界冠軍隊(duì)的自律型機(jī)器人隊(duì)伍”,這一夢想將由雙足步行機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)。2005年1月12日,由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的比留川博等人開發(fā)出一臺取名“H-2”擬人機(jī)器人亮相東京。該機(jī)器人身高154cm,體重 58kg。研究人員先請民間藝術(shù)家跳舞,用特殊攝像機(jī)拍攝后將畫面輸入電腦,并對手、腳、頭、腰等32個部位的動作進(jìn)行解析,然后把有關(guān)解析數(shù)據(jù)輸入給機(jī)器人,最后利用這些數(shù)據(jù)來控制機(jī)器人手的動作和腳步等,使“HRP-2”可以和人一樣動作連貫,翩翩起舞。除了日本之外,美國、英國、法國等也對步行機(jī)器人做了大量的基礎(chǔ)理論研究和樣機(jī)研制工作,并取得一定成就。美籍華人鄭元芳博士是美國雙足步行機(jī)器人研究者中一位非常杰出的人物。他基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研制出兩臺雙足步行機(jī)器人,分別命名為SD-1和SD-2,SD-1具有4個自由度,SD-2具有8個自由度,其中SD-2是美國第一臺真正類人的雙足步行機(jī)器人。他利用SDR-2于 1986年實(shí)現(xiàn)了平地上的前進(jìn)、后退以及左、右側(cè)行;1987年,又成功地實(shí)現(xiàn)了動態(tài)步行。1971年至1986年間,英國牛津大學(xué)的Witt等人制造并完善了一個雙足步行機(jī)器人,該機(jī)器人在平地上行走良好,步速達(dá)0.23m/s。前面所述的研究主要是關(guān)于主動式步行機(jī)器人(靠關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動)。加拿大的d·McGeer主要研究被動式雙足步行機(jī)器人,即在無任何外界輸入的情況下,靠重力和慣性力實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動。1989年,他建立了平面型的雙足步行機(jī)構(gòu),兩腿為直桿機(jī)構(gòu),沒有膝關(guān)節(jié),每條腿上各有一個小電機(jī)來控制腿的伸縮,無任何主動控制和能量供給,放在斜坡上,可依靠重力實(shí)現(xiàn)動態(tài)步行。目前,主動和被動式雙足步行機(jī)器人在研究上很少互相借鑒。
1.3.4 國內(nèi)研究概況
國內(nèi)雙足步行機(jī)器人的研制工作起步較晚,我國是從20世紀(jì)80年代開始雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年,我國開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃,1987年,我國的“863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機(jī)器人研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù),隨后取得了一定的成就。自1985年以來,相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果,其中以哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)較為成果顯著。在自然科學(xué)基金和國家“863”計(jì)劃的支持下,哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1985年開始研制雙足步行機(jī)器人,迄今為止己經(jīng)完成三個型號的研制工作。1988年哈工大HIT-I型雙足步行機(jī)器人問世,HIT-I型雙足步行機(jī)器人具有10個自由度,重100kg,高1.2m,關(guān)節(jié)由直流伺服電機(jī)驅(qū)動,屬于靜步態(tài)行走。HIT-Ⅰ具有12個自由度,該機(jī)器人髖關(guān)節(jié)和腿部結(jié)構(gòu)采用了平行四邊形結(jié)構(gòu)。HIT-Ⅱ具有12個自由度,踝關(guān)節(jié)采用兩電機(jī)交叉結(jié)構(gòu),同時實(shí)現(xiàn)了兩個自由度,腿部結(jié)構(gòu)采用了圓筒形結(jié)構(gòu)。HIT-Ⅲ實(shí)現(xiàn)了靜步態(tài)行和動步態(tài)步行,能夠完成前/后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺階及上斜坡等動作。1988年春,國防科技大學(xué)成功研制出我國第一臺平面型六自由度的雙足機(jī)器人,能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退和上下樓梯;1989年,他們又實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)動態(tài)步行。1990年,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的全方位行走;2000年2月30日,國防科技大學(xué)在自1986年開始研制的雙足步行機(jī)器人的基礎(chǔ)上,成功研制出我國第一臺擬人機(jī)器人“先行者”,并通過國家“863”項(xiàng)目專家組驗(yàn)收。與該校1990年成功研制的雙足步行機(jī)器人相比,其行走頻率從過去的6秒每步提高到每秒兩步;從只能平地靜態(tài)步行,到能快速自如地動態(tài)步行;從只能在己知環(huán)境下步行,到可在小偏差、不確定環(huán)境下行走,實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破。2003年1月取名為BRH-1的仿人機(jī)器人在北京理工大學(xué)通過國家“863”項(xiàng)目組的驗(yàn)收。這個機(jī)器人身高1.58m,體重76kg,具有32個自由度,每小時能夠行走1km,步幅0.33m。驗(yàn)收專家認(rèn)為該機(jī)器人在系統(tǒng)集成、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)了重大的突破。仿人機(jī)器人課題組負(fù)責(zé)人、北京理工大學(xué)教授李科杰認(rèn)為:目前“BHR-1”仿人機(jī)器人己經(jīng)能夠根據(jù)自身力覺、平衡覺等感知機(jī)器人自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化,實(shí)現(xiàn)在未知地面上的穩(wěn)定行走和太極拳表演,使中國成為繼日本之后,第二個研制出無外接電纜行走,集感知、控制、驅(qū)動、電源和機(jī)構(gòu)于一體的高水平仿人機(jī)器人國家。
2 雙足機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 引言
雙足步行機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)是研究機(jī)器人的基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到機(jī)器人后續(xù)的研究工作。以雙足類人結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ),各研究結(jié)構(gòu)研制的雙足機(jī)器人在自由度,驅(qū)動方式,重量,高度與結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機(jī)器人結(jié)構(gòu)的不同,其控制的方式也有所不同。
2.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析
兩足步行機(jī)器人是對人類自身的模仿,但是人類總共有上肢52對,下肢62對,背部112對,胸部52對,腰部8對,頸部16對,頭部25對之多的肌肉。從目前的科學(xué)發(fā)展情況來看,要控制具有400個雙作用式促進(jìn)器的多變量系統(tǒng)是不可能的,因此,在設(shè)計(jì)步行機(jī)械時,人們只考慮移動的基本功能。例如,只考慮在平地或者具有已知障礙物的情況下的步行。鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度對類人機(jī)器人的腿部自由度配置進(jìn)行了深入的研究,得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下兩足步行機(jī)器人的自由度配置。他認(rèn)為髖部和踝部設(shè)兩個自由度,可使機(jī)器人在不平地面上站立,骸部再加一個扭轉(zhuǎn)自由度,可改變行走方向,踝關(guān)節(jié)處加一個旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地,這樣機(jī)器人的腿部需要有7×2個自由度(骸關(guān)節(jié)3個,膝關(guān)節(jié)1個,踝關(guān)節(jié)3個)。但是,無論現(xiàn)在的兩足步行機(jī)器人還是擬人機(jī)器人都還只能在規(guī)則路面上行走,所以各研究機(jī)構(gòu)都選擇了6×2個自由度(踝關(guān)節(jié)3個,膝關(guān)節(jié)1個,踝關(guān)節(jié)2個),如:哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT-m、國防科技大的“先行者”、本田公司的AsIMO和索尼公司的SDR和QRIO。具有6×2個自由度的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制都特別的復(fù)雜。按照在能完成研究目標(biāo)的情況下,自由度最少的設(shè)計(jì)原則,在過去的四十年中,為了不同的研究目標(biāo),人們設(shè)計(jì)了許多具有不同自由度的兩足步行機(jī)器人,按照行走過程中的穩(wěn)定方式,兩足步行機(jī)器人一般分為三類:
(1) 靜態(tài)機(jī)器人,這類步行機(jī)器人的COM(Censer of Mass)始終處于支撐多邊形(單腳支撐期為支撐腳的輪廓線,雙腳支撐期為兩只腳的外邊沿所圍成的凸多邊形)內(nèi),所以只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走;
(2) 動態(tài)機(jī)器人,這類步行機(jī)器人有踝關(guān)節(jié),依靠踝關(guān)節(jié)來保證它的ZMP點(diǎn)(Zero Momeni Censer)始終處于支撐多邊形內(nèi),所以可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走和動態(tài)行走;
(3) 全動態(tài)機(jī)器人,這類步行機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)沒有驅(qū)動,甚至沒有踝關(guān)節(jié)所以,支撐多邊形在單腳支撐期縮小成一個點(diǎn),在雙腳支撐期縮小為一條線段,所以,這類機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡,只能實(shí)現(xiàn)動態(tài)行走[8, 9]。
自由度數(shù)最少的兩足步行機(jī)器人只有一個自由度,如圖2.1所示。這類機(jī)器人沒有軀干,兩條腿直接鉸鏈在一起。這類機(jī)器人理論上只有一個自由度,實(shí)際上,為了防止擺動腿擺動時和地面干涉,這兩條腿都必須是可以伸縮的。加上這兩個平移自由度,這個機(jī)器人實(shí)際上有3個自由度。它的運(yùn)動學(xué)模型是平面的,沒有側(cè)向運(yùn)動,在徑向平面內(nèi)的運(yùn)動象一個兩腳圓規(guī)。在雙腳支撐期,沒有冗余自由度。這類兩足步行機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡,屬于完全動態(tài)機(jī)器人,在僅受重力作用時,可以在斜面上行走。
圖2.1 一個自由度的兩足步行機(jī)器人
2.3 雙足機(jī)器人的自由度配置
我們設(shè)計(jì)了一個雙足步行機(jī)器人模型,如圖2.2所示。顯著的結(jié)構(gòu)特征就是采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)平地前后行、爬斜坡等功能。動力源采用舵機(jī)直接動,這樣不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動精度高以及大大增加關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最大角度,而且驅(qū)動源全為電機(jī),便于集中控制和程序化控制。
圖2.2 雙足步行機(jī)器人模型
圖2.2模仿人類,肩關(guān)節(jié)三個自由度,前向和側(cè)向自由度,一般不考慮轉(zhuǎn)動的自由度。肘關(guān)節(jié)兩個自由度前向和側(cè)向自由度,腕關(guān)節(jié)一個自由度。踝關(guān)節(jié)有兩個自由度,前向和側(cè)向自由度:膝關(guān)節(jié)只有一個前向自由度,髖關(guān)節(jié)處要模擬人類髖關(guān)節(jié)行為理論上要求有三個正交的自由度,但在機(jī)器人直線前進(jìn)時只需要正交的前向和側(cè)向自由度,同樣不考慮[5, 6]。
2.3.1 頭部及身體結(jié)構(gòu)規(guī)劃
在頭部裝有一個舵機(jī),可實(shí)現(xiàn)Z軸一個自由度的轉(zhuǎn)動。身體內(nèi)部空心以降低重心,提高機(jī)器人步行的穩(wěn)定性。頭部結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。身體結(jié)構(gòu)如圖2.4,圖2.5所示。
圖2.3 頭部零件
圖2.4 機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu)
圖2.5 機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu)
2.4 驅(qū)動方式的選擇
驅(qū)動器用于驅(qū)動機(jī)構(gòu)本體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動功率。目前驅(qū)動方式主要有氣動、液壓和伺服電機(jī)。驅(qū)動器在雙足步行機(jī)器人中的作用就相當(dāng)于人體的肌肉,如果把連桿以及關(guān)節(jié)想象為機(jī)器人的骨骼,那么驅(qū)動器就起到肌肉的作用,它通過移動或轉(zhuǎn)動連桿來改變機(jī)器人的構(gòu)型。驅(qū)動器必須有足夠的功率對負(fù)載加速或者減速。同時,驅(qū)動器本身要精確、靈敏、輕便、經(jīng)濟(jì)、使用方便可靠且易于維護(hù)[11 ,12]。
目前己經(jīng)有很多種驅(qū)動器,常用的有以下幾種:(1)電動機(jī):舵機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直接驅(qū)動電機(jī);(2)液壓驅(qū)動器;(3)氣壓驅(qū)動器;(4)形狀記憶合金驅(qū)動器;(5)磁致伸縮驅(qū)動器等。液壓驅(qū)動是由高精度的剛體和活塞一起完成的?;钊蛣傮w采用滑動配合,壓力油從液壓缸的一端進(jìn)入,把活塞推向液壓缸的另一端,調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)部活塞兩端的液體壓力和進(jìn)入液壓缸的油量即可控制活塞的運(yùn)動。以前在大型的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中,液壓系統(tǒng)使用非常普遍,它具有驅(qū)動力矩大,功率重量比較高,工作平穩(wěn)可靠,系統(tǒng)響應(yīng)速度快以及傳動中的力、速度、易于實(shí)現(xiàn)自動控制等特點(diǎn);但是也存在成本高、重量大、工藝復(fù)雜以及可能發(fā)生泄漏甚至高溫爆炸等缺點(diǎn),同時因其固有的笨重性,不宜用作雙足步行機(jī)器人的驅(qū)動器。
氣動具有成本低、控制簡單的特點(diǎn)。氣動裝置在原理上和液壓系統(tǒng)非常相似,它以壓縮空氣為氣源驅(qū)動氣缸做直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,并用人工或電磁閥進(jìn)行控制。氣動調(diào)節(jié)閥的制造精度要求沒有液壓元件高,易于高速控制,無污染,但由于位置控制困難,只能用于1/2自由度(受限的關(guān)節(jié),被限定為幾個可能的值)的開關(guān)類型關(guān)節(jié),實(shí)現(xiàn)插入、點(diǎn)位搬運(yùn)等簡單操作,并且其工作穩(wěn)定性差,壓縮空氣需要除水。液壓驅(qū)動與氣壓驅(qū)動不能實(shí)現(xiàn)自帶能源,更直接決定了其難于應(yīng)用到雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)中。步行機(jī)器人各個關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)副。在廉價的計(jì)算機(jī)問世之前,控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的主要困難是計(jì)算量大,所以當(dāng)時認(rèn)為采用直線驅(qū)動方式比較好。今天,電機(jī)驅(qū)動和控制的費(fèi)用已經(jīng)大大降低,大功率晶體管己經(jīng)廣泛使用,只需要采用幾個晶體管就可以驅(qū)動一臺大功率伺服電機(jī)。同樣,微型計(jì)算機(jī)的價格也越來越便宜,計(jì)算機(jī)費(fèi)用在機(jī)器人總費(fèi)用中所占的比例大大降低。甚至在每個關(guān)節(jié)或自由度中都采用一個微處理器?;谏鲜龇治隹梢钥闯?,電機(jī)驅(qū)動具有成本低、精度高、易于控制、可靠且維修方便等特點(diǎn),是最常用的機(jī)器人驅(qū)動器。直接驅(qū)動電動機(jī),形狀—記憶合金等驅(qū)動器目前還處于研究和開發(fā)階段,在不遠(yuǎn)的將來會變得非常有用。
本雙足步行機(jī)器人采用舵機(jī)直接驅(qū)動。舵機(jī)是一種最早應(yīng)用在航模運(yùn)動中的動力裝置,它的控制信號是一個脈寬調(diào)制信號,所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。只要能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的控制信號的數(shù)字設(shè)備都可以用來控制舵機(jī),比如PLC、單片機(jī)等。而且舵機(jī)體積緊湊,便于安裝,輸出力矩大,穩(wěn)定性好,控制簡單,所以舵機(jī)己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域[15 ,16]。
3 雙足步行機(jī)器人的3D圖
3.1 整體結(jié)構(gòu)圖
機(jī)器人全身一共裝有17個舵機(jī),控制包括頭部,手臂,手肘,大腿,小腿,腳踝等部分的一共17個自由度。在頭部以下的舵機(jī)控制Z軸的自由度,使機(jī)器人人具有搖頭功能。手臂部分一共有3×2個舵機(jī),控制手臂擺動,手肘的內(nèi)外擺動,小手臂的轉(zhuǎn)動。大腿部分一共有5×2個舵機(jī),主要控制機(jī)器人的步行動作。如圖3.1,圖3.2所示。
圖3.1 機(jī)器人的正面
圖3.2 機(jī)器人的背面
3.2 頭部零件圖
頭部材料采用鋁制合金板,圖3.3角鐵部分和小孔方便與頸部連接。圖3.4空隙處方便安裝舵機(jī),角鐵處可與身體部分連接。
圖3.3 頭部部件圖
圖3.4 頸部部件圖
3.3 身體零件圖
身體兩側(cè)的空隙處方便安裝舵機(jī),中下側(cè)的兩塊鐵板將前后兩塊身體主板相連接以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。最下側(cè)的鐵條作為身體與腿部的連接點(diǎn)。身體內(nèi)部安裝控制系統(tǒng)。如圖3.5,圖3.6所示。身體主板上一共設(shè)有2×5個小孔。身體上側(cè)的小孔用于連接身體前后兩塊主板。中間兩側(cè)的2×2個小孔用于安裝舵機(jī)并加大身體主板連接的穩(wěn)定性。身體主板下側(cè)一共有10個小孔,分上下兩排排列。上排4×2個小孔用于安裝腿部的兩個舵機(jī)并作為身體主板于腿部的連接點(diǎn)。下排2個小孔用于安裝連接前后兩個身體主板的鐵片,以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。身體主體板塊的設(shè)計(jì)盡可能使用較少材料,不僅減少上身材料,降低機(jī)器人的整體重心,也節(jié)省材料。使用鋁合金材料,因?yàn)殇X的密度較小而強(qiáng)度較高。使用普通的工具就能容易的實(shí)現(xiàn)切割和彎曲。鋁材料一般可以做成各種形狀。在原計(jì)劃中,要實(shí)現(xiàn)身體的轉(zhuǎn)身功能,但在實(shí)際操作過程中,我們發(fā)現(xiàn)對支撐點(diǎn)的技術(shù)難度較高,在結(jié)構(gòu)上難以支持上身的重量。希望可以在以后的研究可以解決這些問題。
圖3.5 身體部件圖
圖3.6 身體部件圖
4 液晶顯示
4.1 引言
在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中,為系統(tǒng)擴(kuò)充外部設(shè)備一直是用戶所關(guān)注的問題。LCD屏幕就是相當(dāng)重要的外圍設(shè)備之一。本節(jié)將對LCD系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。選擇液晶顯示的原因是基于它友好的人機(jī)交互界面,能夠進(jìn)行良好人機(jī)信息交互。它是以ARM920T處理器為核心研發(fā)的。能夠顯示文字,例如:
熱烈慶祝南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院建校5周年
4.2 LCD系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
4.2.1 STN型彩色LCD模塊介紹
STN液晶顯示器與液晶材料、光線的干涉現(xiàn)象有關(guān),因此顯示的色調(diào)以淡綠色與橘色為主。STN液晶顯示器中,使用X、Y軸交叉的單純電極驅(qū)動方式,即X、Y軸由垂直與水平方向的驅(qū)動電極構(gòu)成,水平方向驅(qū)動電壓控制顯示部分為亮或暗,垂直方向的電極則負(fù)責(zé)驅(qū)動液晶分子的顯示。STN液晶顯示屏加上彩色濾光片,并將單色顯示矩陣中的每一像素分成三個子像素,分別通過彩色濾光片顯示紅、綠、藍(lán)三原色,也可以顯示出色彩。單色液晶屏及灰度液晶屏都是STN液晶屏。研究課題中使用液晶顯示屏主要考慮的參數(shù)有外形尺寸、分辨率、點(diǎn)寬、色彩模式等。以下是EmbestEdukit2實(shí)驗(yàn)板所選用的液晶屏為LRH9J515XA STN/BW型,可視屏幕的尺寸及參數(shù)示意如圖4.1所示[17]。
圖4.1 液晶屏參數(shù)示意圖
4.2.2 LCD系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)
LCD控制器主要提供液晶屏顯示數(shù)據(jù)的傳送、時鐘和各種信號的產(chǎn)生與控制功能。S3C2410處理器的LCD控制器主要部分框圖如圖4.2所示。
圖4.2 LCD控制器框圖
S3C2410 LCD控制器用于傳輸顯示數(shù)據(jù)和產(chǎn)生控制信號。除了控制信號之外,S3C2410還提供數(shù)據(jù)端口供顯示數(shù)據(jù)傳輸,也就是VD[23:0]。LCD控制器包含REGBANK、LCDCDMA、VIDPRCS、TIMEGEN和LPC3600等控制模塊。REGBANK中有17個可編程的寄存器組和256×16調(diào)色板內(nèi)存用于配置LCD控制器。LCDCDMA是一個專用的DMA,它負(fù)責(zé)自動地將幀緩沖區(qū)中的顯示數(shù)據(jù)發(fā)往LCD驅(qū)動器。通過特定的DMA,顯示數(shù)據(jù)可以不需要CPU的干涉,自動地發(fā)送到屏幕上。VIDPRCS將LCDCDMA發(fā)送過來的數(shù)據(jù)變換為合適的格式之后通過VD[23:0]發(fā)送到LCD驅(qū)動器。TMIEGEN包含可編程邏輯用于支持不同LCD驅(qū)動器對時序以及速率的需求。VFRAME、VLINE、VCLK、VM等控制信號由TIMEGEN產(chǎn)生。在LCD控制的33個輸出接口中有24個負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)輸出,9個用于控制[18]。
4.2.3 LCD系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
進(jìn)行液晶屏控制電路設(shè)計(jì)時必須提供電源驅(qū)動、偏壓驅(qū)動以及LCD顯示控制器。由于S3C2410處理器本身自帶LCD控制器,而且可以驅(qū)動本課題所選用的液晶屏,所以控制電路的設(shè)計(jì)可以省去顯示控制電路,只需進(jìn)行電源驅(qū)動和偏壓驅(qū)動的電路設(shè)計(jì)即可。具體電路設(shè)計(jì)圖及液晶管腳說明如圖4.3所示。電源驅(qū)動與偏壓驅(qū)動如圖4.4所示。
圖4.3 液晶電路結(jié)構(gòu)框圖
圖4.4 電源驅(qū)動與偏壓驅(qū)動電路
4.3 觸摸屏控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
4.3.1 觸摸屏的特性
觸摸屏(TSP:Touch Screen Panel)由于其體積小、輕便和接口簡單等特點(diǎn),成為一種在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的輸入設(shè)備。按技術(shù)原理可分為五類:矢量壓力傳感式、電阻式、電容式、紅外線式和表面聲波式,其中電阻式觸摸屏在嵌入式系統(tǒng)中用的較多[20]。常用的觸摸屏由于實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同,導(dǎo)致特性各異。
4.3.2 觸摸屏工作原理
TSP由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成。觸摸檢測部件安裝在顯示器前端,用于檢測用戶觸摸位置,接受信息后傳送至觸摸屏控制器;控制器的主要作用是接收觸摸信息并轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)傳至CPU,并接收和執(zhí)行CPU下達(dá)的命令。Embest EduKit III采用四線式電阻觸摸屏,點(diǎn)數(shù)為320×240,其被按下的狀態(tài)如圖4.5所示
圖4.5 觸摸屏按下時示意圖
圖4.6 本實(shí)驗(yàn)臺所使用的觸摸屏外觀圖
如圖4.6所示,電阻觸摸屏采用一塊帶有統(tǒng)一電阻外表面的玻璃板。聚酯表層緊貼在玻璃面上,通過小的透明絕緣顆粒與玻璃面分開。聚酯層外表面堅(jiān)硬耐用,內(nèi)表面有一個傳導(dǎo)層。當(dāng)觸摸屏幕時,傳導(dǎo)層與玻璃面表層電子接觸,產(chǎn)生的電壓就是觸摸位置的模擬表示[20]。等效電路示意圖如圖4.7,圖4.8所示。
\
圖4.7 等效電路示意圖
圖4.8 觸摸屏的等效電路
4.3.3 S3C2410處理器TS控制器
處理器集成的TSP只使用到3個寄存器,即ADC控制寄存器(ADCCON)、觸摸屏控制寄存器(ADCTSC)和ADC數(shù)據(jù)寄存器(ADCDAT)。
ADC控制寄存器(ADCCON)
ADCCON[15]:A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志
0:A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行 1:A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束
ADCCON[14]:A/D轉(zhuǎn)換預(yù)分頻允許
0:不允許預(yù)分頻 1:允許預(yù)分頻
ADCCON[13:6]:預(yù)分頻值PRSCVL
PRSCVL在0到255之間,實(shí)際的分頻值為PRSCVL+1
ADCCON[5:3]:模擬信道輸入選擇
000 = AIN0 001 = AIN1 010 = AIN2 011 = AIN3
100 = AIN4 101 = AIN5 110 = AIN6 111 = AIN7
ADCCON[2]:待機(jī)模式選擇位
0:正常模式 1:待機(jī)模式
ADCCON[1]:A/D轉(zhuǎn)換讀-啟動選擇位
0:禁止Start-by-read 1:允許Start-by-read
ADCCON[0]:A/D轉(zhuǎn)換器啟動
0:A/D轉(zhuǎn)換器不工作 1:A/D轉(zhuǎn)換器開始工作
觸摸屏控制寄存器(ADCTSC)
ADCTSC[8]:保留,必須為0
ADCTSC[7]:選擇YMON輸出值
0:輸出為0 1:輸出為1
ADCTSC[6]:選擇YPON輸出值
0:輸出為0 1:輸出為1
ADCTSC[5]:選擇XMON輸出值
0:輸出為0 1:輸出為1
ADCTSC[4]:選擇XPON輸出值
0:輸出為0 1:輸出為1
ADCTSC[3]:上拉開關(guān)使能
0:上拉使能 1:上拉禁止
ADCTSC[2]:自動按順序轉(zhuǎn)換X、Y坐標(biāo)選擇位
0:正常模式 1:自動按順序轉(zhuǎn)換X、Y坐標(biāo)使能
ADCTSC[1:0]:手工設(shè)置X、Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
00:無操作 01:X坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
10:Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 11:等待中斷模式
ADC數(shù)據(jù)寄存器(ADCDAT0,ADCDAT1)
ADCDAT0[15]:等待中斷模式,Stylus電平選擇
0:低電平 1:高電平
ADCDAT0[14]:自動按照先后順序轉(zhuǎn)換X、Y坐標(biāo)
0:正常ADC順序 1:按照先后順序轉(zhuǎn)換
ADCDAT0[13:12]:自定義X、Y位置
00:無操作模式 01:測量X位置
10:測量Y位置 11:等待中斷模式
ADCDAT0[11:10]:保留
ADCDAT0[9:0]:X坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值
ADCDAT1[15:10]與ADCDAT0[15:10]功能相同
ADCDAT0[9:0]:Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值
A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換時間計(jì)算
例如PCLK為50MHz,PRESCALER=49;所有10位轉(zhuǎn)換時間為:
50MHz/(49+1)=1MHz
轉(zhuǎn)換時間為1/(1M/5 cycles)=5us
A/D轉(zhuǎn)換器的最大工作時鐘為2.5MHz,最大的采樣率可以達(dá)到500ksps。
4.3.4 觸摸屏的電路設(shè)計(jì)
當(dāng)手指觸摸屏幕時,平常絕緣的兩層導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)位置產(chǎn)生一個接觸,控制器檢測到這個接通后,產(chǎn)生中斷通知CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;具體原理:當(dāng)觸摸屏被按下時,首先導(dǎo)通FET管組Q602和Q604,X軸回路加上+5V電源,同時將FET管組Q1和Q3關(guān)閉;再啟動處理器的A/D轉(zhuǎn)換通AIN7,電路電阻與觸摸屏按下產(chǎn)生的電阻輸出分量電壓,并由A/D轉(zhuǎn)換器將電壓值數(shù)字化,計(jì)算出X軸的坐標(biāo)。中斷處理程序通過導(dǎo)通不同MOS管組,使接觸部分與控制器電路構(gòu)成電阻電路,并產(chǎn)生一個電壓降作為坐標(biāo)值輸出。其電路如圖4.9所示。
圖4.9 觸摸屏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換控制電路
顯示模塊選用的是周立功SmartARM 3250通用教學(xué)/競賽/工控開發(fā)平臺,它全面深入地支持μC/OS-II、WinCE和Linux操作系統(tǒng),它完全按照工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)(EMC/EMI)設(shè)計(jì),精心設(shè)計(jì)的電路提供多達(dá)7路串口、IrDA接口、USB OTG接口、帶電氣隔離的CAN-bus接口、CF卡接口、SD/MMC卡接口、I2S音頻接口、以太網(wǎng)接口等,滿足各種應(yīng)用要求。
由于這款芯片是新款,到畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束,芯片還沒有到位,所以沒有完成液晶顯示的調(diào)試過程,希望在以后的設(shè)計(jì)中完善。
結(jié)束語
本論文是關(guān)于機(jī)器人頭部身體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。從了解機(jī)器人開始,到對機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識,對機(jī)器人人步行過程中的平穩(wěn)性研究,是對我所學(xué)四年知識的一個綜合檢查,也是對我獨(dú)立思考和解決問題的一次考驗(yàn)。在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中,我們團(tuán)隊(duì)不僅在書面上對機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的分析,控制程序的編排,更是通過大家的實(shí)踐做出了成品。通過這3個月的設(shè)計(jì),使我對自己所學(xué)的知識有了更深入了解;在指導(dǎo)老師幫助下,通過收集各種有關(guān)資料所解決的畢業(yè)設(shè)計(jì)問題。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中,了解到了機(jī)器人的發(fā)展歷史,發(fā)展前景以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,初步完成了對機(jī)器人身體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過查找資料以及老師的指導(dǎo),初步了解了液晶顯示的相關(guān)理論。但是對機(jī)器人步行穩(wěn)定性的研究仍停留在初步,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些不合理性,對液晶顯示方面的相關(guān)較深入的理論仍理解不夠。整個畢業(yè)設(shè)計(jì)對機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步規(guī)劃并做成實(shí)體,對全身自由度特別是手部以及腿部做到了合理分配,使機(jī)器人基本實(shí)現(xiàn)行走功能。但在行走穩(wěn)定連續(xù)性方面仍顯不足,在液晶顯示方面也只是停止與簡單文字的顯示,沒有更多的人機(jī)交互功能。在身體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,原本計(jì)劃的轉(zhuǎn)身功能也沒有實(shí)現(xiàn),其原因主要是支撐點(diǎn)的建構(gòu)難度過高。希望下一屆能夠彌補(bǔ)我們這一屆的遺憾。
不過正是這些遺憾讓我認(rèn)識到了自己的不足,深深感到對知識的追求是沒有止境的,這些遺憾更是激勵我以后努力工作,認(rèn)真學(xué)習(xí)。從實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn),在學(xué)習(xí)中收獲知識。
由于自身經(jīng)驗(yàn)不足,這次畢業(yè)設(shè)計(jì)一定很多不足之處。希望老師們多多指教,對老師們的指導(dǎo)表示深深的感謝。
致 謝
在此,我對指導(dǎo)老師劉艷老師對我的嚴(yán)格要求和對我在設(shè)計(jì)上的幫助,表示衷心的感謝!他們在繁忙的工作期間,對我畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成付出了大量的心血,多次給我提出深刻而具有指導(dǎo)性的意見,讓我能夠很好的按時完成畢業(yè)設(shè)任務(wù)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)完成之時,謹(jǐn)向恩師們表示最衷心的感謝,并致以崇高的敬意。此外,還要衷心感謝機(jī)械工程系的其他曾經(jīng)給予我指導(dǎo)、問題解答的老師,以及與我朝夕相處、共同研討解決設(shè)計(jì)中碰到疑難的同窗學(xué)友。我還要以我的畢業(yè)設(shè)計(jì)成果,真誠地、深深地感謝一直對我關(guān)心、支持、并寄予厚望的父母!同時也對我的團(tuán)隊(duì),徐超,許峰,吳玉坤,黃俊表示衷心的感謝,通過我們共同的努力,完成了整個工程,這些離不開他們的熱情幫助。
參 考 文 獻(xiàn)
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兩足行走機(jī)器人—身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)
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部份
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兩足行走機(jī)器人—身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì),兩足行走機(jī)器人—身體及頭部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì),行走,機(jī)器人,身體,頭部,結(jié)構(gòu),部分,部份,設(shè)計(jì)
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