機(jī)械手-兩足行走機(jī)器人——頭部、臂部控制部分設(shè)計(jì)
機(jī)械手-兩足行走機(jī)器人——頭部、臂部控制部分設(shè)計(jì),機(jī)械手,行走,機(jī)器人,頭部,臂部,控制,節(jié)制,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 課題來源
本課題源于“第一屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”中兩足行走機(jī)器人。目前，機(jī)器人大多以輪子的形式實(shí)現(xiàn)行走功能階段。真正模仿人類用腿走路的機(jī)器人還不多，雖有一些六足、四足機(jī)器人涌現(xiàn)，但是兩足機(jī)器人還是鳳毛麟角。在機(jī)器人研究領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平的日本，推出了諸如舞蹈機(jī)器人等雙足行走機(jī)器人，但成千上萬的傳感器和復(fù)雜的控制系統(tǒng)使這類機(jī)器人造價(jià)非常昂貴。我們這個(gè)課題，探索設(shè)計(jì)僅靠巧妙的機(jī)械裝置和簡單的控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)模擬人類行走的機(jī)器人。其分功能有：交替邁腿、轉(zhuǎn)彎、搖頭、擺大臂、擺小臂。
1.2 課題研究的背景和意義
機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)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。機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬能機(jī)器人》中，在該劇中，機(jī)器人“Robota”這個(gè)詞的本意是指苦力，是劇作家筆下的一個(gè)具有人的外表、特征和功能的機(jī)器，是一種人造的勞動(dòng)力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類生活領(lǐng)域，研制具有人類外觀特征、可模擬人類行走和其他動(dòng)作的仿人機(jī)器人一直是人類的夢想之一。
機(jī)器人是一門綜合性很強(qiáng)的科學(xué)，有著極其廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息融合技術(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、仿生科學(xué)以及人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，它不僅涉及到線性、非線性、基于多種傳感器信息控制以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)，而且還包括復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模、數(shù)字仿真技術(shù)及混合系統(tǒng)的控制研究等方面的技術(shù)。
仿人機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題，而雙足機(jī)器人是仿人機(jī)器人研究的前奏。步行技術(shù)是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，是一種高度自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，雙足步行系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，對于環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，它相對輪式、履帶式機(jī)器人具有無可比擬的優(yōu)越性，它可以進(jìn)入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺階、斜坡及在不平整地面上工作，可以護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及在一般家庭的家政服務(wù)都可以應(yīng)用。它適應(yīng)環(huán)境的能力更強(qiáng)，因此具有更加廣泛的應(yīng)用前景。
在機(jī)器人的研制中，機(jī)器人仿真是機(jī)器人研究的一項(xiàng)重要的內(nèi)容，它涉及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人零件建模、仿真機(jī)器人三維實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，是一項(xiàng)綜合性有創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值的研究課題。仿真利用計(jì)算機(jī)可視化和面向?qū)ο蟮氖侄?，模擬機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)及極限，提示機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)動(dòng)方案及有效的控制算法，從而解決在機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行過程中的問題，避免了直接操作實(shí)體可能會(huì)造成的事故或者不必要的損失。仿真也為機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并在這臺機(jī)器上模擬能都實(shí)現(xiàn)的功能，使用戶直接看到設(shè)計(jì)效果，及時(shí)找出缺點(diǎn)和不足進(jìn)行改進(jìn)，避免了大量的物力、人力的浪費(fèi)[1，2]。
1.3 國外仿人機(jī)器人的介紹
就機(jī)器人而言，美國是最早研究機(jī)器人的國家，但日本后來居上，巧妙地將半導(dǎo)體和機(jī)械技術(shù)結(jié)合，從而在機(jī)器人這一領(lǐng)域超過了美國，位居世界第一。目前，全世界的機(jī)器人80%是日本制造的。仿人機(jī)器的研制開始于本世紀(jì)60年代末，只有三四十年的歷史。然而，仿人機(jī)器人的研究工作進(jìn)展迅速。國內(nèi)外許多學(xué)者正從事于這一領(lǐng)域的研究，如今已成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。國際上許多國家都在研究，但每個(gè)國家都有自己的特色：日本偏向于模擬人的動(dòng)作，歐洲主要應(yīng)用在醫(yī)療服務(wù)方面，美國則主要作軍事用途。
1.3.1 HODON仿人機(jī)器人
最據(jù)有影響力的仿人機(jī)器人還是HONDA的仿人機(jī)器人。1996年，當(dāng)HONDA對外界公布其歷經(jīng)10年秘密研制成功的第2代HONDA仿人機(jī)器人樣機(jī)P2(圖1.1a)（身高1820mm，體寬600mm，體重210kg，共30個(gè)自由度）時(shí)，國際機(jī)器人學(xué)界為之震驚。P2是世界上第一臺無纜的仿人機(jī)器人，它能行走和上下樓梯。P2的問世將雙足步行機(jī)器人的研究工作推向了高潮，使本田公司在此領(lǐng)域處于世界絕對的領(lǐng)先的地位。1997年12月本田公司又推出了P3型雙足步行機(jī)器人（圖1.1b），基本上與P2型相似，只是在重量和高度上有所降低(由原來的210kg降為130kg，高度由1800mm降為1600mm)，且使用了新型的鎂材料[3]。
2000年，P2和P3的縮小版ASIMO（圖1.1c）問世，它身高1200mm，體寬450mm，體重52kg，共26個(gè)自由度，不僅可以行走、爬樓梯，識別各種各樣的聲音，還能通過頭部的照相機(jī)捕捉到的畫面和事先設(shè)計(jì)好的程序識別人類的各種手勢運(yùn)動(dòng)以及10種不同的臉型。
仿人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)跑步是劃時(shí)代的技術(shù)。因?yàn)榕懿綍r(shí)機(jī)器人的兩腳在某一時(shí)段會(huì)同時(shí)離開地面。目前新一代ASIMO兩腳離地時(shí)間可達(dá)0.08s，跳躍距離達(dá)50mm。為控制離地懸空狀態(tài)下的平衡，本田公司對上肢體控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良，同時(shí)身體的扭動(dòng)和腰關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制也有提高，這樣的改進(jìn)對快速跑步的控制起了很大的作用[3]。
圖1.1 HODON仿人機(jī)器人
1.3.2 HRP仿人機(jī)器人
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（METI）從1998年開始實(shí)施仿人機(jī)器人項(xiàng)目的研究，整個(gè)項(xiàng)目歷經(jīng)5年時(shí)間，于2002年研制出了HRP（圖1.2）系列機(jī)器人。HRP-2身高155厘米，體重54公斤，有32個(gè)自由度，具體為6×2(腿部)+6×2(手臂)+2(腰部)+2(頭部)+2×2(手指)=32。HRP-2的手臂有6個(gè)自由度(肩3,肘1,腕2),工作能力很強(qiáng)。腰部有2個(gè)自由度,使其成為第一款摔倒后能夠自己爬起來的仿人機(jī)器人。大腿固定在臀部兩側(cè)外伸的懸臂上,從而使得腿部的靈活性增加,使得兩個(gè)大腿內(nèi)側(cè)之間有比較小的碰撞，能夠?qū)崿F(xiàn)雙腿的交叉，從而實(shí)現(xiàn)走模特步的功能。如圖1.2所示。
圖1.2 HRP仿人機(jī)器人
1.3.3 索尼仿人機(jī)器人
日本索尼于2000年11月推出了仿人娛樂型機(jī)器人SDR-3X（Sony DreamRobot-3X），SDR－3X是一個(gè)小型化的仿人機(jī)器人。其規(guī)格為身高500mm，體寬220mm，體重5kg，共24個(gè)自由度。其中自由度的分布為：頭部2個(gè)，軀干部2個(gè)，手臂各4個(gè)，腿部各6個(gè)。SDR一3X的動(dòng)作有以下7種，(1)最高速度為15m/分的前進(jìn)/后退/左右橫行；(2)在前進(jìn)過程中左右轉(zhuǎn)身(異步轉(zhuǎn)90度)；(3)由伏臥/仰狀態(tài)起立；(4)單腿站立(在斜面上也可做此動(dòng)作)；(5)在凸凹不平的路面上行走；(6)踢球；(7)舞蹈。在2003年，最新型的SDR機(jī)器人：SDR-4X的增強(qiáng)版本SDR-4XII（圖1.3）問世，它身高580mm，體寬270mm，體重7kg，共38個(gè)自由度?，F(xiàn)在，它的名字改為QRIO。QRIO不僅能夠行走，還可以躺下、站起、多機(jī)器人同步舞蹈。作為一個(gè)娛樂機(jī)器人，它可以與人共同生活，給人帶來樂趣和愉悅。QRIO不久即將上市銷售。如圖1.3所示。
圖1.3 索尼仿人機(jī)器人
1.3.4 韓國仿人機(jī)器人KHR
韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的吳俊浩教授于2002年1月正式投入智能機(jī)器人的開發(fā)，當(dāng)年8月研制出韓國第一個(gè)智能機(jī)器人KHR-1的機(jī)身，2003年1月研制出了能步行的KHR-1。緊接著，當(dāng)年12月研制了KHR-2 (圖1.4左)的機(jī)身，2004年8月該款機(jī)器人就可以撤線獨(dú)自行走。KHR-1身高1200mm，體重48kg，總共有21個(gè)自由度，其中下肢12個(gè)，手臂8個(gè)，腰部1個(gè)。KHR-2身高1200mm，體重54kg，總共有41個(gè)自由度，其分布狀況：頭部6個(gè)，手臂8個(gè)，手掌14個(gè)，腰部1個(gè)，下肢12個(gè)。在2004年12月22日，韓國科學(xué)技術(shù)院又宣布成功開發(fā)出新型智能機(jī)器人“HUBO”，該新型智能機(jī)器人身高1250mm，體重55kg，步幅超過300mm，每小時(shí)可步行1.2km，能識別和合成聲音，兩只眼睛能轉(zhuǎn)動(dòng)并具有良好的視覺功能。它的41個(gè)關(guān)節(jié)能輕柔地轉(zhuǎn)動(dòng)，5個(gè)手指能單獨(dú)活動(dòng)，能與人握手，會(huì)玩“石頭、剪刀、布”游戲，還會(huì)跳布魯斯舞。
圖1.4 KHR-2和Hubo仿人機(jī)器人
1.4 國內(nèi)仿人機(jī)器人的研究
我國已在“七五”計(jì)劃中把機(jī)器人列人國家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程，全面展開了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。1986年3月開始的國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。
國內(nèi)仿人機(jī)器人的研究也在863計(jì)劃和自然科學(xué)基金的支持下持續(xù)開展了多年，如國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，都先后開始研制仿人機(jī)器人樣機(jī)[4]。
1.4.1 “先行者”仿人機(jī)器人
在我國，國防科技大學(xué)是最早研制出仿人機(jī)器人的高校。國防科技大學(xué)于1988年2月研制成功6關(guān)節(jié)平面運(yùn)動(dòng)雙足步行機(jī)器人,于1990年又先后研制成功了10關(guān)節(jié)、12關(guān)節(jié)的空間運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了人類所具備的基本行走功能。
2000年11月30日，“先行者”仿人機(jī)器人在國防科技大學(xué)研制成功?！跋刃姓摺鄙砀?40厘米，體重20公斤，具有仿人的下肢和簡化的上肢，總共15個(gè)自由度；可以實(shí)現(xiàn)原地扭動(dòng)、平地前進(jìn)、后退、左右側(cè)行、左右轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作；手臂可以前后擺動(dòng)，頭部可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)，眼睛可以演示各種眨眼動(dòng)作，并具有一定的語言表達(dá)能力；行走頻率每秒2步，動(dòng)態(tài)步行快速自如，并可在小偏差、不確定環(huán)境中行走。在機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制方法等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了一系列的突破。但“先行者”只能算是仿人機(jī)器人的雛形，在動(dòng)作上尤其是上肢體動(dòng)作方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到類似人類的要求。如圖1.5所示。
圖1.5 “先行者”仿人機(jī)器人
1.4.2 BHR-01仿人機(jī)器人
目前比較新的成果是2002年12月北京理工大學(xué)研制成功的我國首個(gè)真正意義上的仿人機(jī)器人BHR-01，中文名叫“匯童”。
BHR-01身高158厘米,體重76公斤,有33個(gè)自由度,具體為6×2(腿部)+7×2(手臂)+0(腰部)+3(頭部)+2×2(手指)=33。BHR-01能夠模仿人類進(jìn)行前進(jìn)，后退，側(cè)行，轉(zhuǎn)彎，上下臺階，太極拳，刀術(shù)等動(dòng)作。并且具有視覺、語音對話、力覺、平衡覺等功能；每小時(shí)能夠行走1公里,步幅33厘米；此外還會(huì)騰空行走,并能根據(jù)自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化實(shí)現(xiàn)未知路面的穩(wěn)定行走。打太極拳、舞刀是BHR-01的特色，此仿人機(jī)器人的成功研制標(biāo)志著我國已經(jīng)掌握了集機(jī)構(gòu)、控制、傳感器、電源于一體的高度集成技術(shù)。如圖1.6所示。
圖1.6 BHR仿人機(jī)器人
1.5 本課題研究內(nèi)容
本文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是兩足行走機(jī)器人的頭部、臂部控制系統(tǒng)部分，完成機(jī)器人搖頭、擺大臂和擺小臂控制部分的設(shè)計(jì)。
(1) 設(shè)計(jì)了兩足步行機(jī)器人的硬件電路。
(2) 選擇設(shè)計(jì)了兩足步行機(jī)器人的控制軟件系統(tǒng)。
(3) 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)，提出本設(shè)計(jì)的不足，指出需要改進(jìn)的地方。
2 兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件
2.1 直流伺服電機(jī)的控制特性
執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以說是機(jī)器人的核心，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選取直接影響到機(jī)器人的性能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)類型一般包括液壓、氣動(dòng)、電子方式。液壓和氣動(dòng)的缺點(diǎn)是能量供應(yīng)問題，機(jī)器人不可能隨身攜帶，并且有較大的震動(dòng)。因此，對于雙足機(jī)器人，只考慮采用攜帶能源方便、震動(dòng)小的電子驅(qū)動(dòng)裝置—電機(jī)[5]。
直流伺服電機(jī)又稱為舵機(jī)，本設(shè)計(jì)選用的舵機(jī)為“輝盛”MG945 12公斤全金屬齒大扭力舵機(jī)。它不僅尺寸小，而且不需要另配減速器，具有控制簡單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的滿足我們設(shè)計(jì)的機(jī)器人的要求。舵機(jī)是一種帶有位置反饋的伺服電機(jī)，主要由外殼、電路板、無核心馬達(dá)、齒輪組與位置檢測器等組成。通過輸入占空比不同的脈沖信號來控制舵機(jī)的輸出軸的位置。其原理可由圖2.1所示。
圖2.1 舵機(jī)工作原理
2.2 機(jī)器人控制器系統(tǒng)
由于雙足機(jī)器人使用17個(gè)舵機(jī)，若為每一個(gè)舵機(jī)均使用1 個(gè)單片機(jī)控制，顯然不是一種經(jīng)濟(jì)的策略，也為整個(gè)系統(tǒng)帶來了不必要的負(fù)擔(dān)。為了滿足多舵機(jī)的控制要求，根據(jù)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性，采用獨(dú)立單片機(jī)控制多個(gè)舵機(jī)的方法。
從控制角度來看，雙足機(jī)器人自由度多，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，是一個(gè)多輸入、多輸出、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。雙足機(jī)器人的穩(wěn)定行走，需要各個(gè)關(guān)節(jié)之間能夠協(xié)調(diào)有序的運(yùn)動(dòng)，所以控制系統(tǒng)發(fā)出的各個(gè)關(guān)節(jié)的控制指令不僅要準(zhǔn)確，而且要滿足一定的時(shí)序要求。
32路伺服電機(jī)控制器是一套最具性價(jià)比的伺服電機(jī)控制器?？梢钥刂贫噙_(dá)32個(gè)伺服電機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，它不但能實(shí)現(xiàn)位置控制和速度控制，還具有時(shí)間延時(shí)斷點(diǎn)發(fā)送指令功能[6～9]。其主要由上位機(jī)軟件和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器組成。通過PC機(jī)操作上位機(jī)軟件給控制器傳遞控制指令信號，即可實(shí)現(xiàn)多路伺服電機(jī)單獨(dú)控制或同時(shí)控制，控制指令精簡，控制轉(zhuǎn)角精度高，波特率可以實(shí)時(shí)更改，體積小，重量輕，其可作為類人型機(jī)器人、仿生機(jī)器人、多自由度機(jī)械手的主控制器。圖2.2為控制器的實(shí)物圖，控制系統(tǒng)主板如圖2.3所示。
圖2.2 運(yùn)動(dòng)控制器
圖2.3 控制系統(tǒng)框圖
上位機(jī)是個(gè)人電腦，它與控制器通過串口通訊，電腦把規(guī)劃好的步態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送到控制器，控制器再根據(jù)相應(yīng)的算法，為每個(gè)I/O口發(fā)送相應(yīng)的舵機(jī)控制指令，即PWM波。
2.3 伺服電機(jī)控制板接口功能
圖2.4 控制電路板各部分標(biāo)識
2.3.1 DC5V直流電源接口①
此接口用于接插控制器控制部分供電電源。
2.3.2 控制部分電源端子接口②
此接口用于接插控制器控制部分供電電源，為增大用戶選擇電源電壓范圍，特設(shè)此接口。
2.3.3 伺服電機(jī)供電電源端子接口③
此接口用于接插伺服電機(jī)供電電源（由于伺服電機(jī)在重負(fù)載的情況下，會(huì)將放大器電壓拉低，為防止影響控制器部分電壓突變，應(yīng)該將兩部分分別供電），工作電壓：＋4V～＋6V（普通伺服電機(jī)），注意：由于不同型號的伺服電機(jī)的耗電不同，而且運(yùn)行在帶負(fù)載時(shí)，耗電也不同，所以請以實(shí)際使用為準(zhǔn)。
2.3.4 外擴(kuò)上位機(jī)系統(tǒng)供電接口④
此接口供電來源控制部分端子接口電源，可為自主開發(fā)的上位機(jī)（51系列、AVR系列、DSP、ARM等）板供電。
2.3.5 RS232串口通訊接頭⑤
此端口使用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口電平進(jìn)行通訊，可以接插為用戶提供的串口通訊線和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，接收實(shí)時(shí)控制指令。
2.3.6 TTL通訊接口⑥
若使用此功能請將跳線帽取下，此接口可用于伺服電機(jī)控制器與其他單片機(jī)開發(fā)的上位機(jī)或BS2(Basic Stamp 2)通訊。注意接口標(biāo)識符，TX、RX左側(cè)排針分別聯(lián)接伺服電機(jī)控制板微控器TXD、RXD引腳[10]。
2.3.7 波特率設(shè)置撥碼開關(guān)⑦
通過設(shè)置撥碼開關(guān)，波特率可以在2400 960038.4k 115.2k四種數(shù)值中轉(zhuǎn)換。注意：1代表ON，0代表OFF。
2.3.8 伺服電機(jī)通道接口⑧和標(biāo)識符⑨
此接口可接插國際標(biāo)準(zhǔn)接口的伺服電機(jī)，包括模擬式和數(shù)字式兩種。接口側(cè)方有1～32通道的標(biāo)注符，表示伺服電機(jī)受哪一通道信號控制[11]。每一行可以接插一個(gè)伺服電機(jī)。整行接口上面有S/ + /-的標(biāo)注，其中“-”表示接插伺服電機(jī)的地線（一般為黑色）； “＋”表示接插伺服電機(jī)的電源線（一般為紅色）； “S”表示signal（信號）接插伺服電機(jī)的控制信號線（一般為黃色或白色）。支持的伺服電機(jī)： Futabaor Hitec 以及國產(chǎn)品牌（如輝盛）等。
3 硬件設(shè)計(jì)總體方案
3.1 核心電路
核心電路包括AVR核心處理器、JTAG調(diào)試接口、串口驅(qū)動(dòng)電路和A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓電路，原理如圖3.1所示。
圖3.1 核心電路原理圖
3.2 PWM信號控制原理
控制系統(tǒng)需要控制17個(gè)直流伺服電機(jī)，使兩足步行機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作。控制直流伺服電機(jī)的PWM信號的周期為20ms，高電平持續(xù)時(shí)間為0. 5ms至2. 5ms，占空比較小，最大僅為1/8，所以可以進(jìn)行多路分時(shí)復(fù)用[12～15]。本文使用了4個(gè)三態(tài)鎖存器74HC595D 對PWM信號進(jìn)行4路分時(shí)復(fù)用，一共可以得到32路獨(dú)立的單邊沿PWM信號，這樣可以滿足控制系統(tǒng)的要求。使用高性能電池供電，增加了機(jī)器人的靈活性.其舵機(jī)PWM信號控制電路原理如圖3.2所示。
圖3.2 PWM信號控制原理圖
3.3 電源設(shè)計(jì)
直流伺服電機(jī)的電源要求為9V至12V，本文選用了電壓為9V的高性能電池，直接作為直流伺服電機(jī)的電源[16]。由于基于AVR的處理器和外設(shè)均使用3.3V電源電壓，所以需要選用電源電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。我們使用了一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換芯片L78M05將電池的直流電源轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流。
4 兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
Servo Control Software是實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制器通訊協(xié)議PC機(jī)上的專用WINDOWS控制軟件，本軟件操作控制簡便，易學(xué)易用。其軟件的操作界面如圖4.1所示。
圖4.1 Servo Control Software操作界面
4.1 串口設(shè)置
首先我們要做好前提工作，把舵機(jī)接線按照要求插在控制板上，再把串口接線插到電腦上，開通電源，打開操作軟件，點(diǎn)擊軟件操作界面里的串口設(shè)置，選擇合適的波特率，然后點(diǎn)確定，其操作方法如圖4.2、圖4.3、圖4.4所示。
圖4.2 串口設(shè)置第一步
圖4.3 串口設(shè)置第二步
圖4.4 串口設(shè)置第三步
4.2 控制通道設(shè)置
控制通道序號與控制板上的序號一一對應(yīng)，根據(jù)設(shè)計(jì)需要可選擇多路調(diào)控，伺服電機(jī)接線一定要與控制軟件通道對應(yīng)，避免出現(xiàn)控制無效現(xiàn)象?？刂仆ǖ?，如圖4.5所示。將硬件設(shè)備接好，如圖4.6所示。
圖4.5 控制通道
圖4.6 控制板接線示意圖
單擊鼠標(biāo)左鍵軟件與硬件連接,如圖4.7所示。
圖4.7 串口連接設(shè)置圖
4.3 操作設(shè)置
在控制軟件的操作設(shè)置區(qū)域有“添加指令”、“指令修改”、“刪除指令”、“運(yùn)行指令”等按鈕，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，如圖4.8所示。
圖4.8 操作設(shè)置區(qū)域
4.3.1 添加指令①
單擊可以將調(diào)試好的指令保存。
4.3.2 指令修改②
對不合適的指令進(jìn)行修改。
4.3.3 刪除指令③
刪除不合適的指令。
4.3.4 運(yùn)行指令④
運(yùn)行調(diào)試指令。
4.3.5 電機(jī)復(fù)位⑤
將全部伺服電機(jī)復(fù)位。
4.3.6 退出⑥
退出控制。
4.4 控制指令回顯區(qū)
調(diào)整好合適指令點(diǎn)擊添加后，將會(huì)出現(xiàn)在回顯區(qū)中。如圖4.9所示。
圖4.9 指令回顯區(qū)
4.5 發(fā)送指令時(shí)間設(shè)置
拉動(dòng)指令間隔時(shí)間滑桿可以調(diào)節(jié)發(fā)送指令間隔時(shí)間,以實(shí)現(xiàn)各舵機(jī)的協(xié)調(diào)工作,來完成復(fù)雜的動(dòng)作,如圖4.10所示。
圖4.10 發(fā)送指令間隔時(shí)間控制區(qū)
5 兩足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式的建立
雙足步行機(jī)器人是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),是一門與仿生學(xué)、多剛體動(dòng)力學(xué)、多傳感器融合技術(shù)以及控制工程等多學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科,是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支[17～19]。雙足行走方式具有高度的靈活性,特別適合于日常環(huán)境與人類協(xié)作完成各種任務(wù),在康復(fù)、日常服務(wù)、危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。另一方面,由于雙足機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動(dòng)器和多傳感器的特點(diǎn),而且一般都具有冗余的自由度,這些特點(diǎn)對其控制問題帶來了很大的難度,為各種控制和優(yōu)化方法提供了理想的實(shí)驗(yàn)平臺,使其吸引了許多學(xué)者的目光,成為一個(gè)矚目的研究方向[20～22]。
本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它具有17個(gè)自由度，驅(qū)動(dòng)器為微型直流伺服電機(jī)。該機(jī)械結(jié)構(gòu)左右對稱，每個(gè)手臂具有3個(gè)自由度，分別為肩2個(gè)、肘1個(gè)；頸部有一個(gè)自由度。其每個(gè)舵機(jī)位置的標(biāo)注如圖5.1所示。
圖5.1 腿部舵機(jī)的分布
5.1 靜態(tài)雙臂擺動(dòng)模式的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng)之前必須有一個(gè)零位，即開始位置，為了制定機(jī)器人的零位，我們?yōu)闄C(jī)器人的每一個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)限位開關(guān)，機(jī)器人一上電，我們讓每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)至限位開關(guān)處，以此位置作為零位參考點(diǎn)，第一次進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到機(jī)器人的零位，把該位置信息記錄到驅(qū)動(dòng)器中，以后就可以在各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)至限位開關(guān)處時(shí)，直接給出該位置，讓機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)至零位。
每個(gè)手臂具有3個(gè)自由度，分別為肩2個(gè)、肘1個(gè)。所以雙臂可以完成諸多復(fù)雜的動(dòng)作,諸如:直臂、臂前后擺、直臂展開、彎肘等等。如圖5.2右臂前擺。
圖5.2 右臂前擺30度
5.2 姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的軟件實(shí)現(xiàn)
根據(jù)雙臂的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)模式，我們可以算出每個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)角的度數(shù)，再反饋到舵機(jī)控制軟件Servo Control Software中。點(diǎn)擊“添加指令”按鈕，其控制回顯區(qū)出現(xiàn)指令如下：
直臂
T1000
#10P1500#11P1500#12P1500#13P1500#14P1500#15P1500
右臂前擺30度左臂前擺30度
T1000
#10P1500#11P1500#12P1167#13P1167#14P1500#15P1500#16P1500
兩臂展開90度
T1000
#10P1500#11P500#12P1500#13P1500#14P2500#15P1500#16P1500
右肘內(nèi)彎90度
T1000
#10P2500#11P1500#12P500#13P1500#14P1500#15P1500#16P1500
頭右轉(zhuǎn)90度
T1000
#16P2500頭左轉(zhuǎn)T1000#16P500
結(jié)束語
機(jī)器人有三個(gè)方面是我們必要去發(fā)展的理由:一個(gè)是機(jī)器人干人不愿意干的事，把人從有毒的、有害的、高溫的或危險(xiǎn)的，這樣的環(huán)境中解放出來，同時(shí)機(jī)器人可以干不好干的活，比方說在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗,一天焊幾千個(gè)點(diǎn)，就重復(fù)性的勞動(dòng)，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機(jī)器人干人干不了的活，這也是非常重要的機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)理由，比方說人們對太空的認(rèn)識，人上不去的時(shí)候，叫機(jī)器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以及在微觀環(huán)境下，對原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。
兩足步行機(jī)器人是個(gè)廣泛應(yīng)用在教學(xué)、科研、比賽和娛樂等方面的機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、控制科學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等于一體。本文根據(jù)當(dāng)前兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的處理器和操作系統(tǒng)各自的特點(diǎn)，選用高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)。并對兩足步行機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和靜態(tài)步行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人在平面上的穩(wěn)定行走。
在前期工作中，我們設(shè)計(jì)了雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行了步態(tài)規(guī)劃，并通過建立虛擬樣機(jī)對雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制算法、步態(tài)規(guī)劃進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，我們所采用的方案是可行的。在方案可行的情況下，我們開始了物理樣機(jī)的研制。在機(jī)構(gòu)加工、裝配基本完成，控制和功率放大電路正常工作的基礎(chǔ)上，我們開始對物理樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試。為了保證調(diào)試的順利進(jìn)行，我們按如下順序進(jìn)行:首先進(jìn)行單關(guān)節(jié)調(diào)試，這一步無任何問題后再進(jìn)行關(guān)節(jié)的組合調(diào)試。
在前期的裝配工作中已經(jīng)進(jìn)行過單關(guān)節(jié)調(diào)試，裝配是按關(guān)節(jié)進(jìn)行的，從踝關(guān)節(jié)裝，從下到上最后是髖關(guān)節(jié)，調(diào)試的目的有兩個(gè)：
（1）測試各關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)(包括電機(jī)、減速器)是否工作正常
（2）標(biāo)識各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方向
這樣邊裝配邊檢測可以保證裝配的順利進(jìn)行，一旦發(fā)現(xiàn)問題可以及時(shí)改正。在裝配完成之后還要進(jìn)行單關(guān)節(jié)的調(diào)試，目的有兩個(gè)：
（1）測量各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動(dòng)范圍；
（2）零位的制定。
在單關(guān)節(jié)調(diào)試完成之后，進(jìn)行多關(guān)節(jié)聯(lián)合調(diào)試。之所以對關(guān)節(jié)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，是基于以下幾點(diǎn)考慮的:
（1）單個(gè)關(guān)節(jié)雖然已經(jīng)調(diào)試通過，但多關(guān)節(jié)之間能否有效地配合起來尚不清楚；
（2）供電部分在能夠有效的支持單電機(jī)工作的情況下，能否同樣支持多電機(jī)同時(shí)工作；
（3）檢測各個(gè)關(guān)節(jié)聯(lián)合調(diào)試的實(shí)時(shí)性；
（4）無論從編程實(shí)現(xiàn)，還是控制方案實(shí)施來看，多關(guān)節(jié)聯(lián)合調(diào)試跟單關(guān)節(jié)調(diào)試有本質(zhì)的不同，可以發(fā)現(xiàn)一些隱藏的問題，及時(shí)加以解決，便于下一步實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，同時(shí)可以給調(diào)試人員積累一些調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步調(diào)試打下基礎(chǔ)。
該課題在以后還有很多要進(jìn)一步改進(jìn)和研究的地方：
(1) 機(jī)器人使用更為先進(jìn)的處理器，如ARM系列處理器和PC104, PowerPC等單板計(jì)算機(jī)；
(2) 本次用的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)力不是很大，勉強(qiáng)滿足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)要求；
(3) 對雙足機(jī)器人的行走的穩(wěn)定性認(rèn)識不是很足，沒能使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自然、快速穩(wěn)定的行走；
(4) 規(guī)劃時(shí)使用的理想模型與實(shí)際的物理本體有一定的差距，不能精確反映實(shí)際的情況；
(5) 控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號與舵機(jī)執(zhí)行的結(jié)果存在誤差，不能完全復(fù)現(xiàn)規(guī)劃的結(jié)果。
致 謝
本課題是在劉 艷導(dǎo)師的悉心關(guān)懷和指導(dǎo)下完成的。劉老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度、淵博的專業(yè)知識給我留下了深刻的印象。在三個(gè)多月的學(xué)習(xí)和生活中，老師在學(xué)習(xí)、科研都給予了我耐心的指導(dǎo)和無微不至的關(guān)懷，并提出了許多寶貴的意見。從劉老師那里，我不但學(xué)到了科研的方法，還學(xué)到了很多為人處世的道理。這些都將成為我今后學(xué)習(xí)與工作中的寶貴財(cái)富。在此，我要向辛勤培養(yǎng)我的劉老師表示深深的謝意！
在課題研究的整個(gè)階段，張少文老師給了我不少的指導(dǎo)和建議，在此向他們表示衷心的感謝！
同時(shí)還要感謝雙足機(jī)器人研究小組的其他成員：許峰、黃俊、徐昕晏、徐超。他們給予了我很大的幫助和支持。
當(dāng)然也要感謝我的同學(xué)和朋友們，感謝他們一直以來對我的關(guān)心和支持！
最后感謝父母親人們在生活上對我的關(guān)心和照顧，我的人生道路上的每個(gè)成就都永遠(yuǎn)有他們的功勞。
參 考 文 獻(xiàn)
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