簡(jiǎn)易機(jī)器人設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、概述人形機(jī)器人在研項(xiàng)目中作者所做的工作主要有:機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì);機(jī)器人控制板的設(shè)計(jì);機(jī)器人軟件設(shè)計(jì);機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì);機(jī)器人動(dòng)作步態(tài)規(guī)劃的研究。 (1)機(jī)械本體的設(shè)計(jì)。為了能讓機(jī)器人模仿人類的動(dòng)作，把人類的各個(gè)關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為機(jī)器人的17個(gè)自由度。采用舵機(jī)作為各個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)器件。(2)控制板的設(shè)計(jì)。人形機(jī)器人控制板的主控芯片采用新華龍公司的高檔處理器at89c51f310作為主控芯片。利用電子電路繪圖軟件protell99se進(jìn)行人形機(jī)器人控制電路板原理圖的繪制和pcb板的設(shè)計(jì)。控制電路板主要包括芯片供電模塊，舵機(jī)供電模塊，pwm輸出模塊。(3)軟件的設(shè)計(jì)。人形機(jī)器人軟件的設(shè)計(jì)采用silicon

2、編程環(huán)境。為了縮短開發(fā)周期，采用c語言作為開發(fā)語言。 (4)動(dòng)作的設(shè)計(jì)和步態(tài)規(guī)劃的研究。人形機(jī)器人所做的動(dòng)作，由三維繪圖軟件solidworks2007的插件a刊mator進(jìn)行動(dòng)作設(shè)計(jì)。通過每個(gè)動(dòng)作設(shè)定一些鍵值，記錄各個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和時(shí)間。把這些動(dòng)作轉(zhuǎn)化為動(dòng)作數(shù)據(jù)，機(jī)器人在做動(dòng)作時(shí)讀取這些數(shù)據(jù)。對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。在機(jī)器人低速運(yùn)動(dòng)的情況下，基于zmp點(diǎn)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃。在對(duì)機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃時(shí)，按照機(jī)器人側(cè)向運(yùn)動(dòng)和前向運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行求解，得到了人形機(jī)器人下肢的各個(gè)關(guān)節(jié)自由度隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)的曲線。第一章 緒論1.1課題研究的背景和意義人形機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中的最高點(diǎn)，它代表了機(jī)器

3、人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。人類是在地球上最富有智慧的一種動(dòng)物。而對(duì)人類進(jìn)行仿制的機(jī)器人是對(duì)高級(jí)智能形式的探索。人形機(jī)器人可以代替人類去完成危險(xiǎn)的或繁重的工作。在有毒的、對(duì)人體有害的、高溫的、或危險(xiǎn)的工作環(huán)境中，人形機(jī)器人可以代替人類去完成這些工作。對(duì)于一些重復(fù)性和繁重的工作，人形機(jī)器人則完全可以代替人類保質(zhì)保量的完成這些工作。 ll人形機(jī)器人在服務(wù)業(yè)方面具有廣闊的前景。人形機(jī)器人可以做成導(dǎo)游禮儀機(jī)器人，能夠跟人進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)話，在賓館接待客人。現(xiàn)在很多的國家在開發(fā)能進(jìn)行表演的機(jī)器人。在大型游樂園，為了增加娛樂性，這些機(jī)器人能夠說話唱歌和表演，還能跟人進(jìn)行交流。人形機(jī)器人還是殘疾人士的福音。在電影阿凡達(dá)里

4、面有一種人操縱的仿人機(jī)器人，人可以坐在機(jī)器人里面操縱機(jī)器人行走和做各種各樣的動(dòng)作。如果這種機(jī)器人能夠走進(jìn)人們的現(xiàn)實(shí)，無疑會(huì)給殘疾人士帶來希望。使殘疾人可以突破自身的缺陷，重新獲得自由。當(dāng)然，人形機(jī)器人對(duì)人類的益處遠(yuǎn)不止這些，而且它將會(huì)給人類在科技、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化、倫理等方面帶來深遠(yuǎn)的影響。由于人形機(jī)器人代表了機(jī)器人技術(shù)的最高水平，因此成為各個(gè)國家在機(jī)器人技術(shù)上努力爭(zhēng)取的制高點(diǎn)。各國都不遺余力地投入財(cái)力、物力進(jìn)行人形機(jī)器人技術(shù)的研究，其機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、步態(tài)規(guī)劃等都成為當(dāng)今機(jī)器人研究的熱門領(lǐng)域。 21人形機(jī)器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)。 3這對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力

5、學(xué)及控制理論的研究提供了一個(gè)非常理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。中國機(jī)器人大賽中專門設(shè)有針對(duì)人形機(jī)器人的舞蹈比賽，本項(xiàng)目這是以此為平臺(tái)對(duì)人形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)等進(jìn)行研究，希望利用全國機(jī)器人大賽這樣一個(gè)平臺(tái)與其他高校、企業(yè)進(jìn)行交流，相互學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步。1.2人形機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)關(guān)于人形機(jī)器人的研究開始于20世紀(jì)60年代末，至今已有40多年的歷史。國內(nèi)外的許多學(xué)者都在從事人形機(jī)器人的研究與開發(fā)，如今人形機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域里的主要研究方向之一。1.2.1國外研究現(xiàn)狀近年來，人形機(jī)器人的研究與開發(fā)引起了日本和歐美等許多國家的科學(xué)家和企業(yè)家的極大熱情，而且這些國家的政府也紛紛耗資去組織相應(yīng)的發(fā)展

6、戰(zhàn)略計(jì)劃。許多著名的大學(xué)和公司也成立或資助了這些以研究和開發(fā)人形機(jī)器人為目標(biāo)的研究機(jī)構(gòu)。日本是最早進(jìn)行人形機(jī)器人研究的國家，在國外人形機(jī)器人的研究中尤以日本的研究中最為突出，代表著世界研究人形機(jī)器人的最高水平。最早出現(xiàn)的人形機(jī)器人應(yīng)該首推1973年早稻田大學(xué)加藤一郎研究室開發(fā)的認(rèn)叭bo不1。加藤一郎教授等人在wl一5型二足步行機(jī)器人的基礎(chǔ)上，配置了機(jī)械手、人工視覺、聽覺等裝置組成了認(rèn)叭bo丫1型自主式機(jī)器人。盡管技術(shù)還不是很成熟，但認(rèn)錢bot-1卻能通過視覺識(shí)別物體，也能通過聽覺和語音與人進(jìn)行交流，還能用有觸覺的雙手對(duì)物體進(jìn)行操作，也能用雙足行走，幾乎具備人形機(jī)器人的所有功能和組成要素。其后，

7、早稻田大學(xué)同一個(gè)研究室又開發(fā)了能演奏鋼琴的人形機(jī)器人認(rèn)叭bot-2。人形機(jī)器人的新紀(jì)元是由本田在19%年推出的p2掀開的。本田技研從 1986年開始實(shí)施一項(xiàng)人形機(jī)器人研發(fā)的秘密計(jì)劃。終于在 1996年推出身高 182cm、體重210kg的人形機(jī)器人p2。p2身上搭載了計(jì)算機(jī)和電池，而且具有無線遙控技術(shù)。p2通過重力感應(yīng)器把地面的信息傳給機(jī)器人電腦，經(jīng)過機(jī)器人電腦進(jìn)行判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)身體平衡和穩(wěn)步前進(jìn)。p2是世界上首臺(tái)能用雙足穩(wěn)定步行的人形機(jī)器人，因此本田公司在人形機(jī)器人領(lǐng)域里處于世界絕對(duì)領(lǐng)先地位。此后，本田又于 1997年發(fā)布了高160cm、重130kg的p34。本田公司又在2000年n月推出了

8、高度僅120cm、重量?jī)H43kg的asimo5，向小型化邁進(jìn)。本田公司還把目前最先進(jìn)的行走技術(shù)i一 walk(hitelligentrealtimeflexiblewalking，智能型即時(shí)彈性行走)運(yùn)用到機(jī)器人asimo中，使asimo不僅能前后行走，而且還能向兩側(cè)行走，能上下樓梯，并拐彎走路，能預(yù)先計(jì)劃下一步如何走，行進(jìn)中也不需要停下來考慮下一步怎么走。asimo是一個(gè)能獨(dú)立做出反應(yīng)的機(jī)器人，不僅能計(jì)算距離和物體的運(yùn)動(dòng)方向，而且能利用這些信息來影響自己的行為。2007年年底，這款全新的機(jī)器人更加智能化:它不僅能自動(dòng)判斷人的運(yùn)動(dòng)并做出相應(yīng)的反應(yīng)，而且還具有團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在視頻識(shí)別系統(tǒng)基礎(chǔ)上它

9、能夠更好的判斷路徑并沿著最適宜的路徑前進(jìn)，從而可以避免與其它機(jī)器人的沖突。圖1一1本田公司的pz、p3和asimo機(jī)器人此外，索尼公司也在人形機(jī)器人的研究上占有重要地位。 sdr(sonydreamrobot，索尼夢(mèng)想機(jī)器人)系列最早由索尼的開發(fā)人員幾 tsuzoishid和 yoshihirokuroki在 1997年提出的6。sdr-1是一個(gè)概念性的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，甚至動(dòng)作都不連貫，但它是今天sdr-4x的原型，如圖1一za所示。sdr-4x重大約5.9公斤，56厘米高，不僅具備影象識(shí)別、聲easimo音識(shí)別和聲音合成系統(tǒng)，而且身上裝置了帶有記憶功能的交流和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，這使得它能夠與人進(jìn)行更加

10、豐富的交流。不僅如此，sdr一4x機(jī)器人在娛樂服務(wù)質(zhì)量上得到了提升，例如，如果主人將音樂和歌詞輸入它的身體，它就可以唱歌。2003年11月18日索尼又推出了世界上首臺(tái)會(huì)跑的人形機(jī)器人q租o，如圖1一2b所示。它實(shí)現(xiàn)了可以搭載控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)進(jìn)行跑動(dòng)。qrjo共配置了24個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，通過兩個(gè)64位rjsc微處理器對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。綜上所述，以日本為代表的人形機(jī)器人的研究重點(diǎn)是:與當(dāng)代高新技術(shù)特別是與人工智能相結(jié)合，使人形機(jī)器人不僅具有智能性和學(xué)習(xí)能力，而且還能適應(yīng)周圍環(huán)境的變化。a索尼的sdr-4x機(jī)器人b索尼的qrio機(jī)器人。美國也是最早進(jìn)行人形機(jī)器人研究的國家之一。 1968年，美國通用

11、電氣公司的研究人員smosher試制了一臺(tái)名叫橄g的操縱型二足步行機(jī)構(gòu)，從此揭開了人形機(jī)器人研究的序幕。麻省理工學(xué)院的研究小組研制出了具有21個(gè)自由度的人形機(jī)器人c0g71。其上安裝了視覺、聽覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)覺等先進(jìn)的傳感器，不僅增強(qiáng)了對(duì)外部環(huán)境的交互，而且能夠根據(jù)外部環(huán)境做出一些必要的反應(yīng)。俄羅斯圣彼得堡“新紀(jì)元”公司在2003年國際海軍展覽會(huì)上首次展示俄羅斯研制的人形機(jī)器人，這兩臺(tái)人形機(jī)器人分別取名為“阿涅奧”和“阿涅亞”。該公司下屬的機(jī)器人技術(shù)部門是在2001年建立的，從那時(shí)起開始研制機(jī)器人，其中包括人形機(jī)器人，共花費(fèi)100萬美元?！靶录o(jì)元”公司到2013年將投資約100億美元繼續(xù)人形機(jī)器

12、人的研制。雖然俄羅斯的機(jī)器人還是由操作人員通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，但是機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和程序保障系統(tǒng)十分先進(jìn)，能用雙腳行走，甚至能與人對(duì)話。俄羅斯專家的研究成果在人形機(jī)器人的研究領(lǐng)域里也具有一席之地。1.2.2我國的研究現(xiàn)狀我國在人形機(jī)器人方面的研究與發(fā)達(dá)國家相比總體上還有一定的差距，但在我國學(xué)者的不懈努力下還是取得了豐碩的成果。在國家863計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和湖南省的支持下，長(zhǎng)沙國防科技大學(xué)首次于1988年2月研制成功了六關(guān)節(jié)平面運(yùn)動(dòng)型雙足步行機(jī)器人。隨后于1990年又先后研制成功了十關(guān)節(jié)、十二關(guān)節(jié)的空間運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了平地前進(jìn)、后退，左右側(cè)行，左右轉(zhuǎn)彎，上下臺(tái)階，上下斜坡和跨越障礙

13、等人類所具備的基本行走功能。近期在十二關(guān)節(jié)的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了每秒鐘兩步的前進(jìn)及左右動(dòng)態(tài)行走等功能。經(jīng)過十年攻關(guān)，國防科技大學(xué)還研制成功了我國第一臺(tái)仿人型機(jī)器人一“先行者”，如圖1一3a 實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)的重大突破?！跋刃姓摺庇腥艘粯拥纳碥|、頭顱、眼睛、雙臂和雙足，有一定的語言功能，可以動(dòng)態(tài)步行。2005年由北京理工大學(xué)牽頭、多個(gè)單位參加歷經(jīng)三年攻關(guān)打造的雙足人形機(jī)器人“匯童”研制成功，如圖1一3b所示。“匯童gdsc”仿人機(jī)器人的應(yīng)用，使我國成為繼日本之后第二個(gè)仿人機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室并投入實(shí)際應(yīng)用的國家。我國人形機(jī)器人的研究起步較晚，主要在基礎(chǔ)理論上有一些突破，重點(diǎn)主要集中在機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)

14、和步態(tài)上，使機(jī)器人具有智能性和學(xué)習(xí)能力的研究才剛剛起步。1.2.3人形機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)人形機(jī)器人經(jīng)過幾十年的發(fā)展雖然實(shí)現(xiàn)了人的基本運(yùn)動(dòng)功能，但只是人形機(jī)器人發(fā)展的初級(jí)階段。未來人形機(jī)器人的發(fā)展主要從以下幾個(gè)方面展開突破:(l)操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。探索新的高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料來進(jìn)一步提高負(fù)載與自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展;a先行者機(jī)器人b匯童機(jī)器人 (2)控制技術(shù)。重點(diǎn)研究開放式，模塊化的控制系統(tǒng)，以及友好的人機(jī)界面和語言、圖形編程界面;(3)多傳感系統(tǒng)。為進(jìn)一步提高人形機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是解決其問題的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及

15、非平穩(wěn)、非正態(tài)分布情形下的多傳感器融合算法;(4)虛擬機(jī)器人技術(shù)?；诙鄠鞲衅?、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互;(5)多智能體控制技術(shù)。這是目前人形機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。其研究主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理、感知與學(xué)習(xí)方法、建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究;6)微型和微小機(jī)器人技術(shù)。這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。人形機(jī)器人在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面將產(chǎn)生不可估量的影響。微型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳

16、感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面;（7)仿生技術(shù)。這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行一些基礎(chǔ)性的研究。第二章人形機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1關(guān)于加藤一郎結(jié)構(gòu)體在1966 年，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授，即國際人形機(jī)器人之父就把人形機(jī)器人給定型了。頭、軀干、四肢的防人結(jié)構(gòu)和被學(xué)術(shù)界簡(jiǎn)化并賦予一定數(shù)學(xué)方程式的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)注定的現(xiàn)階段的人形機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)。這樣做的好處是國際統(tǒng)一與各國之間的技術(shù)接軌。我們習(xí)慣的稱其為“加藤一郎結(jié)構(gòu)體”。2.2全身機(jī)械結(jié)構(gòu)原理人類在研究人體結(jié)構(gòu)之前花費(fèi)了大量的時(shí)間去研究昆蟲，哺乳動(dòng)物的腿部移動(dòng)，甚至登山運(yùn)動(dòng)員在爬山時(shí)的腿部運(yùn)動(dòng)方式。這些研究幫助我們更

17、好的了解在行走過程中發(fā)生的一切，特別是關(guān)節(jié)處的運(yùn)動(dòng)。比如，我們?cè)谛凶叩臅r(shí)候會(huì)移動(dòng)我們的重心，并且前后擺動(dòng)雙手來平衡我們的身體。這些構(gòu)成了人形機(jī)器人行走的基礎(chǔ)方式。人形機(jī)器人和人類一樣，有髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和足關(guān)節(jié)。機(jī)器人中的關(guān)節(jié)一般用“自由度”來表示。一個(gè)自由度表示一個(gè)運(yùn)動(dòng)可以或者向上，或者向下，或者向右，或者向左。分散在身體的不同部位，所以骨骼結(jié)構(gòu)因此而生。一般的，人形機(jī)器人身上裝有兩個(gè)傳感器能輔助它水平行走，它們是加速度傳感器和陀螺傳感器。它們主要用來讓機(jī)器人知道身體目前前進(jìn)的速度以及和地面所成的角度，并依次計(jì)算出平衡身體所需要調(diào)節(jié)量。這兩個(gè)傳感器起的作用和我們?nèi)祟悆?nèi)耳相同。要進(jìn)行平衡的調(diào)節(jié)，

18、機(jī)器人還必須要有相應(yīng)的關(guān)節(jié)傳感器和6 軸的力傳感器，來感知肢體角度和受力情況。機(jī)器人的行走中最重要的部分就是它的調(diào)節(jié)能力。所以需要檢測(cè)在行走中產(chǎn)生的慣性力。當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)，它將受到由地球引力，以及加速或減速行進(jìn)所引起的慣性力的影響。這些力的總和被稱之為總慣性力。當(dāng)機(jī)器人的腳接觸地面時(shí)，它將受到來自地面反作用力的影響，這個(gè)力稱之為地面反作用力。所有這些力都必須要被平衡掉，而機(jī)器人的控制目標(biāo)就是要找到一個(gè)姿勢(shì)能夠平衡掉所有的力。這稱做zeromoment point (zmp)。 當(dāng)機(jī)器人保持最佳平衡狀態(tài)的情況下行走時(shí)，軸向目標(biāo)總慣性力與實(shí)際地面反作用力相等。相應(yīng)地，目標(biāo)zmp 與地面反作用力的中

19、心點(diǎn)也重合。當(dāng)機(jī)器人行走在不平坦的地面時(shí)，軸向目標(biāo)總慣性力與實(shí)際的地面反作用力將會(huì)錯(cuò)位，因而會(huì)失去平衡，產(chǎn)生造成跌倒的力。跌倒力的大小與目標(biāo)zmp 和地面反作用力中心點(diǎn)的錯(cuò)位程度相對(duì)應(yīng)。簡(jiǎn)而言之，目標(biāo)zmp 和地面反作用力中心點(diǎn)的錯(cuò)位是造成失去平衡的主要原因。假若機(jī)器人失去平衡有可能跌倒時(shí)，下述三個(gè)控制系統(tǒng)將起作用，以防止跌倒，并保持繼續(xù)行走狀態(tài)。（1）地面反作用力控制：腳底要能夠適應(yīng)地面的不平整，同時(shí)還要能穩(wěn)定的站住。（2）目標(biāo)zmp 控制：當(dāng)由于種種原因造成機(jī)器人無法站立，并開始傾倒的時(shí)候，需要制他的上肢反方向運(yùn)動(dòng)來控制即將產(chǎn)生的摔跤，同時(shí)還要加快步速來平衡身體。（3）落腳點(diǎn)控制：當(dāng)目標(biāo)z

20、mp 控制被激活的時(shí)候，機(jī)器人需要調(diào)節(jié)每步的間距來滿足當(dāng)時(shí)身體的位置，速度和步長(zhǎng)之間的關(guān)系。2.3制造工藝由于目前的國際化生產(chǎn)模式趨于完善，大多廠商的產(chǎn)業(yè)鏈條搭建結(jié)構(gòu)重疊，再加上中國目前處于一個(gè)世界超級(jí)的外貿(mào)加工出口型國家，所以森漢科技生產(chǎn)的小型人形機(jī)器人與日本生產(chǎn)的小型人形機(jī)器人工藝水平十分接近。有的日本品牌的小型人形機(jī)器人也在中國生產(chǎn)，并且與森漢科技公司的生產(chǎn)線挨得很近。甚至有的零件采用同一條生產(chǎn)線制造，所以共通性較強(qiáng)。也有的日本廠商干脆委托森漢公司代理生產(chǎn)一些核心零件。這樣的一個(gè)大環(huán)境下，致使森漢科技生產(chǎn)的小型人形機(jī)器人與日本品牌的小型人形機(jī)器人制造工藝十分相似。實(shí)際生產(chǎn)過程中，由模具制

21、造先進(jìn)行，然后再生產(chǎn)全部的零件。其中包括金屬零件和塑料零件。shr-6sv 人形機(jī)器人全身共需20 付模具完成零件生產(chǎn)。考慮到本項(xiàng)目制作的人形機(jī)器人后期研究完畢將參加中國機(jī)器人舞蹈大賽，因此其機(jī)械結(jié)按照舞蹈機(jī)器人比賽的尺寸要求進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。比賽要求參賽的機(jī)器人重量不超過5公斤，體積不大于 60cmx60cmx60cm。為了使機(jī)器人的重量和體積符合比賽要求，在選擇制作機(jī)器人零部件材料時(shí)充分考慮到了強(qiáng)度、硬度、密度和便于加工。在這里我們選擇厚度為zlrn的硬質(zhì)鋁板。為了保證加工精度，采用了數(shù)控線切割進(jìn)行鋁板加工。在機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量減少機(jī)器人零部件的尺寸，合理地分配機(jī)器人的自由度。在驅(qū)動(dòng)上我

22、們選擇驅(qū)動(dòng)力矩大和便于控制的舵機(jī)。2.4人形機(jī)器人的自由度分配對(duì)于人形機(jī)器人自由度的分配和設(shè)計(jì)要保證各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍不受限制，關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)盡量緊湊。為了使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候不容易摔倒，我們可以把人形機(jī)器人的重心設(shè)計(jì)的低些。人形機(jī)器人的各個(gè)自由度是對(duì)人類關(guān)節(jié)的簡(jiǎn)單模仿。人類參與運(yùn)動(dòng)的部位主要有頭部、手臂、上體、腰、腿、足等。因此人形機(jī)器人自由度的分配和設(shè)計(jì)主要集中在機(jī)器人的頭部、手臂、腰、腿、足等部位。為了方便機(jī)器人運(yùn)動(dòng)自由度的描述，我們先建立一個(gè)參考坐標(biāo)系，其x軸指向機(jī)器人前方，y軸指向機(jī)器人左側(cè)，z軸指向機(jī)器人上方。如圖2一1所示。2.4.1頭部自由度分配人類的頭部可以做很多的動(dòng)作，比如上下點(diǎn)

23、頭，左右搖頭等等。在自由度分配時(shí)，可以考慮分配2個(gè)自由度。但是考慮到人形機(jī)器人是由舵機(jī)來驅(qū)動(dòng)的，在頭部分配兩個(gè)自由度，舵機(jī)位置無法擺放，而且設(shè)計(jì)出來的機(jī)器人也不是很美觀。因此把頭部簡(jiǎn)化為一個(gè)自由度，只能繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。2.4.2上肢自由度的分配人類的上肢所做的動(dòng)作主要由人的手臂來完成，人的手臂關(guān)節(jié)眾多，要完全模仿人手臂的全部關(guān)節(jié)不是很現(xiàn)實(shí)。因此只保留主要的關(guān)節(jié)，比如肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)。而人的肩關(guān)節(jié)是一個(gè)半球面副，分配兩個(gè)自由度進(jìn)行模仿人的肩關(guān)節(jié)。一個(gè)自由度繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)自由度繞y軸運(yùn)動(dòng)。這樣人形機(jī)器人的兩個(gè)肩關(guān)節(jié)有2x2共4個(gè)自由度。而人形機(jī)器人的肘關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)自由度，只能繞y軸運(yùn)動(dòng)。這樣人形機(jī)器

24、人的兩個(gè)肘關(guān)節(jié)有l(wèi)x2共2個(gè)自由度。2.4.3下肢自由度的分配人形機(jī)器人的下肢主要用來支撐身體和行走。其髓關(guān)節(jié)可以設(shè)計(jì)兩個(gè)自由度，一個(gè)是繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，另一個(gè)是繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。所以人形機(jī)器人的髓關(guān)節(jié)有2xz共4個(gè)自由度。人形機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)自由度。兩個(gè)膝關(guān)節(jié)有1xz共2個(gè)自由度。而人的足部關(guān)節(jié)也是一個(gè)半球面副，在這里我們?cè)O(shè)計(jì)兩個(gè)自由度來對(duì)其進(jìn)行模仿，一個(gè)繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)x軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣人形機(jī)器人的足關(guān)節(jié)有2xz共4個(gè)自由度。人形機(jī)器人的自由度分配如上所述，每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)均有一個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制。人形機(jī)器人共有17個(gè)自由度，其自由度分配圖如圖2一2所示。為了方便識(shí)別每個(gè)自由度，對(duì)每個(gè)

25、舵機(jī)進(jìn)行了數(shù)字編號(hào)。圖2一2自由度分配第三章 人形機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)機(jī)器人控制系統(tǒng)由上層組織層控制器和四個(gè)底層執(zhí)行層控制器組成，四個(gè)底層控制器分別用來控制左腿五個(gè)自由度，右腿五個(gè)自由度，左臂三個(gè)自由度，右臂三個(gè)自由度加上頭部一個(gè)自由，如圖4-1所示。組織層和執(zhí)行層采用can總線通訊。本章對(duì)小型化仿人形機(jī)器人的控制硬件進(jìn)行構(gòu)建。3.2 硬件模塊劃分控制系統(tǒng)將關(guān)系到機(jī)器人整體運(yùn)行情況，也是步態(tài)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)算法的基礎(chǔ)和平臺(tái)，控制系統(tǒng)中的反饋設(shè)計(jì)將關(guān)系到后面的編程算法，也將對(duì)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生影響。組織層控制器通過can總線把離線規(guī)劃好的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡傳送給執(zhí)行層，實(shí)時(shí)采集8路力傳

26、感器的信號(hào)，并把計(jì)算得到的zmp位置與期望值進(jìn)行比較，用對(duì)zmp誤差影響較大的關(guān)鍵關(guān)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)信號(hào)反饋。整個(gè)控制系統(tǒng)以dsp為核心，分為四大功能模塊：組織層dsp主處理器模塊主要完成力傳感器信息處理和zmp誤差計(jì)算和補(bǔ)償算法；組織層a/d轉(zhuǎn)換模塊采集8路壓力傳感器信號(hào)；執(zhí)行層多路舵機(jī)的分時(shí)位置控制；通信模塊負(fù)責(zé)兩層控制器進(jìn)行信息交互。兩層控制器都包括一些主控電路如電源轉(zhuǎn)換模塊，串行通訊模塊，can總線通訊模塊，這是兩個(gè)控制器共同的模塊。而上層控制器還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，而下層控制器主要是多路舵機(jī)控制模塊。兩層通過can總線實(shí)現(xiàn)通訊。下圖為組織層的主要電路模塊。3.3 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)一切硬

27、件控制，一切控制策略最終要通過軟件實(shí)現(xiàn)。源代碼用c語言編寫，固化在片內(nèi)的flash程序存儲(chǔ)器中，用新華龍公司的dsp開發(fā)軟件silicon進(jìn)行編譯。3.3.1程序模塊劃分軟件系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成，即初始化模塊，主程序，串行通訊中斷服務(wù)程序和adc轉(zhuǎn)換程序，can總線通訊程序，多路伺服舵機(jī)控制程序。主程序完成系統(tǒng)的初始化，把對(duì)應(yīng)每個(gè)步態(tài)的各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡傳送給底層控制器，并根據(jù)力傳感器反饋信號(hào)來調(diào)整步態(tài)，改變關(guān)鍵關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角輸出控制電機(jī)。adc模塊主要是對(duì)反饋回來的力傳感信號(hào)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)一定的算法來得出zmp的位置。轉(zhuǎn)換起始也由dsp控制，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)發(fā)出結(jié)束信號(hào)，dsp在中斷子程序中讀取轉(zhuǎn)

28、換后的數(shù)據(jù)。pwm電機(jī)控制模塊通過特定的算法把組織層控制器發(fā)送過來的步態(tài)生成各個(gè)自由度對(duì)應(yīng)的pwm控制信號(hào)，對(duì)多自由度進(jìn)行位置控制。can通訊模塊基本上是組織層向執(zhí)行層發(fā)送步態(tài)指令，和接收?qǐng)?zhí)行層電機(jī)狀態(tài)的信號(hào)。can總線的最大通信速率可以達(dá)到幾千幀秒，完全可以滿足實(shí)時(shí)控制的要求。3.3.2軟件模塊詳細(xì)介紹初始化模塊初始化模塊在主程序開始時(shí)運(yùn)行，主要包括adc模塊、pwm模塊、can控制器模塊、定時(shí)器模塊和看門狗模塊的初始化。1 a/d模塊初始化 主要工作有設(shè)置a/d轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源。設(shè)定在進(jìn)入定時(shí)器4周期中斷服務(wù)程序之前來啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換；設(shè)置adc模塊的控制寄存器來選擇a/d工作模式；設(shè)置中斷模式

29、，選用中斷模式1，一旦中斷標(biāo)志置1就立刻申請(qǐng)中斷。這可以通過設(shè)置adctrl2的位1110為0或1來實(shí)現(xiàn)；設(shè)置需要轉(zhuǎn)換的通道個(gè)數(shù)；設(shè)置轉(zhuǎn)換各通道的順序，寫寄存器chselseqi-chselseq4來設(shè)置通道的轉(zhuǎn)換順序，這需要與硬件相對(duì)應(yīng)。2 pwm模塊初始化 用所對(duì)應(yīng)的i/o復(fù)用控制寄存器mcrc來配置所選用引腳的功能；對(duì)于己經(jīng)配置為一般1/0口的引腳必須用相應(yīng)端口數(shù)據(jù)和方向控制寄存器pxdatdir來配置其為輸入/輸出方式。如果配置為輸出方式，則還需要設(shè)置是輸出高電平還是低電平。3 定時(shí)器模塊的初始化 主要是設(shè)置單個(gè)通道控制寄存器(txcon)。本程序采用了三個(gè)通用定時(shí)器。通用定時(shí)器1，3

30、用于pwm電機(jī)控制，通用定時(shí)器4用于數(shù)據(jù)量采集和數(shù)據(jù)融合、傳輸模塊的定時(shí)，通用定時(shí)器1用于定時(shí)復(fù)位看門狗的時(shí)間。4 can模塊初始化 就是在使用can控制器前對(duì)它的一些內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置。主要是選擇要發(fā)送和接收的郵箱并設(shè)置相應(yīng)的寄存器、設(shè)置波特率和設(shè)置信息的標(biāo)識(shí)符等。配置位定時(shí)器的流程圖和初始化郵箱的流程圖分別如下圖所示。位定時(shí)器主要由bcri和bcr2兩個(gè)寄存器組成，這兩個(gè)寄存器決定了can控制器的通信波特率、同步跳轉(zhuǎn)寬度，采樣次數(shù)和重同步方式。只有兩個(gè)波特率相等的can節(jié)點(diǎn)之間可以通訊。第四章 17路pwm信號(hào)的生成人形機(jī)器人有17個(gè)自由度，每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)均由一個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制。因此人形機(jī)

31、器人的控制系統(tǒng)最重要的一個(gè)問題就是要解決產(chǎn)生控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的多路pwm信號(hào)，可以在線調(diào)節(jié)pwm信號(hào)的占空比。產(chǎn)生pwm信號(hào)的方法有很多種:(l)采用一些分立元件設(shè)計(jì)成模擬電路來產(chǎn)生pw入1信號(hào)。但是這種方法產(chǎn)生的pwm信號(hào)精度不高，不便在線調(diào)整pwm信號(hào)的脈寬，很難對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制;(2)利用cpld或fpga來產(chǎn)生pwm信號(hào)。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可在線編程，并且產(chǎn)生的pwm信號(hào)波形精度高。cpld和fpga含有大量的fo接口，可同時(shí)控制幾十個(gè)甚至上百個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作。但是這種方法實(shí)現(xiàn)的成本太高;(3)用單片機(jī)產(chǎn)生pwm信號(hào)是一種可行的方法，不僅硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且實(shí)現(xiàn)的精度也高。我們主要采用c語言進(jìn)行

32、程序的編寫，在一些特殊的場(chǎng)合下采用匯編和c語言進(jìn)行混合編程。4.1 silicon的工程文件4.2 控制舵機(jī)的pwm信號(hào)簡(jiǎn)介4.2.1 pwm 信號(hào)的定義pwm 信號(hào)為脈寬調(diào)制信號(hào)，其特點(diǎn)在于他的上升沿與下降沿之間的時(shí)間寬度。具體的時(shí)間寬窄協(xié)議參考下列講述。我們目前使用的舵機(jī)主要依賴于模型行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，隨著機(jī)器人行業(yè)的漸漸獨(dú)立，有些廠商已經(jīng)推出全新的舵機(jī)協(xié)議，這些舵機(jī)只能應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè)，已經(jīng)不能夠應(yīng)用于傳統(tǒng)的模型上面了。目前，北京森漢的sh14-m 舵機(jī)可能是這個(gè)過渡時(shí)期的產(chǎn)物，它采用傳統(tǒng)的pwm 協(xié)議，優(yōu)缺點(diǎn)一目了然。優(yōu)點(diǎn)是已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，成本低，旋轉(zhuǎn)角度大（目前所生產(chǎn)的都可達(dá)到185 度）

33、；缺點(diǎn)是控制比較復(fù)雜，畢竟采用pwm 格式。但是它是一款數(shù)字型的舵機(jī)，其對(duì)pwm 信號(hào)的要求較低：（1） 不用隨時(shí)接收指令，減少cpu 的疲勞程度；（2） 可以位置自鎖、位置跟蹤，這方面超越了普通的步進(jìn)電機(jī)；其pwm 格式注意的幾個(gè)要點(diǎn)：（1） 上升沿最少為0.5ms，為0.5ms-2.5ms 之間；（2） sh14-m 數(shù)字舵機(jī)下降沿時(shí)間沒要求，目前采用0.5ms 就行；也就是說pwm 波形可以是一個(gè)周期1ms 的標(biāo)準(zhǔn)方波；4.2.2 pwm信號(hào)控制精度制定我們采用的是8 位at89c51f310cpu其數(shù)據(jù)分辨率為256，那么經(jīng)過舵機(jī)極限參數(shù)實(shí)驗(yàn)，得到應(yīng)該將其劃分為250 份。那么 0.5

34、ms-2.5ms 的寬度為2ms = 2000us。2000us250=8us則：pwm 的控制精度為8us我們可以以8us 為單位遞增控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與定位。舵機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)185 度，那么185 度250=0.74 度，則：舵機(jī)的控制精度為0.74 度。1 dwt = 8us ; 250dwt=2ms 時(shí)基寄存器內(nèi)的數(shù)值為：（#01h）01 （#0fah）250。共 185 度，分為250 個(gè)位置，每個(gè)位置叫1dwt。則：185250 = 0.74 度 / dwt ，pwm 上升沿函數(shù)： 0.5ms + ndwt 0us ndwt 2ms0.5ms 0.5ms+ndwt 2.5ms4.3 at89

35、c51f310cpu的pwm信號(hào)的產(chǎn)生4.3.1 利用通用定時(shí)器產(chǎn)生pwm信號(hào)首先設(shè)置控制寄存器 txc()n。根據(jù)pwm信號(hào)的周期，合理設(shè)定輸入時(shí)鐘的預(yù)定標(biāo)因子，并設(shè)置計(jì)數(shù)器為增計(jì)數(shù)模式，設(shè)定比較使能。根據(jù)pwm信號(hào)周期設(shè)定周期寄存器txpr的值，根據(jù)pwm信號(hào)的占空比設(shè)定比較寄存器txcmpr的值。當(dāng)計(jì)數(shù)器的值從o增長(zhǎng)到與比較寄存器txcmpr的值匹配時(shí)，會(huì)使對(duì)應(yīng)的pwm輸出引腳信號(hào)發(fā)生跳變。使能定時(shí)器比較中斷，在計(jì)數(shù)器的值與比較寄存器的值匹配時(shí)觸發(fā)比較中斷，在中斷服務(wù)子程序中對(duì)pwm信號(hào)的占空比進(jìn)行在線調(diào)整。圖4.3 通用定時(shí)器產(chǎn)生pwm的流程4.3.2利用比較單元產(chǎn)生pwm信號(hào)利用比較

36、單元產(chǎn)生pwm信號(hào)時(shí)，定時(shí)器的周期寄存器存儲(chǔ)pwm信號(hào)的周期值，而pwm信號(hào)的高電平計(jì)數(shù)值由比較單元的比較寄存器來存儲(chǔ)。當(dāng)定時(shí)器的計(jì)數(shù)器設(shè)置為增計(jì)數(shù)模式時(shí)，如果計(jì)數(shù)器的值與比較寄存器的值發(fā)生匹配，會(huì)在對(duì)應(yīng)的pwm輸出引腳上發(fā)生跳變，從而輸出pwm信號(hào)。使能定時(shí)器的周期中斷功能，如果要進(jìn)行在線調(diào)整pwm信號(hào)的占空比，則在中斷服務(wù)程序中改變定時(shí)器的周期寄存器的值和比較單元的比較寄存器的值。利用比較單元產(chǎn)生pwm信號(hào)的流程如圖4一4所示。圖44 利用比較單元產(chǎn)生的pwm信號(hào)的流程圖中的系統(tǒng)初始化是指at89c51f310處理器工作方式的設(shè)置，包括關(guān)中斷、設(shè)置系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄存器、禁止看門狗、使能定時(shí)

37、器周期中斷的一級(jí)中斷intz、清中斷標(biāo)志。事件管理器的初始化是指與定時(shí)器和比較單元相關(guān)的寄存器設(shè)置。在定時(shí)器周期中斷服務(wù)程序中主要完成:根據(jù)pwm信號(hào)的周期和占空比設(shè)置定時(shí)器周期寄存器的值和3個(gè)全比較單元的比較寄存器的值。4.3.3利用數(shù)字po口輸出pwm信號(hào)利用數(shù)字fo口產(chǎn)生pwm信號(hào)的方法很簡(jiǎn)單，就是采用軟件延時(shí)或硬件延時(shí)的方法，置高或置低數(shù)字fo的引腳。軟件延時(shí)是采用循環(huán)指令的方法進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)時(shí)間要進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，精度不是很準(zhǔn)確。硬件延時(shí)是采用定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，相對(duì)來說比較精確。它們的延時(shí)時(shí)間根據(jù)pwm信號(hào)的周期和占空比來設(shè)定。4.3.4 8051中的pwm模塊設(shè)計(jì)pwm模塊應(yīng)包括：1、比

38、較部分（comp）：2、計(jì)數(shù)部分（counter）：3、狀態(tài)及控制信號(hào)寄存/控制器（pwm_ctrl）；1）狀態(tài)積寄存器：（flags），地址：e8h ；en：pwm模塊啟動(dòng)位，置位為1將使pwm模塊開始工作；（留空備用）解調(diào)速率標(biāo)志位：00 無分頻；01 2分頻；10 10分頻；11 16分頻。 （reset后為00）（留空備用）（留空備用）（留空備用）（留空備用）注意：該寄存器可以位操作情況下可寫，不可讀；只能在字節(jié)操作方式下讀取。2）數(shù)據(jù)寄存器（datastore），地址：f8h；注意：該寄存器值不可讀，只可寫。4、端口：1）數(shù)據(jù)總線（databus）；（雙向）2）地址總線（addrbu

39、s）；（in）3）pwm波輸出端口（pwmout）；（out）4）控制線： clk：時(shí)鐘；（in） reset：異步復(fù)位信號(hào)；（in 低電平有效） wr：寫pwm ram信號(hào)；（in 低電平有效）； rd：讀pwm ram信號(hào)；（in 低電平有效） done：接受完畢反饋信號(hào)；（out 高電平有效） int：中斷申請(qǐng)信號(hào)；（out 低電平有效） intresp：中斷響應(yīng)信號(hào)；（in低電平有效） bytebit：字節(jié)/位操作控制信號(hào)（in 1-byte 0-bit）； 中斷占用相當(dāng)于mcu8051的外部中斷2，則可保證在5個(gè)指令周期之內(nèi)，“讀取數(shù)據(jù)”中斷必定得到響應(yīng)。 pwm模塊使用方法：因?yàn)檎?/p>

40、用了8051外部中斷1，所以在不使用該模塊時(shí)，應(yīng)該把外部中斷2屏蔽。而pwm模塊產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求可以看作是“能接受數(shù)據(jù)”的信號(hào)。中斷方法如后“中斷讀取數(shù)據(jù)過程”。使用pwm模塊，應(yīng)該先對(duì)內(nèi)部地址8fh的數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)，然后設(shè)置地址8eh的狀態(tài)寄存器最低位（0）為1，即pwm模塊開始工作并輸出pwm調(diào)制波（如timer模塊）。在輸出pwm調(diào)制波過程中，應(yīng)及時(shí)對(duì)pwm寫入下一個(gè)調(diào)制數(shù)據(jù)，保證pwm連續(xù)工作，輸出波形連續(xù)。 （待改進(jìn)）中斷讀取數(shù)據(jù)過程：1. pwm模塊可以讀取數(shù)據(jù)，申請(qǐng)中斷信號(hào)int置位為0，等待8051響應(yīng)； 2. 8051接受到中斷申請(qǐng)后，作出中斷響應(yīng)，置位intresp信號(hào)線

41、為0； 3. pwm模塊收到intresp信號(hào)后，把中斷申請(qǐng)信號(hào)int復(fù)位為1，等待8051通知讀取數(shù)據(jù)wr信號(hào)； 4. 8051取出要求數(shù)據(jù)放于數(shù)據(jù)總線（databus）上，并置wr信號(hào)為0； 5. pwm模塊發(fā)現(xiàn)wr信號(hào)為0，由數(shù)據(jù)總線（databus）上讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器，將done位置位為1； 6. 8051發(fā)現(xiàn)done信號(hào)的上跳變?yōu)?，釋放數(shù)據(jù)總線； 7. pwm模塊完成當(dāng)前輸出周期，復(fù)位done為0，從此當(dāng)前數(shù)據(jù)寄存器可以再次接受數(shù)據(jù)輸入。 注意事項(xiàng)：1）輸出的pwm信號(hào)中的高電平部分必須處于一個(gè)輸出周期的中間，不能偏離，否則輸出語音經(jīng)過低通后必定是一失真嚴(yán)重的結(jié)果。2）對(duì)于

42、8位精度的pwm，每個(gè)輸出周期占用256（28）個(gè)機(jī)器周期，但是包含256個(gè)機(jī)器周期至少有22個(gè)指令周期，亦即264（22*12）個(gè)機(jī)器周期，由于語音信號(hào)的連續(xù)性，256與264之間相差的8個(gè)機(jī)器周期是不能由之丟空的，否則也會(huì)使輸出信號(hào)失真。如果將須輸出數(shù)字量按256/264的比例放大輸出，亦不可行，因?yàn)槿绱朔钦麛?shù)比例放大，放大倍數(shù)很小，則經(jīng)過再量化后小數(shù)部分亦會(huì)被忽略掉，產(chǎn)生失真。舉例：輸出數(shù)字量為16，按比例放大后為16.5，更會(huì)產(chǎn)生難以取舍的問題。 故采取以下辦法：該模塊以時(shí)鐘周期為標(biāo)準(zhǔn)，而與tmbus無關(guān)，即基本上與8051部分異內(nèi)（暫定每次讀取8字節(jié)），儲(chǔ)存字節(jié)數(shù)必須能保證pwm輸出

43、該段數(shù)據(jù)過程中，有足夠時(shí)間從ram處繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。由于占用了8051的外部中斷2，中斷申請(qǐng)?jiān)?個(gè)指令周期（36個(gè)時(shí)鐘周期）內(nèi)必定能得到響應(yīng)，而pwm模塊處理一個(gè)數(shù)據(jù)需要固定耗時(shí)256個(gè)時(shí)鐘周期，故能保證pwm模塊順序讀取數(shù)據(jù)中斷能及時(shí)得到響應(yīng)，不會(huì)影響調(diào)制信號(hào)的連續(xù)性。3）rd ram過程是異步過程。4）輸出后數(shù)據(jù)寄存器不自動(dòng)清零。因?yàn)榭梢酝ㄟ^把flags(0)寫0而停止pwm模塊繼續(xù)工作。4.4單舵機(jī)拖動(dòng)及調(diào)速算法4.4.1 舵機(jī)為隨動(dòng)機(jī)構(gòu)（1）當(dāng)其未轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置時(shí)，將全速向目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）當(dāng)其到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，將自動(dòng)保持該位置。所以對(duì)于數(shù)字舵機(jī)而言，pwm 信號(hào)提供的是目標(biāo)位置，跟蹤運(yùn)動(dòng)

44、要靠舵機(jī)本身。（3）像sh-0680 這樣的模擬舵機(jī)需要時(shí)刻供給pwm 信號(hào)，舵機(jī)自己不能鎖定目標(biāo)位置。所以我們的控制系統(tǒng)是一個(gè)目標(biāo)規(guī)劃系統(tǒng)。4.4.2 sh14-m 舵機(jī)的位置控制方法舵機(jī)的轉(zhuǎn)角達(dá)到185 度，由于采用8 為cpu 控制，所以控制精度最大為256 份。目前經(jīng)過實(shí)際測(cè)試和規(guī)劃，分了250 份。具體劃分參見“pwm 信號(hào)控制精度制定”。將 0185 分為250 份，每份0.74 度。控制所需的 pwm 寬度為0.5ms2.5ms，寬度2ms。2ms250=8us；所以得出：pwm 信號(hào)高電平持續(xù)的時(shí)間 =度數(shù)/8s + 500s；4.5 中斷服務(wù)程序的編寫中斷服務(wù)程序的編寫，主要

45、編寫定時(shí)器timerl的周期中斷服務(wù)程序，和3個(gè)比較單元的比較中斷服務(wù)程序。在編寫中斷服務(wù)程序中要注意的是一定要清除相應(yīng)的中斷標(biāo)志位。定時(shí)器timerl的中斷服務(wù)程序的代碼如下:*evaifra&二0 x0080刃清定時(shí)器1中斷標(biāo)志k+;刀中斷計(jì)數(shù)器加111文k一8)k=0;刀判斷一個(gè)pw入i周期是否輸出完畢，如果輸出完畢，中斷計(jì)數(shù)器清零準(zhǔn)備下一周期輸出*padaidir印0川五gh壓;*pbdatdir印orthigh壓;*ped戶江dir=porthighk;/把下一組數(shù)字陽端口置高*cmpri=pulsek:*cmprz=pulse【8+k;*cmpr3=pulse16+k;刀把下一組要

46、輸出的高電平計(jì)數(shù)值賦給比較寄存器*ticnt=ox000o;/定時(shí)器1計(jì)數(shù)器清零enabfeo;/開中斷retum;/返回enable();語句調(diào)用開中斷函數(shù)，程序進(jìn)入中斷后，一般是關(guān)中斷的，在中斷服務(wù)程序完成以后要開中斷，以使中斷能繼續(xù)進(jìn)行。定時(shí)器t加erl中斷服務(wù)函數(shù)的功能是:根據(jù)中斷計(jì)數(shù)器的值k來拉高下一組數(shù)字fo端口相應(yīng)的位，并把下一組要輸出的pwm信號(hào)的高電平計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)到比較單元1、2、3的比較寄存器中。比較單元1的比較中斷服務(wù)程序代碼如下:*evaifra&=ox0002;/清中斷標(biāo)志*padatdir&=portlow因;/拉低a.k口enableo;刀開中斷return;/返回

47、比較中斷服務(wù)程序比較簡(jiǎn)單，主要是對(duì)該中斷標(biāo)志位進(jìn)行清除和對(duì)該端口進(jìn)行置低，中斷返回前也要開中斷。比較單元2和3的中斷服務(wù)程序與此類似，不同的是操作的端口不一樣。比較單元2對(duì)b口進(jìn)行置低即:*pbdatdir&=portlowk;比較單元3對(duì)e口進(jìn)行置低即:*pedatdir&印ortlowk;4.6 pwm信號(hào)的輸出判斷編寫的24路pwm信號(hào)輸出程序運(yùn)行是否正常，可以通過silicon開發(fā)工具進(jìn)行一些變量的查看。這些變量包括我們定義的一些變量和寄存器，通過查看寄存器的值的變化，我們可以判斷程序執(zhí)行的情況。查看變量k的值變化來驗(yàn)證timerl周期中斷是否正常。然后再查看padajdir、pbda

48、tdir、ped八jdir寄存器，查看相應(yīng)的位是否被置高或被拉低以判斷各路pwm信號(hào)輸出的情況。查看中斷向量寄存器pwr的值以此來判斷中斷是否正常進(jìn)行。通過silicon的watch窗口查看部分變量結(jié)果。用示波器來檢測(cè)某一路pwm信號(hào)以查看pwm信號(hào)輸出的效果.第5章 步態(tài)規(guī)劃方法研究5.1 引言人形機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景,其研制工作得到了各國的重視,近年來已取得巨大的進(jìn)展,但仍存在大量的理論和技術(shù)問題有待深入研究。如何規(guī)劃機(jī)器人步態(tài)使其穩(wěn)定行走仍是人形機(jī)器人研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。步態(tài)是在步行運(yùn)動(dòng)過程中,機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在時(shí)序和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系，通常由各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的一組時(shí)間軌跡來描述。步

49、態(tài)規(guī)劃的目標(biāo)是產(chǎn)生期望步態(tài)，即產(chǎn)生在某個(gè)步行周期中的實(shí)現(xiàn)某種步態(tài)的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡（期望運(yùn)動(dòng)軌跡）。步態(tài)規(guī)劃是機(jī)器人穩(wěn)定步行的基礎(chǔ)，也是雙足步行機(jī)器人研究中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)和提高機(jī)器人的行走性能，必須研究實(shí)用而有效的步態(tài)規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定步行為了便于后面的闡述，首先對(duì)文中所用到的一些概念作以說明步長(zhǎng)：在一個(gè)步行周期內(nèi)，機(jī)器人擺動(dòng)腿所移動(dòng)的距離。步行周期：機(jī)器人在周期性步行運(yùn)動(dòng)中，完成一步的行走所用的時(shí)間。單腳支撐期：在一個(gè)步行周期中，機(jī)器人由某一單腳支撐的時(shí)間。雙腳支撐期：在一個(gè)步行周期中，機(jī)器人由雙腳支撐的時(shí)間。穩(wěn)定區(qū)域：由支撐的腳掌所組成的凸形區(qū)域在水平面上的投影。5.2 步態(tài)

50、規(guī)劃基本原則對(duì)雙足步行機(jī)器人而言，理論上可供選擇的步態(tài)有無數(shù)種。但是，步態(tài)規(guī)劃必須保證以下兩個(gè)原則:1所規(guī)劃的步態(tài)必須滿足設(shè)定的目標(biāo)。2機(jī)器人按照規(guī)劃步態(tài)行走時(shí)必須始終保持自身的穩(wěn)定。同時(shí)，所規(guī)劃的步態(tài)還應(yīng)符合人類的行走習(xí)慣，并使控制盡可能簡(jiǎn)單。人類行走步態(tài)是幾千年演化的結(jié)果，是自然界中最合理的行走方式，符合人類的行走習(xí)慣的步態(tài)不僅能使機(jī)器人保持穩(wěn)定，而且能使其所消耗的能量減少到最低程度。此外，機(jī)器人的行走必須加以人為的控制，如果規(guī)劃的步態(tài)存在控制上的困難甚至難以實(shí)現(xiàn)，顯然意義不大。根據(jù)上述的原則，采用平行步態(tài)的靜態(tài)步行方式。5.2.1靜態(tài)步行按照步態(tài)規(guī)劃中選擇的穩(wěn)定判據(jù)的不同，雙足步行機(jī)器人

51、行走步態(tài)可以分為靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行。機(jī)器人行走時(shí)雙腳交替與地面接觸，會(huì)形成隨時(shí)間變化的穩(wěn)定支撐區(qū)域。如果在步態(tài)規(guī)劃中，以重心作為穩(wěn)定判據(jù)，規(guī)劃機(jī)器人重心在地面的投影始終保持在穩(wěn)定支撐區(qū)域，機(jī)器人行走為靜態(tài)步行。即在機(jī)器人在行走過程中每一時(shí)刻，機(jī)器人均處于靜態(tài)平衡狀態(tài)。靜態(tài)步行是一種較為簡(jiǎn)單的低速步行方式，卻是一種基本的步行方式。在步態(tài)規(guī)劃時(shí)需要規(guī)劃重心的運(yùn)動(dòng)軌跡，保證靜態(tài)平衡條件，再通過幾何約束即可求解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡。通常在機(jī)器人行走速度較低時(shí)，采用靜態(tài)步行的行走方式。當(dāng)機(jī)器人行走速度提高時(shí)，在前進(jìn)方向上會(huì)產(chǎn)生慣性力。機(jī)器人所受重力與慣性力的合力的延長(zhǎng)線與支撐面的交點(diǎn)為零力矩點(diǎn)（z

52、mp）。如果在機(jī)器人行走步態(tài)規(guī)劃中，以zmp作為穩(wěn)定判據(jù)，規(guī)劃機(jī)器人zmp在地面的投影始終保持在穩(wěn)定支撐區(qū)域，機(jī)器人行走為動(dòng)態(tài)步行。以zmp作為穩(wěn)定判據(jù)時(shí)，允許機(jī)器人重心在地面的投影超出穩(wěn)定支撐區(qū)域。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)，受到的慣性力較小，忽略zmp公式中的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，便得到重心計(jì)算公式。由此可見，采用重心作為穩(wěn)定判據(jù)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃是機(jī)器人處于低速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)zmp穩(wěn)定判據(jù)的一種簡(jiǎn)化手段。由于行走速度較低，采用基于重心穩(wěn)定判據(jù)的靜態(tài)步行。5.2.2平行步態(tài)根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在行走時(shí)采用“平行步態(tài)”，如圖3-1所示。機(jī)器人采用這種步態(tài)行走時(shí)，兩腳的落腳痕跡是相互平行的，實(shí)現(xiàn)這種步態(tài)行走的機(jī)器人對(duì)其自由度

53、要求較少，但對(duì)穩(wěn)定平衡提出了較高的要求。與“平行步態(tài)”相對(duì)應(yīng)的是“一字步態(tài)”。采用這種步態(tài)行走時(shí)，兩腳的落腳痕跡在一條直線上，如圖3-2所示。實(shí)現(xiàn)這種步態(tài)行走的機(jī)器人對(duì)穩(wěn)定平衡的要求較低，但對(duì)其自由度要求較多。5.3步態(tài)規(guī)劃基本方法步態(tài)規(guī)劃對(duì)于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性有直接的影響，同時(shí)也影響到控制方法及實(shí)施的難易程度。目前，雙足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方法大抵有以下三種：1.基于符號(hào)運(yùn)算和直接配置數(shù)值優(yōu)化算法的步態(tài)規(guī)劃方法；2.基于zmp/重心的經(jīng)典方法及其新的變形；3.利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃的方法。5.3.1完整步行過程雙足機(jī)器人完整的步行過程包括五種步態(tài)：?jiǎn)?dòng)步態(tài)，加速步態(tài)，正常行走步態(tài)，減速步態(tài)，停止步態(tài)。啟動(dòng)步態(tài)：由雙腿并立靜止?fàn)顟B(tài)變化到向前行走狀態(tài)；加速步態(tài)：銜接起動(dòng)階段和正常步行階段的過渡步態(tài)；正常行走步態(tài)：兩條腿交替向前跨出，各關(guān)節(jié)周期性運(yùn)動(dòng)；減速步態(tài)：銜接正常步行階段和停止階段的過渡步態(tài)；停止步態(tài)：由向前行走狀態(tài)回到雙腿并立靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)機(jī)器人步行速度較慢時(shí)，在靜步態(tài)規(guī)劃時(shí)可以將這五種步態(tài)簡(jiǎn)化為只包含起動(dòng)步態(tài)、正常行走步態(tài)、停止步態(tài)這三種步態(tài)的步行過程。5.3.2 三步規(guī)劃法由于雙足步