機(jī)器人課程設(shè)計(jì)

1、目錄目錄 第一章第一章 緒論緒論.1 1.1 機(jī)器人簡介機(jī)器人簡介 .1 1.1.1 機(jī)器人的定義：.1 1.1.2 能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).2 1.1.3 機(jī)器人的組成.2 1.1.4 機(jī)器人的發(fā)展史.3 1.1.5 機(jī)器人分類.5 1.2 課程設(shè)計(jì)目的及要求課程設(shè)計(jì)目的及要求.5 第二章：硬件設(shè)計(jì)。第二章：硬件設(shè)計(jì)。.6 2.1 雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)規(guī)劃雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)規(guī)劃 .6 2.2 機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃 .6 2.3 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .6 2.4 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)元件的選擇機(jī)器人驅(qū)動(dòng)元件的選擇 .7 2.5 multiflex2-ave 控制器控制器.8 2.5.1 功能概述.8 2.6

2、光強(qiáng)傳感器光強(qiáng)傳感器 .9 2.7 舵機(jī)舵機(jī) .9 第三章：軟件設(shè)計(jì)。第三章：軟件設(shè)計(jì)。.11 3.1 設(shè)計(jì)程序流程圖設(shè)計(jì)程序流程圖 .11 3.2 步態(tài)分析步態(tài)分析 .12 3.3 具體實(shí)驗(yàn)行動(dòng)步驟規(guī)劃具體實(shí)驗(yàn)行動(dòng)步驟規(guī)劃 .14 3.4 具體程序具體程序 .14 第四章：設(shè)計(jì)總結(jié)（心得體會(huì)）第四章：設(shè)計(jì)總結(jié)（心得體會(huì)） 。.23 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).24 - 1 - 第一章第一章 緒論緒論 1.11.1 機(jī)器人簡介機(jī)器人簡介 1.1.11.1.1 機(jī)器人的定義機(jī)器人的定義 機(jī)器人（robot）是靠自身動(dòng)力和控制能力自動(dòng)執(zhí)行工作的一種機(jī)器裝 置。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的

3、定義：“一種 可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不 同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。 ” 它既可以接受人類指 揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱 領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或 是危險(xiǎn)的工作。 機(jī)器人是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在 工業(yè) 、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。 它一門綜合性 很強(qiáng)的學(xué)科，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

4、涉及到線性、非線性、基于多種傳感器。 仿人形機(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 形機(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，具有很強(qiáng)的環(huán) 境適應(yīng)性。相對(duì)輪式、履帶式機(jī)器人，它具有無可比擬的優(yōu)越性，可進(jìn)入狹窄 的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺(tái)階、斜坡及在不平整的地面上工作，以及 護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)和一般家庭的家政服務(wù)。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(duì)其控制問題帶來很大難度，為各種控制和優(yōu)化方法提供理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 使其成

5、為一個(gè)令人矚目的研究方向，因此對(duì)雙足步行機(jī)器人行走規(guī)劃機(jī)器控制 的研究不僅具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。 - 2 - 1.1.21.1.2 機(jī)器人的發(fā)展史機(jī)器人的發(fā)展史 機(jī)器人技術(shù)作為 20 世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自 60 年代初問世以來，經(jīng)歷 40 余年的發(fā)展已取得長足的進(jìn)步。走向成熟的工業(yè)機(jī)器人，各種用途的特種機(jī)器 人的實(shí)用化，昭示著機(jī)器人技術(shù)燦爛的明天。 機(jī)器人大致經(jīng)歷了三個(gè)成長階段，也即三個(gè)時(shí)代：第一代為簡單個(gè)體機(jī)器人， 第二代為群體勞動(dòng)機(jī)器人，第三代為類似人類的智能機(jī)器人，它的未來發(fā)展方向是 有知覺、有思維、能與人對(duì)話。 第一代機(jī)器人屬于示教再現(xiàn)型，第二代則具備了感

6、覺能力，第三代機(jī)器人是智 能機(jī)器人，它不僅具備了感覺能力，而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力，并具有記 憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)雜的動(dòng)作。智能機(jī)器人在發(fā)生故障時(shí)， 通過自我診斷裝置能自我診斷出發(fā)生故障部位，并能自我修復(fù)。今天，智能機(jī)器人 的應(yīng)用范圍大大地?cái)U(kuò)展了。除工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)外，機(jī)器人已應(yīng)用到各行各業(yè)，并已初步 具備了人類的特點(diǎn)。機(jī)器人向著智能化、擬人化發(fā)展的道路，是沒有止境的。 從第一臺(tái)機(jī)器人誕生至今，機(jī)器人的制造和發(fā)展已走過了半個(gè)多世紀(jì)的歷程， 全球工業(yè)機(jī)器人的裝機(jī)量已超過百萬臺(tái)，形成了一個(gè)巨大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。同 時(shí)，非制造業(yè)用機(jī)器人近幾年也發(fā)展迅速，并逐步向?qū)嵱没l(fā)展。機(jī)器人的

7、制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機(jī)器人的制造成本 和價(jià)格卻不斷下降。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的潛力非常巨大，值得強(qiáng)調(diào)的是，“機(jī)器 人產(chǎn)業(yè)”應(yīng)該是“機(jī)器人技術(shù)”產(chǎn)業(yè)，或者叫機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。正如 it 產(chǎn)業(yè)不 僅限于 pc 一樣，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也包括所有與機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)化 大背景的驅(qū)動(dòng)下，不久以后，未來機(jī)器人的發(fā)展水平將會(huì)得到飛躍性的提升。 1.1.31.1.3 機(jī)器人的組成機(jī)器人的組成 機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間 開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副 （轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng) 副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通 常即為機(jī)器人的

8、自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型 式和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式 的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分 為直角坐標(biāo)式、 圓柱坐標(biāo)式、 極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類型。 出于擬人化的考慮，常將 機(jī)器人本體的有關(guān)部 - 3 - 位分別稱為基座、腰部、臂部、 腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行 走部（對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人）等。 驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助 于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是 電信號(hào)，輸出的是線、角位移量。 機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要是 電力驅(qū)動(dòng)裝置，如 步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等， 此外也有采用 液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置。 檢測(cè)裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及工作 情況，根據(jù)需要反饋給控

9、制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動(dòng) 作符合預(yù)定的要求。作為檢測(cè)裝置的 傳感器大致可以分為兩類：一類是內(nèi)部 信息傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人各部分的內(nèi)部狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、 加速度等，并將所測(cè)得的信息作為反饋信號(hào)送至控制器，形成閉環(huán)控制。用 于獲取有關(guān)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機(jī)器人的動(dòng)作 能適應(yīng)外界情況的變化，使之達(dá)到更高層次的自動(dòng)化，甚至使機(jī)器人具有某 種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對(duì)象、 工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個(gè)大的反饋回路，從而將大大提 高機(jī)器人的工作精度。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式

10、控制，即機(jī)器人的全部控制由一臺(tái)微 型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散（級(jí)）式控制，即采用多臺(tái) 微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器 人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級(jí)微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí)，主機(jī)常用 于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并向下級(jí)微機(jī)發(fā)送指令信 息；作為下級(jí)從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)cpu，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和 伺服控制 處理，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)，并向主機(jī)反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī) 器人的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。 1.1.41.1.4 機(jī)器人的發(fā)展史機(jī)器人的發(fā)展史 1920 年 捷克斯洛伐克作家 卡雷爾恰佩克在他的科幻小說 羅薩姆的機(jī)器 人萬能公司中，根據(jù) robota(捷

11、克文，原意為 “勞役、苦工”)和 robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機(jī)器人”這個(gè)詞。 1939 年 美國紐約世博會(huì)上展出了 西屋電氣公司 制造的家用機(jī)器人 elektro。它由電纜控制，可以行走，會(huì)說 77 個(gè)字，甚至可以抽煙，不過離 真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對(duì)家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。 1942 年 美國科幻巨匠 阿西莫夫提出“機(jī)器人三定律 ”。雖然這只是科幻小 說里的創(chuàng)造，但后來成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。 1948 年 諾伯特維納出版控制論，闡述了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與 人的神經(jīng)、感覺機(jī)能的共同規(guī)律，率先提出以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化工廠。 1954 年 美國人

12、喬治德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)器人，并注冊(cè) 了專利。這種 機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和 靈活性。 1956 年 在達(dá)特茅斯會(huì)議上， 馬文明斯基提出了他對(duì)智能機(jī)器的看法：智 能機(jī)器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中 尋找解決方法 ”。這個(gè)定義影響到以后 30 年智能機(jī)器人的研究方向。 - 4 - 1959 年 德沃爾與美國 發(fā)明家約瑟夫英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái) 工業(yè)機(jī)器 人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠 unimation 公司。由于 英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為 “工業(yè)機(jī)器人之父 ”。 1962 年 美國 a

13、mf 公司生產(chǎn)出“verstran”(意思是萬能搬運(yùn) ),與 unimation 公司生產(chǎn)的 unimate 一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人，并出口 到世界各國，掀起了全世界對(duì)機(jī)器人和機(jī)器人研究的熱潮。 1962 年-1963 年傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操作性。人們?cè)囍跈C(jī)器人 上安裝各種各樣的傳感器，包括 1961 年恩斯特采用的觸覺傳感器， 托莫維 奇和博尼 1962 年在世界上最早的 “靈巧手”上用到了壓力傳感器，而 麥卡 錫 1963 年則開始在機(jī)器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在1964 年，幫助 mit 推出了世界上第一個(gè)帶有 視覺傳感器，能識(shí)別并定位積木的 機(jī)器人系統(tǒng)。 1965

14、年約翰霍普金斯大學(xué) 應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出 beast 機(jī)器人。beast 已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。 20 世紀(jì) 60 年代中期開始，美國麻省理工學(xué)院、 斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸 續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國興起研究第二代帶傳感器、 “有感覺”的機(jī) 器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。 1968 年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人 shakey。它帶有視 覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木 ,不過控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房 間那么大。shakey 可以算是世界第一臺(tái)智能機(jī)器人，拉開了第三代機(jī)器人研 發(fā)的序幕。 1969 年 日本早稻田大學(xué)加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第

15、一臺(tái)以雙腳走路的機(jī)器人。 加藤一郎長期致力于研究 仿人機(jī)器人，被譽(yù)為“仿人機(jī)器人之父 ”。日本 專家一向以研發(fā)仿人機(jī)器人和娛樂機(jī)器人的技術(shù)見長，后來更進(jìn)一步，催生 出本田公司的 asimo 和索尼公司的 qrio。 1973 年 世界上第一次機(jī)器人和 小型計(jì)算機(jī)攜 手合作，就誕生了美國 cincinnati milacron 公司的機(jī)器人 t3。 1978 年 美美國國 u un ni im ma at ti io on n 公公司司推出通用工業(yè)機(jī) 器人 puma，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完 全成熟。puma 至今仍然工作在 工廠第一線。 1984 年 英格伯格再推機(jī)器人 helpmate，

16、這 種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、 送藥、送郵件。同年，他還預(yù)言： “我 要讓機(jī)器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全 ”。 1990 年 我國著名學(xué)者 周海中教授在論機(jī)器人一文中預(yù)言：到二十一世 紀(jì)中葉，納米機(jī)器人將徹底改變?nèi)祟惖膭趧?dòng)和生活方式。 1998 年 丹麥樂高公司推出機(jī)器人 (mind-storms)套件，讓機(jī)器人制造變得 跟搭積木一樣，相對(duì)簡單又能任意拼裝，使機(jī)器人開始走入個(gè)人世界。 1999 年 日本索尼公司推出 犬型機(jī)器人愛寶 (aibo)，當(dāng)即銷售一空，從此娛 樂機(jī)器人成為 目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途 徑之一。 2002 年 美國 irobot 公司推出了吸塵器機(jī)器人 r

17、oomba，它能避開障礙，自 動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線， - 5 - 還能在電量不足時(shí)，自動(dòng)駛向 充電座。roomba 是目前世界上銷量最大、最 商業(yè)化的家用機(jī)器 人。irobot 公司北京區(qū)授權(quán)代理商：北京微網(wǎng) 智宏科技 有限公司。 2006 年 6 月，微軟公司推出 microsoft robotics studio，機(jī)器人模塊化、 平臺(tái)統(tǒng)一化的趨勢(shì)越來越明顯， 比爾蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人很快將席卷全 球。 1.1.51.1.5 機(jī)器人分類機(jī)器人分類 操作型機(jī)器人： 能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定 或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。 程控型機(jī)器人： 按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)

18、器人的機(jī)械動(dòng)作。 示教再現(xiàn)型機(jī)器人： 通過引導(dǎo)或其它方式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入工作程序， 機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。 數(shù)控型機(jī)器人： 不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值、語言等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī) 器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。 感覺控制型機(jī)器人： 利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。 適應(yīng)控制型機(jī)器人： 能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。 學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人： 能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所 “學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。 智能機(jī)器人： 以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。 1.21.2 課程設(shè)計(jì)目的及要求課程設(shè)計(jì)目的及要求 設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的雙足機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人能夠模仿人類行走方式邁步行

19、進(jìn)， 能感知光源，并能轉(zhuǎn)向光源，朝光源前進(jìn)； 1.進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)足要包括腕、膝、胯三個(gè)關(guān)節(jié)，畫出機(jī)器人的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) 簡圖； 2.進(jìn)行步態(tài)分析，并編寫前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的步態(tài)流程； 3.進(jìn)行傳感器種類及功能介紹，基于智能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)套件選定傳感方案； 4.設(shè)計(jì)追光策略； 5.用 northstar 設(shè)計(jì)完整的雙足機(jī)器人追光程序； 6.完成課程設(shè)計(jì)說明書，內(nèi)容：方案設(shè)計(jì)、原理說明、策略分析、程序編制、 注意事項(xiàng)、心得體會(huì)（報(bào)告用 a4 紙，用設(shè)計(jì)模板提供的封面） 。 第二章：硬件設(shè)計(jì)。第二章：硬件設(shè)計(jì)。 2.12.1 雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)規(guī)劃雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)規(guī)劃 - 6 - 機(jī)器人系統(tǒng)是模仿人類等生物的

20、結(jié)構(gòu)、思維而構(gòu)建的，所以我們也可以以我們 自身為范本來設(shè)計(jì)機(jī)器人。人類躲避障礙物的一般流程是這樣的，首先用眼睛 看到影響，再用腦思考是否需要躲避障礙物，然后大腦控制肌肉做出動(dòng)作，最 后肌肉帶動(dòng)骨骼完成回避動(dòng)作。 對(duì)于機(jī)器人，上述存在于我們自身的結(jié)構(gòu)也可以用機(jī)械結(jié)構(gòu)近似的模擬出來。 眼替代為傳感器，腦代替為控制器，肌肉代替為舵機(jī)，骨骼代替為結(jié)構(gòu)件。人 類的思維在機(jī)器人上以軟件的形式模擬，將控制人類行為方式的邏輯思維用邏 輯判斷算法模擬，將人類對(duì)肌肉的協(xié)調(diào)控制用機(jī)器人對(duì)舵機(jī)的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行模 擬。 2.22.2 機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃 目前雙足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃一般采用兩種方法：一種是應(yīng)用數(shù)

21、學(xué)手段通過建立 機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行規(guī)劃，另一種方法是模擬人的行走過程及人的生理結(jié)構(gòu)。 該設(shè)計(jì)采用后者。人類步行運(yùn)動(dòng)是以一條腿交替地作為支撐，向前擺動(dòng)另一條 腿，并伴以軀干和手臂的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。其過程和機(jī)理非常復(fù)雜。研究表明： 雙足機(jī)器人在平穩(wěn)步行的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)上身軀和下肢的運(yùn)動(dòng)解耦，并易于 對(duì)下身軀的各個(gè)關(guān)節(jié)角進(jìn)行角度規(guī)劃，因此可利用解耦控制分別控制上身軀和 下身軀的運(yùn)動(dòng)，并且對(duì)下身軀的各個(gè)關(guān)節(jié)角實(shí)施規(guī)劃。因此。分析和模擬人類 的步行運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)抓住下肢的主要?jiǎng)幼魈攸c(diǎn)和要領(lǐng)。 2.32.3 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 控制器作為機(jī)器人的軀干，左右手臂用 id 編號(hào)為 7、8 的舵機(jī)來驅(qū)動(dòng)胳膊

22、部位 與肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，其間省略了手部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，右手臂用 id 編號(hào)為 9、10 的舵 機(jī)來驅(qū)動(dòng)胳膊部位與肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。腿部分別用 id 編號(hào)為 1、2、3 的舵機(jī)作為 左腿的腳踝、膝蓋、胯部得轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。右腿的腳踝、膝蓋、胯部用 id 編號(hào)為 4、5、6 的舵機(jī)。并用兩個(gè)光強(qiáng)傳感器作為機(jī)器人的“眼睛”，通過對(duì) - 7 - 1、2、3、4、5、6 號(hào)舵機(jī)的設(shè)置，可以使機(jī)器人靈活的行走并且與光強(qiáng)傳感器 相結(jié)合實(shí)現(xiàn)避障功能。另外在機(jī)器人的腰部加入 12 號(hào)舵機(jī)作為腰部轉(zhuǎn)身的關(guān)節(jié) 電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的左右轉(zhuǎn)向功能。 胳膊關(guān)節(jié) 肘關(guān)節(jié) 腰 部 關(guān) 節(jié) 2.42.4 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)元件的選擇機(jī)器人驅(qū)動(dòng)元件的選

23、擇 在驅(qū)動(dòng)元件的選擇上，早期研究者曾試圖模仿人的肌肉運(yùn)動(dòng)方式用氣動(dòng)人工肌 肉作為雙足步行機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件，這種氣動(dòng)人工肌肉通過橡膠管充氣膨脹引起的 收縮來代替人體肌纖維的收縮運(yùn)動(dòng)，但由于技術(shù)水平的限制，人工肌肉在體積 和力學(xué)特性等方面都與真正肌肉有較大差距，實(shí)際效果并不好。目前，大部分 機(jī)器人采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。伺服電機(jī)具有速度快、扭矩大的特點(diǎn)，并 配備雙向接口，能夠監(jiān)測(cè)當(dāng)前電機(jī)位置，因此得到廣泛應(yīng)用，并取得良好效果。 微型伺服電機(jī)內(nèi)部包括一個(gè)小型直流馬達(dá)、一組變速齒輪、一個(gè)反饋可調(diào)電位 器及一塊電子控制板，是一種可定位的直流電機(jī)接收到一個(gè)位置指令時(shí)，就會(huì) 運(yùn)動(dòng)到指定的位置。微型伺服電機(jī)馬達(dá)

24、具有高力矩、高性能、控制簡單、裝配 靈活、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。從各方面因素考慮，本設(shè)計(jì)選用微型伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng) 元件。通信，由主控制器打包傳輸通信數(shù)據(jù)。 2.52.5 multiflex2-multiflex2-aveave 控制器控制器 - 8 - multiflex2-ave 控制器是一款小型機(jī)器人通用控制器。multiflex2- ave 控 制器功能高度集成，具有眾多 io/ad 接口，能夠控制 r/c 舵機(jī)，機(jī)器人舵機(jī)， 具有 rs-232 接口和 rs-422 總線接口，能夠勝任常規(guī)的機(jī)器人控制； multiflex2-ave 控制器開發(fā)簡單，使用圖形化集成開發(fā)壞境，只需要編寫 程序邏輯

25、流程圖就能夠自主生成 c 碼，下載到控制器后就可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的功能 控制。 2.5.12.5.1 功能概述功能概述 1、對(duì)照示意圖，multiflex2-ave 控制器功能如下所示： 2、atmega12816mhz 3、6 個(gè)機(jī)器人舵機(jī)接口，完全兼容 robotis dynamixelax12+ 4、8 個(gè) r/c 舵機(jī)接口 5、12 個(gè) ttl 電平的雙向 i/o 口，gnd/sig/vcc 三線制 6、8 個(gè) ad 轉(zhuǎn)換器接口 7、1 個(gè)無源蜂鳴器 通過 rs-232 與上 位機(jī)通訊，可選 無線通訊模組， 使用 usb 接口的 isp 下載調(diào)試器。 - 9 - 2.62.6 光強(qiáng)傳感器光強(qiáng)

26、傳感器 光強(qiáng)傳感器對(duì)可見光波的光照強(qiáng)度很敏感，其核 心元件是以只光敏電阻，其輸出信號(hào)為與光強(qiáng)相 關(guān)的模擬信號(hào)。 2.72.7 舵機(jī)舵機(jī) 機(jī)器人舵機(jī)的概念起源于對(duì)“航模舵機(jī)”的改進(jìn)。長期在各種教育娛樂機(jī)器人 上大量使用的“航模舵機(jī)”可以實(shí)現(xiàn)位置伺服的功能；由于它具有高度集成、 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、控制簡單、價(jià)格較低等特點(diǎn)，因此廣泛使用在各類教育娛樂機(jī)器人 上。但是，“航模舵機(jī)”畢竟是用于航模的產(chǎn)品，用作機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服單元， 有控制精度不高、無法整周旋轉(zhuǎn)、沒有反饋信息、響應(yīng)較慢、線纜雜亂等明顯 的不足。 博創(chuàng)科技開發(fā)的 promotion cds 系列機(jī)器人舵機(jī)，解決了傳統(tǒng)舵機(jī)用在機(jī)器人 上的各種問題，同時(shí)

27、繼承了傳統(tǒng)舵機(jī)的各種優(yōu)勢(shì)。 cds5516cds5516 機(jī)器人舵機(jī)的主要特色（與航模舵機(jī)對(duì)比）機(jī)器人舵機(jī)的主要特色（與航模舵機(jī)對(duì)比） 控制精度高。位置伺服控制分辨率可達(dá) 0.35 度。 響應(yīng)速度快。響應(yīng)時(shí)間可達(dá) 2ms，而傳統(tǒng)航模舵機(jī)為 20ms。 - 10 - 通過串行總線控制，可最多連接數(shù)百個(gè)單元；每個(gè)單元均具有位置、速度、力 矩等反饋，用 cds 系列舵機(jī)搭建的機(jī)器人可以用人工示教來設(shè)定動(dòng)作；即用戶 用手調(diào)整機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)姿態(tài)，機(jī)器人舵機(jī)能夠自動(dòng)記錄位置、速度等參數(shù)， 并由用戶播放。不再需要一個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)關(guān)節(jié)地設(shè)置參數(shù)，不再需要設(shè)置參數(shù)后 再觀察關(guān)節(jié)是否到位、參數(shù)是否合適。 能整周旋轉(zhuǎn)

28、，適合用在機(jī)器人關(guān)節(jié)上，也可作為輪式機(jī)器人的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。 具有強(qiáng)大的保護(hù)功能?？梢韵拗齐娏?、溫度等參數(shù)，如果溫度過高等可以報(bào)警 或自動(dòng)停機(jī)，防止損壞。 cds5516cds5516 機(jī)器人舵機(jī)的主要特色（與機(jī)器人舵機(jī)的主要特色（與 dynamixeldynamixel 舵機(jī)對(duì)比）舵機(jī)對(duì)比） 運(yùn)行速度快.dynamixel ax12+的最高轉(zhuǎn)速為 50rpm，博創(chuàng) cds5516 為62rpm。 兼容傳統(tǒng)舵機(jī)外形。cds5516 可以直接替換傳統(tǒng)舵機(jī)，將使用傳統(tǒng)舵機(jī)的機(jī)器 人升級(jí)為采用機(jī)器人舵機(jī)；而 ax12+結(jié)構(gòu)和通訊方式不兼容傳統(tǒng)舵機(jī)，用戶需 要重新設(shè)計(jì)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)，以往的設(shè)計(jì)工作就失去了價(jià)

29、值。 價(jià)格較低。 - 11 - 第三章：軟件設(shè)計(jì)。第三章：軟件設(shè)計(jì)。 3.13.1 設(shè)計(jì)程序流程圖設(shè)計(jì)程序流程圖 開始 讀入傳感器數(shù)值 左眼 a=0 右眼 b=0 前進(jìn) 左眼 a=1 右眼 b=0 左眼 a=0 右眼 b=1 左轉(zhuǎn)揮手 右轉(zhuǎn)揮手 前進(jìn)兩步 - 12 - 3.23.2 步態(tài)分析步態(tài)分析 立正姿態(tài)左抬腳左踏步 右踏步右抬腳 步態(tài)流程圖 具體前進(jìn)步伐如下圖 腳部 腳踝關(guān)節(jié) 膝蓋關(guān)節(jié) 胯部關(guān)節(jié) 上半身 1.立正姿態(tài) - 13 - 腳部 腳踝關(guān)節(jié) 膝蓋關(guān)節(jié) 胯部關(guān)節(jié) 上半身 2.抬腳姿態(tài) 腳部 腳踝關(guān)節(jié) 膝蓋關(guān)節(jié) 胯部關(guān)節(jié) 上半身 3.前踏步時(shí)前腳姿態(tài) 腳部 腳踝關(guān)節(jié) 膝蓋關(guān)節(jié) 胯部關(guān)節(jié)

30、 上半身 4.前踏步時(shí)后腳姿態(tài) - 14 - 腳部 腳踝關(guān)節(jié) 膝蓋關(guān)節(jié) 胯部關(guān)節(jié) 上半身 5.回復(fù)立正時(shí)姿態(tài) 3.33.3 具體實(shí)驗(yàn)行動(dòng)步驟規(guī)劃具體實(shí)驗(yàn)行動(dòng)步驟規(guī)劃 由于傳感器問題，在實(shí)驗(yàn)過程中我們小組成員經(jīng)討論將傳感器模塊去掉，采用 前進(jìn)步循環(huán) 10 次，然后左轉(zhuǎn)身揮右手，右轉(zhuǎn)身揮左手，最后面向前方雙手揮起 的動(dòng)作。流程圖如下： 開始 前進(jìn)行走 10 次 左轉(zhuǎn)身 右揮手 右轉(zhuǎn)身 左揮手 前轉(zhuǎn)身 揮雙手 3.43.4 具體程序具體程序 - 15 - - 16 - - 17 - #include apps/systemtask.h uint8 servo_mapping12 = 1,2,3,4,

31、5,6,7,8,9,10,11,12; int main() int a = 0; mfinit(); mfinitservomapping( mfsetportdirect(0 x00000ffc); mfsetservomode(1,0); mfsetservomode(2,0); mfsetservomode(3,0); mfsetservomode(4,0); mfsetservomode(5,0); mfsetservomode(6,0); mfsetservomode(7,0); mfsetservomode(8,0); mfsetservomode(9,0); mfsetserv

32、omode(10,0); mfsetservomode(11,0); mfsetservomode(12,0); while (1) for (a=0;a10;a+) - 18 - /左tai mfsetservopos(1,459,512); mfsetservopos(2,672,512); mfsetservopos(3,546,512); mfsetservopos(4,672,512); mfsetservopos(5,355,512); mfsetservopos(6,478,512); mfsetservopos(7,357,512); mfsetservopos(8,437,5

33、12); mfsetservopos(9,308,512); mfsetservopos(10,634,512); mfsetservopos(11,512,512); mfsetservopos(12,144,512); mfservoaction(); delayms(1000); /左踏步 mfsetservopos(1,459,512); mfsetservopos(2,672,512); mfsetservopos(3,546,512); mfsetservopos(4,638,512); mfsetservopos(5,594,512); mfsetservopos(6,691,5

34、12); mfsetservopos(7,357,512); mfsetservopos(8,437,512); mfsetservopos(9,308,512); mfsetservopos(10,634,512); mfsetservopos(11,512,512); mfsetservopos(12,144,512); mfservoaction(); delayms(1000); /右tai mfsetservopos(1,576,512); mfsetservopos(2,452,512); mfsetservopos(3,372,512); mfsetservopos(4,533,

35、512); mfsetservopos(5,592,512); mfsetservopos(6,596,512); mfsetservopos(7,357,512); mfsetservopos(8,437,512); mfsetservopos(9,308,512); mfsetservopos(10,634,512); mfsetservopos(11,512,512); mfsetservopos(12,144,512); mfservoaction(); - 19 - delayms(1000); /右踏步 mfsetservopos(1,528,512); mfsetservopos

36、(2,662,512); mfsetservopos(3,578,512); mfsetservopos(4,533,512); mfsetservopos(5,592,512); mfsetservopos(6,596,512); mfsetservopos(7,357,512); mfsetservopos(8,437,512); mfsetservopos(9,308,512); mfsetservopos(10,634,512); mfsetservopos(11,512,512); mfsetservopos(12,144,512); mfservoaction(); delayms

37、(1000); /立正 mfsetservopos(1,529,512); mfsetservopos(2,609,512); mfsetservopos(3,549,512); mfsetservopos(4,647,512); mfsetservopos(5,542,512); mfsetservopos(6,659,512); mfsetservopos(7,357,512); mfsetservopos(8,437,512); mfsetservopos(9,308,512); mfsetservopos(10,634,512); mfsetservopos(11,512,512);

38、mfsetservopos(12,144,512); mfservoaction(); delayms(1000); /左轉(zhuǎn)身右抬手 mfsetservopos(1,529,512); mfsetservopos(2,609,512); mfsetservopos(3,549,512); mfsetservopos(4,647,512); mfsetservopos(5,542,512); mfsetservopos(6,659,512); mfsetservopos(7,357,512); mfsetservopos(8,1023,512); mfsetservopos(9,308,512)

39、; mfsetservopos(10,634,512); mfsetservopos(11,512,512); - 20 - mfsetservopos(12,285,512); mfservoaction(); delayms(1000); /左轉(zhuǎn)身右抬手左擺 mfsetservopos(1,529,512); mfsetservopos(2,609,512); mfsetservopos(3,549,512); mfsetservopos(4,647,512); mfsetservopos(5,542,512); mfsetservopos(6,659,512); mfsetservopo

40、s(7,537,512); mfsetservopos(8,1023,512); mfsetservopos(9,308,512); mfsetservopos(10,634,512); mfsetservopos(11,512,512); mfsetservopos(12,285,512); mfservoaction(); delayms(1000); /左轉(zhuǎn)身右抬手右擺 mfsetservopos(1,529,512); mfsetservopos(2,609,512); mfsetservopos(3,549,512); mfsetservopos(4,647,512); mfsets

41、ervopos(5,542,512); mfsetservopos(6,659,512); mfsetservopos(7,257,512); mfsetservopos(8,1023,512); mfsetservopos(9,308,512); mfsetservopos(10,634,512); mfsetservopos(11,512,512); mfsetservopos(12,285,512); mfservoaction(); delayms(1000); /立正 mfsetservopos(1,529,512); mfsetservopos(2,609,512); mfsets

42、ervopos(3,549,512); mfsetservopos(4,647,512); mfsetservopos(5,542,512); mfsetservopos(6,659,512); mfsetservopos(7,357,512); mfsetservopos(8,437,512); mfsetservopos(9,308,512); mfsetservopos(10,634,512); - 21 - mfsetservopos(11,512,512); mfsetservopos(12,144,512); mfservoaction(); delayms(1000); /立正

43、mfsetservopos(1,529,512); mfsetservopos(2,609,512); mfsetservopos(3,549,512); mfsetservopos(4,647,512); mfsetservopos(5,542,512); mfsetservopos(6,659,512); mfsetservopos(7,357,512); mfsetservopos(8,437,512); mfsetservopos(9,308,512); mfsetservopos(10,634,512); mfsetservopos(11,512,512); mfsetservopo

44、s(12,144,512); mfservoaction(); delayms(1000); /右轉(zhuǎn)身左抬手 mfsetservopos(1,529,512); mfsetservopos(2,609,512); mfsetservopos(3,549,512); mfsetservopos(4,647,512); mfsetservopos(5,542,512); mfsetservopos(6,659,512); mfsetservopos(7,357,512); mfsetservopos(8,898,512); mfsetservopos(9,898,512); mfsetservop

45、os(10,634,512); mfsetservopos(11,512,512); mfsetservopos(12,6,512); mfservoaction(); delayms(1000); /右轉(zhuǎn)身左抬手左擺 mfsetservopos(1,529,512); mfsetservopos(2,609,512); mfsetservopos(3,549,512); mfsetservopos(4,647,512); mfsetservopos(5,542,512); mfsetservopos(6,659,512); mfsetservopos(7,357,512); mfsetser

46、vopos(8,898,512); mfsetservopos(9,638,512); - 22 - mfsetservopos(10,512,512); mfsetservopos(11,512,512); mfsetservopos(12,6,512); mfservoaction(); delayms(1000); /右轉(zhuǎn)身左抬手右擺 mfsetservopos(1,529,512); mfsetservopos(2,609,512); mfsetservopos(3,549,512); mfsetservopos(4,647,512); mfsetservopos(5,542,512)

47、; mfsetservopos(6,659,512); mfsetservopos(7,357,512); mfsetservopos(8,898,512); mfsetservopos(9,638,512); mfsetservopos(10,727,512); mfsetservopos(11,512,512); mfsetservopos(12,6,512); mfservoaction(); delayms(1000); /立正 mfsetservopos(1,529,512); mfsetservopos(2,609,512); mfsetservopos(3,549,512); m

48、fsetservopos(4,647,512); mfsetservopos(5,542,512); mfsetservopos(6,659,512); mfsetservopos(7,357,512); mfsetservopos(8,437,512); mfsetservopos(9,308,512); mfsetservopos(10,634,512); mfsetservopos(11,512,512); mfsetservopos(12,144,512); mfservoaction(); delayms(1000); /立正 mfsetservopos(1,529,512); mfsetservopos(2,609,512); mfs