雙足機(jī)器人計劃書

1、兩足機(jī)器人系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)項目簡介項目摘要雙足或人形機(jī)器人，又稱仿人機(jī)器人。雙足機(jī)器人要實現(xiàn)動作的準(zhǔn)確和控制的實時,必須依賴合理的控制策略和穩(wěn)定的控制系統(tǒng)以及高效的微處理器。按照設(shè)計要求,本項目選定ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)ATmegal28為控制核心,設(shè)計一套具有19個自由度的雙足人形機(jī)器人及其控制系統(tǒng)。實現(xiàn)機(jī)器人能夠在自主狀態(tài)下實現(xiàn)前后平穩(wěn)行走、單腿站立、側(cè)向平移、左右轉(zhuǎn)向行走、前后翻滾以及標(biāo)準(zhǔn)的體操動作等功能。立項背景機(jī)器人是整合控制論、機(jī)械電子、計算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物,能實現(xiàn)環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能。機(jī)器人代表了科學(xué)技術(shù)的最高水平,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)

2、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。宋健院士在國際自動控制聯(lián)合會第14屆大會報告中指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是20世紀(jì)自動控制最有說服力的成就,是當(dāng)代最高意義上的自動化”?，F(xiàn)在,國際上對機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般來說,人們都可以接受這種說法,即機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會(Robot Institute of America, RIA)于1979年給機(jī)器人的定義：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作的專門系統(tǒng)。作為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個重要分支,雙足機(jī)器人(H

3、umanoid Robot)由于其廣闊的應(yīng)用空間一直是研究熱點之一。所謂雙足機(jī)器人,又稱仿人機(jī)器人,是具有人形的機(jī)器人,是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動靈活,控制系統(tǒng)復(fù)雜,能完成高難度的動作的機(jī)器人。它是機(jī)械、自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、人工智能、微電子學(xué)、模式識別、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)、仿生學(xué)等多學(xué)科和技術(shù)綜合的結(jié)果,代表著一個國家高科技發(fā)展水平。研制與人類特征類似,具有人類智能、靈活性,并能與人類交流,不斷適應(yīng)環(huán)境的雙足機(jī)器人一直是人類的努力的目標(biāo)。項目研究意義與傳統(tǒng)機(jī)器人相比,雙足機(jī)器人具有顯著的優(yōu)勢,比一般機(jī)器人有更大的機(jī)動性、靈活性,同時也具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。雙足機(jī)器人的出現(xiàn)是控制科學(xué)、傳感器技術(shù)、人工智

4、能、材料科學(xué)等學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步,以及機(jī)器人使用范圍的擴(kuò)大和人類日常生活需要的產(chǎn)物。雙足機(jī)器人在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)探測、軍事偵察、生活服務(wù)與娛樂等很多方面都有廣泛的應(yīng)用前景。首先雙足機(jī)器人在拓展人類的認(rèn)知范圍上發(fā)揮著重要作用,在外層空間、深海等人類尚不能到達(dá)的環(huán)境都有雙足機(jī)器人的身影；其次雙足機(jī)器人己經(jīng)廣泛應(yīng)用在惡劣、危險條件下或其它不適合人類活動的環(huán)境中。雙足機(jī)器人的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,對人類社會的生活和生產(chǎn)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。也正是因為雙足機(jī)器人的廣泛的應(yīng)用背景和商業(yè)價值,所以近年來,雙足機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域內(nèi)的一個熱點。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代，最初為工業(yè)機(jī)器人。隨

5、著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬，逐漸由制造業(yè)向非制造業(yè)和服務(wù)行業(yè)發(fā)展。具有人類的外形特征，可以模仿人類行為的雙足機(jī)器人早已出現(xiàn)。比如，本田機(jī)器人ASMO、索尼機(jī)器人QRIO和韓國KAIST機(jī)器人KHR-3等。目前很多國家都正在積極進(jìn)行雙足機(jī)器人的研發(fā)。主要有美國、日本、英國、韓國、法國、加拿大等。美國研究機(jī)器人較早，日本類人機(jī)器人研究成果最多。國內(nèi)雙足機(jī)器人的研究相對而言起步較晚,但發(fā)展很快,并取得了重要進(jìn)展。我國自“八五”期間開始進(jìn)入這一研究領(lǐng)域,并在國家“863”計劃把開發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容列入高科技發(fā)展規(guī)劃中。機(jī)器人學(xué)國家重點實驗室依托于中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,定位于國

6、民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展、國家安全和重大科學(xué)工程提供所需要的機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)。另外,各高校也是國內(nèi)雙足機(jī)器人研究中的主力軍,并取得了很大的進(jìn)展和成果。研究方案2.1 研究內(nèi)容（1）完成空間19個自由度（手臂、髖、膝、踝）的人型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)；（2）采用ATmegal28作為控制芯片,控制器負(fù)責(zé)給舵機(jī)和傳感器模塊發(fā)送指令,以及對雙足機(jī)器人的運(yùn)動進(jìn)行控制；（3）在移動式機(jī)器人模擬軟件Webots中搭建機(jī)器人平臺，讓后用C+編寫實現(xiàn)前后平穩(wěn)行走、單腿站立、側(cè)向平移、左右轉(zhuǎn)向行走、前后翻滾以及標(biāo)準(zhǔn)的體操動作的驅(qū)動程序，檢驗其是否能完成要求的動作；（4）在設(shè)計好的軟硬件平臺上進(jìn)行相關(guān)的實驗,實現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)

7、計目標(biāo)和要求。2.2 研究方法和技術(shù)路線2.2.1 人型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計圖2-1 機(jī)器人自由度的配置根據(jù)項目的要求我們將19個自由度做了如上圖的配置：其中頭部有一個自由度，可以保證頭部自由的旋轉(zhuǎn)；每個手臂配置三個自由度，肩部2個自由度保證機(jī)器人可以完成左右伸展手臂和前后擺臂的動作，肘部一個自由度可以讓其完成抬臂的動作；胯部有4個自由度，保證機(jī)器人橫向移動和抬腿的動作；每條腿有三個自由度，使機(jī)器人能夠靈活的完成腿部動作；最后腳踝各配置一個自由度，讓其能夠完成轉(zhuǎn)彎的動作。以上就是我們設(shè)計的機(jī)器人的所有自由度的配置方案。由于機(jī)械知識的缺乏，我們初步計劃購買機(jī)器人框架，然后在框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，讓其符

8、合我們機(jī)器人自由度配置的要求。2.2.2 機(jī)器人內(nèi)核的選擇通過查閱大量的文獻(xiàn)資料和請教師兄師姐，本設(shè)計所選用的主控芯片型號是基于ARM CORTEXM3內(nèi)核的STM32F1O3RB。該內(nèi)核具備了優(yōu)異的計算性能和先進(jìn)的中斷控制系統(tǒng)，支持優(yōu)先級配置和中斷嵌套。STM32F103RB擁有多達(dá)3個USART接口，可以完成通訊功能以及ISP程序下載。STM32F103RB還具備CAN，I2C，SPI等通信接口，擁有DMA控制器、3個16位定時器以及l(fā)2位精度的ADC轉(zhuǎn)換模塊，其FLASH大小為128K，SRAM 大小為20K。STM32F103RB的功能圖2-2 STM32F103xx增強(qiáng)型LQFP64

9、管腳完全能完成本設(shè)計的要求。2.2.3 電源電路設(shè)計在舵機(jī)驅(qū)動過程中為了避免電流波動影響機(jī)器人運(yùn)動穩(wěn)定性，將舵機(jī)驅(qū)動和控制系統(tǒng)分開供電。由于機(jī)器人使用的是大扭矩的輝盛995舵機(jī)，每個舵機(jī)的工作電流是100 mA，19 個舵機(jī)同時工作時需要1.9A 電流，所以舵機(jī)的供電部分使用了LM1084-5.0為舵機(jī)提供5 V 電壓，該芯片允許輸出的最大電流高達(dá)5 A。在電源的輸入端使用二極管橋式整流電路，防止電源接入時的極性錯誤。為了減少電路各部分的電源和地之間的相互干擾，在數(shù)字地、模擬地之間引入零歐姆電阻，舵機(jī)電源電路如圖所示。圖2-3 機(jī)器人舵機(jī)電源電路STM32F103RB控制系統(tǒng)需要2.0 3.6

10、 V 的電壓，為I /O 引腳和內(nèi)部調(diào)壓器供電，使用1 片AMS1117-3.3 產(chǎn)生3.3V穩(wěn)壓電源，電路如圖所示。圖2-4 控制系統(tǒng)電源電路2.2.4 傳感器的選擇陀螺儀與加速度計：陀螺儀是一種運(yùn)動姿態(tài)傳感器，它固定安裝在機(jī)器人上面，可以測量機(jī)器人運(yùn)動過程中旋轉(zhuǎn)的角速度。把測量到的角速度在計算機(jī)算法上進(jìn)行積分，得到的是機(jī)器人運(yùn)動旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)過的角度，這個角度很重要，通過角度，我們可以對機(jī)器人的轉(zhuǎn)動進(jìn)行控制。這樣就比起傳統(tǒng)的循線轉(zhuǎn)彎快了很多，在機(jī)器人的直線行走過程，也可以通過陀螺來檢測機(jī)器人是否走偏，從而來對它進(jìn)行糾偏控制。機(jī)器人行走可以分為：走直線的情況和拐彎的情況。 直線行走時理論上陀螺

11、儀應(yīng)該角速度為0，但由于誤差常常不為0.這是可以采用簡潔實用的PID調(diào)節(jié)控制，達(dá)到穩(wěn)定目標(biāo)。拐彎時，給機(jī)器人的左右兩輪設(shè)定不同的速度，這樣機(jī)器人便開始拐彎，然后我們反復(fù)不斷地讀取陀螺測得的機(jī)器人目前拐過角度，直到達(dá)該角度到設(shè)定的角度時再停止拐彎。不為了簡化結(jié)構(gòu)和電路選擇三軸陀螺儀，三軸陀螺儀是能夠準(zhǔn)確測定運(yùn)動物體前后左右方位，主要用于測量運(yùn)動物體角速度的慣性器件。利用的是一塊機(jī)械敏感元件，根據(jù)哥氏效應(yīng)，由元件輸入軸的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生一個正比于轉(zhuǎn)動角速率的電壓。紅外傳感器：選擇功能強(qiáng)大的GP2D12可測距傳感器。工作中，根據(jù)白色與黑色的反射率不同來辨別軌跡；避障工作中，根據(jù)傳感器前方有物體時有反射信號到達(dá)接收管來獲得觸發(fā)信號。這里使用紅外發(fā)射和接收管，組成紅外傳感陣列來進(jìn)行環(huán)境判斷，實現(xiàn)循跡、避障、測距的功能。超聲波傳感器：超聲波傳感器以其信息處理簡單、價格低廉、硬件容易實現(xiàn)等優(yōu)點，被廣泛用作測距傳感器。