畢業(yè)設計論文雙足競步機器人設計與制作技術報告

1、中國礦業(yè)大學徐海學院雙足競步機器人設計與制作技術報告隊 名： 班 級： 電氣13-5班 成 員： 題 目： 雙足競步機器人 任課教師： 2015 年12月雙足競步機器人設計與制作任務書班級 電氣13-5班 學號 22130263 學生姓名 任務下達日期： 2015 年 10月 16 日設計日期：2015 年11 月1 日 至2014年12月31日設計題目： 雙足競步（窄足）機器人的設計與制作設計主要內(nèi)容和完成功能：1、 雙足競步機器人機械圖設計；2、 雙足競步機器人結(jié)構(gòu)件加工；3、 雙足競步機器人組裝；4、 雙足競步機器人電氣圖設計；5、 雙足競步機器人控制板安裝；6、 整機調(diào)試7、 完成6米

2、的馬拉松比賽。教師簽字：摘 要 雙足機器人的機構(gòu)是所有部件的載體，也是設計雙足機器人最基本的和首要的工作。本文根據(jù)項目規(guī)劃和控制任務要求，按照從總體到部分、由主到次的原則，設計了一種適合仿人雙足機器人控制的機構(gòu)。文章首先從機器人整體系統(tǒng)出發(fā)，制定了總體設計方案，再根據(jù)總體方案進行了關鍵器件的選型，最后完成了各部分機構(gòu)的詳細設計工作。經(jīng)過硬件設計、組裝；軟件設計、編寫；整體調(diào)試，最終實現(xiàn)外型上具有仿人的效果，在功能上完全滿足電氣各部件機載化的安裝要求。本文介紹一個六個自由度的小型雙足機器人的設計、調(diào)試與實現(xiàn)。包括機械結(jié)構(gòu)設計、電路設計與制作，機器人步態(tài)規(guī)劃算法研究，利用 atmega8 芯片實現(xiàn)

3、了對六個舵機的分時控制，編寫 vc 上位機軟件,通過串口通信對雙足競步機器人進行調(diào)試，通過人體仿生學調(diào)試出機器人的步態(tài)規(guī)劃。實現(xiàn)了雙足競步機器人穩(wěn)定向前行走、立正。 關鍵詞：雙足機器人、機械結(jié)構(gòu)目 錄1 系統(tǒng)概述12 硬件設計22.1機械結(jié)構(gòu)22.2電路設計23 軟件設計 43.1 avr 單片機程序設計43.2 pc 上位機調(diào)試軟件設計44 系統(tǒng)調(diào)試55 結(jié)束語66 參考文獻77 附錄87.1源程序87.2相關圖片9 1 系統(tǒng)概述針對項目根據(jù)實際擬訂目標，結(jié)合我們所學知識，從仿人外形和仿人運動功能實現(xiàn)，首先確定了雙足雙足機器人自由度。雙足機器人的機構(gòu)是所有部件的載體，也是設計兩足雙足機器人最

4、基本的和首要的工作。它必須能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的前后左右以及爬斜坡和上樓梯等的基本功能，因此自由度的配置必須合理。首先分析雙足機器人的運動過程(前向)和行走步驟:重心右移(先右腿支撐)、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個階段。 雙足機器人系統(tǒng)，從硬件上可以分為機械結(jié)構(gòu)部分、驅(qū)動部分、傳感部分和控制部分；從功能上可以分為機構(gòu)模塊、驅(qū)動模塊、感知模塊和控制模塊。機械結(jié)構(gòu)部分的設計 機械結(jié)構(gòu)部分在整個系統(tǒng)中，起到一個平臺的作用，機器人的其他部分都是在此機械結(jié)構(gòu)的基礎上進行安裝調(diào)試的。本文首先對雙足機器人進行機械結(jié)構(gòu)的設計，搭建雙足機器人控制系統(tǒng)和步

5、態(tài)規(guī)劃的平臺。 控制部分的設計 因為我們選擇舵機來對雙足機器人進行驅(qū)動，而舵機一般都是通過技術來進 行控制的。所以，為了實現(xiàn)對舵機的精確控制，需要設計出一個能夠輸出多路信 號的舵機控制器。 雙足競步機器人的步態(tài)規(guī)劃 由于雙足競步機器人具有多關節(jié)、多驅(qū)動器、多約束等特點，在對其進行步行規(guī)劃 及行走控制時有很大的難度。如何規(guī)劃機器人步態(tài)使其穩(wěn)定行走仍是雙足機器人研究領域的關鍵技術之一。步態(tài)是在步行運動過程中，機器人的各個關節(jié)在時序和空間上的一 種協(xié)調(diào)關系，通常由各關節(jié)運動的一組時間軌跡來描述。步態(tài)規(guī)劃的目標是產(chǎn)生期望步 態(tài)，即產(chǎn)生在某個步行周期中實現(xiàn)某種步態(tài)的各關節(jié)運動軌跡（期望運動軌跡）。步態(tài)規(guī)

6、 劃是雙足機器人穩(wěn)定步行的基礎，要實現(xiàn)和提高機器人的行走性能，必須研究實用而有效的步態(tài)規(guī)劃方法，以實現(xiàn)機器人的穩(wěn)定步行。2 硬件設計2.1機械結(jié)構(gòu)雙足機器人機械結(jié)構(gòu)設計中關節(jié)軸系的結(jié)構(gòu)設計必須緊湊，傳動精度高，效率高，并保證提供必要的輸出力矩和輸出速度，以滿足機構(gòu)動態(tài)步行運動速度和承載能力。在機械結(jié)構(gòu)的總體設計方案制定后，我們對機械結(jié)構(gòu)中關鍵器件進行了選型，主要包括軸系電機、傳動桿件等，為此我們根據(jù)軸系對運動實現(xiàn)的重要性把機器人所有軸系分為兩類：主要軸系和次要軸系。主要軸系包括下肢所有軸系，它們涉及雙足機器人基本運動功能的實現(xiàn)問題，因此是本項目機構(gòu)設計的核心問題，其基本元件和結(jié)構(gòu)方式必須首先確

7、定下來才能展開以此為核心的機構(gòu)設計和機加工工作。要使機器人能夠平穩(wěn)的行走，首先要設計好機械結(jié)構(gòu)。我們選用了3個舵機作為機器人 腿的 3個關鍵，因為舵機的理論旋轉(zhuǎn)角度是 180 度，所以我們把腿部和膝蓋的2個舵機豎直55 放置，腳步的 1 個舵機水平放置。在選材方面，我們主要用的是鋁合金板為主要的框架材料， 也用了一些塑料的電路板做底板。機器人的 2 個手臂也是用的金屬做支撐，以保證機器人行 走時的穩(wěn)定，也減少了舵機震動所帶來的影響。 2.2電路設計為了避免舵機的供電電源產(chǎn)生的電壓波動對控制電路的干擾，控制電路與舵機的電源要進行隔離，即分開供電?？刂齐娐冯娫词褂玫氖且粋€12v輸出的ac-dc變壓

8、電源經(jīng)7805芯片后提供的5v電源，而舵機的電源提供了一個接口，外接一個7806芯片進行供電。運動控制器的控制芯片模塊包括單片機、時鐘電路、復位電路、外部程序存儲芯片擴展。單片機采用atmel公司的atmega8avr單片機，它是8位的高性能嵌入式控制器,其內(nèi)部集成了8k的可在線編程的flash存儲器;256字節(jié)的ram，可尋址64字節(jié)，具有32根i/o口、3個可編程定時器、8個中斷源、6個中斷矢量、1個看門狗定時器。時鐘電路給系統(tǒng)提供時間基準,設計時采用11.05296mhz晶振。同時，本設計還擴展了一片8k×8位的外部存儲芯片2864。 運動控制器采用一片avr的單片機實現(xiàn)了pw

9、m的產(chǎn)生。由于avr具有他特有的并行處理能力和大量的io接口，可以同時控制幾十甚至上百個舵機同時工作，可以為后續(xù)的工作留出一定的空間。串行通信模塊主要用于atmega8單片機與pc機之間的串行通信。由于pc機的com口符合rs-232標準, atmega8單片機上的串行接口是ttl電平，在rs-232與ttl電平通信時,需要電平轉(zhuǎn)換，因此，設計時利用max232芯片來作電平轉(zhuǎn)換。3 軟件設計 3.1 avr 單片機程序設計 rb-150mg 舵機的控制信號為 pwm 信號，通過改變占空比進而改變舵機轉(zhuǎn)動的角度。 通過多次實驗，測得脈寬在 0.5ms-2.5ms 時，對應舵機在 0 度-180

10、度區(qū)間轉(zhuǎn)動，并呈線性關 系。由于 atmega8 的 8 位 pwm 控制精度不高，為了可以精確調(diào)整舵機所轉(zhuǎn)角度并能分時控制 6 路 pwm，利用 atmega8 t0 定時器軟件仿真 pwm 信號輸出。 為了實現(xiàn)方便調(diào)試雙足競步機器人步態(tài)規(guī)劃，我們設計 pc 上位機與 avr 單片機進行串口通信，設置 avr 單片機串口接收中斷，接收對應舵機編號和該舵機 pwm 參數(shù)，并實時改變舵機角度，實現(xiàn)機器人仿真行走。 3.2 pc 上位機調(diào)試軟件設計選用 vc+6.0 開發(fā)環(huán)境，利用 mfc 應用程序框架設計 pc 上位機調(diào)試機器人軟件。添 加串口 mscomm 控件，添加對話框控件，每當通過滑動條

11、改變舵機參數(shù)值觸發(fā)串口響應函 數(shù)，發(fā)送對應舵機編號和該舵機 pwm 參數(shù)，并在編輯框生成 avr 單片機程序，再用正則 表達式分析代碼在上位機實現(xiàn)機器人的仿真行走，將調(diào)試出穩(wěn)定的步態(tài)程序下載到單片機， 實現(xiàn)機器人的規(guī)定動作。上位機調(diào)試方法可以大大加快機器人的開發(fā)周期，并且能夠讓步行 機器人行走穩(wěn)定，上位機具有操作簡單、修改容易、使用靈活等特點4 系統(tǒng)調(diào)試首先對機器人的各個部位進行調(diào)試，組裝完成后對軟件部分進行調(diào)試。各個部位：1膝部:膝部的機械尺寸精度要求較高，打動位置要精確，孔徑大小要合適，否則容易使機器人在彎曲腿是，腳面和腿出現(xiàn)較大偏移，出現(xiàn)摩擦甚至跌倒，調(diào)試時難以直線行走，過孔在側(cè)面應在一

12、條直線上，孔徑剛過螺絲為宜。2足部：對于交叉足和狹窄足，在不超過要求的情況下，尺寸越大越好，前后尺寸對步行時機器人機身的穩(wěn)定性有直接影響。對于交叉足，左右腳伸出的交叉齒要堅硬，長度要盡量長,必須保證能夠單腿站立，同時不會出現(xiàn)彎曲而導致機體傾斜。重量宜重不宜輕。對于狹窄足,尺寸應盡量大，以增加步行穩(wěn)定性。機身中心不宜偏高。調(diào)試軟件：軟件的主旨是為了調(diào)試方便和自然，動作姿態(tài)連貫自然，所以軟件可復雜但是調(diào)試要簡單，需要調(diào)整的變量越少越好。動作算法要深入考慮機器人行走時的步態(tài)規(guī)律，對動作進行平滑處理，這是軟件調(diào)試的工作重心。這一部分的任何改進都將對調(diào)試過程的效率產(chǎn)生很大的提高。嵌入式軟件的精髓：用最低

13、成本達到最優(yōu)效果。5 結(jié)束語首先，在教室里在老師的教授下學習了許多關于機器人的知識，老師上課生動有趣，也引起了我對機器人的濃厚興趣。在上完理論課后，我們在實驗室領取到組裝機器人的器件，并與另外七位同學組成一組進行機器人的拼裝，在領取到零件后，我們明確的分工，有人裁剪圖紙，有人打磨零件，有人折疊零件。經(jīng)過我們的努力，終于完成了機器人的組裝。然后開始進行機器人的程序設計，開始時像沒頭的蒼蠅，完全找不到方向，然后想同學請教，終于有了初步的認識，開始自己設計程序，但是一直會出現(xiàn)問題，機器人走不起來，經(jīng)過很長時間終于使機器人走了起來，可是走的過程中很不穩(wěn)定，而且速度很慢，完全沒有達到要求。最后，我們與另

14、一組完成的較好的一組進行交流討論，然后進行修改，將能夠同時運動的步驟進行整合，實現(xiàn)同時運行這些步驟來節(jié)約時間，也使兩條腿同時動起來，這樣會使機器人的邁步距離增大，同時也降低重心，這樣機器人更穩(wěn)定，可以更好的完成指定任務。經(jīng)過不懈努力終于完成了程序的編寫，經(jīng)過老師的檢驗，第一次以17秒完成任務。在同學的提醒下又進行了執(zhí)行時間的修改，最終以10秒的成績完成作業(yè)。經(jīng)過這次的學習和實驗，我對機器人產(chǎn)生了濃厚的興趣，希望以后可以繼續(xù)接觸機器人，養(yǎng)自己的努力與知識完成更多的機器人功能。也希望能和同學更好的合作完成任務，培養(yǎng)團隊合作精神。6 參考文獻1 雙足競步機器人的設計與實現(xiàn) 作者：王冰，朱旭光，賀智宇

15、，劉子龍，崔哲源。遼寧工程技術大學電子與信息工程學院 2001 2 雙足機器人技術設計 20113 單片機控制的多路舵機用pwm波產(chǎn)生方法 作者：付麗，劉衛(wèi)國，伊強 20065 雙足足球機器人行走步態(tài)研究 作者：楊晶東，洪炳镕，黃慶成。哈爾濱工業(yè)大學學報 20057 附錄7.1源程序#1p1567#2p1722#3p1544#4p989#5p1922#6p1189t1000 #4p1367#5p1611#6p1344t1000 #2p1567#3p1722#5p1567t1000 #1p1256#6p1211t1000 #2p2033#3p1078#4p1056#5p1944t1000 #2p1900#5p2056t1000 #1p1411#6p1344t1000 #1p1478#6p1256