雙足競步機器人智能步行者技術報告

1、 . . . 雙足競步機器人智能步行者技術報告- 13 - / 20目錄摘要II目錄III第一章引言- 1 -1.1機器人控制技術的國外研究現(xiàn)狀- 1 -1.2雙足機器人的特點- 1 -1.3機器人的發(fā)展趨勢- 2 -第二章機械機構設計- 3 -2.1固件選型與安裝- 3 -2.2固定件實物圖- 4 -2.3安裝步驟- 4 -第三章電路硬件設計- 5 -3.1最小系統(tǒng)板- 5 -3.2電源模塊- 6 -3.3電機模塊 - 7 - 3.4循跡模塊.-7-第四章軟件設計- 8 -4.1邏輯機構圖- 8 -4.2軟件的實現(xiàn)方法- 9 -第五章步態(tài)規(guī)劃設計.-11-第六章總結- 12 -6.

2、1不足以與改進- 12 -附錄A部分程序源碼- II -附錄B電路板設計原理圖- IV -第一章引言1.1機器人控制技術的國外研究現(xiàn)狀雙足機器人是當今機器人研究領域最為前沿的課題之一，它集機械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術與人工智能等多門學科于一體，是一個國家高科技實力的重要標志。而且，雙足機器人是一種高度非線性、強耦合的對象，反映了一個國家的智能化和自動化研究水平，雙足機器人研究已成為目前非常活躍的一個研究領域。 雙足機器人是一種非常典型的仿人機器人，國外早在60年代末就開始了雙足機器人的研究開發(fā)。1968年，美國通用公司試制了一臺名為“Rig”的操縱型雙足機器人，揭開了雙足機器人研

3、究的序幕。隨著雙足機器人在各個領域的應用日趨廣泛，各個國家在該領域相繼投入巨資開展研究。自20世紀90年代開始，雙足機器人的研究已從模仿人類腿部行走發(fā)展到全方位擬人階段，相繼誕生，P3，ASIMO等機器人明型刎。雙足步行機器人的運動規(guī)劃問題主要是研究如何提高行走速度、減少行走耗能、實現(xiàn)行走穩(wěn)定(包括靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定)和姿態(tài)切換等。 步行是人類最基本的行為方式，雙足機器人具備人類的基本結構，具有類人的步行能力。雙足步行機器人在外形上具有人類特征，適合用于人類生活的環(huán)境，為人們提供方便，因此具有廣闊的市場前景。雙足機器人與其他多足機器人相比具有體積較小、重量輕、動作靈活、迅速，而且更接近于人類步行的

4、特點，因此它們對環(huán)境有最好的適應性，在日常生活中更具有廣泛的應用前景，并且對控制方法產生一定影響，從而促進仿生學與其他領域的相關研究與應用。通過研究機器人我們可以更多的了解和掌握人類的步行特征，并為人類的服務，如人造假肢。綜上所述，雙足機器人的步態(tài)規(guī)劃研究具有重要的理論意義和應用價值，步穩(wěn)定性是首要的問題，也是雙足步行機器人的核心問題，是實現(xiàn)其他復雜功能的前提和基礎，是當前雙足機器人研究的重要任務。雙足機器人采用單、雙腳交替支撐的方式步行，具有很好的靈活性，但由于其結構復雜，要實現(xiàn)穩(wěn)定的步行，必須先規(guī)劃出合理的步態(tài)。步態(tài)的好壞將直接影響到機器人行走的穩(wěn)定性、驅動力矩的大小以與姿態(tài)的美觀性等。目

5、前，雙足機器人的步態(tài)規(guī)劃方法計算量大，難以滿足實時性要求，因此，大部分步態(tài)都是離線規(guī)劃的。在規(guī)劃過程中，為了使計算過程和運動分析變得簡單，一般把三維空間的步態(tài)規(guī)劃分解到徑向和側向兩個平面進行，并且假設這兩個平面的步態(tài)是相互獨立的。1.2雙足機器人的特點 雙足行走機器人屬于類人機器人，典型特點是機器人的下肢以剛性構件通過轉動副聯(lián)接，模仿人類的腿與髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)。并以執(zhí)行裝置代替肌肉，實現(xiàn)對身體的支撐與連續(xù)地協(xié)調運動，各關節(jié)之間可以有一定角度的相對轉動。與其它足式機器人相比，雙足機器人還具有如下的優(yōu)點： (1)雙足機器人對步行環(huán)境要求很低，能適應各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，不僅能夠

6、在平面行走，而且能夠方便的上下臺階與通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，故它的移動“盲區(qū)”很小。 (2)雙足機器人具有廣闊的工作空間，由于行走系統(tǒng)占地面積小，活動圍很大，其上配置的機械手具有更大的活動空間，也可使機械手臂設計得較為短小緊湊。 (3)雙足行走是生物界難度最大的步行動作，但其步行性能卻是其它步行結構所無法比擬的。 此外，雙足行走機器人能夠在人類的生活和工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對環(huán)境進行大規(guī)模改造。所以雙足行走機器人具有廣闊的應用領域，特別是作為殘疾人（下肢癱瘓者或截肢者）提供室和戶外行走工具、極限環(huán)境下代替人工作業(yè)等方面更是具有不可替代的作用1.3機器人的發(fā)展趨勢 雙

7、足行走機器人具有以下幾個發(fā)展趨勢，當然也是進一步研究的重點所在。 （）穩(wěn)定性與控制。穩(wěn)定性與控制策略是雙足行走機器人技術的關鍵，也是各國學者研究的焦點。具體主要有雙足運動的動態(tài)穩(wěn)定與控制機理、雙足步行運動的固有魯棒性機理、實時步態(tài)規(guī)劃與控制等幾個方面。只有解決了這些問題，雙足機器人才能實現(xiàn)自然、順暢地行走，從而更好地完成任務。年月在中國舉行的機器人大賽上，所展出的雙足機器人已經具有較好的穩(wěn)定性，不但具有順暢的行走能力，而且在不慎摔倒時還能夠獨立地站立起來繼續(xù)行走。 （）開發(fā)新型關節(jié)驅動器。雙足機器人的自由度是其完成動作質量的保證，自由度越多其動作越協(xié)調、順暢。目前研制的雙足機器人自由度最少的也

8、有十幾個，最多的達到幾十個。自由度的增多的同時對驅動器的要求也越來越高，已不局限于傳統(tǒng)的幾種方式，形狀記憶合金驅動、壓電瓷驅動等方式逐漸應用到機器人領域，這些驅動方式以驅動速度快、負載能力強等特點已經逐漸取代了傳統(tǒng)的驅動方式。 （）改進人機接口設計。機器人應該要與人類共存并合作，做人類做不到的事，開拓機動性的新領域，從而對人類社會產生附加價值，而并不是完全取代人。目前，雙足機器人還不能擺脫人的控制而獨立工作，因此，良好的人機協(xié)調系統(tǒng)在機器人的工作中將起到非常重要的作用。第二章機械機構設計2.1固件選型與安裝 1：多功能舵機支架 2：長U型支架 3: 短U型支架 4：U型梁 5：大腳板 6：杯式

9、軸承組件 7：金屬舵盤 8：多孔固定件 9：傳感器固定支架 10：直角固定件2.2固定件實物圖 圖1 機器人各部件實物圖2.3安裝步驟 A：將舵機用多功能固定件固定在大腳板上，然后用螺絲固定。 B：用長U型固定件以與多功能固定件把另一個舵機固定在第一個舵機上，作為膝關節(jié)。 C：再用一個長U型固定件和一個多功能固定件把另一個舵機固定在膝關節(jié)的上方作為胯關節(jié)。 D：最后用一個U型梁以與舵機金屬舵盤把兩個舵機腿固定在一起，組裝成一個六個自由度的機器人。第三章電路硬件設計3.1最小系統(tǒng)板該系統(tǒng)以STM32F407ZET6為核心控制板（1）核：ARM 32位的Cortex(TM)-M4 CPU。 （2）

10、工作頻率：最高168MHz工作頻率（網(wǎng)上有人測試可達200多MHz）, 在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25DMips/MHz(Dhrystone2.1)。 （3）工作電壓與封裝：1.83.6伏供電和I/O引腳。 （4）存儲資源：高達512K字節(jié)的Flash存儲器, 192 +4 KB的SRAM，其中包括64字節(jié)的CCM（核心耦合存）RAM,靈活的靜態(tài)存儲器控制器支持 閃存，SRAM，PSRAM，NOR和NAND存儲器。 （5）低功耗設計:睡眠，停機和待機模式,VBAT提供RTC，20× 32位的備份 寄存器+可選的4 KB備份SRAM。 （

11、6）接口資源 ：3個12位A/D模數(shù)轉換器，1s轉換時間(多達24個輸入通道)，2通道12位D/A轉換器、12通道DMA控制器 ，多達140個I/O端口具有中斷功能，136個快速I / O高達84 MHz，138個5 V容限I/O，17個定時器（12個16位的2個32位的），2個看門狗(獨立、窗口型的)，15個通信接口，3個I2C接口，3個SPI接口(37.5M位/秒）,5個USART接口支持ISO 7816，LIN，IrDA接口和調制解調控制)，2個可復用為I2S接口，2個 USB2.0全速接口，2個CAN通信接口， 8 - 14位并行攝像頭

12、接口54 M，10/100以太網(wǎng)MAC專用DMA,還有SDIO,FSMC接口。 （7）調試下載：串行單線調試(SWD)和JTAG接口， Cortex-M4嵌跟蹤模塊(ETM)。3.2電源模塊 控制板和光電傳感器用5V電池集中供電，舵機用7.4V電池供電。 圖2 5V電池和7.4V電池3.3電機模塊 常用的電機有直流電機、步進電機、舵機等。下面我們大概對直流電機、步進電機、舵機進行一下對比：表31 各種電機的優(yōu)缺點比較 電機 優(yōu)點 缺點 適用重量 應用場合 直流電機功率大，機構接單較難裝配，較貴，控制復雜任何重量的機器人較大型機器人 步進電機精確的速度控制型號多，接口簡單，便

13、宜體積大，較難裝配，功率小，控制復雜輕型機器人迷宮機器人 舵機易于安裝，接口簡單，功率中等負載能力較低，速度調節(jié)圍小5kg左右的機器人小型機器人步行機器人 由于此機器人是重量較輕的小型雙足競步機器人，并且在步行過程中是對步態(tài)的控制需要轉動，因此本機器人選用舵機作為動力器件。（1）舵機的結構和工作原理 結構：一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成， 舵盤、減速齒輪組、位置，反饋電位計5k、直流電機、控制電路板等。         工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組

14、，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機的轉動方向和速度，從而達到目標停止。  舵機的輸入線共有三條，紅色中間，是電源線，一邊黑色的是地線，這兩根線給舵機提供最基本的能源保證，主要是電機的轉動消耗。電源有兩種規(guī)格，一是4.8V，一是6.0V，分別對應不同的轉矩標準，即輸出力矩不同，6.0V對應的要大一些，具體看應用條件；另外一根線是控制信號線，F(xiàn)utaba的一般為白色，JR的一般為桔黃色。另外要注意一點，SANWA的某些型號的舵機引線電

15、源線在邊上而不是中間，需要辨認。但記住紅色為電源，黑色為地線，一般不會搞錯。 （2）單片機控制舵機的方法 舵機的控制信號是一個脈寬調制信號，很方便和數(shù)字系統(tǒng)進行接口。只要能產生標準的控制信號的數(shù)字設備都可以用來控制舵機，比方PLC、單片機等。 因為在脈沖信號的輸出可以用定時器的溢出中斷函數(shù)來處理，時間很短，因此在精度要求不高的場合可以忽略。通過編程就可以讓舵機從0度變化到180度。另外要記住一點，舵機的轉動需要時間的，因此，程序中時間的變化不能太快，不然舵機跟不上程序。根據(jù)需要，選擇合適的延時，返復調試，可以讓舵機很流暢的轉動，而不會產生像步進電機一樣的脈動。舵機的速度決定于你給它的

16、信號脈寬的變化速度。如果你要求的速度比較快的話，舵機就反應不過來了；將脈寬變化值線性到你要求的時間，一點一點的增加脈寬值，就可以控制舵機的速度了。當然，具體這一點一點到底是多少，就需要做試驗了，不合適的話，舵機就會向步進電機一樣一跳一跳的轉動了，嘗試改變這“一點”，使你的舵機運動更平滑。還有一點很重要，就是舵機在每一次脈寬值改變的時候總會有一個轉速由零增加再減速為零的過程，這就是舵機會產生像步進電機一樣運動的原因。3.4循跡模塊本機器人采用ND80K為循跡傳感器，該傳感器在檢測到黑色的KT板是返回的是高電平，檢測到白色的KT板時返回低電平。在單片機程序過GPIO_ReadInputDataBi

17、t(GPIO_TypeDef* GPIOx, u16 GPIO_Pin)函數(shù)可以讀取管腳上返回的電平，從而可以通過在相應的程序過對返回電平的大小從而對步態(tài)進行調整。具體部分程序如下：if(PC13=0&&PC14=0) sign=left;else if(PC13&&PC14=0) sign=normal;else if(PC13&&PC14)sign=right;else if(PC13=0&&PC14)sign=right; 第4章 軟件設計4.1程序流程圖 本系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示： 開始 STM32F407ZET6控制

18、芯片傳感器的信號的采集內外都黑右偏內黑外白右偏內外都白左偏內白外黑正常左微調左微調右微調 直走 圖3 程序流程圖4.2軟件的實現(xiàn)方法首先通過光電傳感器感知該機器人此時的位置，然后把信號傳遞給主核心控制芯片，按程序分析此時的位置正確與否，然后通過程序對此時的步態(tài)進行微調，使機器人回到正確的路線上。該小型系統(tǒng)是通過順序邏輯結構和循環(huán)結構來實現(xiàn)具體的操作過程。具體詳見附錄A。第五章步態(tài)規(guī)劃 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)調關系，通由各關節(jié)運動的一組時間軌跡來描述。步態(tài)規(guī)劃的目標是產生期望步態(tài)，即產生在某個步行周期中的實現(xiàn)某種步念的各關節(jié)運動軌跡(期望運動軌跡)。步態(tài)規(guī)

19、劃是機器人穩(wěn)定步行的基礎，也是雙足步行機器人研究中的一項關鍵技術。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。完整的步態(tài)規(guī)劃包括兩方面的容：姿態(tài)的規(guī)劃和ZMP(Zero Moment Po洫，零力矩點)軌跡的規(guī)劃，二者相互影響，關系密切。所謂姿態(tài)的規(guī)劃，是指機器人行走過程中其各組成部分運動軌跡的規(guī)劃，比如說，腳掌何時離開地面、擺動相中整個腳掌在空中的軌跡、何時落地等。姿態(tài)的規(guī)劃相對比較簡單，常用的方法是先規(guī)劃出髖關節(jié)與踝關節(jié)的軌跡，然后計算出其它組成部分的軌跡。 當前步態(tài)規(guī)劃的方式主要有基于仿生學原理和基于力學穩(wěn)定性這兩種。基于仿生學原理的雙足步態(tài)研究主要是通過測量和分析人

20、的步行運動，研究雙足步行的基本原理,將得到的一些基本步態(tài)特征運用到雙足機器人步態(tài)規(guī)劃和控制中?；具^程是讓人模仿機器人的自由度行走(如果機器人有幾個自由度，那么人在模仿行走的時候也盡量只動相應的自由度)，同時對此人的行走過程進行正面和側面的錄像，然后對這些錄像進行分析，得到此人在步行過程各個主要關節(jié)的角度變化與時間的函數(shù)，然后根據(jù)力學相似原把這些函數(shù)相似地推廣到機器人的關節(jié)變化上?；诹W穩(wěn)定性的步態(tài)軌跡規(guī)劃方法又分為基于模型和非模型兩種步態(tài)規(guī)劃和控制策略?；谀Ｐ偷碾p足控制借鑒已知的物理模型特性對雙足機器人模型進行簡化，建立了倒立擺模型、被動步態(tài)模型、質量彈簧模型等實用控制模型?；诜悄Ｐ偷?/p>

21、控制策略從機器人步行運動的約束入手，一般從雙足機器人的穩(wěn)定和能量兩方面對雙足步態(tài)運動加以規(guī)劃和控制IlJ。步態(tài)規(guī)劃步驟如圖4所示圖4 步態(tài)調試的的具體步驟第六章 總結6.1不足以與改進 （1）機器人的步態(tài)優(yōu)化不是很好，在行進過程中會有大腳板的輕微滑動現(xiàn)象的發(fā)生。通過調節(jié)機器人重心的位置,使大腳板有更好的抓地力,同時還可以在機器人的腳底部增大黏力,使機器人腳底板有更大的摩擦力. （2）機器人在行進過程中左右搖擺有點大,具體通過適當?shù)母男〔綉B(tài),稍微加快頻率來使機器人趨于小幅度的搖擺狀態(tài). （3）在進行機器人的復位過程中會出現(xiàn)突然跳動的情況，從而會導致機器人的步態(tài)不是很穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生。面對這些情況我

22、們可以在程序過改變機器人步態(tài)的邏輯結構來實現(xiàn)機器人的穩(wěn)步前進，微調，轉彎和停止。（4）機器人在行進過程中可能會發(fā)生情況誤判的情形，在這種情況下需要在程序中加相應的程序段來判斷是否發(fā)生了誤判從而增強機器人系統(tǒng)的魯棒性。6.2參賽心得 這次比賽我們不僅代表了個人，還代表了學校，我們?yōu)閷W校爭得了榮譽。這場競賽雖然取得了一定的成績，但同時也暴露出一些問題，針對這些問題，現(xiàn)對本次競賽的情況作如下總結，以便為下一屆參加競賽的學弟學妹們做個參考。    1、心理素質是影響競賽的關鍵因素。比賽不僅比技術，也比心理素質。技術再高的人如果欠缺一定的心理素質，將會直

23、接影響到自身的發(fā)揮。那究竟怎樣克服心理障礙這點呢？第一，拿到題目后不要緊，俗話說萬變不離其宗，不管是自己見過的還是沒見過的，首先要把考題和以前遇到的類似題型相比較，然后分析它們的一樣點和不同點，從而找出正確的解題思路。第二，做題時切記不能三心二意，做題時一定要專心，不要一題做一下另外一題又做一下，最后反而都沒做好。第三，在平時的訓練中要把每一次練習當成比賽，這樣才能在平時的訓練中提高自己的心理素質。    2、團隊精神至關重要。在平時的訓練中，大家都會遇到不同的問題，遇到問題時要互相討論，相互指出各自的不足，相互交流，相互考核，團結作戰(zhàn)，共同成長，有了這

24、樣的團結精神，才能在比賽中“厚積薄發(fā)”。3、要有速度、要細心。每個參賽選手的技能水平都不相上下，比賽比的就是操作的速度快不快，在操作的過程中細不細心。競賽中失誤大部分都是不細心所導致的。拿單片機的編程來說，程序的完整性是很重要的，拿到題目時要仔細讀懂題意，弄清題目所要實現(xiàn)的功能，這就要求在編程時不僅速度要快，而且不能犯語法錯誤，一步一步的編，但不能盲目地追求速度，這樣才能保證編程既有速度又有質量。 4、要學會自學。我們都是接受過高等教育的人，自學能力是我們要具備的基本素質，遇到難題和不懂的問題一定要自己去查資料，不要因為沒有學過而灰心而失去信心，每個學生在課堂上學的東西總是有限的，很多知識是要靠自己去學習和積累。這次比賽我收獲最大的就是提高了我的自學能力。  5、平時的練習要腳踏實地，既不能圖快，更不能懶散。遇到問題要勤思考勤動手，把問題的原因、現(xiàn)象以與解決方案用紙記錄下來，這樣不至于以后犯同樣的錯誤。我相信只要這樣堅持下去，自己的技能必定會有所進步。    本次競賽是一次理論與實踐相結合的競賽，充分體現(xiàn)了對現(xiàn)代自動控制型人才的要求，給了我們一個自我提高和學習的好機會，為我們提供了一個展示自己的大舞