双足机器人设计与制作报告.docx
双足竞步机器人设计与制作任务书班级自动化设计题目：双足竞步（窄足）机器人的设计与制作设计主要内容和完成功能：1、 双足竞步机器人机械图设计;2、 双足竞步机器人结构件加工;3、 双足竞步机器人组装；4、 双足竞步机器人电气图设计;5、 双足竞步机器人控制板安装;6、 整机调试7、 完成6米的马拉松比赛。教师签字:8 丁学恭.机器人控制技术M.浙江:浙江大学出版社,2006。9康华光.电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社,2002。10范逸之.Visual Basic与RS-232串行通信控制（最新版）M.北京:清华大学出 版社,2002。11石东海.单片机数据通信技术从入门到精通M.西安:西安电子科技大学出版 社,2002。七、附录1、系统硬件电路图“舵号血血血血s£三二 h一二51单片机2、双足竞步机器人加工场景照片3、机器人实物照4、源程序#9P17OO#1OP1478#11P1567#12P1O56#13P1233#14P1589T1OOO立正#9P1500#10P1478#llP1567#12P1256#13P1233#14P1589T1000抬左脚#9P1500#10P1478#llP1567#12P967#13P1189#14P1900T1000迈左脚#9P1856#1OP1478#11P1567#12P1144#13P967#14P19OOT1OOO落左脚#9P17OO#11P1478#12P1167#13P1278#14P1656T1OOO抬右脚#9P1456#10P1478#llP1567#12P1167#13P1233#14P1589T1000迈右脚#9P17OO#1OP1567#11P13OO#12P1167#13P1233T1OOO落右脚摘要机器人技术是电子、机械、人工智能等各个领域新技术的结晶，人形机器人的研究作为机器人学的一个分支，无疑对机 器人研究的技术和思想提出了更高的要求。它所应该具有的活 动能力对力学和机械学提出了挑战，它对控制的高度灵活的要 求使现代控制理论找到了真正的用武之地，双足步行机器人具 有仿人的外形和步行方式、广泛的社会应用前景和多学科的融 合等特点，是机器人研究中的一个热门领域。本文使用AVR系列的高档八位单片机作为主控芯片控制多 路舵机，从而设计出一款通用的机器人控制器。控制器下位机 软件程序引入了分时操作系统的思想，并利用AVR单片机内部 16位定时器及I/O端口产生多路PWM输出。本设计尤其适用于 教学机器人和娱乐机器人控制系统中，并已经成功应用于类人 教学机器人系统和中国象棋机器人系统当中。【关键词双足步行机器人、舵机、步态设计、运动控制轨迹一、系统概述4二、硬件设计51 .控制芯片52 .串行通信53 .无线传输模块6三、软件设计6四、系统调试6五、结束语8六、参考文献9七、附录101、系统硬件电路图122、双足竞步机器人加工场景照片133、机器人实物照144、源程序14一、系统概述针对项目根据实际拟订目标，结合我们所学知识，从仿人外形和仿 人运动功能实现，首先确定了双足双足机器人自由度。双足机器人的机 构是所有部件的载体，也是设计两足双足机器人最基本的和首要的工 作。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功 能，因此自由度的配置必须合理。首先分析双足机器人的运动过程（前 向）和行走步骤:重心右移（先右腿支撑）、左腿抬起、左腿放下、重心移到 双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶 段。从机器人步行过程可以看出：机器人向前迈步时，髓关节与踝关节 必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动；要 实现重心转移，髓关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的;机器人要 达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有股关节上的转体自由度。 另外膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下 台阶成为可能，还能实现不同的步态。这样最终决定髓关节配置3个自 由度，包括转体、俯仰、和偏转自由度，膝关节配置一个俯仰自由度， 踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。这样，每条腿配置6个自由度，两 条腿共12个自由度。髓关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动 作可完成机器人的在纵向平面（前进方向内的直线行走功能；髓关节的 转体自由度可实现机器人的转弯功能；雕关节和踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。提出了机构的总体设计 图，其下肢共计12个自由度。其中：每条腿包括髓部前、侧向、转动 各1自由度，膝部前向1个自由度，踝部前向、侧向各1个自由度，其 中髓部3个自由度完全正交，踝部2个自由度完全正交。二、硬件设计.控制芯片运动控制器的控制芯片模块包括单片机、时钟电路、复位电路、外 部程序存储芯片扩展。单片机采用Atmel公司的ATmega8AVR单片机， 它是8位的高性能嵌入式控制器,其内部集成了 8k的可在线编程的 Flash存储器;256字节的RAM,可寻址64字节，具有32根I/O 口、3 个可编程定时器、8个中断源、6个中断矢量、1个看门狗定时器。时钟 电路给系统提供时间基准，设计时采用11.05296MHz晶振。同时，本设 计还扩展了一片8kX8位的外部存储芯片2864O运动控制器采用一片 AVR的单片机实现了 PWM的产生。由于AVR具有他特有的并行处理能力 和大量的10接口，可以同时控制几十甚至上百个舵机同时工作，可以 为后续的工作留出一定的空间。1 .串行通信串行通信模块主要用于ATmega8单片机与PC机之间的串行通信。 由于PC机的COM 口符合RS-232标准，ATmega8单片机上的串行接口是 TTL电平，在RS-232与TTL电平通信时，需要电平转换，因此，设计时利用MAX232芯片来作电平转换。2 .无线传输模块无线传输采用RS-232串口无线传输模块，主要目的是采用无线连 接的方式来代替计算机和运动控制器之间的有线连接，从而通过计算机 无线遥机器人的行进等动作。三、软件设计#9P1700#10P1478#llP1567#12P1056#13P1233#14P1589T1000立正#9P1500#10P1478#llP1567#12P1256#13P1233#14P1589T1000抬左脚#9P1500#10P1478#llP1567#12P967#13P1189#14P1900T1000迈左脚#9P1856#1OP1478#11P1567#12P1144#13P967#14P19OOT1OOO落左脚#9P17OO#11P1478#12P1167#13P1278#14P1656T1OOO抬右脚#9P1456#1OP1478#11P1567#12P1167#13P1233#14P1589T1OOO迈右脚#9P17OO#1OP1567#11P13OO#12P1167#13P1233T1OOO落右脚四、系统调试在机构加工基本完成、电路正常工作的基础上，我们开始对新型机 构进行实验调试。调试实验时，首先进行单关节调试，这一步无任何问 题后进行关节的组合调试，在此基础上进行基本的步态试验。1 .单关节调试首先进行的是单关节调试，单关节调试的目的有3个：(1)测试各关节功放电路、控制电路及机构是否工作正常；(2)关节磨合及死区测量；(3)测量各关节实际运动范围；(4)标识各关节运动正向；(5)测试各关节能够准确调到零位；(6)测试各关节的实际最大工作空间。2 .关节组合调试。在单关节调试完成之后，进行关节组合调试。包括侧向关节的组合 调试、前向关节的组合调试及测向关结合和前向关节的组合调试。之所 以对机构进行组合调试，是基于以下几点考虑的：(1)单个关节已经调试通过，我们还不清楚各关节之间能否有效地 配合起来；(2)供电部分在能够有效的支持单电机工作的情况下，能否同样支 持多关节同时工作；(3)组合调试可以检验关节的实际输出力矩是否能够保证机构的稳 定步行；(4)无论从编程实现，还是控制方案实施来看，组合调试可以发现 一些隐藏的问题，及时加以解决，便于下一步实验的进行，同时可以给 调试人员积累一些调试经验，为进一步调试打下基础。我们先进行侧向 关节组合调试，我们设计了左右侧扭的动作来检验侧向关节。实施方案 是保持各正向关节不运动，侧向踝关节、侧向髓关节运动，即机器人做 左右摇摆的动作。通过实验得出以下结论：机器人能够按预定的方案有 节奏地进行左右摆动，侧向关节组运动正常。在侧向关节调试完毕之后，进行的是前向关节组合调试，拟定实施的方案为：机器人进行悬挂状态下的原地踏步运动。这时每条腿运动只 需用到3个前向关节，即前向踝关节、膝关节、前向髓关节。通过机器 人悬挂踏步实验，得出以下结论：(1)机器人的前向运动关节能够很好地配合起来；(2)按照理论规划的数据在加以简单的修正之后能够达到一个比较 好效果；(3)前向关节能够提供足够的力矩以驱动机体运动。通过侧向关节和前向关节的组合调试，我们清楚了各关节的工作情 况，前向关节、侧向关节都能保证正常运行。在此基础上，我们将机器 人放在地上，进行原地踏步实验，因为原地踏步实验是一个最简单的基 本动作，需要侧向关节和前向关节的共同参与，可以检验侧向关节和前 向关节的组合性能，若原地踏步动作成功，下一步就可以进行步行试验 了。通过这个实验，我们可以达到以下几点目的：(1)验证侧向关节、前向关节能否有效配合；(2)解决简易运动中的机体平衡问题。(3)机器人的主要受力关节有足够的刚度支持机器人的下肢，为机 器人前向运动提供实验依据。五、结束语根据所学知识，对双足机器人的制作过程进行了讨论和深究，完成了 “漫步者”双足机器人的制作，对其进行了步态规划。最终可以实现前进，后退，左右转，蹲下，踢球等动作。并就此写了这篇双足机器 人技术设计与论文双足机器人步态规划的研究。我们虽然完成双 足机器人制作调试的全过程，但在现有工作的基础上，仍然存在着许多 问题需要进一步的研究：1、由于机器人重心集中在上体，上体的姿态控制对于机器人的稳 定影响至关重要，因此，需要在机器人上体安装陀螺仪，提高上体姿态 控制精度。2、为了进一步提高双足机器人的环境适应能力，使其具备避障能 力，需要为其配备红外线传感器来判断地面凹凸等情况，配备超声波传 感器来判断障碍物。3、图像和语音这是机器人下一步研究的必然方向，也是仿人机器 人走向实用化的必然要求，目前的机器人除了行走和根据人的指令动作 外，基本不具备智能，没有与环境进行交互的能力，深入研究机器人视 觉和语音功能具有极大的研究价值和市场前景。六、参考文献1包志军，马培菰，姜山等.从两足机器人到仿人型机器人的研究历史及其问题 J.机器人，1999。2马劭，双足行走机器人，北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京航 空航天大学第二十届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛项目论文。3费守勇，吕恬生，宋立博等.双足溜冰机器人控制系统设计J.机械与电子， 2006 o4时玮.利用单片机PWM信号进行舵机控制J.今日电子.2005。5刘歌群，卢京潮等用单片机产生路舵机控制PWM波的方法J.机械与电子。6王划一.自动控制原理M.北京：国防工业出版社,2001。7王耀南.机器人智能控制工程M.北京:科学出版社,2004。
