兩足行走機器人—身體及頭部結構部分設計

兩足行走機器人—身體及頭部結構部分設計,兩足行走機器人—身體及頭部結構部分設計,行走,機器人,身體,頭部,結構,部分,部份,設計 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 28 頁 共28 頁 1 緒論 1.1 引言 什么是機器人呢?在國際上，關于機器人的定義很多，出發(fā)點各不相同，有的強調工業(yè)機器人特征，有的側重于智能機器人。美國機器人協(xié)會認為“機器人是一種用于移動各種材料、零件的工具或專用裝置；是通過程序動作來執(zhí)行各種任務，并具有編程能力的多功能操作機”，顯然該定義指的是工業(yè)機器人，國際標準化組織(ISO)也有類似的定義。日本工業(yè)機器人協(xié)會(JIRA)定義機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的且能夠完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。有些定義直接把機器人分為工業(yè)機器人和智能機器人兩種情況來解釋，認為工業(yè)機器人是“一種能夠執(zhí)行與人的上肢(手和臂)類似動作的多功能機器”，智能機器人是“一種具有感覺和識別能力，并能夠控制自身行為的機器”。我國的蔣新松院士曾建議把機器人定義為“一種擬人功能的機械電子裝置”。盡管定義各不相同，但有共同之處，即認為機器人應具有下列特征: （1）像人或人的上肢，并能模仿人的動作； （2）具有智力或感覺與識別能力； （3）是人造的機械或機械電子裝置。 當然，隨著機器人的進化和其智能的發(fā)展，這些定義很難涵蓋其本質，有必要修改[1]。 1.2 機器人的發(fā)展及技術 1.2.1 機器人的發(fā)展 20世紀40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術的出現(xiàn)，關于機器人技術的研究開始出現(xiàn)。60年代美國的 Consolidatedcontry公司研制出第一臺機器人樣機，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機器人。20世紀70年代以來，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機器人技術逐漸發(fā)展為專門學科。1970年，第一次國際機器人會議在美國舉行。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結構、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機器人已進入了實用化階段。目前，盡管關于機器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認為機器人的發(fā)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代。第一代機器人，主要指只能以“示教一再現(xiàn)”方式工作的機器人，其只能依靠人們給定的程序，重復進行各種操作。目前的各類工業(yè)機器人大都屬于第一代機器人。第二代機器人是具有一定傳感器反饋功能的機器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人按照己編好的程序做出一定推理，對動作進行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智能。當前，對第二代機器人的研究著重于實際應用與普及推廣上。第三代機器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機器人。它具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨立行動。第三代機器人又稱為智能機器人，并己成為機器人學科的研究重點，但目前還處于實驗室探索階段。機器人技術己成為當前科技研究和應用的焦點與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A見到，機器人將在21世紀人類社會生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。 1.2.2 機器人技術 機器人學是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學科，該學科涉及領域廣泛，集中了機械工程、電氣與電子工程、計算機工程、自動控制工程、生物科學以及人工智能等多種學科的最新科研成果，代表了機電一體化的最新成就。機器人充分體現(xiàn)了人和機器的各自特長，它比傳統(tǒng)機器具有更大的靈活性和更廣泛的應用范圍。機器人的出現(xiàn)和應用是人類生產(chǎn)和社會進步的需要，是科學技術發(fā)展和生產(chǎn)工具進化的必然。目前，機器人及其自動化成套裝備己成為國內(nèi)外備受重視的高新技術應用領域，與此同時它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務、娛樂等各個領域滲透。目前，雖然機器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學科的發(fā)展和社會需要的發(fā)展，機器人技術出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢，如網(wǎng)絡機器人技術、虛擬機器人技術、協(xié)作機器人技術、微型機器人技術和雙足步行機器人技術等。人們普遍認為，機器人技術將成為緊隨計算機技術及網(wǎng)絡技術之后的又一次重大的技術革命，它很可能將世界推向科學技術的新時代[2]。 1.3 雙足機器人的優(yōu)點及國內(nèi)外研究概況 1.3.1 雙足步行機器人的優(yōu)點 機器人是現(xiàn)代科學技術發(fā)展的必然產(chǎn)物，因為人們總是設法讓機器來代替人的繁重工作，從而發(fā)明了各種各樣的機器。機器的發(fā)展和其它事物一樣，遵循著由低級到高級的發(fā)展規(guī)律，機器發(fā)展的最高形式必然是機器人。而機器人發(fā)展的最高目標是制造出像人一樣可以行走和作業(yè)的機器人，也就是擬人機器人。因為它具有良好的環(huán)境適應性，并且這種優(yōu)秀品質在高低不平的路面上以及具有障礙物的空間里更加突出，所以與之相關的問題己經(jīng)成為研究熱點。擬人機器人的研制工作開始于20世紀60年代，短短的幾十年時間內(nèi)，其研制工作進展迅速。步行機器人的研制工作是其中一項重要內(nèi)容。目前，機器人的移動方式主要包括輪式、履帶式、爬行式、蠕動式以及步行等方式。對輪式和履帶式移動機器人的研究主要集中在自主運動控制上，如避障路徑規(guī)劃等。這兩種機器人過分依賴于周圍環(huán)境，應用范圍受限。爬行和蠕動式機器人主要用于管道作業(yè)，具有良好的靜動態(tài)穩(wěn)定性，但速度較低。常見的步行機器人有雙足、四足和六足等情況。自然界事實、仿生學以及力學分析表明:在具有許多優(yōu)點的步行機器人中，雙足步行機器人因其體積相對較小，對非結構性環(huán)境具有較好的適應性，避障能力強，移動盲區(qū)很小等優(yōu)良的移動品質，格外引人注目。首先，對于支撐路面，雙足步行機器人的要求很低，理論上只需要分散的、孤立的支撐點，就可以通過機器人自行選擇最佳的支撐點，獲得最佳的移動性能。而輪式移動機器人通常要求連續(xù)的、硬質的支撐路面，對于惡劣的支撐路面，它只能被動的適應。其次，在存在障礙物的情況下，雙足步行機器人能夠跨越與自身腿長相當?shù)恼系K物，甚至跳越障礙，而輪式移動機器人僅能滾越尺寸小于輪子半徑的障礙物。機器人力學計算表明，足式步行機器人的能耗通常低于輪式和履帶式[7]。 1.3.2 雙足步行機器人的步行特點及研究意義 世界著名機器人專家，日本早稻田大學的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機器人應當具有的最大的特征之一是步行功能”。一般說來，機器人的步行方式有兩種，即靜態(tài)步行與動態(tài)步行。靜態(tài)步行是指低速步行，不考慮慣性力，機器人在行走過程中只需要滿足靜力平衡條件，即重心要始終保持在支撐腳區(qū)域內(nèi):動態(tài)步行與之不同，必須考慮慣性力的影響，行走過程中要滿足動態(tài)平衡，即控制系統(tǒng)的零力矩點(zMP)始終在支撐腳的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。動態(tài)步行具有速度快效率高等優(yōu)點。靜態(tài)步行可以看作動態(tài)步行的特例。和輪式、履帶式、爬行式、蠕動式等機器人相比，雙足步行機器人在具有上述難以取代的優(yōu)越性的同時，也存在很多的技術難關，穩(wěn)定步行和高速運動都困難的。雙足步行機器人系統(tǒng)存在著高階、強耦合、多變量及非線性等特性，這些特性使得雙足步行機器人的運動學和動力學的精確求解非常困難，而且也沒有十分理想的理論或方法來求解逆運動學和動力學解析解，只有外加一些限制條件，如能量消耗最小，峰值力矩最小來求解運動學和動力學的近似解，這往往導致了機器人的規(guī)劃運動與實際運動有較大的出入。所以，迄今為止雙足步行機器人還是以“靜步行”為主，特點是步速較低、步幅較小，其運動性能與人類相比還相距甚遠。由于步行機器人的發(fā)展受到機構學、材料學、計算機技術、控制技術、微電子技術、通訊技術、傳感技術、人工智能、數(shù)學方法、仿生學等學科發(fā)展程度的制約，還處于實驗室研制階段，距離真正意義上的擬人機器人還有相當?shù)木嚯x[10]。在這一領域內(nèi)還有許多的問題等待我們?nèi)ソ鉀Q。雙足步行是生物界最難的動作，它的完美實現(xiàn)必然要求機器人在結構設計方面產(chǎn)生巨大的變革和創(chuàng)新，從而有力地推動相關學科的發(fā)展。同時，雙足步行機器人具有多關節(jié)、多驅動、多傳感器，而且具有冗余自由度，這給控制研究帶來很大困難，也相應的給各種控制策略和優(yōu)化方法提供了理想的試驗平臺，因此，對雙足步行機器人的研究具有很高的理論價值，引起國內(nèi)外無數(shù)專家學者的矚目[4]。為了促進機器人技術在我國的發(fā)展，全國各地尤其是部分高校舉辦了各種類型的機器人大賽。中國機器人大賽是由中國自動化學會機器人競賽工作委員會和科技部高技術研究發(fā)展中心主辦的一個全國性的賽事。其中最為引人矚目的舞蹈機器人項目就是為了促進雙足步行機器人的發(fā)展而設立的。由于步行機器人的實現(xiàn)目前還存在很多技術難題，前幾屆由中國科技大學主辦的舞蹈機器人大賽基本上是以輪式機器人為主，還沒有出現(xiàn)步行機器人參賽。由此可見，雙足步行機器人的發(fā)展還有一段很長的路要走。研制雙足步行機器人的一項重要內(nèi)容就是步態(tài)規(guī)劃。所謂的步態(tài)，是指在步行過程中，步行本體的身體各部位在時序和空間上的一種協(xié)調關系;步態(tài)規(guī)劃就是給出機器人各關節(jié)位置與時間的關系，是雙足步行機器人研制中的一項關鍵技術，也是難點之一。步態(tài)規(guī)劃的好壞將直接影響到雙足步行機器人的行走穩(wěn)定性、美觀性以及各關節(jié)所需驅動力矩的大小等多個方面，已經(jīng)成為雙足步行機器人領域的研究熱點。基于上述原因，本課題擬進行雙足步行機器人的步態(tài)規(guī)劃研究，研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機器人平臺，為進一步的擬人機器人研制奠定基礎。 1.3.3 國外研究概況 擬人機器人的研究是一個很誘人、難度很大的研究課題。關于這方面的研究日本走在了世界的前列。早稻田大學理工學部1973年建立了“人格化機器人”研究室，曾開發(fā)出不少擬人機器人系統(tǒng)。例如會演奏鋼琴的機器人、雙足步行機器人以及電動假肢等。該研究室的帶頭人高西淳夫教授說:“人格化機器人的一個很大特征就是它具有與人類相近的結構。機器人與人類的共存是我們研究開發(fā)的課題之一”。當今世界，有“機器人王國”之稱的日本在雙足步行機器人研究領域處于絕對領先地位，具有代表性的研究機構有加藤實驗室、日本早稻田大學、日本東京大學、日本東京理工學院、日本機械學院、松下電工、本田公司和索尼公司等。日本早稻田大學的加藤一郎教授于1968年率先展開了雙足步行機器人的研制工作，并先后研制出場系列樣機若干年研制出P-1平面自由度步行機器人，該機器人具有六個自由度，每條腿有骼、膝、踩三個關節(jié)；關節(jié)處使用人造橡膠肌肉，通過充氣、排氣引起肌肉收縮，肌肉的收縮牽引關節(jié)轉動從而實現(xiàn)步行。1971年，研制出WAP-3型雙足機器人，仍采用人工肌肉，具有11個自由度，能在平地、斜坡和階梯上行走。該機器人重130kg高0.9m，實現(xiàn)步幅15cm，每步455的靜態(tài)步行；同年又研制出WL-5雙足步行機器人，該機器人采用液壓驅動，具有11個自由度，下肢作三維運動，上軀體左右擺動以實現(xiàn)雙足機器人重心的左右移動。1973年，在WAP-5的基礎上配置機械手及人工視覺、聽覺等裝置組成自主式WAROT-1。1980年，推出WL-9DR(Dynam Refined)雙足機器人，該機器人采用預先設計步行方式的程序控制方法，通過對步行運動的分析及重復實驗設計步態(tài)軌跡，用設計出的步態(tài)控制機器人的步行運動，該機器人采用了以單腳支撐期為靜態(tài)，雙腳切換期為動態(tài)的準動態(tài)步行方案，實現(xiàn)了步幅45cm，每步95的準動態(tài)步行。1984年，研制出采用踝關節(jié)力矩控制的WL-10DR雙足機器人，增加了踝關節(jié)力矩控制，將一個步行周期分為單腳支撐期和轉換期。1986年，又成功研制了wL- 12(R)雙足機器人，該機器人通過軀體運動來補償下肢的任意運動，實現(xiàn)了步行周期23秒，步幅30cm的平地動態(tài)步行。代表雙足步行機器人和擬人機器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。本田公司從1986年至今已經(jīng)推出了Pl，PZ，P3系列機器人，在PZ和P3中，使用了大量的傳感器：陀螺儀(測定上體偏轉的角度和角速度)、重力傳感器、六維力/力矩傳感器和視覺傳感器等，利用這些傳感器感受機器人的當前狀態(tài)和外界環(huán)境的變化，并基于這些傳感器對下肢各關節(jié)的運動做出調整，實現(xiàn)動態(tài)步行。并且于2000年11月20日，推出了新型雙足步行機器人，實現(xiàn)了與人一樣自然行走的新姿態(tài)控制技術，自律連續(xù)移動技術以及可順暢地與人同步動作的技術等，使其更容易適應人類的生活空間，通過提高雙腳步行技術使其更接近人類的步行方式。雙腳步行技術方面采用了新開發(fā)的技術,雙腳步行技術的基礎上組合了新的“預測運動控制功能”，它可以實時預測以后的動作，并且據(jù)此事先移動重心來改變步調。以往由于不能進行“預測運動控制”，當從直行改為轉彎時，必須先停止直行動作，然后才可以轉彎。索尼公司于2000年11月21日推出了人形娛樂型機器人SDR-3X(Sony DreamRobot一3x)。SDR一3X：頭部2個、軀干2個、手臂 4×2個、下肢和足部6×2個，共計24個自由度。2001年7月，川田工業(yè)公司的航空機械業(yè)務部開發(fā)出了研究用類人型雙足步行機器人。該機器人身高146.8cm，體重55kg，關節(jié)自由度全身合計32個。通過使用具有搖桿(Joystick)的操作部件，可以令該機器人向任何方向自由步行。該產(chǎn)品在腳趾處安裝有關節(jié)，從而提高了步行的速度，并且能夠爬上最高階差為25cm的樓梯。2002年6月12日，機器人世界杯國際委員會宣布將從2002年6月20日起在日本的福岡與韓國的釜山舉行機器人世界杯大賽。從該屆起，將增設雙足步行機器人的足球賽事。這標志著機器人選手參加的世界杯又向人類走近了一步。該大賽的目標是“在2050年之前，制造出能夠戰(zhàn)勝當時世界冠軍隊的自律型機器人隊伍”，這一夢想將由雙足步行機器人來實現(xiàn)。2005年1月12日，由日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所的比留川博等人開發(fā)出一臺取名“H-2”擬人機器人亮相東京。該機器人身高154cm，體重 58kg。研究人員先請民間藝術家跳舞，用特殊攝像機拍攝后將畫面輸入電腦，并對手、腳、頭、腰等32個部位的動作進行解析，然后把有關解析數(shù)據(jù)輸入給機器人，最后利用這些數(shù)據(jù)來控制機器人手的動作和腳步等，使“HRP-2”可以和人一樣動作連貫,翩翩起舞。除了日本之外，美國、英國、法國等也對步行機器人做了大量的基礎理論研究和樣機研制工作，并取得一定成就。美籍華人鄭元芳博士是美國雙足步行機器人研究者中一位非常杰出的人物。他基于神經(jīng)網(wǎng)絡研制出兩臺雙足步行機器人，分別命名為SD-1和SD-2，SD-1具有4個自由度，SD-2具有8個自由度，其中SD-2是美國第一臺真正類人的雙足步行機器人。他利用SDR-2于 1986年實現(xiàn)了平地上的前進、后退以及左、右側行；1987年，又成功地實現(xiàn)了動態(tài)步行。1971年至1986年間，英國牛津大學的Witt等人制造并完善了一個雙足步行機器人，該機器人在平地上行走良好，步速達0.23m/s。前面所述的研究主要是關于主動式步行機器人(靠關節(jié)電機驅動)。加拿大的d·McGeer主要研究被動式雙足步行機器人，即在無任何外界輸入的情況下，靠重力和慣性力實現(xiàn)步行運動。1989年，他建立了平面型的雙足步行機構，兩腿為直桿機構，沒有膝關節(jié)，每條腿上各有一個小電機來控制腿的伸縮，無任何主動控制和能量供給，放在斜坡上，可依靠重力實現(xiàn)動態(tài)步行。目前，主動和被動式雙足步行機器人在研究上很少互相借鑒。 1.3.4 國內(nèi)研究概況 國內(nèi)雙足步行機器人的研制工作起步較晚，我國是從20世紀80年代開始雙足步行機器人領域的研究和應用的。1986年，我國開展了“七五”機器人攻關計劃，1987年，我國的“863”高技術計劃將機器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機器人研究與應用開發(fā)的單位主要是高校和有關科研院所等。最初我國進行機器人技術研究的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術，隨后取得了一定的成就。自1985年以來，相繼有幾所高校進行了這方面的研究并取得了一定的成果，其中以哈爾濱工業(yè)大學和國防科技大學較為成果顯著。在自然科學基金和國家“863”計劃的支持下，哈爾濱工業(yè)大學自1985年開始研制雙足步行機器人，迄今為止己經(jīng)完成三個型號的研制工作。1988年哈工大HIT-I型雙足步行機器人問世，HIT-I型雙足步行機器人具有10個自由度，重100kg，高1.2m，關節(jié)由直流伺服電機驅動，屬于靜步態(tài)行走。HIT-Ⅰ具有12個自由度，該機器人髖關節(jié)和腿部結構采用了平行四邊形結構。HIT-Ⅱ具有12個自由度，踝關節(jié)采用兩電機交叉結構，同時實現(xiàn)了兩個自由度，腿部結構采用了圓筒形結構。HIT-Ⅲ實現(xiàn)了靜步態(tài)行和動步態(tài)步行，能夠完成前/后行、側行、轉彎、上下臺階及上斜坡等動作。1988年春，國防科技大學成功研制出我國第一臺平面型六自由度的雙足機器人，能夠實現(xiàn)前進、后退和上下樓梯；1989年，他們又實現(xiàn)了準動態(tài)步行。1990年，進一步實現(xiàn)了實驗室環(huán)境下的全方位行走；2000年2月30日，國防科技大學在自1986年開始研制的雙足步行機器人的基礎上，成功研制出我國第一臺擬人機器人“先行者”，并通過國家“863”項目專家組驗收。與該校1990年成功研制的雙足步行機器人相比，其行走頻率從過去的6秒每步提高到每秒兩步；從只能平地靜態(tài)步行，到能快速自如地動態(tài)步行;從只能在己知環(huán)境下步行，到可在小偏差、不確定環(huán)境下行走，實現(xiàn)了多項關鍵技術突破。2003年1月取名為BRH-1的仿人機器人在北京理工大學通過國家“863”項目組的驗收。這個機器人身高1.58m，體重76kg，具有32個自由度，每小時能夠行走1km，步幅0.33m。驗收專家認為該機器人在系統(tǒng)集成、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實現(xiàn)了重大的突破。仿人機器人課題組負責人、北京理工大學教授李科杰認為:目前“BHR-1”仿人機器人己經(jīng)能夠根據(jù)自身力覺、平衡覺等感知機器人自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化，實現(xiàn)在未知地面上的穩(wěn)定行走和太極拳表演，使中國成為繼日本之后，第二個研制出無外接電纜行走，集感知、控制、驅動、電源和機構于一體的高水平仿人機器人國家。 2 雙足機器人的本體結構設計 2.1 引言 雙足步行機器人本體的機械結構是研究機器人的基礎，結構的好壞直接影響到機器人后續(xù)的研究工作。以雙足類人結構特征為基礎，各研究結構研制的雙足機器人在自由度，驅動方式，重量，高度與結構特征等方面都存在很大的差異。機器人結構的不同，其控制的方式也有所不同。 2.2 兩足機器人的結構分析 兩足步行機器人是對人類自身的模仿，但是人類總共有上肢52對，下肢62對，背部112對，胸部52對，腰部8對，頸部16對，頭部25對之多的肌肉。從目前的科學發(fā)展情況來看，要控制具有400個雙作用式促進器的多變量系統(tǒng)是不可能的，因此，在設計步行機械時，人們只考慮移動的基本功能。例如，只考慮在平地或者具有已知障礙物的情況下的步行。鄭元芳博士從仿生學的角度對類人機器人的腿部自由度配置進行了深入的研究，得出關節(jié)扭矩最小條件下兩足步行機器人的自由度配置。他認為髖部和踝部設兩個自由度，可使機器人在不平地面上站立，骸部再加一個扭轉自由度，可改變行走方向，踝關節(jié)處加一個旋轉自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機器人的腿部需要有7×2個自由度(骸關節(jié)3個，膝關節(jié)1個，踝關節(jié)3個)。但是，無論現(xiàn)在的兩足步行機器人還是擬人機器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機構都選擇了6×2個自由度(踝關節(jié)3個，膝關節(jié)1個，踝關節(jié)2個)，如:哈爾濱工業(yè)大學的HIT-m、國防科技大的“先行者”、本田公司的AsIMO和索尼公司的SDR和QRIO。具有6×2個自由度的機器人的機械結構和控制都特別的復雜。按照在能完成研究目標的情況下，自由度最少的設計原則，在過去的四十年中，為了不同的研究目標，人們設計了許多具有不同自由度的兩足步行機器人，按照行走過程中的穩(wěn)定方式，兩足步行機器人一般分為三類: (1) 靜態(tài)機器人，這類步行機器人的COM(Censer of Mass)始終處于支撐多邊形(單腳支撐期為支撐腳的輪廓線，雙腳支撐期為兩只腳的外邊沿所圍成的凸多邊形)內(nèi)，所以只能實現(xiàn)靜態(tài)行走； (2) 動態(tài)機器人，這類步行機器人有踝關節(jié)，依靠踝關節(jié)來保證它的ZMP點(Zero Momeni Censer)始終處于支撐多邊形內(nèi)，所以可以實現(xiàn)靜態(tài)行走和動態(tài)行走； (3) 全動態(tài)機器人，這類步行機器人的踝關節(jié)沒有驅動，甚至沒有踝關節(jié)所以，支撐多邊形在單腳支撐期縮小成一個點，在雙腳支撐期縮小為一條線段，所以，這類機器人不能保持靜態(tài)平衡，只能實現(xiàn)動態(tài)行走[8， 9]。 自由度數(shù)最少的兩足步行機器人只有一個自由度，如圖2.1所示。這類機器人沒有軀干，兩條腿直接鉸鏈在一起。這類機器人理論上只有一個自由度，實際上，為了防止擺動腿擺動時和地面干涉，這兩條腿都必須是可以伸縮的。加上這兩個平移自由度，這個機器人實際上有3個自由度。它的運動學模型是平面的，沒有側向運動，在徑向平面內(nèi)的運動象一個兩腳圓規(guī)。在雙腳支撐期，沒有冗余自由度。這類兩足步行機器人不能保持靜態(tài)平衡，屬于完全動態(tài)機器人，在僅受重力作用時，可以在斜面上行走。 圖2.1 一個自由度的兩足步行機器人 2.3 雙足機器人的自由度配置 我們設計了一個雙足步行機器人模型，如圖2.2所示。顯著的結構特征就是采用多關節(jié)型結構。行走機構能實現(xiàn)平地前后行、爬斜坡等功能。動力源采用舵機直接動，這樣不但可以實現(xiàn)結構緊湊、傳動精度高以及大大增加關節(jié)所能達到的最大角度，而且驅動源全為電機，便于集中控制和程序化控制。 圖2.2 雙足步行機器人模型 圖2.2模仿人類，肩關節(jié)三個自由度，前向和側向自由度，一般不考慮轉動的自由度。肘關節(jié)兩個自由度前向和側向自由度，腕關節(jié)一個自由度。踝關節(jié)有兩個自由度，前向和側向自由度:膝關節(jié)只有一個前向自由度，髖關節(jié)處要模擬人類髖關節(jié)行為理論上要求有三個正交的自由度，但在機器人直線前進時只需要正交的前向和側向自由度，同樣不考慮[5， 6]。 2.3.1 頭部及身體結構規(guī)劃 在頭部裝有一個舵機，可實現(xiàn)Z軸一個自由度的轉動。身體內(nèi)部空心以降低重心，提高機器人步行的穩(wěn)定性。頭部結構如圖2.3所示。身體結構如圖2.4，圖2.5所示。 圖2.3 頭部零件 圖2.4 機器人的身體結構 圖2.5 機器人的身體結構 2.4 驅動方式的選擇 驅動器用于驅動機構本體各關節(jié)的運動功率。目前驅動方式主要有氣動、液壓和伺服電機。驅動器在雙足步行機器人中的作用就相當于人體的肌肉，如果把連桿以及關節(jié)想象為機器人的骨骼，那么驅動器就起到肌肉的作用，它通過移動或轉動連桿來改變機器人的構型。驅動器必須有足夠的功率對負載加速或者減速。同時，驅動器本身要精確、靈敏、輕便、經(jīng)濟、使用方便可靠且易于維護[11 ，12]。 目前己經(jīng)有很多種驅動器，常用的有以下幾種:(1)電動機:舵機、伺服電機、步進電機、直接驅動電機；(2)液壓驅動器；(3)氣壓驅動器；(4)形狀記憶合金驅動器；(5)磁致伸縮驅動器等。液壓驅動是由高精度的剛體和活塞一起完成的?；钊蛣傮w采用滑動配合，壓力油從液壓缸的一端進入，把活塞推向液壓缸的另一端，調節(jié)液壓缸內(nèi)部活塞兩端的液體壓力和進入液壓缸的油量即可控制活塞的運動。以前在大型的工業(yè)機器人系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)使用非常普遍，它具有驅動力矩大，功率重量比較高，工作平穩(wěn)可靠，系統(tǒng)響應速度快以及傳動中的力、速度、易于實現(xiàn)自動控制等特點；但是也存在成本高、重量大、工藝復雜以及可能發(fā)生泄漏甚至高溫爆炸等缺點，同時因其固有的笨重性，不宜用作雙足步行機器人的驅動器。 氣動具有成本低、控制簡單的特點。氣動裝置在原理上和液壓系統(tǒng)非常相似，它以壓縮空氣為氣源驅動氣缸做直線或旋轉運動，并用人工或電磁閥進行控制。氣動調節(jié)閥的制造精度要求沒有液壓元件高，易于高速控制，無污染，但由于位置控制困難，只能用于1/2自由度(受限的關節(jié)，被限定為幾個可能的值)的開關類型關節(jié)，實現(xiàn)插入、點位搬運等簡單操作，并且其工作穩(wěn)定性差，壓縮空氣需要除水。液壓驅動與氣壓驅動不能實現(xiàn)自帶能源，更直接決定了其難于應用到雙足步行機器人系統(tǒng)中。步行機器人各個關節(jié)都是旋轉副。在廉價的計算機問世之前，控制旋轉運動的主要困難是計算量大，所以當時認為采用直線驅動方式比較好。今天，電機驅動和控制的費用已經(jīng)大大降低，大功率晶體管己經(jīng)廣泛使用，只需要采用幾個晶體管就可以驅動一臺大功率伺服電機。同樣，微型計算機的價格也越來越便宜，計算機費用在機器人總費用中所占的比例大大降低。甚至在每個關節(jié)或自由度中都采用一個微處理器?；谏鲜龇治隹梢钥闯觯姍C驅動具有成本低、精度高、易于控制、可靠且維修方便等特點，是最常用的機器人驅動器。直接驅動電動機，形狀—記憶合金等驅動器目前還處于研究和開發(fā)階段，在不遠的將來會變得非常有用。 本雙足步行機器人采用舵機直接驅動。舵機是一種最早應用在航模運動中的動力裝置，它的控制信號是一個脈寬調制信號，所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進行接口。只要能產(chǎn)生標準的控制信號的數(shù)字設備都可以用來控制舵機，比如PLC、單片機等。而且舵機體積緊湊，便于安裝，輸出力矩大，穩(wěn)定性好，控制簡單，所以舵機己經(jīng)廣泛地應用于機器人領域[15 ，16]。 3 雙足步行機器人的3D圖 3.1 整體結構圖 機器人全身一共裝有17個舵機，控制包括頭部，手臂，手肘，大腿，小腿，腳踝等部分的一共17個自由度。在頭部以下的舵機控制Z軸的自由度，使機器人人具有搖頭功能。手臂部分一共有3×2個舵機，控制手臂擺動，手肘的內(nèi)外擺動，小手臂的轉動。大腿部分一共有5×2個舵機，主要控制機器人的步行動作。如圖3.1，圖3.2所示。 圖3.1 機器人的正面 圖3.2 機器人的背面 3．2 頭部零件圖 頭部材料采用鋁制合金板，圖3.3角鐵部分和小孔方便與頸部連接。圖3.4空隙處方便安裝舵機，角鐵處可與身體部分連接。 圖3.3 頭部部件圖 圖3.4 頸部部件圖 3．3 身體零件圖 身體兩側的空隙處方便安裝舵機，中下側的兩塊鐵板將前后兩塊身體主板相連接以提高結構穩(wěn)定性。最下側的鐵條作為身體與腿部的連接點。身體內(nèi)部安裝控制系統(tǒng)。如圖3.5,圖3.6所示。身體主板上一共設有2×5個小孔。身體上側的小孔用于連接身體前后兩塊主板。中間兩側的2×2個小孔用于安裝舵機并加大身體主板連接的穩(wěn)定性。身體主板下側一共有10個小孔，分上下兩排排列。上排4×2個小孔用于安裝腿部的兩個舵機并作為身體主板于腿部的連接點。下排2個小孔用于安裝連接前后兩個身體主板的鐵片，以提高結構的穩(wěn)定性。身體主體板塊的設計盡可能使用較少材料，不僅減少上身材料，降低機器人的整體重心，也節(jié)省材料。使用鋁合金材料，因為鋁的密度較小而強度較高。使用普通的工具就能容易的實現(xiàn)切割和彎曲。鋁材料一般可以做成各種形狀。在原計劃中，要實現(xiàn)身體的轉身功能，但在實際操作過程中，我們發(fā)現(xiàn)對支撐點的技術難度較高，在結構上難以支持上身的重量。希望可以在以后的研究可以解決這些問題。 圖3.5 身體部件圖 圖3.6 身體部件圖 4 液晶顯示 4.1 引言 在嵌入式系統(tǒng)的應用中，為系統(tǒng)擴充外部設備一直是用戶所關注的問題。LCD屏幕就是相當重要的外圍設備之一。本節(jié)將對LCD系統(tǒng)如何實現(xiàn)進行研究。選擇液晶顯示的原因是基于它友好的人機交互界面，能夠進行良好人機信息交互。它是以ARM920T處理器為核心研發(fā)的。能夠顯示文字，例如： 熱烈慶祝南京理工大學泰州科技學院建校5周年 4.2 LCD系統(tǒng)的實現(xiàn) 4.2.1 STN型彩色LCD模塊介紹 STN液晶顯示器與液晶材料、光線的干涉現(xiàn)象有關，因此顯示的色調以淡綠色與橘色為主。STN液晶顯示器中，使用X、Y軸交叉的單純電極驅動方式，即X、Y軸由垂直與水平方向的驅動電極構成，水平方向驅動電壓控制顯示部分為亮或暗，垂直方向的電極則負責驅動液晶分子的顯示。STN液晶顯示屏加上彩色濾光片，并將單色顯示矩陣中的每一像素分成三個子像素，分別通過彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色，也可以顯示出色彩。單色液晶屏及灰度液晶屏都是STN液晶屏。研究課題中使用液晶顯示屏主要考慮的參數(shù)有外形尺寸、分辨率、點寬、色彩模式等。以下是EmbestEdukit2實驗板所選用的液晶屏為LRH9J515XA STN/BW型，可視屏幕的尺寸及參數(shù)示意如圖4.1所示[17]。 圖4.1 液晶屏參數(shù)示意圖 4.2.2 LCD系統(tǒng)的組成與結構 LCD控制器主要提供液晶屏顯示數(shù)據(jù)的傳送、時鐘和各種信號的產(chǎn)生與控制功能。S3C2410處理器的LCD控制器主要部分框圖如圖4.2所示。 圖4.2 LCD控制器框圖 S3C2410 LCD控制器用于傳輸顯示數(shù)據(jù)和產(chǎn)生控制信號。除了控制信號之外，S3C2410還提供數(shù)據(jù)端口供顯示數(shù)據(jù)傳輸，也就是VD[23:0]。LCD控制器包含REGBANK、LCDCDMA、VIDPRCS、TIMEGEN和LPC3600等控制模塊。REGBANK中有17個可編程的寄存器組和256×16調色板內(nèi)存用于配置LCD控制器。LCDCDMA是一個專用的DMA，它負責自動地將幀緩沖區(qū)中的顯示數(shù)據(jù)發(fā)往LCD驅動器。通過特定的DMA，顯示數(shù)據(jù)可以不需要CPU的干涉，自動地發(fā)送到屏幕上。VIDPRCS將LCDCDMA發(fā)送過來的數(shù)據(jù)變換為合適的格式之后通過VD[23:0]發(fā)送到LCD驅動器。TMIEGEN包含可編程邏輯用于支持不同LCD驅動器對時序以及速率的需求。VFRAME、VLINE、VCLK、VM等控制信號由TIMEGEN產(chǎn)生。在LCD控制的33個輸出接口中有24個負責用戶數(shù)據(jù)輸出，9個用于控制[18]。 4.2.3 LCD系統(tǒng)電路設計 進行液晶屏控制電路設計時必須提供電源驅動、偏壓驅動以及LCD顯示控制器。由于S3C2410處理器本身自帶LCD控制器，而且可以驅動本課題所選用的液晶屏，所以控制電路的設計可以省去顯示控制電路，只需進行電源驅動和偏壓驅動的電路設計即可。具體電路設計圖及液晶管腳說明如圖4.3所示。電源驅動與偏壓驅動如圖4.4所示。 圖4.3 液晶電路結構框圖 圖4.4 電源驅動與偏壓驅動電路 4.3 觸摸屏控制技術的實現(xiàn) 4.3.1 觸摸屏的特性 觸摸屏(TSP:Touch Screen Panel)由于其體積小、輕便和接口簡單等特點，成為一種在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應用的輸入設備。按技術原理可分為五類：矢量壓力傳感式、電阻式、電容式、紅外線式和表面聲波式，其中電阻式觸摸屏在嵌入式系統(tǒng)中用的較多[20]。常用的觸摸屏由于實現(xiàn)技術的不同，導致特性各異。 4.3.2 觸摸屏工作原理 TSP由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成。觸摸檢測部件安裝在顯示器前端，用于檢測用戶觸摸位置，接受信息后傳送至觸摸屏控制器；控制器的主要作用是接收觸摸信息并轉換成觸點坐標傳至CPU，并接收和執(zhí)行CPU下達的命令。Embest EduKit III采用四線式電阻觸摸屏，點數(shù)為320×240，其被按下的狀態(tài)如圖4.5所示 圖4.5 觸摸屏按下時示意圖 圖4.6 本實驗臺所使用的觸摸屏外觀圖 如圖4.6所示，電阻觸摸屏采用一塊帶有統(tǒng)一電阻外表面的玻璃板。聚酯表層緊貼在玻璃面上，通過小的透明絕緣顆粒與玻璃面分開。聚酯層外表面堅硬耐用，內(nèi)表面有一個傳導層。當觸摸屏幕時，傳導層與玻璃面表層電子接觸，產(chǎn)生的電壓就是觸摸位置的模擬表示[20]。等效電路示意圖如圖4.7，圖4.8所示。 \ 圖4.7 等效電路示意圖 圖4.8 觸摸屏的等效電路 4.3.3 S3C2410處理器TS控制器 處理器集成的TSP只使用到3個寄存器，即ADC控制寄存器(ADCCON)、觸摸屏控制寄存器(ADCTSC)和ADC數(shù)據(jù)寄存器(ADCDAT)。 ADC控制寄存器(ADCCON) ADCCON[15]：A/D轉換結束標志 0：A/D轉換正在進行 1：A/D轉換結束 ADCCON[14]：A/D轉換預分頻允許 0：不允許預分頻 1：允許預分頻 ADCCON[13:6]：預分頻值PRSCVL PRSCVL在0到255之間，實際的分頻值為PRSCVL+1 ADCCON[5:3]：模擬信道輸入選擇 000 = AIN0 001 = AIN1 010 = AIN2 011 = AIN3 100 = AIN4 101 = AIN5 110 = AIN6 111 = AIN7 ADCCON[2]：待機模式選擇位 0：正常模式 1：待機模式 ADCCON[1]：A/D轉換讀－啟動選擇位 0：禁止Start-by-read 1：允許Start-by-read ADCCON[0]：A/D轉換器啟動 0：A/D轉換器不工作 1：A/D轉換器開始工作 觸摸屏控制寄存器(ADCTSC) ADCTSC[8]：保留，必須為0 ADCTSC[7]：選擇YMON輸出值 0：輸出為0 1：輸出為1 ADCTSC[6]：選擇YPON輸出值 0：輸出為0 1：輸出為1 ADCTSC[5]：選擇XMON輸出值 0：輸出為0 1：輸出為1 ADCTSC[4]：選擇XPON輸出值 0：輸出為0 1：輸出為1 ADCTSC[3]：上拉開關使能 0：上拉使能 1：上拉禁止 ADCTSC[2]：自動按順序轉換X、Y坐標選擇位 0：正常模式 1：自動按順序轉換X、Y坐標使能 ADCTSC[1:0]：手工設置X、Y坐標轉換 00：無操作 01：X坐標轉換 10：Y坐標轉換 11：等待中斷模式 ADC數(shù)據(jù)寄存器(ADCDAT0,ADCDAT1) ADCDAT0[15]：等待中斷模式，Stylus電平選擇 0：低電平 1：高電平 ADCDAT0[14]:自動按照先后順序轉換X、Y坐標 0：正常ADC順序 1：按照先后順序轉換 ADCDAT0[13:12]：自定義X、Y位置 00：無操作模式 01：測量X位置 10：測量Y位置 11：等待中斷模式 ADCDAT0[11:10]：保留 ADCDAT0[9:0]：X坐標轉換數(shù)據(jù)值 ADCDAT1[15:10]與ADCDAT0[15:10]功能相同 ADCDAT0[9:0]:Y坐標轉換數(shù)據(jù)值 A/D轉換的轉換時間計算 例如PCLK為50MHz，PRESCALER=49；所有10位轉換時間為： 50MHz/(49+1)=1MHz 轉換時間為1/(1M/5 cycles)＝5us A/D轉換器的最大工作時鐘為2.5MHz，最大的采樣率可以達到500ksps。 4.3.4 觸摸屏的電路設計 當手指觸摸屏幕時，平常絕緣的兩層導電層在觸摸點位置產(chǎn)生一個接觸，控制器檢測到這個接通后，產(chǎn)生中斷通知CPU進行A/D轉換；具體原理：當觸摸屏被按下時，首先導通FET管組Q602和Q604，X軸回路加上+5V電源，同時將FET管組Q1和Q3關閉；再啟動處理器的A/D轉換通AIN7，電路電阻與觸摸屏按下產(chǎn)生的電阻輸出分量電壓，并由A/D轉換器將電壓值數(shù)字化，計算出X軸的坐標。中斷處理程序通過導通不同MOS管組，使接觸部分與控制器電路構成電阻電路，并產(chǎn)生一個電壓降作為坐標值輸出。其電路如圖4.9所示。 圖4.9 觸摸屏坐標轉換控制電路 顯示模塊選用的是周立功SmartARM 3250通用教學/競賽/工控開發(fā)平臺,它全面深入地支持μC/OS-II、WinCE和Linux操作系統(tǒng)，它完全按照工業(yè)級標準（EMC/EMI）設計，精心設計的電路提供多達7路串口、IrDA接口、USB OTG接口、帶電氣隔離的CAN-bus接口、CF卡接口、SD/MMC卡接口、I2S音頻接口、以太網(wǎng)接口等，滿足各種應用要求。 由于這款芯片是新款,到畢業(yè)設計結束,芯片還沒有到位,所以沒有完成液晶顯示的調試過程,希望在以后的設計中完善。 　 結束語 本論文是關于機器人頭部身體結構的設計。從了解機器人開始，到對機器人總體結構的認識，對機器人人步行過程中的平穩(wěn)性研究，是對我所學四年知識的一個綜合檢查，也是對我獨立思考和解決問題的一次考驗。在此次畢業(yè)設計中，我們團隊不僅在書面上對機器人進行了結構的分析，控制程序的編排，更是通過大家的實踐做出了成品。通過這3個月的設計，使我對自己所學的知識有了更深入了解；在指導老師幫助下，通過收集各種有關資料所解決的畢業(yè)設計問題。在這次畢業(yè)設計當中，了解到了機器人的發(fā)展歷史，發(fā)展前景以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，初步完成了對機器人身體結構的設計。通過查找資料以及老師的指導，初步了解了液晶顯示的相關理論。但是對機器人步行穩(wěn)定性的研究仍停留在初步，導致結構設計中的一些不合理性，對液晶顯示方面的相關較深入的理論仍理解不夠。整個畢業(yè)設計對機器人的整體結構進行了初步規(guī)劃并做成實體，對全身自由度特別是手部以及腿部做到了合理分配，使機器人基本實現(xiàn)行走功能。但在行走穩(wěn)定連續(xù)性方面仍顯不足，在液晶顯示方面也只是停止與簡單文字的顯示，沒有更多的人機交互功能。在身體結構設計中，原本計劃的轉身功能也沒有實現(xiàn)，其原因主要是支撐點的建構難度過高。希望下一屆能夠彌補我們這一屆的遺憾。 不過正是這些遺憾讓我認識到了自己的不足，深深感到對知識的追求是沒有止境的，這些遺憾更是激勵我以后努力工作，認真學習。從實踐中總結經(jīng)驗，在學習中收獲知識。 由于自身經(jīng)驗不足，這次畢業(yè)設計一定很多不足之處。希望老師們多多指教，對老師們的指導表示深深的感謝。 致 謝 在此，我對指導老師劉艷老師對我的嚴格要求和對我在設計上的幫助，表示衷心的感謝！他們在繁忙的工作期間，對我畢業(yè)設計的完成付出了大量的心血，多次給我提出深刻而具有指導性的意見，讓我能夠很好的按時完成畢業(yè)設任務。在畢業(yè)設計完成之時，謹向恩師們表示最衷心的感謝，并致以崇高的敬意。此外，還要衷心感謝機械工程系的其他曾經(jīng)給予我指導、問題解答的老師，以及與我朝夕相處、共同研討解決設計中碰到疑難的同窗學友。我還要以我的畢業(yè)設計成果，真誠地、深深地感謝一直對我關心、支持、并寄予厚望的父母！同時也對我的團隊，徐超，許峰，吳玉坤，黃俊表示衷心的感謝，通過我們共同的努力，完成了整個工程，這些離不開他們的熱情幫助。 參 考 文 獻 [1] 張永學. 雙足機器人步態(tài)規(guī)劃及步行控制研究[M]. 哈爾濱工業(yè)大學博士學位論文. 2001. 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