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畢業(yè)設(shè)計(jì)課程定做 Q*Q=1714879127
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
系 部： 機(jī)械工程系
專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化
姓 名： 黃 俊
學(xué) 號(hào)： 05010213
外文出處：Luis Alexander，Alexander Mota，
Pedro Fonseca
附 件：1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評(píng)語：
譯文正確地表達(dá)了原文的意義、概念描述符合漢語的習(xí)慣，語句通暢，層次很清晰。
簽名：
年 月 日
注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。
附件1：外文資料翻譯譯文
比較控制策略的自主線追蹤機(jī)器人
摘要
自主移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)非常激動(dòng)人心的領(lǐng)域，特別是對(duì)那些參加電子產(chǎn)品課程的學(xué)生。作者和阿維羅大學(xué)的學(xué)生參與了一些在這一領(lǐng)域的活動(dòng)。特別是，其中一個(gè)此類活動(dòng)是發(fā)明了能夠沿著畫在地板上直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。為了達(dá)到這一效果，一個(gè)模擬器已經(jīng)實(shí)施并多次測試了對(duì)機(jī)器人不同控制方法的影響。
本文對(duì)基于MATLAB的機(jī)器人模型和線追蹤模擬器進(jìn)行了一個(gè)簡短的描述。然后在導(dǎo)致絕對(duì)誤差（IAE）和積分誤差平方（ISE），易微調(diào)和各自代碼復(fù)雜性方面比較了幾種不同的控制方法。比較的方法:成正比、比例微分、比例積分導(dǎo)數(shù)、模糊、表為基礎(chǔ)的模糊，自我組織唱模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型基礎(chǔ)。
1導(dǎo)言
研發(fā)自主機(jī)器人是一個(gè)跨學(xué)科的活動(dòng)，因此有很大的教育價(jià)值。與此事實(shí)上，考慮到作者一直支持阿維羅大學(xué)學(xué)生小組參加每年一度在法國舉辦的盛事，在法國，除了其他的任務(wù)，自主移動(dòng)機(jī)器人必須沿著一條線運(yùn)動(dòng)。為了更好地理解的線追蹤機(jī)器人的行為，為了顯示學(xué)生們?cè)诎l(fā)明機(jī)器人時(shí)來自物理、幾何、電子、儀表和控制集成方面綜合的科學(xué)理念，作者建立了一個(gè)沿線分布機(jī)器人的分析模型。該模型考慮到一些現(xiàn)實(shí)世界的限制，允許預(yù)測以電動(dòng)機(jī)電壓為基礎(chǔ)的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
另外，作者所描述的幾何形狀線追蹤過程被用來建立一個(gè)模擬器。這決定了某一機(jī)器人的確定路徑以及該路徑和參考路徑之間的關(guān)系。
該模擬器是一種寶貴的工具，在之前研發(fā)機(jī)器人是能夠比較不同的控制方法以及不同的傳感器布局。這樣在實(shí)際制造過程中可以更好地決定機(jī)器人有關(guān)的物理性質(zhì)。
下一節(jié)本文將對(duì)機(jī)器人模型和模擬器進(jìn)行一個(gè)簡短的描述，在第3節(jié)是幾種不同控制方法的比較，包括比例、比例微分、比例積分微分，模糊，表為基礎(chǔ)的模糊，模糊自我組織和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型基礎(chǔ)。在第4節(jié)中將提到相關(guān)結(jié)論包括一些對(duì)正在進(jìn)行的工作的評(píng)論。
2仿真機(jī)器人
2.1機(jī)器人模型
之前已經(jīng)提到學(xué)生們建造的機(jī)器人的活動(dòng)通常很簡單，見（圖1）。 運(yùn)動(dòng)是通過使用兩個(gè)獨(dú)立的直流電電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)每一個(gè)車輪。差分驅(qū)動(dòng)器用于控制機(jī)器人。一個(gè)或兩個(gè)額外的連鑄機(jī)車輪用來保持機(jī)器人的橫向穩(wěn)定。與參考路徑相比較機(jī)器人的偏差是通過放置在機(jī)器人之前的紅外光探測器測量的。
通常情況下，車輪速度的閉環(huán)控制已經(jīng)不再運(yùn)用。每個(gè)車輪的速度控制間接地采用馬達(dá)電壓的。此選項(xiàng)可能會(huì)降低性能的跟蹤算法但簡化了最后的調(diào)整。請(qǐng)記住，閉環(huán)速度控制方向盤使用將需要調(diào)整兩個(gè)額外的獨(dú)立循環(huán)。圖1，基本機(jī)器人。
圖1 基本機(jī)器人
這些特點(diǎn)已用于計(jì)算模型線追蹤機(jī)器人（圖2 ）。為了進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性，該模型在慣性（質(zhì)量（M） 和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ j ），摩擦系數(shù)（平移（By）和旋轉(zhuǎn)（B）運(yùn)動(dòng)），電動(dòng)馬達(dá)參數(shù)（電阻（ R ）和 電機(jī)常數(shù)（Km）），額外的噪聲（在傳感器中讀取）和機(jī)器人的物理限制，如線傳感器（5'）的長度和可用于電機(jī)（VMAX）最大電壓。該模型［l］描述并且計(jì)算電壓應(yīng)用電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的機(jī)器人的線性度（v）和角速度（0)。
2.2線追蹤模擬器
上文已經(jīng)提到機(jī)器人模型與幾何分析線追蹤問題是相輔相成的。這個(gè)問題屬于一般路徑跟蹤問題在眾多文獻(xiàn)[2]中已經(jīng)被解決。特別是，本文呈現(xiàn)的該模擬器用被動(dòng)的方式來跟蹤未知的線的方法與之前計(jì)劃的跟蹤路徑相反。因此，這是事先得知。
圖2 機(jī)器人模型
幾何分析還表明，可根據(jù)目前的偏差、車輪速度和機(jī)器人相對(duì)于線的角度位置來計(jì)算出未來偏離線（e）。該機(jī)器人是用來作為參考。然而，為了更好地界定參考軌跡和想象的機(jī)器人軌跡，另一種模式是建立在該機(jī)器人的位置基礎(chǔ)上而做出一個(gè)絕對(duì)的參考。
在這幾何模型基中，機(jī)器人偏離線（e）可根據(jù)機(jī)器人絕對(duì)位置和車輪的速度來計(jì)算。知道機(jī)器人的位置（坐標(biāo)X,Y,Z）是有可能計(jì)算相交的傳感器陣列與線（ Xey ,Ye ），然后可以計(jì)算出偏差e（圖3 ）。由此可以得出機(jī)器人位移的軌跡e是非線性的。
圖3 線追蹤幾何模型
在一個(gè)無限小的時(shí)間間隔來計(jì)算機(jī)器人位移。如果這個(gè)區(qū)間保持足夠小則是不相關(guān)的，如果直線運(yùn)動(dòng)是分開考慮的,那角運(yùn)動(dòng)和其中那些是要首先考慮的。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，這樣的一個(gè)區(qū)間里軌跡點(diǎn)以每5毫米計(jì)算是小到足以獲得同樣的軌跡，不管是角或直線運(yùn)動(dòng)都會(huì)被首先考慮。
幾何模型可以參考線組成的直線段和圓弧的周長一個(gè)接一個(gè)加入。雖然它似乎有限制，它允許創(chuàng)建幾乎任何種類的軌跡順利通過使用不同的圓弧半徑。圖2 為該機(jī)器人模型。
2.3參考路徑
該模擬是在由直線段與弧線交錯(cuò)的圍成的弧形90°或 180°孔一起插入紙的直片段所組成的參考路徑。這種路徑在圖4中所描述，總長度約30米。
圖4 參考路徑
2.4機(jī)器人參數(shù)
在5月的這一年，阿維羅大學(xué)以本文模擬為基礎(chǔ)的機(jī)器人為代表參加在法國堡貝爾納的1996年的國際移動(dòng)機(jī)器人錦標(biāo)賽。
根據(jù)[1,3]的詳細(xì)資料，下面的參數(shù)為：
重量M = 3.2公斤
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J = 0.7 千克.米2
馬達(dá)最大可用電壓 = 11.5伏特
電機(jī)參數(shù)（R= 7 歐姆和Km= 0.86 N/ A ）
車輪直徑Rw= 0.03米
車輪之間的距離 b = 0.27米
線性運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù) By=40kg/s
角運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù) Bw = 0.25 Kg.㎡/s
類型傳感器陣列-線性與飽和
寬度傳感器陣列 S=18米
3比較控制策略
可以圖２看出，機(jī)器人模型有兩個(gè)投入，V和Vdif是平均和差別電壓適用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。然而，只有一個(gè)錯(cuò)誤的信號(hào)是偏差的機(jī)器人將通過傳感器經(jīng)參考路徑傳送。如果機(jī)器人總是向前推進(jìn)，可以看出，任何控制方法，將減少使機(jī)器人回到參考路徑。
由于差動(dòng)電壓是一個(gè)確定的角運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人的，讓它改變方向，使之收斂的路線，一個(gè)簡單的可能性是使用電子郵件直接控制Vdif在這種情況下，因?yàn)樽罱K目的是為實(shí)現(xiàn)最高速度的參考路徑，平均電壓V，可以設(shè)置為最大值。然而，實(shí)際的電壓適用于馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)器是有限的。反映了修正到平均收益率差電壓變風(fēng)量和Vdif,這將真正提供給機(jī)器人模型。
此外，產(chǎn)出的傳感器功能被損壞和加性噪聲。這噪聲允許這些缺陷影響線路或地板，電器干擾傳感器的讀數(shù)和有限精度。為了便于比較，噪音載體，保持同對(duì)所有運(yùn)行從開始到終結(jié)點(diǎn)。
控制是數(shù)字化，采樣周期為100毫秒。
完整的控制系統(tǒng)圖5。那個(gè)參考輸入的路徑進(jìn)行跟蹤。錯(cuò)誤信號(hào)是偏差宣讀的傳感器陣列。
圖5 完整的控制系統(tǒng)
在這種簡單的模式控制功能可書面表達(dá)。
在非?？斓臋C(jī)器人中，有興趣的也可以使用Vav作為一個(gè)電子商務(wù)功能。例如，這可以用來減慢機(jī)器人，同時(shí)描述了曲線和加快沿直線部分。然而，機(jī)器人通常都建不是非?？?，運(yùn)行不到0.5個(gè)D語。因此，在本文其余的簡單的辦法在（ 1 ）中將被用于。
要比較性能的每一個(gè)控制方法兩項(xiàng)主要措施已使用的整體絕對(duì)誤差（IAE）和積分誤差平方（ISE） ，綜合沿著充分參考路徑。其他兩個(gè)措施也被使用時(shí)，機(jī)器人將達(dá)到最大絕對(duì)誤差（EMax）和平均時(shí)速。
3.1比例控制
最簡單的形式的控制是使用比例Vdif,=Kp * e控制功能產(chǎn)生。雖然簡單，這種方法提出了幾個(gè)問題。
正如這一點(diǎn)最大價(jià)值為Kp的是很難找到（需要許多判斷）特別是在非線性系統(tǒng)。另外，它能夠提供的相對(duì)較少最佳的性能，因?yàn)樗鼰o法彌補(bǔ)的滯后所造成的機(jī)器人慣性。為充分參考路徑圖4,使用比例控制Kp= 200 ，造成偏差情節(jié)描述見圖6。注意典型的振蕩起因于與簡單的比例的方法一起獲得比較差的控制。
圖6 使用Kp=200控制比例
附件2：外文原文
1 緒論
兩足步行機(jī)器人是指可以使用兩只腳交替地抬起和放下，以適當(dāng)?shù)牟椒ミ\(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，可分為擬人機(jī)器人和桌面型兩足機(jī)器人 (仿人機(jī)器人)大小和人相似，不僅具有擬人的步行功能，而且通常還具有視覺、語音、觸覺等一系列擬人的功能；桌面型兩足機(jī)器人通常指體積較小，只具有步行功能及其他少數(shù)特定功能的兩足機(jī)器人，例如具有步行功能和視覺功能的自主踢足球機(jī)器人。與擬人機(jī)器人相比，桌面型兩足步行機(jī)器人的成本較低，除了具有科研性外，還具有廣泛地娛樂性，也可以應(yīng)用在教學(xué)和比賽中。國內(nèi)外的機(jī)器人大賽中，常?？梢钥吹阶烂嫘蛢勺悴叫袡C(jī)器人的身影[1]。
1.1 課題的研究背景和意義
于兩足步行機(jī)器人的擬人性和對(duì)環(huán)境良好的適應(yīng)性等特點(diǎn)，受到各國政府和研究者的廣泛重視，是當(dāng)今世界的高新技術(shù)的代表之一。它在科研、教學(xué)、比賽和娛樂等方面都很到了很好的應(yīng)用。
江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽和全國大學(xué)生機(jī)器人大賽中經(jīng)常有兩足步行機(jī)器人，它可以參加舞蹈機(jī)器人比賽、兩足競走機(jī)器人比賽、Robocop類人組機(jī)器人踢足球[10]器人創(chuàng)新比賽、Robocop救援組比賽等。舞蹈機(jī)器人比賽時(shí)使用了日本“KONDO”兩足步行機(jī)器人，性能出眾，發(fā)揮穩(wěn)定，獲得了舞蹈機(jī)器人比賽的冠軍。但是該機(jī)器人是集成度很高的商業(yè)產(chǎn)品，它的控制系統(tǒng)不開放底層代碼，難以進(jìn)行二次開發(fā)和步態(tài)研究。 所以本文基于機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的眾多處理器和操作系統(tǒng)各自的特點(diǎn)，并結(jié)合“KONDO”機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，選用了高性能、低功耗的 8 位AVR? 微處理器內(nèi)核處理器ATMega8P來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制來。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)控制指令精簡，控制轉(zhuǎn)角精度高，波特率可以實(shí)時(shí)更改，體積小，重量輕，其可作為類人型機(jī)器人、仿生機(jī)器人、多自由度機(jī)械手的主控制器。隨著中國機(jī)械產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，各高校相繼開設(shè)機(jī)械類創(chuàng)新課程和比賽，學(xué)生可將其應(yīng)用在各類機(jī)械創(chuàng)新作品中，優(yōu)化控制系統(tǒng)參加比賽。日本“KONDO”機(jī)器人如圖1.1所示。
圖1.1 日本“KONDO”跳舞機(jī)器人
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
步行是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，其中兩足直立行走是人類特有的步行方式，是所有步行方式中自動(dòng)化程度最高，最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。最早從工程角度研究雙足機(jī)器人并獲得成功的是早稻田大學(xué)的加藤一郎。1972年，加藤實(shí)驗(yàn)室推出了wL-5雙足步行機(jī)器人，這是世界上第一臺(tái)雙足機(jī)器人。
1996年11月本田((HONDA)公司展示了一個(gè)有兩腿兩臂的仿人[2]型機(jī)器人P2,能在平地上行走、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯和跨越障礙，并可提5公斤的重物和使用扳手等簡單工作;在此基礎(chǔ)上，本田公司又連續(xù)開發(fā)了第二代仿人機(jī)器人P3，第三代仿人機(jī)器人Asimo, Asimo高120cm，行走質(zhì)量很高，非常接近人類。Sony公司也推出了能歌善舞的機(jī)器人Qrio，不但具有非常出色的步行穩(wěn)定性，而且具有很強(qiáng)的自行辨認(rèn)能力，甚至能在狹隘道路上行走并繞過障礙物。這兩個(gè)機(jī)器人代表了當(dāng)前世界上兩足步行機(jī)器人研制的最高水平。
Asimo和Qrio都是擬人機(jī)器人，它們除了具有兩足步行功能之外，還具有非常強(qiáng)大的視覺功能和語音功能，能辨認(rèn)很多目標(biāo)，并能和人進(jìn)行很好的語言及肢體交流。而桌面型的兩足機(jī)器人也一直受到研究者的重視，研究的重點(diǎn)是兩足步行功能。如圖1.2所示。
圖1.2 Asimo(左)和Sony的Qrio(右)
2006年，日本神奈川大學(xué)設(shè)計(jì)的WABIAN-2LL機(jī)器人，身高120cm，重40Kg,在步行中通過膝關(guān)節(jié)改變腿長，通過腰關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來減少腿部運(yùn)動(dòng)對(duì)身體重心的影響。2007年，大阪大學(xué)的Koh Hosoda等人研究了人類行走過程中的腿、腰、頭、手臂等各部分的協(xié)同作用，在兩足機(jī)器人中引入了三維極限環(huán)協(xié)同理論，設(shè)計(jì)的機(jī)器人Pneumat-BT[6]，[7]。
隨著集成電路的發(fā)展，小型機(jī)器人可以具有功能越來越強(qiáng)大的嵌入式計(jì)算系統(tǒng)，甚至可以使用運(yùn)算能力很強(qiáng)的圖像處理和模式識(shí)別系統(tǒng)。這使得桌面型兩足步行機(jī)器人和擬人機(jī)器人之間并沒有嚴(yán)格的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)。2007年，東京Denki大南京師范大學(xué)碩士學(xué)位論文學(xué)的Hideto SHIMIZU等人設(shè)計(jì)了小型兩足步行機(jī)器人HOAP-3，身高60cm，重8. 8Kg，共有28個(gè)自由度，有一個(gè)強(qiáng)大的視覺處理系統(tǒng)。如圖1.3所示。
圖1.3 WABIAN-2LL(左)、Pneumat-BT(中)和HOAP-3(右)
2006年，西班牙Politecnica de Valencia大學(xué)的Albero和Blanes等人設(shè)計(jì)了具有高性能分布式控制系統(tǒng)的桌面型兩足機(jī)器人YABIRO，高55cm，重4Kg，共27個(gè)自由度，具有獨(dú)特的腰部三自由度結(jié)構(gòu)，如圖所示。該機(jī)器人使用了多個(gè)嵌入式系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)使用了嵌入式個(gè)人計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)，具有非常強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力；主、從控制系統(tǒng)以及傳感器之間使用dual-CAN總線通信。
2006年，韓國國立釜山大學(xué)開發(fā)了腳底安裝有力傳感器的桌面型兩足機(jī)器人，該機(jī)器人身高28cm，重3.2Kg，如圖所示。同年，韓國Sung KyunKwan大學(xué)也開發(fā)了一個(gè)桌面型兩足步行機(jī)器人，身高45cm，重4.3Kg，共24個(gè)自由度，如圖所示。該機(jī)器人使用了TI公司的DSP TMS320F2407作為控制器，使用直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，在兩足步態(tài)設(shè)計(jì)中引入了遺傳算法。如圖1.4所示。
圖1.4 YABIRO-2（左）、釜山大學(xué)機(jī)器人和Sung Kuhn Kwan 大學(xué)機(jī)器人（右）
我國從80年代中期才開始研究兩足步行機(jī)器人[20，21] ，國防科技大學(xué)1988年研制成功我國第一臺(tái)平面型六自由度的兩足機(jī)器人，能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和上下樓梯；之后又現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的全方位行走，1995年，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)步行。
2000年11月，國防科技大學(xué)又研制出了我國第一臺(tái)具有人類外觀特征、可以模擬人類行走與基本操作功能的擬人兩足步行機(jī)器人Pioneero。
2002年，清華大學(xué)精密儀器系、機(jī)械工程系和自動(dòng)化系組成的研究小組開始研究開發(fā)擬人機(jī)器人THBIP，共32個(gè)自由度，可以步行、上下樓梯、打太極拳等，并具有視覺及語音識(shí)別功能[3]。
兩足機(jī)器人的研制發(fā)展過程，是由少自由度到多自由度、由實(shí)現(xiàn)簡單動(dòng)作到復(fù)雜動(dòng)作、由靜態(tài)步行到動(dòng)態(tài)步行、由僅從簡單功能到仿生功能的研制過程。
1.3 本文的主要工作
本文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是兩足行走機(jī)器人的行走控制系統(tǒng)部分，我選用8 位AVR 微處理器內(nèi)核處理器ATMega8P，設(shè)計(jì)了兩足行走機(jī)器人的控制系統(tǒng)。主要工作包括：
(1) 設(shè)計(jì)了兩足步行機(jī)器人的硬件電路。選用高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)。
(2) 選擇設(shè)計(jì)了兩足步行機(jī)器人的控制軟件系統(tǒng)。在AVR微處理器中移植了u C/OS-II操作系統(tǒng)；在操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)了應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，搭建了完整的兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件框架[12]，[13]。
(3) 搭建了17自由度機(jī)器人雙腿的運(yùn)動(dòng)模式，通過17個(gè)舵機(jī)同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)作，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作。
(4) 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)，提出本設(shè)計(jì)的不足，指出需要改進(jìn)的地方。
1.4 本文組織結(jié)構(gòu)
第一章介紹了兩足步行機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 [26] ，由別人設(shè)計(jì)的機(jī)器人總結(jié)對(duì)自己的啟發(fā)提出本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)點(diǎn)。
第二章介紹了控制系統(tǒng)中常用的處理器和操作系統(tǒng)、以及兩足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并說明了本文設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)的目的。使用Prote199設(shè)計(jì)了兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件，包括核心電路圖和PWM脈沖信號(hào)控制原理圖。
第三章介紹了使用實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的具體軟件，這里我們使用了Servo Control Software,是實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制器通訊協(xié)議PC機(jī)上專用WINDOWS控制軟件，可以簡便的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)作的操控。
第四章建立兩足步行機(jī)器人步行模式建立，對(duì)機(jī)器人的雙腿運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，對(duì)10個(gè)微型伺服直流電機(jī)的轉(zhuǎn)角角度進(jìn)行了逐個(gè)分析。
第五章對(duì)本文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)今后的深入研究提出了建議。
2 兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
在以比賽、娛樂、教學(xué)和研究為目的的兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)中，單板計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)雖然運(yùn)算速度快，但體積大、成本高，而且功耗大；有此而選用高性能、低功耗的 8 位AVR? 微處理器，指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)，所以能夠解決一些較為復(fù)雜的控制指令。
2.1 硬件系統(tǒng)的基本要求
兩足步行機(jī)器人是對(duì)人類的模仿[15]。但人類的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，對(duì)人類步行原理的研究至今仍有許多未解決的問題。所以在設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)對(duì)人類步行的結(jié)構(gòu)進(jìn)行減化，只會(huì)考慮基本的步行功能。人類的僅下肢就具有62對(duì)肌肉，腰部8對(duì)肌肉，在設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人時(shí)，要控制具有這么多自由度的多變量系統(tǒng)幾乎是不可能的事情，所以兩足步行機(jī)器人通常腿部只具有8至12個(gè)自由度，腰部具有0至3個(gè)自由度。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人共有17個(gè)自由度，驅(qū)動(dòng)器為微型直流伺服電機(jī)，簡稱舵機(jī)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。
圖2.1 機(jī)器人機(jī)械實(shí)物
該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：
(1) 該機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)具有很高的穩(wěn)定性，國外的一些類似機(jī)器人曾獲得機(jī)器人比賽冠軍；
(2) 該機(jī)器人踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)各具有兩個(gè)自由度，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使機(jī)器人在不平地面站立；
(3) 該機(jī)器人膝關(guān)節(jié)具有一個(gè)自由度；
(4) 該機(jī)器人肩關(guān)節(jié)具有兩個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)具有一個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)簡單的擺臂功能，用以配合腿部的運(yùn)動(dòng)，抑制擺腿時(shí)產(chǎn)生的左右扭轉(zhuǎn)趨勢。
(5) 該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)也具有一個(gè)缺點(diǎn):沒有腰部扭轉(zhuǎn)自由度，使兩足步行機(jī)器人在行走中不能使用腰部關(guān)節(jié)進(jìn)行姿態(tài)平衡，但這并不阻礙機(jī)器人在平地上的行走。
本文在“KONDO”機(jī)器人[9]機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，用來替換其自帶的控制系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在硬件上至少滿足如下5個(gè)基本要求：
(1) 產(chǎn)生不少于17路獨(dú)立的高精度單邊沿PWM信號(hào)，用來控制作為機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的17個(gè)直流伺服電機(jī)；
(2) 具有調(diào)試接口；
(3) 具有一個(gè)與PC機(jī)通信的接口；
(4) 具有多路A/D轉(zhuǎn)換電路，用來擴(kuò)展傳感器；
(5) 具有獨(dú)立而穩(wěn)定的電源。
我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人所用的高精度直流伺服電機(jī)，控制信號(hào)為0.5ms～2.5ms高電平的PWM信號(hào)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角為0度到180度，電機(jī)精度為0.1度，則控制信號(hào)的精度應(yīng)該高于(2.5ms～0.5ms) /1800 =1.11μs。
2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線和總體方案
2.2.1 處理器選型
二十年前，只有少數(shù)的幾個(gè)科研機(jī)構(gòu)在研究兩足步行機(jī)器人，現(xiàn)在卻不勝枚舉，這其中很重要的一個(gè)原因就是嵌入式計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展[24]，[25]。嵌入式計(jì)算機(jī)由于其體積小、功耗低、硬件資源豐富，非常適合應(yīng)用在對(duì)體積和功耗都有較高要求的小型機(jī)器人系統(tǒng)中。
在機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的處理器有：TI C2000和C6000系列DSP、8051和AVR單片機(jī)、ARM7和ARM9系列、PC104和PowerPC單板計(jì)算機(jī)等。它們各自具有鮮明的特點(diǎn)，通常都是為了特殊的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，如表2.1所示。
表2.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用處理器
機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的處理器
處理器的特點(diǎn)
在機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
C2000系列DSP
具有很強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力,適合運(yùn)動(dòng)控制,硬件設(shè)計(jì)方便。
運(yùn)動(dòng)控制、語音處理。尤其適合執(zhí)行針對(duì)單個(gè)或一對(duì)直流（無刷）電機(jī)的復(fù)雜算法。
C6000系列DSP
具有極強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，具有專門的操作系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。
高級(jí)的視覺處理和模式識(shí)別
8051和AVR系列單片機(jī)
結(jié)構(gòu)和指令簡單;運(yùn)算能力較低，通常不支持操作系統(tǒng)：幾乎全部芯片都己經(jīng)單片化，硬件設(shè)計(jì)非常方便。
簡單的運(yùn)動(dòng)控制和信號(hào)處理，在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中作為局部控制器。
ARM7系列
典型的RISC處理器，運(yùn)算能力較強(qiáng)，支持多種操作系統(tǒng)：部分型號(hào)芯片己經(jīng)單片化，硬件設(shè)計(jì)較方便。
小型機(jī)器人主控制器，常用于運(yùn)動(dòng)控制和傳感器信號(hào)處理。
ARM9系列
典型的RISC處理器，運(yùn)算能力很強(qiáng)，支持多種操作系統(tǒng);幾乎沒有單片化，硬件設(shè)計(jì)較復(fù)雜。
機(jī)器人主控制器，同以進(jìn)行視覺處理、語音處理和模式識(shí)別。
PC104, PowerPC等單板計(jì)算機(jī)
由PC演化而來，通用性很強(qiáng)，功耗大，硬件設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。
復(fù)雜的擬人機(jī)器人的主控制器。
DSP處理器在譜分析、FFT變換、數(shù)字濾波等方面得到非常廣泛地應(yīng)用。TI公司的02000系列DSP主要用來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，適合用于執(zhí)行針對(duì)單個(gè)或少量電機(jī)的高級(jí)控制算法。雖然C2000在桌面型兩足機(jī)器人中也有應(yīng)用，但C2000對(duì)操作系統(tǒng)的支持能力有限，一般不使用操作系統(tǒng)，所以如果作為主控制器會(huì)帶來軟件設(shè)計(jì)上的局限性。
C6000系列具有很高的主頻、豐富的硬件資源、特殊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，數(shù)字信號(hào)處理能力非常強(qiáng)大，并且TI公司特地為C6000(和C5000)系列開發(fā)了專用DSP/BIOS操作系統(tǒng)。DSP/BIOS操作系統(tǒng)使C6000如虎添翼，成為了高級(jí)視覺處理應(yīng)用的主流處理器。但使用C6000作為處理器時(shí)電路復(fù)雜，通常只在大型擬人機(jī)器人中作為高級(jí)的視覺處理器，小型的機(jī)器人中應(yīng)用很少。
8051和AVR系列單片機(jī)通常在其內(nèi)部集成了CPU、存儲(chǔ)器、總線邏輯、看門狗、I/0、以及其他接口，單片化的特性使其體積和功耗都大大減小，在兩足步行機(jī)器人中得到了廣泛使用。
ARM7系列處理器是ARM處理器中使用很多的一款。ARM7處理器是典型的RISC處理器，對(duì)操作系統(tǒng)的支持能力很強(qiáng)，適合運(yùn)行多種操作系統(tǒng)。
ARM9系列處理器在ARM7的基礎(chǔ)上進(jìn)一步地提高了運(yùn)算能力，增加了更多的硬件資源。ARM9對(duì)操作系統(tǒng)的支持能力同樣地強(qiáng)大。ARM9適合作為兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)的主控制器，同時(shí)還可以作視覺處理、語音處理和模式識(shí)別。但ARM9系列處理器幾乎沒有能實(shí)現(xiàn)單片化的，硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。
單板計(jì)算機(jī)由通用計(jì)算機(jī)演化而來，常見的有PC104、PowerPC、MIPS、68000等。單板計(jì)算機(jī)具有良好的通用性，對(duì)操作系統(tǒng)具有極強(qiáng)的支持能力。但其設(shè)計(jì)和開發(fā)比較復(fù)雜，功耗較大，在擬人機(jī)器人等大型機(jī)器人中經(jīng)常被用作主控制器。
本文結(jié)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求和常用處理器[19]，高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)。
2.2.2 直流伺服電機(jī)的控制特性
直流伺服電機(jī)又稱為舵機(jī)，是一種位置伺服驅(qū)動(dòng)器，適用于角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)[22]。我們?cè)O(shè)計(jì)的兩足行走機(jī)器人的直流伺服電機(jī)使用+7V至+12V電源，內(nèi)部基準(zhǔn)信號(hào)為周期為20ms的PWM周期信號(hào)，輸入的控制信號(hào)也必須是周期為20ms的PWM周期信號(hào)，電壓為+4V至+6V。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入的控制信號(hào)的脈沖寬度有如圖2.2所示的線性關(guān)系。
圖2.2 直流伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入PWM信號(hào)寬度的關(guān)系
本文中的兩足步行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)共有17個(gè)直流伺服電機(jī)，所以在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件電路時(shí)，除了需要提供9V至12V的電源外，還必須提供至少17路4V至6V的PWM信號(hào)。
2.2.3 硬件設(shè)計(jì)總體方案
對(duì)應(yīng)于控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基本要求，作了如下的設(shè)計(jì)方案:
(1) 核心電路包括AVR[11]核心處理器、JTAG調(diào)試接口、串口驅(qū)動(dòng)電路和A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓電路[19]，原理如圖2.3所示。
圖2.3 核心電路原理圖
(2) 控制系統(tǒng)需要控制17個(gè)直流伺服電機(jī)，使兩足步行機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作。控制直流伺服電機(jī)的PWM信號(hào)的周期為20ms，高電平持續(xù)時(shí)間為0. 5ms至2. 5ms，占空比較小，最大僅為1/8，所以可以進(jìn)行多路分時(shí)復(fù)用。本文使用了4個(gè)三態(tài)鎖存器74HC595D PWM信號(hào)進(jìn)行4路分時(shí)復(fù)用，一共可以得到32路獨(dú)立的單邊沿PWM信號(hào)，這樣可以滿足控制系統(tǒng)的要求。使用高性能電池供電，增加了機(jī)器人的靈活性.其舵機(jī)PWM信號(hào)控制電路原理如圖2.4所示。
圖2.4 PWM信號(hào)控制原理圖
2.2.4 電源設(shè)計(jì)
為了增加機(jī)器人的靈活性，兩足步行機(jī)器人使用高性能電池供電。直流伺服電機(jī)的電源要求為9V至12V，本文選用了電壓為9V的高性能電池，直接作為直流伺服電機(jī)的電源。
由于基于AVR的處理器和外設(shè)均使用3. 3V電源電壓，所以需要選用電源電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。我們使用了一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換芯片L78M05將電池的直流電源轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流。
2.2.5 舵機(jī)控制器PCB電路板的設(shè)計(jì)
32路伺服電機(jī)控制器是一套最具性價(jià)比的伺服電機(jī)控制器?？梢钥刂贫噙_(dá)32個(gè)伺服電機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，它不但能實(shí)現(xiàn)位置控制和速度控制，還具有時(shí)間延時(shí)斷點(diǎn)發(fā)送指令功能。其主要由上位機(jī)軟件和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器組成。通過PC機(jī)操作上位機(jī)軟件給控制器傳遞控制指令信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)多路伺服電機(jī)單獨(dú)控制或同時(shí)控制，控制指令精簡，控制轉(zhuǎn)角精度高，波特率可以實(shí)時(shí)更改，體積小，重量輕，其可作為類人型機(jī)器人、仿生機(jī)器人、多自由度機(jī)械手的主控制器。此外還可以配合其他功能模塊實(shí)現(xiàn)無線控制、傳感器反饋，構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)。隨著國內(nèi)外機(jī)械產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，各大高校相繼開設(shè)機(jī)械類創(chuàng)新課程和比賽[11]，學(xué)生可將其應(yīng)用在各類機(jī)械創(chuàng)新作品中，起到優(yōu)化控制系統(tǒng)作用，其電路板界面如圖2.5所示。
圖2.5 兩足行走機(jī)器人控制系統(tǒng)電路板
2.3 舵機(jī)控制器的使用方法
2.3.1 伺服電機(jī)控制板接口功能
圖2.6 控制電路板各部分標(biāo)識(shí)
舵機(jī)器控制器面板主要有電源接口、串口通訊接口、伺服電機(jī)借口、TIL通訊借口以及上位機(jī)擴(kuò)展口、電源開關(guān)等部分組成，各部分詳細(xì)的位置分布如圖2.6所示，其中每個(gè)部分的詳細(xì)說明如下：
①DC5V直流電源接口
此接口用于接插控制器控制部分供電電源，為了方便長時(shí)間調(diào)試，可以用套裝中為用戶提供的USB取電線，直接插筆記本電腦或臺(tái)式電腦USB接口。也可接插符合下面要求的外置電源適配器（注意電源極性?。?。
②控制部分電源端子接口
此接口用于接插控制器控制部分供電電源，為增大用戶選擇電源電壓范圍，特設(shè)此接口。工作電壓范圍：＋7V～＋12V。注意端子接口正負(fù)標(biāo)識(shí)符！正確接線，避免損壞控制器。為用戶調(diào)試方便提供9V電池扣接線一條，可接9V電池使用。
③伺服電機(jī)供電電源端子接口
此接口用于接插伺服電機(jī)供電電源（由于伺服電機(jī)在重負(fù)載的情況下，會(huì)將放大器電壓拉低，為防止影響控制器部分電壓突變，應(yīng)該將兩部分分別供電），工作電壓：＋4V～＋6V（普通伺服電機(jī)）。一般上，伺服電機(jī)啟動(dòng)和滿負(fù)載的時(shí)候耗電達(dá)1A～1.5A，而沒有負(fù)載時(shí)候只有約150mA耗電，所以請(qǐng)均衡考慮，根據(jù)同時(shí)運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)數(shù)量，來考慮電源的功率選擇。為防止意外，請(qǐng)確保不要使用功率小于設(shè)計(jì)里面。一半數(shù)目的電機(jī)滿功率運(yùn)行時(shí)功耗的電源。為用戶調(diào)試方便提供的5號(hào)四節(jié)/4位電池盒一個(gè)，裝上電池可作為伺服電機(jī)調(diào)試電源使用。
④外擴(kuò)上位機(jī)系統(tǒng)供電接口
此接口供電來源控制部分端子接口電源，可為自主開發(fā)的上位機(jī)（51系列、AVR系列、DSP、ARM等）板供電。
⑤串口通訊接頭
此端口使用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口電平進(jìn)行通訊，可以接插為用戶提供的串口通訊線和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，接收實(shí)時(shí)控制指令。
⑥TTL通訊接口
若使用此功能請(qǐng)將跳線帽取下，此接口可用于伺服電機(jī)控制器與其他單片機(jī)開發(fā)的上位機(jī)BS2(Basic Stamp 2)通訊。注意接口標(biāo)識(shí)符，TX、RX左側(cè)排針分別聯(lián)接伺服電機(jī)控制板微控器TXD、RXD引腳。
⑦波特率設(shè)置撥碼開關(guān)
通過設(shè)置撥碼開關(guān)，波特率可以在2400 960038.4k 115.2k四種數(shù)值中轉(zhuǎn)換。注意：1代表ON，0代表OFF。控制器波特率默認(rèn)設(shè)置為115200。每次更改波特率數(shù)值后，都要給控制器重新上電啟動(dòng)，才會(huì)生效。
⑧伺服電機(jī)通道接口和⑨標(biāo)識(shí)符
此接口可接插國際標(biāo)準(zhǔn)接口的伺服電機(jī)，包括模擬式和數(shù)字式兩種。接口側(cè)方有1～32通道的標(biāo)注符，表示伺服電機(jī)受哪一通道信號(hào)控制。每一行可以接插一個(gè)伺服電機(jī)。整行接口上面有S/ + /-的標(biāo)注，其中“-”表示接插伺服電機(jī)的地線（一般為黑色）；“＋”表示接插伺服電機(jī)的電源線（一般為紅色）；“S”表示signal（信號(hào)）接插伺服電機(jī)的控制信號(hào)線（一般為黃色或白色）。支持的伺服電機(jī)：Futabaor Hitec 以及國產(chǎn)品牌（如輝盛）等。
⑩電源開關(guān)
此開關(guān)控制伺服電機(jī)和控制電路兩部分電源通斷。開關(guān)撥向標(biāo)有ON一端為接通電源；開關(guān)撥向OFF一端為切斷整個(gè)系統(tǒng)供電。
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 29 頁 共 29 頁
3 兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
AVR系列單片機(jī)通常在其內(nèi)部集成了CPU、存儲(chǔ)器、總線邏輯、看門狗、I/0、以及其他接口，單片化的特性使其體積和功耗都大大減小，在兩足步行機(jī)器人中得到了廣泛使用，現(xiàn)在在操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)的多個(gè)應(yīng)用軟件，構(gòu)成了一個(gè)完整的控制系統(tǒng)軟件框架；最后改進(jìn)了常見的多路PWM產(chǎn)生方法，具有很高的PWM信號(hào)的精度和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，并對(duì)兩足步行機(jī)器人進(jìn)行了關(guān)節(jié)調(diào)試。
3.1 軟件系統(tǒng)的基本要求
根據(jù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能需求和硬件電路的特點(diǎn)，軟件系統(tǒng)至少需要滿足以下5個(gè)要求：
(1) 軟件模塊化，具有很好的可維護(hù)和可擴(kuò)展性。
(2) 實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的分時(shí)復(fù)用，并要保證PWM信號(hào)的高精度。并且通過軟件，能夠及時(shí)地改變PWM的輸出。
(3) 通過RS232接口能和PC機(jī)通信。
(4) 通過I℃接口記錄關(guān)鍵的信息到E2PROM存儲(chǔ)器。
(5) 通過3路10位A/D轉(zhuǎn)換器讀取傳感器的值并預(yù)處理。
3.2 軟件設(shè)計(jì)的技術(shù)路線與總體方案
在機(jī)器人控制系統(tǒng)中常見的操作系統(tǒng)有:TI的DSP/BIOS, Microsoft的WinCE, u C/OS-II, Wind River的VxWorks, uC-Linux和RT-Linux等，它們各自的特點(diǎn)和應(yīng)用如下所述：
(1) DSP/BIOS操作系統(tǒng)不但具有很好的實(shí)時(shí)性[23]，而且與DSP外圍的數(shù)據(jù)庫兼容并且內(nèi)建于DSP專用的交互式集成開發(fā)環(huán)境CCS。但DSP/BIOS操作系統(tǒng)只適合在TI的C6000和C5000 DSP處理器上使用。
(2) WinCE操作系統(tǒng)由Windows95精簡而成，不開放源碼，實(shí)時(shí)性不好。但從內(nèi)核到GUI的整個(gè)體系比較完善，并且Microsoft公司具有強(qiáng)大的軟件研發(fā)和技術(shù)支持能力。WinCE適合在功能復(fù)雜但對(duì)內(nèi)核體積的實(shí)時(shí)性都沒有太高要求的大型機(jī)器人主控制系統(tǒng)中使用，或者在圖像監(jiān)控系統(tǒng)中使用。
(3) uC/OS-II由世界著名的嵌入式專家Jean J. Lacrosse編寫，它具有源碼開放、體積小、可移植性強(qiáng)、可剪裁、可靠性高等特點(diǎn)，但GUI部分不完善。它非常適合在高實(shí)時(shí)性小型嵌入式系統(tǒng)中使用，經(jīng)常應(yīng)用在小型機(jī)器人控制系統(tǒng)中。
(4) VxWorks由美國Wind River公司開發(fā)，具有極高的可靠性和實(shí)時(shí)性，但是它不開放源碼，而且價(jià)格非常昂貴，通常應(yīng)用在軍用機(jī)器人和航天機(jī)器人中。
(5) uC-Linux和RT-Linux都是由Linux演化而來，繼承了Linux的一系列優(yōu)點(diǎn)，比如高可靠性和具有完善的網(wǎng)絡(luò)功能。它們結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)開發(fā)人員的技術(shù)要求較高，通常應(yīng)用在比較復(fù)雜的機(jī)器人控制系統(tǒng)中。
本文根據(jù)控制系統(tǒng)硬件的特點(diǎn)和機(jī)器人的功能需要，選用了以C語言為基礎(chǔ)編寫而成的操作系統(tǒng)“Servo Control Software”。其軟件的操作界面如圖3.1所示。
圖3.1 Servo Control Software操作界面
Servo Control Software是實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制器通訊協(xié)議PC機(jī)上的專用WINDOWS控制軟件，本軟件操作控制簡便，該軟件有以下功能：
(1) 速度控制設(shè)定功能 可以調(diào)試出任意速度，多路電機(jī)不同速度運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，速度精準(zhǔn)，加速減速任意設(shè)。
(2) 循環(huán)控制功能 讓您不必費(fèi)心點(diǎn)擊鼠標(biāo)啦，反復(fù)調(diào)試更加易用，可作為小型工業(yè)機(jī)械手主控板，功能循環(huán)執(zhí)行，提供作業(yè)效率。
(3) 指令保存功能 可以將您調(diào)試好的指令集保存，自動(dòng)生成指令文檔，日期時(shí)間準(zhǔn)確，例如robotcode20090107_1550, 您也可以個(gè)性化自命名，避免讀取指令文檔錯(cuò)誤或者重新編輯。
(4) 指令讀取功能 只要輕松點(diǎn)擊“打開指令”按鍵，會(huì)進(jìn)入指令集文檔，選擇您要讀取的以往指令文檔，恢復(fù)當(dāng)前功能設(shè)置。
(5) 控制動(dòng)作完成時(shí)間功能 只要發(fā)送指令時(shí)間大于動(dòng)作完成時(shí)間，您就可以任意設(shè)置動(dòng)作的完成時(shí)間，軟件備有自動(dòng)調(diào)整功能，可將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑過渡，避免了機(jī)器人定格控制缺陷。
3.3 伺服電機(jī)控制軟件操作方法
3.3.1 串口設(shè)置
在熟悉了該軟件后，我們開始調(diào)試軟件。首先我們要做好前提工作，把舵機(jī)接線按照要求插在控制板上，再把串口接線插到電腦上，開通電源，打開操作軟件，點(diǎn)擊軟件操作界面里的串口設(shè)置，選擇合適的波特率，然后點(diǎn)確定，其操作方法如圖3.2、圖3.3、圖3.4所示：
圖3.2 串口設(shè)置第一步
圖3.3 串口設(shè)置第二步
圖3.4 串口設(shè)置第三步
3.3.2 控制通道設(shè)置
控制通道序號(hào)與控制板上的序號(hào)一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)設(shè)計(jì)需要可選擇多路調(diào)控，伺服電機(jī)接線一定要與控制軟件通道對(duì)應(yīng)，避免出現(xiàn)控制無效現(xiàn)象。將硬件設(shè)備接好，如圖3.5所示。
圖3.5 控制板接線示意圖
單擊鼠標(biāo)左鍵軟件與硬件連接,如圖3.6所示。
圖3.6 串口連接設(shè)置圖
當(dāng)串口設(shè)置完成后,開始設(shè)置控制通道,單擊鼠標(biāo)左鍵以激活控制通道,本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人一共17個(gè)自由度,其中腿部10個(gè),也就是一共17個(gè)直流伺服電機(jī),在調(diào)試過程中,我們一共要激活17個(gè)通道,從1～17通道, 按照?qǐng)D3.7所示。
圖3.7 控制通道設(shè)置示意圖
3.3.3 操作設(shè)置
在控制軟件的操作設(shè)置區(qū)域有“添加指令”、“指令修改”、“刪除指令”、“運(yùn)行指令”等按鈕，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，具體實(shí)現(xiàn)功能如圖3.8所示。
圖3.8 操作設(shè)置功能圖
3.3.4 控制指令回顯區(qū)
調(diào)整好合適指令點(diǎn)擊添加后，將會(huì)出現(xiàn)在回顯區(qū)中。如圖3.9所示。
圖3.9 指令回顯區(qū)
3.3.5 發(fā)送指令時(shí)間設(shè)置
拉動(dòng)指令間隔時(shí)間滑桿可以調(diào)節(jié)發(fā)送指令間隔時(shí)間,以實(shí)現(xiàn)各舵機(jī)的協(xié)調(diào)工作,來完成復(fù)雜的動(dòng)作,如圖3.10所示。
圖3.10 發(fā)送指令間隔時(shí)間控制區(qū)
3.4 微型伺服電機(jī)（舵機(jī)）的選擇
微型的伺服電機(jī)在無線電業(yè)余愛好者的航?；顒?dòng)中使用已有很長一段歷史，而且應(yīng)用最為廣泛，國內(nèi)亦稱之為“舵機(jī)”，含義為：“掌舵人操縱的機(jī)器”。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器。它是機(jī)器人、機(jī)電系統(tǒng)和航模的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它接收一定的控制信號(hào)，輸出一定的角度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有3條導(dǎo)線：電源線（紅）、地線（黑或灰）、控制線（白或橙黃）?？刂凭€的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)（PWM），方波脈沖信號(hào)的周期為20 ms（即頻率為50Hz)，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比，也就是利用占空比的變化來改變舵機(jī)的位置?？梢?，其主要用作運(yùn)動(dòng)方向的控制部件。因此，機(jī)器人模型中也常用到它作為可控的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，這些活動(dòng)關(guān)節(jié)在機(jī)械原理中常稱它為自由度。
3.4.1 舵機(jī)的選型
本設(shè)計(jì)選用的舵機(jī)為“輝盛”MG945 12公斤全金屬齒大扭力舵機(jī)，其圖和參數(shù)如圖3.11和表3.1所示。
圖3.11 “輝盛”MG945舵機(jī)
表3.1 “輝盛”MG945舵機(jī)參數(shù)
尺寸
重量
速度
扭力
使用電壓
40.8*19.9*37.3mm
56.3g
0.24sec/60度
12公斤/厘米
4.8V～7.2V
3.4.2 輝盛MG945舵機(jī)的控制特性
“輝盛”MG945 12公斤全金屬齒大扭力舵機(jī)全轉(zhuǎn)角為180度，它的對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系如表3.2所示。
表3.2 PWM波脈寬與舵機(jī)轉(zhuǎn)角關(guān)系
PWM波脈寬
舵機(jī)轉(zhuǎn)角
對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角簡圖
0.5ms
0度
0.9ms
45度
1.5ms
90度
2.1ms
135度
2.5ms
180度
4 兩足步行機(jī)器人步行模式的建立
有的機(jī)器人行走時(shí)質(zhì)心在地面上的投影始終在腳的支撐多邊形內(nèi)，這種步行方式被稱為靜態(tài)步行；在人的日常行走中，質(zhì)心在地面上的投影經(jīng)常會(huì)超越支撐多邊形的范圍，這種步行方式被稱為動(dòng)態(tài)步行。靜態(tài)步行模式在設(shè)計(jì)步態(tài)時(shí)需要計(jì)算機(jī)器人的重心位置，以防止重心在地面上的投影超出了支撐多邊形范圍。靜態(tài)步行通常是在行走前離線設(shè)計(jì)好各個(gè)步行中的姿態(tài)和姿態(tài)切換的方法，在行走的過程中不能改變，一般只能在平地上行走。
4.1 本章任務(wù)
本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它具有17個(gè)自由度，驅(qū)動(dòng)器為微型直流伺服電機(jī)。該機(jī)械結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，每條腿具有5個(gè)自由度，分別為踝2個(gè)、膝l個(gè)、髖2個(gè)；每個(gè)手臂具有3個(gè)自由度，分別為肩2個(gè)、肘1個(gè)；頸部具有一個(gè)自由度。而我的主要任務(wù)是分析雙腿的運(yùn)動(dòng)模式，研究10個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及相互的協(xié)調(diào)工作的關(guān)系，建立一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)模型。首先要把機(jī)器人組裝起來，其腿部圖片如圖4.1所示。
圖4.1 單腿的實(shí)物圖片
在正確的把整個(gè)機(jī)器人完整的組裝起來后，我們要把機(jī)器人腿部的每個(gè)舵機(jī)都標(biāo)注起來，以便后來的調(diào)試，腿部10個(gè)舵機(jī)的分布如圖4.2所示。
圖4.2 腿部舵機(jī)的分布
4.2 靜態(tài)步行模式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)中使用了靜態(tài)步行模式[4][5]線設(shè)計(jì)。靜態(tài)步行模式分為10個(gè)靜態(tài)姿勢及其切換順序如圖4.2所示。
圖4.2 兩足機(jī)器人行走步行模式
其中直立是初始狀態(tài)；起步是為步行做準(zhǔn)備，重心移到右腳；抬后腳(左)、邁步(左)和前腳著地(左)都是右腿支撐左腿擺動(dòng)的姿態(tài)；重心前移(左)是兩腿支撐，將重心從后面的右腳轉(zhuǎn)移到前面的左腳；抬后腳(右)、邁步(右)和前腳著地(右)都是左腿支撐右腿擺動(dòng)的姿態(tài)；重心前移(右)是兩腿支撐，將重心從后面由左腳再次轉(zhuǎn)移到前面的右腳。重心在左右腳之間反復(fù)轉(zhuǎn)移，左右腳的前后關(guān)系也反復(fù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)兩足機(jī)器人的步行。
4.3 姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的軟件實(shí)現(xiàn)
機(jī)器人的以上10個(gè)姿態(tài)按圖4.2所示切換，就可以讓機(jī)器人在平地上步行。根據(jù)腿部運(yùn)動(dòng)的模式，我們根據(jù)腿步各關(guān)節(jié)完成的角度可以計(jì)算輸入給每個(gè)舵機(jī)的PWM脈寬值，再反饋到舵機(jī)控制軟件Servo Control Software中，點(diǎn)擊“添加指令”按鈕，其控制回顯區(qū)出現(xiàn)指令如下：
T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500
T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500
T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1833#8P1833#9P1500
T1000 #0P1500#1P1450#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1833#8P1833#9P1500
T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500
T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500
T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500
T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1167#8P1167#9P1500
T1000 #0P1500#1P1450#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1167#8P1167#9P1500
T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500
上述完成機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)的一個(gè)循環(huán)，既從直立到抬左腿起步再到抬右腿起步，然后我們?cè)冱c(diǎn)擊如圖4.3中的“激活循環(huán)控制”就可以完成兩足行走機(jī)器人兩腿間持續(xù)左右腳交替行走的動(dòng)作了。
圖4.3 激活循環(huán)控制
結(jié) 束 語
兩足步行機(jī)器人是個(gè)廣泛應(yīng)用在教學(xué)、科研、比賽和娛樂等方面的機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、控制科學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等于一體。本文根據(jù)當(dāng)前兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的處理器和操作系統(tǒng)各自的特點(diǎn)，選用8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)。并對(duì)兩足步行機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和靜態(tài)步行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人在平面上的穩(wěn)定行走。
在本設(shè)計(jì)課題中，我及我們小組，基本完成了兩足行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也理論上完成了機(jī)器人的控制系統(tǒng)，但是由于選擇的較為有難度的17自由度機(jī)器人，所以對(duì)于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的選用材料、平衡力學(xué)處理、控制系統(tǒng)處理器等客觀條件有了更高的要求。在本課題中，由于條件有限，我們沒有使機(jī)器人在地面上實(shí)現(xiàn)兩腿交替運(yùn)動(dòng)。在我負(fù)責(zé)的控制系統(tǒng)這一塊中，我理論設(shè)計(jì)了一套控制方案，我使用的是核心為8位的AVR微處理器控制器，在設(shè)計(jì)過程中就發(fā)現(xiàn)的它的缺陷，由于我們?cè)O(shè)計(jì)的17自由度機(jī)器人，也就是有17個(gè)微型直流伺服電機(jī)，相應(yīng)的要同時(shí)提供17路的PWM脈沖信號(hào)，這就對(duì)處理器有了比較高的要求，而這時(shí)8位處理器則達(dá)不到使用要求。所以該課題在以后還有很多要進(jìn)一步改進(jìn)和研究的地方：
(1) 機(jī)器人使用更為先進(jìn)的處理器，如表2.1中的ARM系列處理器和PC104, PowerPC等單板計(jì)算機(jī)。
(2) 機(jī)器人腳底安裝力傳感器，用來感知機(jī)器人腳和地面接觸時(shí)的受力情況，使用ZMP理論對(duì)機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)控制。
(3) 機(jī)器人增加視覺系統(tǒng)，使機(jī)器人可以識(shí)別簡單的目標(biāo)。桌面型的兩足機(jī)器人由于受到體積和成本的限制，大多不具備視覺系統(tǒng)或只有很簡單的視覺系統(tǒng)。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，桌面型的兩足機(jī)器人也會(huì)具有復(fù)雜的視覺系統(tǒng)。這在足球機(jī)器人中尤其重要。
致 謝
本文的研究工作是在劉艷老師的精心指導(dǎo)下完成的。在整個(gè)課題研究過程中，老師在各方面給予了我無盡的關(guān)心、幫助和教誨，使本論文的研究工作得以順利完成。老師學(xué)識(shí)淵博，經(jīng)驗(yàn)豐富，思維敏捷，時(shí)時(shí)給我熱情的鼓勵(lì)和不倦的教誨，在研究思想和研究方法上給了我諸多啟示，解答了許多難題，從課程學(xué)習(xí)、論文選題、課題研究到論文撰寫無不凝聚著老師們的心血和汗水。老師待人誠懇，心胸寬大，精深的知識(shí)令我受益匪淺。在此向劉艷表示無盡的感謝，同時(shí)此課題能夠順利完成也離不開同學(xué)給我的幫助和指導(dǎo)，在此也特別向他們表示深深的謝意！
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