双足竞步机器人设计与制作技术报告

中国矿业大学徐海学院双足竞步机器人设计与制作技术报告队 名： 擎天柱 班 级： 电气13-5班成 员：郭满意游世豪侯敏锐唐丽丽侯伟俊王胜刘利强杨光题 目：双足竞步机器人任课教师：2015 年 12 月双足竞步机器人设计与制作任务书班级 电气13-5班 学号22130263学生姓名 郭满意任务下达日期：2015年10月16日设计日期： 2015 年 11 月 1 日 至 2014 年 12 月 31 日设计题目： 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：摘要双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计双足机器人最基本的和首要的工作。本文根据项目规划和控制任务要求，按照从总体到部分、由主到次的原则，设计了一种适 合仿人双足机器人控制的机构。文章首先从机器人整体系统出发，制定了总体设计方案， 再根据总体方案进行了关键器件的选型，最后完成了各部分机构的详细设计工作。经过硬 件设计、组装；软件设计、编写；整体调试，最终实现外型上具有仿人的效果，在功能上 完全满足电气各部件机载化的安装要求。本文介绍一个六个自由度的小型双足机器人的设 计、调试与实现。包括机械结构设计、电路设计与制作，机器人步态规划算法研究，利用 Atmega8 芯片实现了对六个舵机的分时控制，编写 VC 上位机软件,通过串口通信对双足 竞步机器人进行调试，通过人体仿生学调试出机器人的步态规划。实现了双足竞步机器人 稳定向前行走、立正。关键词： 双足机器人、机械结构目录1 系统概述12 硬件设计22.1 机械结构22.2 电路设计23 软件设计 43.1 AVR 单片机程序设计 43.2 PC 上位机调试软件设计44 系统调试55 结束语66 参考文献77 附录87.1 源程序87.2 相关图片9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。双足机器人系统，从硬件上可以分为机械结构部分、驱动部分、传感部分和控制部 分；从功能上可以分为机构模块、驱动模块、感知模块和控制模块。机械结构部分的设计 机械结构部分在整个系统中，起到一个平台的作用，机器人的其他部分都是在此机 械结构的基础上进行安装调试的。本文首先对双足机器人进行机械结构的设计，搭建双 足机器人控制系统和步态规划的平台。 控制部分的设计 因为我们选择舵机来对双足机器 人进行驱动，而舵机一般都是通过PWM技术来进 行控制的。所以，为了实现对舵机的 精确控制，需要设计出一个能够输出多路PWM信号的舵机控制器。双足竞步机器人的 步态规划 由于双足竞步机器人具有多关节、多驱动器、多约束等特点，在对其进行步行 规划 及行走控制时有很大的难度。如何规划机器人步态使其稳定行走仍是双足机器人研 究领域的关键技术之一。步态是在步行运动过程中，机器人的各个关节在时序和空间上的 一 种协调关系，通常由各关节运动的一组时间轨迹来描述。步态规划的目标是产生期望 步 态，即产生在某个步行周期中实现某种步态的各关节运动轨迹（期望运动轨迹）。步 态规 划是双足机器人稳定步行的基础，要实现和提高机器人的行走性能，必须研究实用 而有效的步态规划方法，以实现机器人的稳定步行。2硬件设计2.1 机械结构双足机器人机械结构设计中关节轴系的结构设计必须紧凑，传动精度高，效率高，并 保证提供必要的输出力矩和输出速度，以满足机构动态步行运动速度和承载能力。在机械 结构的总体设计方案制定后，我们对机械结构中关键器件进行了选型，主要包括轴系电机、 传动杆件等，为此我们根据轴系对运动实现的重要性把机器人所有轴系分为两类：主要轴 系和次要轴系。主要轴系包括下肢所有轴系，它们涉及双足机器人基本运动功能的实现问 题，因此是本项目机构设计的核心问题，其基本元件和结构方式必须首先确定下来才能展 开以此为核心的机构设计和机加工工作。要使机器人能够平稳的行走，首先要设计好机械结构。我们选用了3个舵机作为机器 人腿的 3个关键，因为舵机的理论旋转角度是 180度，所以我们把腿部和膝盖的2个舵 机竖直55放置，脚步的 1个舵机水平放置。在选材方面，我们主要用的是铝合金板为主 要的框架材料，也用了一些塑料的电路板做底板。机器人的 2个手臂也是用的金属做支 撑，以保证机器人行走时的稳定，也减少了舵机震动所带来的影响。2.2电路设计为了避免舵机的供电电源产生的电压波动对控制电路的干扰，控制电路与舵机的电源 要进行隔离，即分开供电。控制电路电源使用的是一个12V输出的AC-DC变压电源经7805 芯片后提供的5V电源，而舵机的电源提供了一个接口，外接一个7806芯片进行供电。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2864。 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IO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。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。中国矿业大学徐海学院2013级双足竞步机器人设计与制作技术报告3软件设计3.1 AVR 单片机程序设计RB-150MG舵机的控制信号为PWM信号，通过改变占空比进而改变舵机转动的角度。 通过多次实验，测得脉宽在 0.5ms-2.5ms 时，对应舵机在 0 度-180 度区间转动，并呈 线性关 系。由于 atmega8 的 8 位 pwm 控制精度不高，为了可以精确调整舵机所转角 度并能分时控制6路pwm，利用atmega8 tO定时器软件仿真pwm信号输出。为了实 现方便调试双足竞步机器人步态规划，我们设计 pc 上位机与 avr 单片机进行串口通 信，设置 avr 单片机串口接收中断，接收对应舵机编号和该舵机 pwm 参数，并实时改 变舵机角度，实现机器人仿真行走。3.2 PC 上位机调试软件设计选用 VC+6.O 开发环境，利用 MFC 应用程序框架设计 PC 上位机调试机器人软件。 添 加串口 MSComm 控件，添加对话框控件，每当通过滑动条改变舵机参数值触发串口响 应函 数，发送对应舵机编号和该舵机 pwm 参数，并在编辑框生成 AVR 单片机程序，再 用正则 表达式分析代码在上位机实现机器人的仿真行走，将调试出稳定的步态程序下载 到单片机， 实现机器人的规定动作。上位机调试方法可以大大加快机器人的开发周期， 并且能够让步行 机器人行走稳定，上位机具有操作简单、修改容易、使用灵活等特点4系统调试首先对机器人的各个部位进行调试，组装完成后对软件部分进行调试。各个部位：1 膝部:膝部的机械尺寸精度要求较高，打动位置要精确，孔径大小要合适，否则容易 使机器人在弯曲腿是，脚面和腿出现较大偏移，出现摩擦甚至跌倒，调试时难以直线行走， 过孔在侧面应在一条直线上，孔径刚过螺丝为宜。2 足部：对于交叉足和狭窄足，在不超过要求的情况下，尺寸越大越好，前后尺寸对 步行时机器人机身的稳定性有直接影响。对于交叉足，左右脚伸出的交叉齿要坚硬，长度 要尽量长,必须保证能够单腿站立，同时不会出现弯曲而导致机体倾斜。重量宜重不宜轻。 对于狭窄足,尺寸应尽量大，以增加步行稳定性。机身中心不宜偏高。调试软件：软件的主旨是为了调试方便和自然，动作姿态连贯自然，所以软件可复杂但是调试要 简单，需要调整的变量越少越好。动作算法要深入考虑机器人行走时的步态规律，对动作 进行平滑处理，这是软件调试的工作重心。这一部分的任何改进都将对调试过程的效率产 生很大的提高。嵌入式软件的精髓：用最低成本达到最优效果。中国矿业大学徐海学院2013级双足竞步机器人设计与制作技术报告5结束语首先，在教室里在老师的教授下学习了许多关于机器人的知识，老师上课生动有趣， 也引起了我对机器人的浓厚兴趣。在上完理论课后，我们在实验室领取到组装机器人的器 件，并与另外七位同学组成一组进行机器人的拼装，在领取到零件后，我们明确的分工， 有人裁剪图纸，有人打磨零件，有人折叠零件。经过我们的努力，终于完成了机器人的组 装。然后开始进行机器人的程序设计，开始时像没头的苍蝇，完全找不到方向，然后想同 学请教，终于有了初步的认识，开始自己设计程序，但是一直会出现问题，机器人走不起 来，经过很长时间终于使机器人走了起来，可是走的过程中很不稳定，而且速度很慢，完 全没有达到要求。最后，我们与另一组完成的较好的一组进行交流讨论，然后进行修改， 将能够同时运动的步骤进行整合，实现同时运行这些步骤来节约时间，也使两条腿同时动 起来，这样会使机器人的迈步距离增大，同时也降低重心，这样机器人更稳定，可以更好 的完成指定任务。经过不懈努力终于完成了程序的编写，经过老师的检验，第一次以 17 秒完成任务。在同学的提醒下又进行了执行时间的修改，最终以 10 秒的成绩完成作业。经过这次的学习和实验，我对机器人产生了浓厚的兴趣，希望以后可以继续接触机器 人，养自己的努力与知识完成更多的机器人功能。也希望能和同学更好的合作完成任务， 培养团队合作精神。6参考文献1 双足竞步机器人的设计与实现 作者：王冰，朱旭光，贺智宇，刘子龙，崔 哲源。辽宁工程技术大学电子与信息工程学院 20012 双足机器人技术设计 20113 单片机控制的多路舵机用PWM波产生方法作者：付丽，刘卫国，伊强20065 双足足球机器人行走步态研究作者：杨晶东，洪炳镕，黄庆成。哈尔滨工 业大学学报 20057附录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#6P1256T1000#1P1544#6P1456T1000#1P1544#2P1700#3P1500#4P1078#5P1878#6P1456T1000#2P1478#3P1811#4P1389#5P1567T1000#1P1433#6P1211T1000#2P1722#3P1633#4P989#5P1967T1000#1P1278#2P2056#3P1078#4P811#5P2144#6P1211T1000#1P1589#6P1278T1000#6P1500T10007.2相关图片