双足竞步机器人智能步行者技术报告

. . . 双足竞步机器人智能步行者技术报告- 13 - / 20目录摘要II目录III第一章引言- 1 -1.1机器人控制技术的国外研究现状- 1 -1.2双足机器人的特点- 1 -1.3机器人的发展趋势- 2 -第二章机械机构设计- 3 -2.1固件选型与安装- 3 -2.2固定件实物图- 4 -2.3安装步骤- 4 -第三章电路硬件设计- 5 -3.1最小系统板- 5 -3.2电源模块- 6 -3.3电机模块- 7 - 3.4循迹模块.-7-第四章软件设计- 8 -4.1逻辑机构图- 8 -4.2软件的实现方法- 9 -第五章步态规划设计.-11-第六章总结- 12 -6.1不足以与改进- 12 -附录A部分程序源码- II -附录B电路板设计原理图- IV -第一章引言1.1机器人控制技术的国外研究现状双足机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一，它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术与人工智能等多门学科于一体，是一个国家高科技实力的重要标志。而且，双足机器人是一种高度非线性、强耦合的对象，反映了一个国家的智能化和自动化研究水平，双足机器人研究已成为目前非常活跃的一个研究领域。 双足机器人是一种非常典型的仿人机器人，国外早在60年代末就开始了双足机器人的研究开发。1968年，美国通用公司试制了一台名为“Rig”的操纵型双足机器人，揭开了双足机器人研究的序幕。随着双足机器人在各个领域的应用日趋广泛，各个国家在该领域相继投入巨资开展研究。自20世纪90年代开始，双足机器人的研究已从模仿人类腿部行走发展到全方位拟人阶段，相继诞生，P3，ASIMO等机器人明型刎。双足步行机器人的运动规划问题主要是研究如何提高行走速度、减少行走耗能、实现行走稳定(包括静态和动态稳定)和姿态切换等。 步行是人类最基本的行为方式，双足机器人具备人类的基本结构，具有类人的步行能力。双足步行机器人在外形上具有人类特征，适合用于人类生活的环境，为人们提供方便，因此具有广阔的市场前景。双足机器人与其他多足机器人相比具有体积较小、重量轻、动作灵活、迅速，而且更接近于人类步行的特点，因此它们对环境有最好的适应性，在日常生活中更具有广泛的应用前景，并且对控制方法产生一定影响，从而促进仿生学与其他领域的相关研究与应用。通过研究机器人我们可以更多的了解和掌握人类的步行特征，并为人类的服务，如人造假肢。综上所述，双足机器人的步态规划研究具有重要的理论意义和应用价值，步稳定性是首要的问题，也是双足步行机器人的核心问题，是实现其他复杂功能的前提和基础，是当前双足机器人研究的重要任务。双足机器人采用单、双脚交替支撑的方式步行，具有很好的灵活性，但由于其结构复杂，要实现稳定的步行，必须先规划出合理的步态。步态的好坏将直接影响到机器人行走的稳定性、驱动力矩的大小以与姿态的美观性等。目前，双足机器人的步态规划方法计算量大，难以满足实时性要求，因此，大部分步态都是离线规划的。在规划过程中，为了使计算过程和运动分析变得简单，一般把三维空间的步态规划分解到径向和侧向两个平面进行，并且假设这两个平面的步态是相互独立的。1.2双足机器人的特点 双足行走机器人属于类人机器人，典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿与髋关节、膝关节和踝关节。并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑与连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动。与其它足式机器人相比，双足机器人还具有如下的优点： (1)双足机器人对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，不仅能够在平面行走，而且能够方便的上下台阶与通过不平整、不规则或较窄的路面，故它的移动“盲区”很小。 (2)双足机器人具有广阔的工作空间，由于行走系统占地面积小，活动围很大，其上配置的机械手具有更大的活动空间，也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。 (3)双足行走是生物界难度最大的步行动作，但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。 此外，双足行走机器人能够在人类的生活和工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。所以双足行走机器人具有广阔的应用领域，特别是作为残疾人（下肢瘫痪者或截肢者）提供室和户外行走工具、极限环境下代替人工作业等方面更是具有不可替代的作用1.3机器人的发展趋势 双足行走机器人具有以下几个发展趋势，当然也是进一步研究的重点所在。 （）稳定性与控制。稳定性与控制策略是双足行走机器人技术的关键，也是各国学者研究的焦点。具体主要有双足运动的动态稳定与控制机理、双足步行运动的固有鲁棒性机理、实时步态规划与控制等几个方面。只有解决了这些问题，双足机器人才能实现自然、顺畅地行走，从而更好地完成任务。年月在中国举行的机器人大赛上，所展出的双足机器人已经具有较好的稳定性，不但具有顺畅的行走能力，而且在不慎摔倒时还能够独立地站立起来继续行走。 （）开发新型关节驱动器。双足机器人的自由度是其完成动作质量的保证，自由度越多其动作越协调、顺畅。目前研制的双足机器人自由度最少的也有十几个，最多的达到几十个。自由度的增多的同时对驱动器的要求也越来越高，已不局限于传统的几种方式，形状记忆合金驱动、压电瓷驱动等方式逐渐应用到机器人领域，这些驱动方式以驱动速度快、负载能力强等特点已经逐渐取代了传统的驱动方式。 （）改进人机接口设计。机器人应该要与人类共存并合作，做人类做不到的事，开拓机动性的新领域，从而对人类社会产生附加价值，而并不是完全取代人。目前，双足机器人还不能摆脱人的控制而独立工作，因此，良好的人机协调系统在机器人的工作中将起到非常重要的作用。第二章机械机构设计2.1固件选型与安装 1：多功能舵机支架 2：长U型支架 3: 短U型支架 4：U型梁 5：大脚板 6：杯式轴承组件 7：金属舵盘 8：多孔固定件 9：传感器固定支架 10：直角固定件2.2固定件实物图 图1 机器人各部件实物图2.3安装步骤 A：将舵机用多功能固定件固定在大脚板上，然后用螺丝固定。 B：用长U型固定件以与多功能固定件把另一个舵机固定在第一个舵机上，作为膝关节。 C：再用一个长U型固定件和一个多功能固定件把另一个舵机固定在膝关节的上方作为胯关节。 D：最后用一个U型梁以与舵机金属舵盘把两个舵机腿固定在一起，组装成一个六个自由度的机器人。第三章电路硬件设计3.1最小系统板该系统以STM32F407ZET6为核心控制板（1）核：ARM 32位的Cortex(TM)-M4 CPU。 （2）工作频率：最高168MHz工作频率（网上有人测试可达200多MHz）,在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz(Dhrystone2.1)。 （3）工作电压与封装：1.83.6伏供电和I/O引脚。 （4）存储资源：高达512K字节的Flash存储器,192 +4 KB的SRAM，其中包括64字节的CCM（核心耦合存）RAM,灵活的静态存储器控制器支持闪存，SRAM，PSRAM，NOR和NAND存储器。 （5）低功耗设计:睡眠，停机和待机模式,VBAT提供RTC，20 32位的备份寄存器+可选的4 KB备份SRAM。 （6）接口资源：3个12位A/D模数转换器，1s转换时间(多达24个输入通道)，2通道12位D/A转换器、12通道DMA控制器，多达140个I/O端口具有中断功能，136个快速I / O高达84 MHz，138个5 V容限I/O，17个定时器（12个16位的2个32位的），2个看门狗(独立、窗口型的)，15个通信接口，3个I2C接口，3个SPI接口(37.5M位/秒）,5个USART接口支持ISO7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制)，2个可复用为I2S接口，2个USB2.0全速接口，2个CAN通信接口，8 - 14位并行摄像头接口54 M，10/100以太网MAC专用DMA,还有SDIO,FSMC接口。 （7）调试下载：串行单线调试(SWD)和JTAG接口，Cortex-M4嵌跟踪模块(ETM)。3.2电源模块 控制板和光电传感器用5V电池集中供电，舵机用7.4V电池供电。 图2 5V电池和7.4V电池3.3电机模块常用的电机有直流电机、步进电机、舵机等。下面我们大概对直流电机、步进电机、舵机进行一下对比：表31 各种电机的优缺点比较 电机 优点 缺点 适用重量 应用场合 直流电机功率大，机构接单较难装配，较贵，控制复杂任何重量的机器人较大型机器人 步进电机精确的速度控制型号多，接口简单，便宜体积大，较难装配，功率小，控制复杂轻型机器人迷宫机器人 舵机易于安装，接口简单，功率中等负载能力较低，速度调节围小5kg左右的机器人小型机器人步行机器人 由于此机器人是重量较轻的小型双足竞步机器人，并且在步行过程中是对步态的控制需要转动，因此本机器人选用舵机作为动力器件。（1）舵机的结构和工作原理 结构：一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置，反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。 工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这两根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。 （2）单片机控制舵机的方法 舵机的控制信号是一个脉宽调制信号，很方便和数字系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机，比方PLC、单片机等。因为在脉冲信号的输出可以用定时器的溢出中断函数来处理，时间很短，因此在精度要求不高的场合可以忽略。通过编程就可以让舵机从0度变化到180度。另外要记住一点，舵机的转动需要时间的，因此，程序中时间的变化不能太快，不然舵机跟不上程序。根据需要，选择合适的延时，返复调试，可以让舵机很流畅的转动，而不会产生像步进电机一样的脉动。舵机的速度决定于你给它的信号脉宽的变化速度。如果你要求的速度比较快的话，舵机就反应不过来了；将脉宽变化值线性到你要求的时间，一点一点的增加脉宽值，就可以控制舵机的速度了。当然，具体这一点一点到底是多少，就需要做试验了，不合适的话，舵机就会向步进电机一样一跳一跳的转动了，尝试改变这“一点”，使你的舵机运动更平滑。还有一点很重要，就是舵机在每一次脉宽值改变的时候总会有一个转速由零增加再减速为零的过程，这就是舵机会产生像步进电机一样运动的原因。3.4循迹模块本机器人采用ND80K为循迹传感器，该传感器在检测到黑色的KT板是返回的是高电平，检测到白色的KT板时返回低电平。在单片机程序过GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, u16 GPIO_Pin)函数可以读取管脚上返回的电平，从而可以通过在相应的程序过对返回电平的大小从而对步态进行调整。具体部分程序如下：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; 第四章 软件设计4.1程序流程图 本系统的程序流程图如图3所示： 开始 STM32F407ZET6控制芯片传感器的信号的采集内外都黑右偏内黑外白右偏内外都白左偏内白外黑正常左微调左微调右微调 直走 图3 程序流程图4.2软件的实现方法首先通过光电传感器感知该机器人此时的位置，然后把信号传递给主核心控制芯片，按程序分析此时的位置正确与否，然后通过程序对此时的步态进行微调，使机器人回到正确的路线上。该小型系统是通过顺序逻辑结构和循环结构来实现具体的操作过程。具体详见附录A。第五章步态规划 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的实现某种步念的各关节运动轨迹(期望运动轨迹)。步态规划是机器人稳定步行的基础，也是双足步行机器人研究中的一项关键技术。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。完整的步态规划包括两方面的容：姿态的规划和ZMP(Zero Moment Po洫，零力矩点)轨迹的规划，二者相互影响，关系密切。所谓姿态的规划，是指机器人行走过程中其各组成部分运动轨迹的规划，比如说，脚掌何时离开地面、摆动相中整个脚掌在空中的轨迹、何时落地等。姿态的规划相对比较简单，常用的方法是先规划出髋关节与踝关节的轨迹，然后计算出其它组成部分的轨迹。 当前步态规划的方式主要有基于仿生学原理和基于力学稳定性这两种。基于仿生学原理的双足步态研究主要是通过测量和分析人的步行运动，研究双足步行的基本原理,将得到的一些基本步态特征运用到双足机器人步态规划和控制中。基本过程是让人模仿机器人的自由度行走(如果机器人有几个自由度，那么人在模仿行走的时候也尽量只动相应的自由度)，同时对此人的行走过程进行正面和侧面的录像，然后对这些录像进行分析，得到此人在步行过程各个主要关节的角度变化与时间的函数，然后根据力学相似原把这些函数相似地推广到机器人的关节变化上。基于力学稳定性的步态轨迹规划方法又分为基于模型和非模型两种步态规划和控制策略。基于模型的双足控制借鉴已知的物理模型特性对双足机器人模型进行简化，建立了倒立摆模型、被动步态模型、质量弹簧模型等实用控制模型。基于非模型的控制策略从机器人步行运动的约束入手，一般从双足机器人的稳定和能量两方面对双足步态运动加以规划和控制IlJ。步态规划步骤如图4所示图4 步态调试的的具体步骤第六章 总结6.1不足以与改进 （1）机器人的步态优化不是很好，在行进过程中会有大脚板的轻微滑动现象的发生。通过调节机器人重心的位置,使大脚板有更好的抓地力,同时还可以在机器人的脚底部增大黏力,使机器人脚底板有更大的摩擦力. （2）机器人在行进过程中左右摇摆有点大,具体通过适当的改小步态,稍微加快频率来使机器人趋于小幅度的摇摆状态. （3）在进行机器人的复位过程中会出现突然跳动的情况，从而会导致机器人的步态不是很稳定的现象发生。面对这些情况我们可以在程序过改变机器人步态的逻辑结构来实现机器人的稳步前进，微调，转弯和停止。（4）机器人在行进过程中可能会发生情况误判的情形，在这种情况下需要在程序中加相应的程序段来判断是否发生了误判从而增强机器人系统的鲁棒性。6.2参赛心得这次比赛我们不仅代表了个人，还代表了学校，我们为学校争得了荣誉。这场竞赛虽然取得了一定的成绩，但同时也暴露出一些问题，针对这些问题，现对本次竞赛的情况作如下总结，以便为下一届参加竞赛的学弟学妹们做个参考。1、心理素质是影响竞赛的关键因素。比赛不仅比技术，也比心理素质。技术再高的人如果欠缺一定的心理素质，将会直接影响到自身的发挥。那究竟怎样克服心理障碍这点呢？第一，拿到题目后不要紧，俗话说万变不离其宗，不管是自己见过的还是没见过的，首先要把考题和以前遇到的类似题型相比较，然后分析它们的一样点和不同点，从而找出正确的解题思路。第二，做题时切记不能三心二意，做题时一定要专心，不要一题做一下另外一题又做一下，最后反而都没做好。第三，在平时的训练中要把每一次练习当成比赛，这样才能在平时的训练中提高自己的心理素质。2、团队精神至关重要。在平时的训练中，大家都会遇到不同的问题，遇到问题时要互相讨论，相互指出各自的不足，相互交流，相互考核，团结作战，共同成长，有了这样的团结精神，才能在比赛中“厚积薄发”。3、要有速度、要细心。每个参赛选手的技能水平都不相上下，比赛比的就是操作的速度快不快，在操作的过程中细不细心。竞赛中失误大部分都是不细心所导致的。拿单片机的编程来说，程序的完整性是很重要的，拿到题目时要仔细读懂题意，弄清题目所要实现的功能，这就要求在编程时不仅速度要快，而且不能犯语法错误，一步一步的编，但不能盲目地追求速度，这样才能保证编程既有速度又有质量。 4、要学会自学。我们都是接受过高等教育的人，自学能力是我们要具备的基本素质，遇到难题和不懂的问题一定要自己去查资料，不要因为没有学过而灰心而失去信心，每个学生在课堂上学的东西总是有限的，很多知识是要靠自己去学习和积累。这次比赛我收获最大的就是提高了我的自学能力。5、平时的练习要脚踏实地，既不能图快，更不能懒散。遇到问题要勤思考勤动手，把问题的原因、现象以与解决方案用纸记录下来，这样不至于以后犯同样的错误。我相信只要这样坚持下去，自己的技能必定会有所进步。本次竞赛是一次理论与实践相结合的竞赛，充分体现了对现代自动控制型人才的要求，给了我们一个自我提高和学习的好机会，为我们提供了一个展示自己的大舞台。我们非常感为我们指导的老师们，非常感学校各级领导对我们的鼓励与支持，更要感那些在层层选拔中落选的同学们，我们在今后的学习中将更加努力，苦练技术，用我们的辛勤劳动来回报学校，回报社会。参考文献1 STM32自学笔记.:航空航天大学，2007.2 阎石, 数字电子技术基础.：高等教育, 1998.3 王威等,HCS12 微控制器原理与应用.：航空航天大学出版社,2007.10.4 战舰STM32库函数开发实战指南5童诗白，模拟电子技术基础.：高等教育6胡寿松，自动控制原理附录A部分程序源码 int main(void) SystemInit(); LED_Init(); Infra_GPIO_Config(); TIM2_PWM_Init(20000-1,84-1); TIM4_PWM_Init(20000-1,84-1); GPIO_Configuration(); USART1_Configuration(); I2C_GPIO_Config(); Init_HMC5883L(); Init_ADXL345(); Init_BMP085(); Init_L3G4200D(); stand(); delay_ms(3000); prepare();position_0();position_1();while(1) / right_move(); /normal_walk(); /left_move(); /position_0(); /position_1();/ position_2();/position_3();/ turn_position0();/turn_position1();/turn_position2();/turn_position3();walk_while();/ 附录B电路板设计原理图(1) 主控制板 图5 主控板电路图(2)JTAG接口 图6 JTAG接口图(3).电源接口 图7 电源供电图