兩足行走機(jī)器人行走控制部分設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第1頁(yè)共29頁(yè)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(yǔ)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(guó)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(guó)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(guó)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(jìng)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(jiǎn)，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(guó)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。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第2頁(yè)共29頁(yè)圖1.1日本“KONDO”跳舞機(jī)器人1.2國(guó)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(jiǎn)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(yǔ)音功能，能辨認(rèn)很多目標(biāo)，并能和人進(jìn)行很好的語(yǔ)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。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第3頁(yè)共29頁(yè)圖1.2Asimo(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(zhǎng)，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KohHosoda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-BT6，7。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HidetoSHIMIZU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1.3WABIAN-2LL(左)、Pneumat-BT(中)和HOAP-3(右)2006年，西班牙PolitecnicadeValencia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)處本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第4頁(yè)共29頁(yè)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(guó)國(guó)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(guó)SungKyunKwan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DSPTMS320F2407作為控制器，使用直流無(wú)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1.4YABIRO-2（左）、釜山大學(xué)機(jī)器人和SungKuhnKwan大學(xué)機(jī)器人（右）我國(guó)從80年代中期才開始研究?jī)勺悴叫袡C(jī)器人20，21，國(guó)防科技大學(xué)1988年研制成功我國(guó)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(guó)防科技大學(xué)又研制出了我國(guó)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(yǔ)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(jiǎn)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(jiǎn)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