雙足舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、編號(hào)：45哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)大一年度項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告項(xiàng)目名稱： 雙足舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì) 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人： 孫少偉 學(xué)號(hào)：150220119 聯(lián)系電話： 電子郵箱：院系及專業(yè)：信息與電氣工程學(xué)院 測(cè)控技術(shù)與儀器指導(dǎo)教師： 麻志斌 職稱： 高級(jí)工程師 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 信息與電氣工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心 哈爾濱工業(yè)大學(xué)教務(wù)處制表填表日期：2016年7月15日一、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員（包括項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、按順序）姓名性別所在院學(xué)號(hào)聯(lián)系電話本人簽字孫少偉男信息與電氣工程學(xué)院150220119王澤文男信息與電氣工程學(xué)院150220123程冰雪女信息與電氣工程學(xué)院150250205二、指導(dǎo)教師意見 簽 名： 年

2、 月 日三、項(xiàng)目專家組意見 組長(zhǎng)簽名： （ 學(xué)部蓋章 ） 年 月 日四、項(xiàng)目成果序號(hào)名稱說明1元電路設(shè)計(jì)主控、顯示和舵機(jī)模塊設(shè)計(jì)完成2程序研究主程序、航機(jī)控制部分程序完成3穩(wěn)定性研究基本實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定4整體運(yùn)行實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線向前、后退，擺臂五、項(xiàng)目研究結(jié)題報(bào)告雙足舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)信息與電氣工程學(xué)院第一作者：孫少偉第二作者：程冰雪、王澤文指導(dǎo)教師：麻志斌職稱：高級(jí)工程師摘要：本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一個(gè)多自由度的雙足舞蹈機(jī)器人，為實(shí)現(xiàn)舞蹈機(jī)器人控制的精確、簡(jiǎn)便，動(dòng)作表現(xiàn)的優(yōu)美，對(duì)成品雙足舞蹈機(jī)器人Robonova-2 Metal Fighter進(jìn)行了二次開發(fā)。此舞蹈機(jī)器人有17自由度，包括頭、腿

3、、踝、胯、腰、肩、肘和頸等關(guān)節(jié)。設(shè)計(jì)一個(gè)舞蹈動(dòng)作須使多個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作，動(dòng)作調(diào)試是一個(gè)非常繁瑣的過程，利用已開發(fā)的、基于計(jì)算機(jī)上位機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)試軟件來編排舞蹈動(dòng)作，并把相關(guān)的動(dòng)作數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)，最大限度地縮減了舞蹈動(dòng)作的設(shè)計(jì)和調(diào)試過程。在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，掌握了一定的ZMP理論應(yīng)用方法，將ZMP穩(wěn)定性理論應(yīng)用到雙足舞蹈機(jī)器人的調(diào)試中。經(jīng)過大量的調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了雙足舞蹈機(jī)器人的直行向前與后退，以及擺臂的動(dòng)作。關(guān)鍵詞：雙足機(jī)器人；舞蹈機(jī)器人；穩(wěn)定性；ZMP理論一 立項(xiàng)背景已有3000 多年歷史的機(jī)器人，在20 世紀(jì)得到迅速的發(fā)展并在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用1。機(jī)器人是一個(gè)多學(xué)科和技術(shù)相交叉結(jié)合的應(yīng)用領(lǐng)

4、域。它集中了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、材料、傳感器、控制技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門科學(xué)，代表了機(jī)電一體化的最高成就，代表著一個(gè)國(guó)家的高科技發(fā)展水平，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。娛樂機(jī)器人是智能服務(wù)機(jī)器人的一個(gè)分支，具有極強(qiáng)的觀賞和趣味性，是一個(gè)系統(tǒng)化的工程設(shè)計(jì)。涉及到運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制作、自動(dòng)控制和通信。擬人機(jī)器人是近來娛樂機(jī)器人的發(fā)展熱點(diǎn)。研究擬人機(jī)器人具有重要的科學(xué)意義：擬人機(jī)器人的研究模型為控制理論應(yīng)用及動(dòng)力學(xué)問題的研究提供了廣闊的天地。擬人機(jī)器人是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其變姿態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及產(chǎn)生穩(wěn)定步行所需要解決的動(dòng)態(tài)平衡問題，對(duì)于控制理論及動(dòng)力學(xué)問題的

5、研究來說，具有很大的挑戰(zhàn)。研究擬人機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)，揭示了雙足步行運(yùn)動(dòng)的機(jī)理及控制規(guī)律。可為機(jī)器人提供靈活的操作平臺(tái)，使其能夠在惡劣的環(huán)境下工作，也為人類假肢的發(fā)展提供了有力的理論、技術(shù)支持。雙足舞蹈機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)人類基本的行走、抬手、轉(zhuǎn)頭、鞠躬等動(dòng)作的基礎(chǔ)上，根據(jù)音樂給機(jī)器人編排不同的動(dòng)作，使機(jī)器人設(shè)計(jì)不再局限于科學(xué)研究，而使其觀賞性和藝術(shù)性大大提高，也使其具有很大的市場(chǎng)開發(fā)價(jià)值。例如，由日本東京國(guó)家信息通訊研究院的Hideki Kozima與美國(guó)卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)機(jī)器人技術(shù)研究所的馬雷科-麥克洛夫維奇(Marek Michalowski)共同開發(fā)的微型機(jī)器人Keepon跳舞機(jī)器人，用來幫助兒童

6、孤獨(dú)癥者擺脫這種疾病的困擾。本項(xiàng)目研究的是雙足舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)，旨在以Robonova-2 Metal Fighter為研究對(duì)象，使用RoboBasic語言編寫機(jī)器人的多組動(dòng)作，利用已開發(fā)的、基于計(jì)算機(jī)上位機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)試軟件來編排舞蹈動(dòng)作，并把相關(guān)的動(dòng)作數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)，縮減了舞蹈動(dòng)作的設(shè)計(jì)和調(diào)試過程，實(shí)現(xiàn)雙足舞蹈機(jī)器人的規(guī)定動(dòng)作組，即舞蹈。二 課題研究?jī)?nèi)容與方法1. 穩(wěn)定性的研究 雙足機(jī)器人在行走過程中，機(jī)器人與地面的接觸面積很小，很容易發(fā)生傾倒。而穩(wěn)定的步態(tài)是實(shí)現(xiàn)其它復(fù)雜功能的基礎(chǔ)和前提，所以穩(wěn)定性問題一直是研究的重點(diǎn)，也是雙足機(jī)器人研究的首要問題。伍科布拉托維奇提出的ZMP點(diǎn)理論，是研究雙

7、足步行機(jī)器人穩(wěn)定性的經(jīng)典理論。伍氏這樣來描述穩(wěn)定區(qū)域的概念：雙足步行機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)中，由支撐的腳掌所組成的區(qū)域在水平面上的投影。在單腳支撐期間，這一區(qū)域就是支撐腿的腳掌面；在雙腳支撐期間，這一區(qū)域?yàn)閮芍文_掌與地面的接觸點(diǎn)所構(gòu)成的最大區(qū)域。靜態(tài)步行時(shí)，機(jī)器人的重心的垂直位置始終落在支撐腳的支撐區(qū)域內(nèi)。動(dòng)態(tài)步行時(shí)，機(jī)器人所受的外力的合力點(diǎn)落入支撐腳支撐區(qū)域內(nèi)。他用了ZMP點(diǎn)來描述雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，ZMP是這樣定義的：將地面對(duì)足底沿z軸方向作用的分布力合成為一個(gè)合力，若這個(gè)合力作用點(diǎn)處的力矩為零，這一點(diǎn)便是零力矩點(diǎn)，也就是ZMP點(diǎn)。若ZMP點(diǎn)落在上述腳板支撐范圍之內(nèi)，則機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的2。而

8、要想處理好機(jī)器人穩(wěn)定性所涉及的問題，學(xué)習(xí)模糊控制及模糊處理器的使用同樣重要。模糊控制，是采用由模糊數(shù)學(xué)語言描述的控制律（控制規(guī)則）來操縱系統(tǒng)工作的控制方式，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。按照模糊控制律組成的控制裝置稱為模糊控制器。在雙足舞蹈機(jī)器人行走時(shí)，機(jī)器人的實(shí)際重心會(huì)與期望中心產(chǎn)生誤差，該誤差通過模糊控制器運(yùn)算處理可得各個(gè)舵機(jī)的補(bǔ)償角，經(jīng)由對(duì)應(yīng)舵機(jī)將補(bǔ)償角作補(bǔ)償，可使機(jī)器人在站立或步行時(shí)能夠達(dá)到平衡。也就是說當(dāng)二足機(jī)器人行走時(shí)，利用腳底壓力傳感器取得壓力值，運(yùn)算及判斷二足機(jī)器人實(shí)際重心是否落在二足機(jī)器人支撐多邊形范圍內(nèi)，并計(jì)算實(shí)際重心與期望重心之

9、誤差，以模糊控制器將二足機(jī)器人重心控制于支撐多邊形范圍內(nèi)，這樣就能使二足機(jī)器人行走時(shí)能夠更加穩(wěn)定。圖一 ZMP點(diǎn)理論2.方案論證（1）第一種方案：擬采用咪頭聲音采集模塊，用于采集周圍環(huán)境的聲音，將模擬的電流信號(hào)傳給作為主控的加強(qiáng)版51核心板（STC15F2K60S2）。主控輸出多路PWM信號(hào)給舵機(jī)組，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的變化，并以LCD1602實(shí)時(shí)顯示多個(gè)舵機(jī)的狀態(tài)（包含當(dāng)前舵機(jī)編號(hào)與當(dāng)前所轉(zhuǎn)過的角度）。 圖二 聲音采集模塊：咪頭 圖三 銀燕ES3154（2）第二種方案：擬用咪頭聲音采集模塊采集周圍環(huán)境的聲音，將模擬的電流信號(hào)傳給作為主控的ArduinoMEGA2560。主控輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)組，通過UAR

10、T通訊傳給伺服控制器（最多可以控制32路舵機(jī)）,再由其輸出多路PWM信號(hào)給舵機(jī)組，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的變化。這里不再采用LCD1602實(shí)時(shí)顯示舵機(jī)狀態(tài)的原因是，此類小液晶占用了較多的IO口，更適宜于調(diào)試過程中使用，且在小機(jī)器人上難以安裝。不再采用主控直接輸出PWM來控制舵機(jī)組的原因是Arduino系列AVR單片機(jī)直接輸出PWM電流信號(hào)的頻率為491Hz，不是理想的控制舵機(jī)的50Hz信號(hào)，且其調(diào)節(jié)輸出頻率需修改Arduino的底庫文件，能力所限，難以實(shí)現(xiàn)3。 圖四 ArduinoMEGA2560 圖五 伺服控制器（3）第三種方案：對(duì)Robonova-2 Metal Fighter進(jìn)行二次開發(fā)。此款雙足舞

11、蹈機(jī)器人有17自由度，包括頭、腿、踝、胯、腰、肩、肘和頸等關(guān)節(jié)。利用已開發(fā)的、基于計(jì)算機(jī)上位機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)試軟件roboBASIC來編排舞蹈動(dòng)作，并把相關(guān)的動(dòng)作數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)，方便舞蹈動(dòng)作的設(shè)計(jì)和調(diào)試。伍科布拉托維奇的ZMP穩(wěn)定性理論也被應(yīng)用到此機(jī)器人的調(diào)試中。經(jīng)過大量的調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了雙足舞蹈機(jī)器人的直行向前與后退，以及擺臂的動(dòng)作。圖六 Robonova-2 Metal Fighter三 研究結(jié)果經(jīng)過近一年的學(xué)習(xí)，掌握了增強(qiáng)版51單片機(jī)的各個(gè)基本模塊的使用，如用定時(shí)器中斷設(shè)定一定時(shí)間以輸出一定頻率一定占空比的PWM信號(hào)，用異步通訊（UART）模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用LCD1602顯示模塊

12、等。與此同時(shí)，也掌握了Arduino系列AVR單片機(jī)的基本使用，體會(huì)到Arduino自帶的豐富底庫文件給單片機(jī)學(xué)習(xí)與應(yīng)用帶來的巨大便利，以及這種高度封裝的底庫文件修改帶來的問題。也在最終方案中學(xué)習(xí)了不同于51、Arduino編程的另一種語言roboBasic，參考自帶的教程與例程，基本掌握了這種語言的使用，體會(huì)到BASIC語言簡(jiǎn)單、易學(xué)的基本特性。四 創(chuàng)新點(diǎn)這個(gè)項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)：（1）學(xué)習(xí)并掌握了多種單片機(jī)的基本編程；（2）練習(xí)、使用了多個(gè)與單片機(jī)相關(guān)的常用模塊；（3）掌握并使用roboBasic語言，調(diào)試出符合要求的舞蹈動(dòng)作。五 結(jié)束語通過一年的努力，我們團(tuán)隊(duì)的雙足舞蹈機(jī)器人已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，我們自身