毕业论文+机器人的运动与控制

安阳师范学院本科学生毕业论文机器人的运动与控制作者****院（系）物理与电气工程学院专业电气工程与自动化年级2012级学号*****指导教师***日期***************学生诚信承诺书本人郑重承诺：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：论文使用授权说明本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名：导师签名：日期：第1页机器人的运动与控制杨佩佩（安阳师范学院物理与电气工程学院河南安阳455002）摘要：人形机器人一直是机器人领域研究的热点，它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、信息工程、自动控制工程以及人工智能和仿生学等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。本课题以Bioloid机器人为实践，着重分析机器人的构成，以及它的工作原理，并控制机器人的运动状态，让我们对机器人有一定的简单了解。|关键词：Bioloid机器人；构成；工作原理；控制1引言1.1课题意义人形机器人是机器人技术中的最高点，它代表了机器人技术的发展现状。人类是在地球上最富有智慧的一种动物。而对人类进行仿制的机器人是对高级智能形式的探索。人形机器人可以代替人类去完成危险的或繁重的工作。在有毒的、对人体有害的、高温的、或危险的工作环境中，人形机器人可以代替人类去完成这些工作。对于一些重复性和繁重的工作，人形机器人则完全可以代替人类保质保量的完成这些工作。[l]人形机器人在服务业方面具有广阔的前景。人形机器人可以做成导游礼仪机器人，能够跟人进行简单的对话，在宾馆接待客人。现在很多的国家在开发能进行表演的机器人。在大型游乐园，为了增加娱乐性，这些机器人能够说话唱歌和表演，还能跟人进行交流。人形机器人还是残疾人士的福音。在电影《阿凡达》里面有一种人操纵的仿人机器人，人可以坐在机器人里面操纵机器人行走和做各种各样的动作。如果这种机器人能够走进人们的现实，无疑会给残疾人士带来希望。使残疾人可以突破自身的缺陷，重新获得自由。当然，人形机器人对人类的益处远不止这些，而且它将会给人类在科技、社会、经济、文化、伦理等方面带来深远的影响。由于人形机器人代表了机器人技术的最高水平，因此成为各个国家在机器人技术上努力争取的制高点。各国都不遗余力地投入财力、物力进行人形机器人技术的研究，其机械结构、控制系统、步态规划等都成为当今机器人研究的热门领域。[2]人形机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统。[3]这对机器人的运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的实验平台。中国机器人大赛中专门设有针对人形机器人的舞蹈比赛，本项目这是以此为平台对人形机器人的机械结构和控制系统等进行研究，希望利用全国机器人大赛这样一个平台与其他高校、企业进行交流，相互学习，共同进步。1.2国内外的发展近年来，人形机器人的研究与开发引起了日本和欧美等许多国家的科学家和企业家的极大热情，而且这些国家的政府也纷纷耗资去组织相应的发展战略计划。许多著名的大学和公司也成立或资助了这些以研究和开发人形机器人为目标的研究机构。日本是最早进行人形机器人研究的国家，在国外人形机器人的研究中尤以日本的研究中最为突出，代表着世界研究人形机器人的最高水平。最早出现的人形机器人应该首推1973年早稻田大学加藤一郎研究室开发的认叭BO不1。加藤一郎教授等人在WL一5型二足步行机器人的基础上，配置了机械手、人工视觉、听觉等装置组成了认叭BO丫1型自主式机器人。尽管技术还不是很成熟，但认钱BOT-1却能通过视觉识别物体，也能通过听觉和语音与人进行交流，还能用有触觉的双手对物体进行操作，也能用双足行走，几乎具备人第2页形机器人的所有功能和组成要素。其后，早稻田大学同一个研究室又开发了能演奏钢琴的人形机器人认叭BOT-2。人形机器人的新纪元是由本田在19%年推出的P2掀开的。本田技研从1986年开始实施一项人形机器人研发的秘密计划。终于在1996年推出身高182cm、体重210kg的人形机器人P2。P2身上搭载了计算机和电池，而且具有无线遥控技术。P2通过重力感应器把地面的信息传给机器人电脑，经过机器人电脑进行判断，进而实现身体平衡和稳步前进。P2是世界上首台能用双足稳定步行的人形机器人，因此本田公司在人形机器人领域里处于世界绝对领先地位。此后，本田又于1997年发布了高160cm、重130kg的P3[4]。本田公司又在2000年n月推出了高度仅120cm、重量仅43kg的AsIMo[5]，向小型化迈进。本田公司还把目前最先进的行走技术i一Walk(hitelligentRealtimeFlexiblewalking，智能型即时弹性行走)运用到机器人。我国在人形机器人方面的研究与发达国家相比总体上还有一定的差距，但在我国学者的不懈努力下还是取得了丰硕的成果。在国家863计划、国家自然科学基金和湖南省的支持下，长沙国防科技大学首次于1988年2月研制成功了六关节平面运动型双足步行机器人。随后于1990年又先后研制成功了十关节、十二关节的空间运动型机器人系统，并实现了平地前进、后退，左右侧行，左右转弯，上下台阶，上下斜坡和跨越障碍等人类所具备的基本行走功能。近期在十二关节的空间运动机构上，实现了每秒钟两步的前进及左右动态行走等功能。经过十年攻关，国防科技大学还研制成功了我国第一台仿人型机器人—一“先行者”，实现了机器人技术的重大突破。“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以动态步行。2005年由北京理工大学牵头、多个单位参加历经三年攻关打造的双足人形机器人“汇童”研制成功，如图1一3b所示。“汇童GDSC”仿人机器人的应用，使我国成为继日本之后第二个仿人机器人走出实验室并投入实际应用的国家。我国人形机器人的研究起步较晚，主要在基础理论上有一些突破，重点主要集中在机构、控制系统和步态上，使机器人具有智能性和学习能力的研究才刚刚起步。2Bioloid机器人的基本构成及工作原理2.1基本构成图2-1Biolod机器人第3页CM-510作为机器人的CPU等同于人的大脑。它的使用电压6.5V-15V(充电:11.1V)，电流损耗比较小，工作温度：-5℃-70℃。内部的I/O设置包括,按钮：2个（Reset1,Star1）,麦克（声音感知）1个，温度传感器1个，电压传感器1个。外部I/O设置含有，OLLO周边配件5PI/O接口6个，AX-系列3P接口5个。图2-2CM—5控制设备，在PC上编写程序，串口下载到CM-5可控制28个伺服电机，10个传感器模块输入输出按钮遥控接口内置电池CM-5按钮可当输入装置，也可将两个CM-5分别作为遥控的发送/接收设备操作模式:管理模式（Manage）,编程模式（Program）,运行模式（Play）状态LED灯4种（POWER,TXD,RXD,AUX）。输入或命令按键4种（U,D,L,R）AX-12+数字伺服电机不像一般的R/C微伺服电机（舵机）使用PWM（脉冲宽度调制）控制，其需要使用CM-5DynamitesAX-12+伺服电机专用控制器控制。当用做关节电机时，可以旋转0～300°；当用作轮子驱动时，可以选择360°连续旋转模式。更重要的是AX-12+提供了高达16kg·cm的扭矩，是一般数字舵机的2倍，动力十足，是一款真正意义上的机器人专用伺服电机。AX-12+规格参数:1.齿轮减速比：1/2542.扭矩：12kg·cm（7V）；16.5kg·cm（10V）3.速度：0.269秒/60度(7V)；0.196秒/60度(10V)4.最小分辨率：0.35°5.最大运行角度：300°（有位置控制）；360°连续旋转（无位置控制）6.电压：7V~10V（推荐供电：9.6V）7.最大电流：900mA8.工作温度：-5~+85℃9.控制信号：数字信号10.通讯协议：半双工异步串行通信11.通讯设置：（数据位8、停止位1、无奇偶效验）12.Link方式:TTL－Daisy总线第4页13.ID数：254ID(0~253)14.通讯速率：7343bps~1Mbps15.反馈：位置、温度、负载、电压16.报警功能：当内部温度、扭矩、供电电压超过额定范围时，电机主动反馈实时情况。此种紧急状况，电机会闪动LED指示灯或停止输出扭矩。图2-3AX-12+(舵机接口)BioloidAX-S1可以是“麻雀虽小，五脏俱全”，包含多功能的AX-S1感测模块(如距离感测,声音感测等),不像其它远程遥控的玩具,Bioloid机器人套件组,可以让使用者开发智能型的自主程控机器人AX-S1包含的传感器1红外距离探测器1红外遥控器2声音探测传感器3光度探测传感器（3个方向）4温度检测传感器5红外线传输Bioloid中使用红外线传输，可以透过「Behaviorcontrol」或是编写程序来控制。图2-4AX-S1(传感器模块)其他组成单元：1专用专用伺服电机：专家版含21个电机，综合套件18个，初级4个2主控制器CM-5,专家版含2个,综合套件1个，初级1个3联结件：综合套件中215机械结构件，1000多个联结件4导线及外接电源1个5串口线若干及CD1个第5页图2-5部分单元器件实物图2.2全身机械结构原理人类在研究人体结构之前花费了大量的时间去研究昆虫，哺乳动物的腿部移动，甚至登山运动员在爬山时的腿部运动方式。这些研究帮助我们更好的了解在行走过程中发生的一切，特别是关节处的运动。比如，我们在行走的时候会移动我们的重心，并且前后摆动双手来平衡我们的身体。这些构成了人形机器人行走的基础方式。人形机器人和人类一样，有髋关节，膝关节和足关节。机器人中的关节一般用“自由度”来表示。一个自由度表示一个运动可以或者向上，或者向下，或者向右，或者向左。分散在身体的不同部位，所以骨骼结构因此而生。一般的，人形机器人身上装有两个传感器能辅助它水平行走，它们是加速度传感器和陀螺传感器。它们主要用来让机器人知道身体目前前进的速度以及和地面所成的角度，并依次计算出平衡身体所需要调节量。这两个传感器起的作用和我们人类内耳相同。要进行平衡的调节，机器人还必须要有相应的关节传感器和6轴的力传感器，来感知肢体角度和受力情况。机器人的行走中最重要的部分就是它的调节能力。所以需要检测在行走中产生的惯性力。当机器人行走时，它将受到由地球引力，以及加速或减速行进所引起的惯性力的影响。这些力的总和被称之为总惯性力。当机器人的脚接触地面时，它将受到来自地面反作用力的影响，这个力称之为地面反作用力。所有这些力都必须要被平衡掉，而机器人的控制目标就是要找到一个姿势能够平衡掉所有的力。这称做zeromomentpoint(ZMP)图2-6机械结构专用伺服电机：专家版含21个电机综合套件18个，初级4个联结件：综合套件中215机械结构件，1000多个联结件主控制器CM-5专家版含2个综合套件1个，初级1个外接电源1个串口线若干导线CD1个第6页当机器人保持最佳平衡状态的情况下行走时，轴向目标总惯性力与实际地面反作用力相等。相应地，目标ZMP与地面反作用力的中心点也重合。当机器人行走在不平坦的地面时，轴向目标总惯性力与实际的地面反作用力将会错位，因而会失去平衡，产生造成跌倒的力。跌倒力的大小与目标ZMP和地面反作用力中心点的错位程度相对应。简而言之，目标ZMP和地面反作用力中心点的错位是造成失去平衡的主要原因。假若机器人失去平衡有可能跌倒时，下述三个控制系统将起作用，以防止跌倒，并保持继续行走状态。（1）地面反作用力