双足机器人

摘要双足步行机器人控制及其相关技术研究，在机器人研究领域中有着重要的理论研究价值，并且相关研究成果与现实社会联系紧密，有着不可忽视的现实意义，因此一直都是机器人研究的热点之一。双足步行机器人类人地直立行走，其有着良好的自由度、动作灵活、自如、稳定，能够适合各种不同的操作环境，是机械、电子、信息、光检测为一体的集合。双足步行机器人能突显出科技水平个性化，在行业中的影响力，可提高服务水平，担当导游、服务、咨询、信息查询等角色。这不仅仅是一个服务问题和节省人力的问题，更重要的是她可以提供各种全面特殊的服务，一人可在不同的场合充当不同的角色，可以自动识别行走过程中碰到的障碍物，并做语音提示。双足步行机器人从小型、灵活、功能全面、可操作性好、稳定等方面考虑，从实际可使用性而设计的全新的一款智能型机器人。关键词：双足步行机器人、语音、步行、测距、避障目录1．设计背景……………………………………………………………………12.设计要求及概述……………………………………………………………23．方案确定……………………………………………………………………43．1总体方案确定及构建………………………………………………43．2结构方案确定…………………………………………………………43．3关节驱动方案确定……………………………………………………73．4语音模块方案确定……………………………………………………73．5传感器方案确定………………………………………………………83．6单片机选型……………………………………………………………94．功能实现方案………………………………………………………………94.1功能一的实现…………………………………………………………104.2功能二的实现…………………………………………………………115.机器人硬件构造………………………………………………………………125．1机械方面设计及运动分析规划………………………………………125.1.1结构及机构设计………………………………………………125.1.2自由度(关节)设计分配………………………………………135.1.3步态规划………………………………………………………145.2电子、信息方面设计及应用…………………………………………165.2.1单片机选型及PCB设计………………………………………165.2.1.1单片机选型……………………………………………165.2.1.2语音模块电路设计……………………………………175.2.1.3msp430f149供电及舵机控制电路设计………………175.2.2舵机选用………………………………………………………195.2.3语音模块应用…………………………………………………205.2.4传感器选用……………………………………………………226.机器人软件设计………………………………………………………………246.1舵机控制程序设计………………………………………………………246.2语音模块SPI通信程序设计……………………………………………276.3红外传感器应用程序设计……………………………………………307.整机调试………………………………………………………………………30７.１功能一实现程序设计………………………………………………30结论及尚存在的问题……………………………………………………………31致谢………………………………………………………………………………32参考文献…………………………………………………………………………33小型双足步行机器人姓名：唐历君、王洁龙、黄桂冰、汤敏艺、许土趁学号：2005334124、2005334102、2006334225、2006334207、2006334208班级：05机电一班、06机电二班1．设计背景随着我国的不断发展壮大，国家GDP不断增长，经济发展到一定程度国家经济模式必定转型，我国有的城市已经开始向第三产业服务性行业转变，为了突显出科技水平个性化，在行业中的影响力，增加消费者的兴趣，提高了服务水平，而这些机器人正可以做到，此机器人美观实用，它会出现在奥运场馆、运动员住所、高级宾馆、饭店、旅游景点等，代替人接待客人，担当导游、服务、咨询、信息查询等角色。这不仅仅是一个服务问题和节省人力的问题，更重要的是她可以提供特殊服务，同时能提升在行业中的整体形象。可以做导游和导购等服务，可以自动识别行走过程中碰到的障碍物，并做语音提示。另外，它还可以是位摄影师，会给人照相，会出现在写字楼、科技馆、少年活动中心及企业广告、重大活动等，还能担任电视嘉宾、主持人等。2．设计要求及概述机器人能自由行走，能在行走的过程中识别障碍并能测量出与障碍物间的距离，机器人可在门口进行迎接客人，当有客人从前方到达它的跟前时，它能够说出“欢迎光临”之类问候语，同时做出相应的致礼动作，当有客人离去时，它能够说出“你慢走，祝天天有好的心情”之类话语，此外此机器人能做出一些简单的动作表演，在表演的同时还能对一些动作进行解释，机器人自动识别障碍物，当有障碍物时旋转双眼来寻找好的出路，然后走出障碍物的困绕；此外在此机器人上安装一些工作所需的传感器、摄像头和无线模块，可实现对周边环境进行测试、监控、探索、搜索。机器人模型为多自由度双足步行型似人形机器人，由于有着多个自由度而能行走自如，能做出复杂而以灵活的动作，关节间用精敏的电机，靠功能强大的单片机来控制多个电机的运动，通过程序设计来达到控制电机转动相应的角度，以实现双足行走和各种动作的完成实现。机器人上装有可测量障碍物距离的传感器，传感器传回的测量信号通过单片机处理后按一定的算式计算来得到实际的距离，以实现测距避障，此传感器还用来监测客人从机器人哪一方向走近，来实现语音模块发出相应的语音；在避障时可测距的传感器对周围环境进行扫描来获得分析最佳行走路线的数据，选择好了路线后机器人进行避障行走。语音模块功能通过单片机与之进行通信来对语音模块进行相应控制，语音中的语音源来自一个语音库，库中的语音通过单片的这种通信协议控制事先录入其内在中，把不同场景要发的语音分成一小块不同的段区，在外检测信号通过传感器经过单片机处理后，单片机发出命令播放相应段区内的语音。各个功能的实现借助在机器人的身上装的一些不同的类型的传感器和启动按键来激活相应的程序模块，来控制一个可控制的数字录音扩展部件（事先已经录制了几段不同的问候语）、机器人的行走，单片机系统能通过这些传感器接收客人到达或者握手的信号，并分析传感器信号的来源，然后控制输出信号来控制语音芯片发出相应的问候语。其最终效果见图2.1所示：3．方案比较及确定3．1总体方案确定及构建整个双足步行机器人创作过程分四大部分：整体造型、关节驱动控制、语音模块应用、传感器检测。关节驱动控制、语音模块应用、传感器检测这三大部分须在单片机的调控下各部分之间实现联动时协调一致，协调示意图如图3.1：3．2结构方案确定由于机器人为多自由度双足步行型似人形机器人，有着多个自由度而能行走自如，能做出复杂而以灵活的动作，需要多个关节因而关节间用精敏的舵机通过铝合金板来对各个电机进行联接、固定，进而用铝合金板来构造机器人整体成形。第一代双足步行机器人的外形设计见图3.2：经过改进后安装上电路板的最终外观为图3.3a,b,c：3．3关节驱动方案确定本作品选用的驱动电机是舵机又叫数字伺服电机，感谢台资ＴＲＩＣＯＲＥ公司在佛山的分公司泓记精密股份有限公司提供的舵机，此舵机用来做各个关节的驱动马达，在机器人行走和手部做出各个手势时，数字伺服电机来驱动各个关节以实现动作的完成。其外观见图3.4:选用舵机的原因有如下几点:1)舵机易于控制,只需发出一定的PWM信号即可,不像异步电机需要驱动器;2)舵机运转较精确,直流电机难控制且精确不高,对硬件设计、软件设计要求要高；3．4语音模块方案确定本作品采用的语音芯片模块为创唯WTR-S模块，其主要优点为：1)支持三线串口模式控制方式(SPI通信),便于控制;2)电压范围为DC2.7V至3.5V，与msp430f149供电电压可共用;3)支持线录和MIC录音,方便语音录入;4)自建内部功放，播音电流随音量大小不同20至200mA;5)省电,且容量大至32M/Bit;实物图如图3.5所示:3．5传感器方案确定一般的反射式红外传感器。工作中，根据白色与黑色的反射率不同来辨别轨迹，避障工作中，根据传感器前方有物体时有反射信号到达接收管来获得触发信号，不能检测前方障碍物的距离；而本作品采用的红外传感器为功能强大的GP2D12可测距传感器。实物见图3.6:3．6单片机选型本作品采用的是MSP430系列的msp430f149单片机，由于其有着丰富的片内外围模块，MSP430系列单片机集成了较丰富的片内外设。msp430f149单片机主要特点有：1）低功耗可用电池供电；2）它有着丰富的定时器资源，一共有11个计数定时器。分别是看门狗（WDT）、定时器A（Timer_A）和定时器B（Timer_B）。其中Timer_A有着3个可编程的捕获/比较寄存器分别为：TACCRO、TACCR1、TACCR2；Timer_B有着7个可编程的捕获/比较寄存器分别为：TBCCRO、TBCCR1、TBCCR2、TBCCR3、TBCCR4、TBCCR5、TBCCR6；3）有着丰富的I/O口，一共有48个，为P1、P2、P3、P4、P5、P6口而每一个口有着8个位口，其中P1、P2有着中断功能，而且有的口有着第二功能可通过程序来设置相应的功能，这样大加强了Ｉ／Ｏ的功能；4）有着12位的A／D硬件转换模块，且有８个通道，能同时转换８路信号；此外有FLASH型的储存器，有可电擦写的FLASH存储器，加上片内有JTAG调试接口，可采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行，这样只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器，就有了十分方便的开发调试环境。而且它可以用的开发语言有汇编语言和C语言。4．功能实现方案双足步行机器人在提供服务中充当着不同的角度，因而须拥有众多的功能，出于目前小组的硬件及软件情况，目前从两个功能入手往后再逐步增加、完善。现阶段主要是实现如下两的功能。4.1功能一的实现此功能是双足机器人在充当动作教练、娱乐性机器人、宠物角色时，实现其角色的一个方案。此功能主要描述为：在机器人接到指令情况下，机器人向前行，来到表演区开始表演、演示各种动作，这些动作（可为表演一段节目，演示体操，做出各种手势等）可根据需要具体设定；并且在表演的同时能说话为大家以各个动作做出解释。此功能机器人具体实现方案为框图4.1：4.2功能二的实现此功能为机器人充当导游、导购、保姆、迎宾时使用而设计，此功能使机器人具备自动识别可移动物、障碍物，能自主地检测障碍物的距离并且自动处理好传感器的信息，选择最佳路径来避开障碍物；还能使机器人具有代替主人迎接、欢送客人的能力，同时说出一些温馨的话语。此功能具体实现方案描述如框图4.2所示：5.机器人硬件构造5．1机械方面设计及运动分析规划机械设计主要涉及的是结构的设计，机构设计，自由度的分配。而结构的设计是设计机器人的整体结构，从机器人的外形，整体尺寸的大小及比例关系，材料的选择，加工工艺；机构设计考虑各电机的连接方式，运动键间的关系；自由度的分配设计各个关节的位置布局以其各关系的相对关联。而运动分析是对机器人的行走的步态分析，对前行，后退走，左、右转弯行走的每一小步进行规划，分析步与步之间的相对关系，对每一步的进行量化。5.1.1结构及机构设计机器人的外形美观大方，作品从似人方面来设计机器人的结构，并且类人机器人为多自由度机器人，有着多个自由度而能行走自如，能做出复杂而以灵活的动作，人形机器人结构是众机器人当中最为理想的结构。双足步行机器人各个关节间需要相对运动，并且一个舵机只有一个自由度因而关节采用运动副结构，运动副与运动副之间用杆件连接，这样