论文研究-小型双足机器人设计概述 .pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.20M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 小型双足机器人设计概述黄河，李晓，刘学瑞，黄艳秋中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（211008） E-mail：yellowriver_cs@163.com 摘要：机器人技术是近年发展起来的综合学科。小型双足机器人系统是包含驱动、控制和执行机构的小型作业系统，在民用和军事领域有广泛的应用前景。本课题设计并实现了一个以 8 位单片机为核心控制器的集串口控制、网络控制、无线通信控制于一体的双足机器人系统。本系统有两大特色：一是可以通过无线遥控控制机器人，或通过远程客户端登陆本地服务器控制机器人；二是机器人可以用脚步行，也可以变型成车用轮行驶。最终本系统可实现无线遥控或远程网络控制双足机器人完成前后行走、翻跟斗、跳舞，并由机器人变型成小车，以及小车的前后左右行驶，再由小车变型成机器人等功能。关键词：机器人；串口通信；无线通信；网络通信中图分类号：TP242 1. 背景机器人是一种具有某种仿人功能的自动执行工作的机器装置。机器人可接受人类指挥，也可以执行预先编排的程序，还可以根据以人工智能技术制定的原则规定行动。机器人执行的是取代或协助人类的工作，例如制造业、建筑业，或是危险的工作。机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学甚至军事等领域中均有重要用途。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，模仿人类的腿及各个关节。并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动[1]。与其它机器人相比，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；双足机器人具有广阔的工作空间；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，特别是为下肢瘫痪或截肢的残疾人提供室内和户外行走工具，以及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。 2. 机器人简史与定义机器人脱胎于现代工业自动化机器，而它的祖先可追溯到遥远的古代。早在中国古代的汉朝时期发明的指南车，利用齿轮联动定向机构，使车上木人的右手始终指向正南方。这可以认为是迄今为止得到证实的世界上最早的机器人。这比欧洲发明的报时机器人早了1000 多年[2]。 1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出 “机器人”（ROBOT）这个词。制造出世界上第一台可编程机器人的德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格在1959年联手制造出第一台工业机器人Unimate。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父” [3]。 -1-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 双足机器人的研究始于1960年代，早在1968年，美国通用公司的R.Smo- sher试制了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人，揭开了双足机器人研究的序幕。但该机器人只有踝和髋两个关节，操纵者靠力反馈感觉来保持机器人的平衡。日本在双足机器人研究领域的地位突出，其研究成果也是最为杰出的。截至2005年3月，世界上共有76个双足机器人的项目正在进行中，其中日本36个。在日本所有的研究机构中，早稻田大学、东京工业大学、本田公司、索尼公司等研究机构成为双足机器人研究的主力。 1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。1986年以来日本本田公司推出了P系列1、 2、3型双足机器人，能够在布满家具的房间中来去自如，而且还要能自由上下楼梯。本田公司于2000年l1月20日推出了双脚步行机器人“ASIMO”。并且采用I-WALK技术，可更加自由地步行，I-WALK技术是在过去的双脚步行技术的基础上组合了新的“预测运动控制”功能。它可以实时预测以后的动作，并且据此事先移动重心来改变步调[4]。受科幻小说的影响，大多数人一听到机器人这个名字，马上联想到的是一个外貌像人的机器。其实，科学意义上的机器人，除了某些功能是仿人以外，大多数机器人几乎同人类毫无相似之处。那么到底什么才是机器人，机器人的定义是什么呢？各个国家对机器人的定义不尽相同。欧美国家认为：机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械。但是日本不同意这种说法，日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。因此，很多日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。” 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。 3. 设计内容分析 3.1 功能分析设计本设计的小型双足机器人系统包含六舵机小型双足机器人；无线遥控与无线通信模块； 51单片机实验板；机器人串口调试上、下位机软件和机器人独立运行软件；51单片机下位机软件；本地服务器串口控制上位机软件与远程客户端控制软件。双足机器人功能包括： 1) 向前行走、向后退步；向前翻跟斗、向后翻跟斗； 2) 完成不同形态的舞蹈动作，其中动作速度可调； 3) 可由机器人变型成小车，再由小车变型成机器人； 4) 变型后的小车可以向前行驶、向后倒车、向左拐弯、向右拐弯； 5) 通过无线遥控接收模块接收无线遥控控制信号； 6) 通过半双工无线通信模块nRF2401接收控制信号并回发应答信息。 -2-

中国科技论文在线机器人串口调试上位机软件功能包括： http://www.paper.edu.cn 1) 可以选择工作的串口号； 2) 能将串口接收的数据显示出来，判断串口的通信情况； 3) 能与下位机进行实时的串口通信，并控制舵机的转动角度和速度； 4) 能较方便的控制向串口发送的数据，如用键盘上的按键来控制舵机； 5) 可以将调试的动作脚本数据保存在文本文档中，并可直接使用； 6) 可以读取已有的动作脚本数据，并在其尾部进行保存； 7) 可以对不满意的动作帧数据进行删除操作。另外，本地服务器上位机软件可以通过串口与51单片机实验板通信，并可通过无线通信控制机器人运行。远程客户端可以通过网络与本地服务器串口控制上位机相连，并向服务器发送数据。然后服务器通过串口将数据发送给51单片机，51单片机再通过无线通信来实现对机器人的控制。设计的这个机器人可以作为娱乐观赏的舞蹈机器人，能够完成“金鸡独立”、“大鹏展翅”、 “倒立”等舞蹈动作。由于是人形机器人，它可以类似人一样的行走，这样它就能代替人去一些危险或人在无法到达的地方工作。当它在平地上行走时，它可以变型成小车，这样通过车轮以较快的速度行驶。当它遇到较复杂的地形时，它就可以变型成机器人跨越过去。这样通过变型来改变机器人不同的形态来适应不同的地形环境，完成所需要的任务。某些工业现场可以通过使用无线遥控来控制机器人完成工作。C/S 模式的网络控制软件可以通过串口获取 51 单片机的下位机采集到的温度等信息，并通过无线模块与机器人通信来控制机器人工作，而且还可以将机器人的信息通过无线传给下位机，再通过串口传给上位机，这样一个包含 3 种 CPU 三种通信方式的机器人控制系统可以应用于各种采集控制系统。 3.2 研究手段及可行性分析本系统的开发所需要的专业知识比较多，工作量也较大，所需知识主要包括： 1) 了解双足机器人控制技术，包括舵机的控制技术。 2) 了解串口通信、半双工无线通信、计算机网络技术。 3) 了解串口编程与网络编程的基本方法。 4) 熟悉AVR单片机、51单片机系统设计方法，会用C语言进行编程。 5) 熟悉C++的MFC的简单编程。 6) 掌握相关的原理图设计和PCB设计工具。 7) 掌握一定的硬件调试技术。本系统主要利用ProtelDXP进行原理图设计和PCB图设计。AVR单片机用基于WinAvr的 GCC下运行的AVRStudio 4集成开发环境来编程、调试、下载程序。51单片机用Keil uVision3 环境来编程调试，用电子在线ISP编程器v2.0下载程序。机器人串口调试上位机软件使用 VS2005环境开发，C/S模式网络串口软件采用VC6.0集成开发环境编程、调试。串口编程可以利用VC++自带的MSComm控件或者是多线程串口编程工具CSerialPort类来完成。网络编程用基于TCP/IP的WinSockets类来编写客户端/服务器软件。经过电子设计、信息处理课程设计和网络课程设计的训练，已掌握一定的系统设计方法，能使用ProtelDXP绘制印刷电路板PCB图，熟悉AVR单片机与51单片机编程，能使用VC6.0 集成开发环境编写简单MFC AppWizard应用程序。参加过多次全国机器人大赛和江苏省机器人大赛，具有一定的机器人设计制作经验，掌握了对舵机和直流电机的简单控制技术，综上 -3-

中国科技论文在线本系统是可行的。 4. 系统结构组成 http://www.paper.edu.cn 4.1 结构组成根据设计任务的要求，本系统硬件主要包括：以 AVR 单片机 ATmega16L 为控制器的小型双足机器人、以 AT89S52 为 MCU 的 51 单片机实验板、nRF2401 半双工无线通信模块、以 PT2262/PT2272 编码解码芯片的发送模块（遥控）和接收模块、UART 串行通信接口等部分。软件包括：机器人串口调试上、下位机软件和机器人独立运行软件；51 单片机下位机软件；本地服务器串口控制上位机软件与远程客户端控制软件。机器人上位机能与下位机进行实时的串口通信，通过控制机器人舵机的转动角度和速度完成各种动作。机器人独立运行软件可通过接收无线遥控和无线通信模块的控制信号完成前后行走、翻跟斗、跳舞，并由机器人变型成小车，再由小车变型成机器人，以及控制变型后小车向各个方向行驶等功能。51单片机下位机软件可采集温度信息并通过液晶显示温度、时间、日期，可通过串口与本地服务器上位机通信，并通过无线模块与机器人通信。本地服务器上位机软件可以通过串口与51单片机实验板通信，51单片机再通过无线通信来实现对机器人的控制。远程客户端可以通过TCP/IP网络登陆本地服务器并向服务器发送数据，再通过串口通信和无线通信来控制机器人。机器人控制系统图如图1所示。本地服务器上位机控制软件串口通信 89S52 单片机实验板、无线模块 TCP/IP 网络远程客户端控制软件无线遥控遥控 nRF2401 半双工通信 ATmega16L 控制系统、电源无线模块等舵机执行机构直流电机执行机构图 1 机器人控制系统图根据本系统要具备的功能进行系统的总体设计，可以将本系统分成三大部分来实现，包括：机械实体部分、硬件电路部分、软件程序部分。其中硬件电路又可分机器人电路和 51 单片机电路。这三部分需要考虑整个机器人系统的性能综合整体设计，每部分独立设计测试，最终组合完成机器人系统。但机器人的各个功能的运行还需要单步的调试，最终使得机器人能独立的运行各项功能。 4.2 机械实体结构与组成设计的双足机器人的架构部分是用铝板加工制作而成，机器人完成各种动作的动力机构 -4-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 是舵机，变形后小车行驶的动力机构是带减速箱的直流电机。电源采用直流 8V 超薄锂电池供电。 4.3 硬件电路结构与组成 6 路舵机 8/5V 转换 8V 稳压电源 4.3.1 机器人硬件电路结构与组成 2 路直流电机 8/3.3V 转换 8/6V 转换直流电机驱动 L298 9 针串行接口 MAX232 AVR ATmega16L nRF2401 无线模块 PT2272 无线遥控接收模块 8MHz 复位电路 JTAG 接口系统总线扩展图 2 机器人硬件组成机器人硬件组成如图 2 所示，机器人电路主要由单片机最小系统、电源、JTAG 接口、串行通信接口、直流电机驱动、无线遥控和无线通信模块等部分构成。当机器人进行串口实时调试单步动作时，系统使用串行通信接口模块，当机器人下载独立运行程序时，移出串口模块。 4.3.2 51 单片机实验板硬件电路结构与组成 5V 稳压电源 9 针串口 -5- DS18B20 MAX232 12M 11.0590M 89S52 单片机数码管 DS1302 X5045 系统总线扩展图 3 51 单片机实验板硬件组成蜂鸣器流水灯复位电路 LCD1602 nRF2401 无线模块 51 单片机实验板电路包括微控制器最小系统、串口通信和 ISP 下载、蜂鸣器、8 个 LED 流水灯、4 位 7 段 LED 数码管、LCD1602 液晶显示模块、带看门狗的 EEPROM 存储器 X5045、数字温度传感器 DS18B20、时钟芯片 DS1302 还有 nRF2401 半双工无线通信模块等模块。

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 51 单片机实验板硬件组成如图 3 所示。其中串行通信接口是 ISP 下载与串口通信功能可选的。系统的晶振频率是 12MHz 与 11.0592MHZ 可选的。 4.4 系统的软件结构与组成该系统软件部分包括：机器人串口调试上、下位机软件和机器人独立运行软件；51 单片机下位机软件；本地服务器串口控制上位机软件与远程客户端控制软件。最终远程客户端软件可以通过网络与本地服务器串口控制上位机连接，再通过串口与 51 单片机实验板通信，51 单片机再通过无线通信来实现远程无线控制机器人。软件结构组成图如图 4 所示。本地服务器串口控制上位机软件远程客户端控制软件机器人串口调试下位机软件机器人串口调试上位机软件机器人独立运行软件无线通信网络通信串口通信 51 单片机下位机软件串口通信图 4 软件结构组成图 5. 总结本设计以 8 位单片机为核心控制器开发了一个具有串口控制、网络控制、无线通信控制的双足机器人系统。在设计时，首先对双足机器人、控制系统电路和应用软件的功能进行了设计与分析，确定了系统的总体结构和组成。在具体实现过程中，设计了以 ATmega16L 为控制器的小型双足机器人、以 AT89S52 为 MCU 的 51 单片机实验板、nRF2401 半双工无线通信模块、以 PT2262/PT2272 编码解码芯片的发送模块（遥控）和接收模块、UART 串行通信接口等部分构成的硬件系统。然后根据具体硬件系统的特性，开发了机器人串口调试上、下位机软件和机器人独立运行软件；51 单片机下位机软件；本地服务器串口控制上位机软件与远程客户端控制软件。最终实现了如下功能： 1) 机器人串口调试上位机实时控制机器人舵机的转动角度和速度完成各种动作。 2) 无线遥控双足机器人前后行走、翻跟斗、跳舞，并由机器人变型成小车，再由小车变型成机器人，以及变型后的小车的前后左右的行驶。 3) 51 单片机实验板可实现检测温度并显示温度、时间、日期，接收并显示串口信息和无线回传信息。 4) 本地服务器上位机软件可以通过串口与 51 单片机实验板通信，并可通过无线通信控制机器人运行。 5) 远程客户端可以通过 TCP/IP 网络登陆本地服务器并向服务器发送数据，并通过串口将数据发送给 51 单片机，51 单片机再通过无线通信来实现对机器人的控制。在设计时，由于受到时间和个人能力的限制，系统的功能还不是很完善。例如：串口通信和无线通信没有设定更合理的通信协议来保障可靠的通信工作，因此，导致无线通信时出 -6-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 现丢包等不稳定现象。在今后的工作中，将继续完善机器人系统功能，增加串口回传温度信息并在上位机中绘出温度曲线图的功能；增加服务器将温度信息发给客户端并绘出温度曲线的功能；在机器人上增加传感器，并通过半双工无线通信传输采集的数据；增加串口和无线的通信协议保障通信的稳定，力求实现无线实时通信。参考文献 [1] 阮晓钢,仇忠臣等.双足行走机器人发展现状及展望[J].机械工程师,2007(2):17-19. [2] 王涛.认识机器人[J].校园电子,2007(2):65-66. [3] 佚名.机器人发展简史[J].机械工程师,2008(7):13-14. [4] 李允明.国外仿人机器人发展概况[J].机器人,2005(11):561-567. [5] Jennifer Castriotta.Humanoid Robot Development[J], http://www.wpi.edu,2007.7. [6] Honda.Asimo—the Honda humanoid robot Asimo[EB/OI].http://wodd.honda.com/ ASIMO/. [7] 祁乐,闫继宏.小型双足步行机器人的研制[J].机械工程师,2006(11):32-34. [8] 梁静强,许瑛.双足步行机器人的结构及其控制系统设计[J].机械工程师,2007(3):47-49. Integrated Design of Small Biped Robot School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Huang He, Li Xiao, Liu Xuerui, Huang Yanqiu Xuzhou (211008) Abstract The robotics as an integrated discipline has been developed in recent years. Small biped robot system is a kind of operating system including drive, control and implementation. It has a broad application prospects in both civilian use and the military field. This project is designed and implemented for a biped robot system with serial ports, network and wireless communication control based on a 8 digit singlechip as a central controler. The system has two main characteristics: First, it can control the robot via wireless remote control, or by landing a local server through the remote client. Second, the robot can walk with their feet, and it can also be changed into a vehicle traveling round. Eventually, by wireless remote control or remote network control, the system can implement the function of controling the robot to walk back and forth, turn a somersault, dance and also can change the robot into a minicar running in different directions, and the car can be changed again into a robot. Keywords: Robotics; Serial communication; Wireless communication; Network communication -7-

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