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双足机器人.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：4.03M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    本科生毕业论文（设计） 本科生毕业论文（设计） 本科生毕业论文（设计） 本科生毕业论文（设计） 题 目: 姓 名: 学 院: 专 业: 班 级: 学 号: 指导教师: 双足机器人的设计与实现 工学院 自动化 自动化 72 3227227 职称: 20 11 年 5 月 25 日 南京农业大学教务处制 1
    目 录 摘要.............................................................................................................................................1 关键词.........................................................................................................................................1 Abstract....................................................................................................................................1 Key words...................................................................................................................................1 1 绪论.......................................................................................................................................2 1. 1 引言..........................................................................................................................2 1. 2 双足机器人国内外研究现状及意义......................................................................2 1.2.1 双足机器人国外研究现状.............................................................................2 1.2.2 双足机器人国内研究现状.............................................................................4 1. 3 课题的研究目地及意义..........................................................................................5 1. 4 本文的研究内容......................................................................................................5 2 双足机器人平台设计与实现...............................................................................................5 2. 1 机器人本体设计与实现..........................................................................................5 2.1.1 机器人基本机械结构分析.............................................................................5 2.1.2 机器人下肢的自由度分析.............................................................................6 2. 2 双足机器人控制器设计与实现..............................................................................8 2.2.1 伺服电机选择.................................................................................................8 2.2.2 多路舵机控制器设计及实现.........................................................................8 2. 3 上位机程序调试....................................................................................................11 3 双足机器人运动学建模.....................................................................................................12 3. 1 机器人脚掌建模....................................................................................................12 3. 2 机器人腿部结构模型............................................................................................12 3.2.1 正运动学解算...............................................................................................13 3.2.2 逆运动学解算...............................................................................................13 4 机器人步态规划.................................................................................................................14 4. 1 关键点步态规划....................................................................................................14 4. 2 三次样条插值........................................................................................................15 4. 3 机器人实际行走分析............................................................................................17 5 总结与展望.........................................................................................................................18 致谢...........................................................................................................................................18 参考文献：...............................................................................................................................19 附录 1.......................................................................................................................................20 附录 2.......................................................................................................................................21 2
    双足机器人的设计及实现 自动化专业学生 程德俊 指导教师 尹文庆 摘要：随着智能机械及机器人技术的迅猛发展和广泛使用， 腿式结构步行机器人，已经成为目前国 际机器人研究主要分支之一。本文以双足步行机器人为研究对象，首先介绍了国内外研究历现状和 本课题研究意义，阐述了开发双足机器人的必要性，其次，论述了机器人机械构架设计，伺服电机 控制器设计和制作，并针对机器人整体构架，进行数学建模，采用三次样条插值算法对双足机器人 的步态规划进行了研究，并使用 Matlab 进行仿真，仿真结果表明该算法可以生成连续的平滑轨迹， 满足机器人连续稳定行走的要求。最后，对课题进行了展望，总结了软硬件平台建立中应该注意的 问题，并指出本设计有待完善和改进的地方。 关键词：双足机器人；舵机控制器；三次样条插值；步态规划 Design and Implementation of humanoid robot Student majoring in automation ChengDejun Tutor YingWenqing Abstract Abstract Abstract Abstract ：：：： With the rapid development and wide use of intelligent machine and robot technology, researches on legged-robot have been one of the major branches of the current international studies on robot.Background of biped walking robots,both at home and abroad, is firstly introduced in this paper.Then, after having explained the necessities of developing biped robots,the author shows us his idea of robots' machinary frame, design and fabrication of servo motor's controller. In order to study on the robot's whole framework, method of mathematical modeling has been used.Specifically, cube-spine interpolation is adopted to study the gait planning of a biped walking robot. Finally, Matlab simulation proves that this algorithm can produce smooth trail,which satisfies the demand of continuous and steady walking.In the end of this paper, the author summarizes those probblems that calls attentions during the foundation of software and hardware, suggests relevant solutions and other improvements that can be realized and looks into the future of this topic. words KeyKeyKeyKey words words words：：：： biped robot；teering controller；cube-spine interpolation；gait planning 1
    1 绪论 1. 1 引言 机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，它集机、电、材料、 计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体，是一个国家高科技实力和发展水平的重 要标志，自从第一台机器人问世以来，机器人的发展日新月异，对我们的生活产生了很 大影响。 双足机器人是类人机器人中的一种，最大的特点是机器人的下肢以刚性杆件通过转 动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉，实现对 身体的支撑及连续的协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动[23]。与其他机器 人相比，双足机器人对运动环境要求很低，能适应各种场地，具有较高的逾越障碍能力， 不仅能够在平面行走，而且能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面， 故它的移动“盲区”很小，具有更广阔的发展空间。 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。由于双足机器人对工作环境要求很低，所以它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。所以双足步行机器人具有应 用领域广、适应性强的特点，特别是作为残疾人(下肢瘫痪者或截肢者)提供室内和户外 行走工具、极限环境下代替人工作业等方面更具有不可替代的作用[15]。 1. 2 双足机器人国内外研究现状及意义 近些年来，国内外双足机器人技术飞速发展，比较著名的有日本本田公司最新的 ASIMO、东京大学的 H7、美国波士顿动力公司的 Petman、北理工的“汇童”仿人机器 人等。 1.2.1 双足机器人国外研究现状 国外双足机器人的研究起步较早，日本、美国等少数国家是双足机器人研究的强 国。双足机器人按照不同的驱动方式分为分为被动动力双足机器人和有源双足机器人。 被动动力双足机器人（Passive Biped Robot）是指没有传感器、控制和驱动装置，仅 依靠自身重力行走的步行机构[23]。图 1.2.1 所示是最新发发布的三台被动动力机器人， 这些机器人均采用了被动动力式步行器的工作原理，两条腿在髋关节处联结，可以前后 摆动，每条腿都装有膝关节和踝关节，脚部近似平板，膝盖处用销构成膝关节，腿与脚 构成踝关节。工作时，当腿摆动到最大角度、脚部即将接触地面，膝关节锁住，使腿呈 一直线。为了更好地平衡，它们都装有臂，臂没有单独的自由度，而是与相反的腿联在 一起。由于结构上的特点，只需少量的控制，就能够在平地行走。 图 1.2.1 麻省理工学院的机器人 康奈尔大学的机器人 德尔福特大学的机器人 2
    有源双足机器人是指靠驱动装置来驱动机构，从而实现步行运动的双足机器人，有 源双足机器人的研究开始于 20 世纪 60 年代，在 1968 年，美国通用公司的R.s o-sher 试制了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人，它揭开了双足机器人研究的序幕， 但该机器人只有踝关节和髋关节两个关节，操纵者靠机器人力反馈来保持机器人的平衡 [23]。1968 年南斯拉夫学者M.Vukobratovic提出了零力矩点（ZMP）这一重要概念，并研 制出世界上第一台真正的双足机器人，零力矩点判定成为机器人稳定性判定的重要方 法。随后各国学者和研究机构纷纷开展了双足机器人的研究。 2005 年 12 日本田公司发布了最新的“ASIMO”，该机器人身高仅有 120cm，体重 43kg， 控制技术和行走的稳定性更加完善，它可以在办公室等现实环境中工作，具有很高的运 动能力。ASIMO可以和人手拉手走路等，强化了与人配合的行动能力。此外，它可以实 时预测下一次的动作，并且据此事先移动重心来改变步调。过去由于不能进行预测运动 控制，因此当从直行改为转弯时，必须先停止直线行动作后才可以转弯；而 ASIMO通过 事先预测到下肢转弯以后重心向外侧倾斜多少等重心变化，可以使得从直行改为转弯时 的步行动作变得连续流畅。 图 1.2.2 ASIMO下楼梯和跑步转弯时的运动状态 与日本不同，美国对机器人的研究偏重于应用，重点强调的是机器人的功能。所以美 国的双足机器人外形更趋向于机械，在外貌上并不做过多的研究，具有代表性的是美国 最新的双足机器人“Petman”，由于它采用气动作为动力源，机器人结构更简洁，腿部 结构完全模仿人类设计，步态更像真人。“Petman”不仅仅可以稳定行走，还可以在根 据外界环境快速有效地进行姿态调整 法国双足机器人BIP2000，身高 180cm，体重 106kg，下肢具有 12 个自由度，髋关 图 1.2.3 Petman 运动状态 3
    节 3 个，膝关节 1 个，踝关节 2 个，躯干 3 个自由度。利用先分步，把机器人的研究 分为机械系统，控制系统，系统建模和优化控制等部分开展工作；然后再对各部分取得 的成果进行集成，实现机器人的动态行走，并采用特殊的结构减缓脚对地的冲击；在脚 上装有 6 维力传感器，根据测得的数据，对脚的结构进行了优化。 英国研制了双足机器人Shadow，利用模拟肌肉对机器人进行驱动，整个腿部有 22 块肌肉，各肌肉的布置完全模拟人体的结构。德国研制了双足机器人Jogging，该机器 人下肢有 12 个自由度，手臂有 1 个自由度，每个关节由直流电机驱动，身高 180cm， 体重 37kg，同 BIP2000 一样，在脚底装有 6 维力传感器，采用线性反馈的方法实现了 双足机器人的动态行走[23]。 1.2.2 双足机器人国内研究现状 我国机器人研究起步较晚，1988 年国防科技大学首先开始双足步行器的研究，并 研制出了六关节平面型机器人，该机器人可以前进和后退；1989 年，又在一台十三自由 度的机器人上实现了准动态行走；2000 年又推出了双足机器人“先行者”，如图 1.2.7 所示，它是国内第一台完整意义双足仿人机器人。该机器人高 140cm，重 20k，可以以 每秒两步的频率动态行走，能够在小偏差、不确定环境中行走，具有一定的语言功能。 随后相继有部分高校和研究机构也都开展了双足机器人的研究，并取得了一定成果。 2000 年 8 月，清华大学 985 重点科研项目立项，开始自主研制仿人机器人 THBIP-I。 2003 年 3 月，实现了仿人机器人完整样机的无缆自主行走。机器人可以实现前进、后 退、上下台阶、敬礼、握手和打太极拳等拟人化的复杂动作。 哈尔滨工业大学的 HIT 系列双足机器人逐步发展和改进，其最新研究成果是 HIT-IV型。该机器人体重 70kg，高 110cm，双腿具有十个自由度，能完成前进、后退、 侧步和上下阶梯等动作，采用静态步行控制方式，每步 10s，步距 45cm。 北京理工大学组建仿生实验室，开始了 BHR 系列双足机器人的研究。2002 年年底， 其研究组研制的仿人机器人 BHR-1 通过验收，该机器人是国内仿人机器人研究的重大 突破。BHR-2（图 1.2.5 ）双足机器人是在在 BHR-1 的基础上加以改进，BHR-2 具有 32 个自由度，下肢 12 个自由度，体重 63kg，身高 160cm，能进行太极拳和武术表演，行 走更稳定。 图 1.2.4“先行者”机器人 图 1.2.5 HTBIP-1 原型机 图 1.2.6 BHR-2 机器人 同时，为了促进机器人技术在我国的发展，全国各地尤其是部分高校举办了各种类 型的机器人大赛，中国机器人大赛是由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会和科技部 高技术研究发展中心主办的一个全国性的赛事，其中最为引人瞩目的是足球机器人项目 和舞蹈机器人项目，这两个项目就是为了促进双足步行机器人的发展而设立的。由于双 足机器人的实现目前还存在很多技术难题，前几届全国机器人大赛基本上是以轮式机器 4
    人为主，与步行机器人有关的赛事才被列入议程不久。可见，双足步行机器人的发展还 有一段很长的路要走[3]。 1. 3 课题的研究目地及意义 从上述各国研究现状可以看出，双足机器人是全世界机器人研究的热点，对双足机 器人的研究有着重要的科学意义，主要表现在双足机器人的研究模型为控制理论应用及 动力学问题的研究提供了广阔的空间。双足机器人是一个多变量，强耦合，非线性和变 结构的复杂动力学系统，其变姿态结构的不稳定性及产生稳定步行运动所需解决的平衡 问题，对于控制理论及动力学问题的研究来说，具有很大挑战性[7]。 双足机器人作为步行机器人的一种形式，是提高机器人机动性和节省能源的一条重 要途径。研究双足运动，揭示了两足类步行运动的机理及控制规律，研制一种连续稳定 步行的双足机器人，可为机器人操作提供灵活的操作平台，使其能够在恶劣的条件下工 作。因此，人形机器人有着潜在的广阔应用前景[7]。 为了保证双足机器人研究的顺利经行，发挥出双足机器人的优势和巨大潜能，加快 技术革新，本文提出一种小型的双足机器人平台的设计方案，该设计使用较低成本实现 了双足机器人平台搭建。 1. 4 本文的研究内容 本文从双足机器人系统建模、伺服控制系统设计和运动学模型建立三个方面综合入 手，设计实现了双足机器人硬件平台，建立一个 5 连杆平面双足机器人的数学模型，利 用三次样条插值算法对机器人的髋关节和踝关节进行仿真，实现机器人步态规划 ,为进 一步的研究和开发奠定基础。论文各章内容如下： （1）分析 6 自由度、10 自由度和 12 自由度三种双足机器人的机构设计方案，并制 作成实物，提供了一个基本的机器人调试平台。 （2）研究了舵机工作原理和分时产生多路独立 PWM 技术，据此设计并制作了舵机驱动 器硬件电路及相应算法程序，并设计了由上位机协同工作的接口。 （3）对人形机器人结构经行简化和建立运动学正解算和逆解算数学模型，研究三次 样条插值法在机器人步态设计中的应用，成功地设计出机器人行走步态。 2 双足机器人平台设计与实现 2.... 1 机器人本体设计与实现 2.1.1 机器人基本机械结构分析 图 2.1.1 串联构型机器人 图 2.1.2 并联结构 5
    双足机器人的基本结构有串联、并联和混联等，图 2.1.1 所示双足机器人，腿部， 胳膊，腰部都是由若干转动关节和杆件串联在一起的，这种串联机器人结构简单，技术 成熟，控制也容易实现。但串联机构下级杆件成为上级驱动的负载，机器人的灵活性降 低；并且对于多转动副组合关节,如髋关节，其运动功能只通过 3 个自由度实现，灵活 性、准确性及稳定性与人体有很大差距；此外，相同自由度串联机构占空间较大，强度 较低。为了弥补串联结构的上述缺点，并联机构和混联机构被提出，图 2.1.2 是三种典 型的并联机构，这种结构可以把驱动器完全安装在在机构上，减小了负荷，提高了肢体 灵活性；并联结构整体强度高，末端运动灵活稳定；混联构型的是在多自由度复合关节 处引入并联机构，使肢体运动更加灵活、平滑连续，部分驱动器也可以设置在机体上， 改善了输出状态，协调及姿态变换能力得到进一步改善[16]，比如将机器人腰部由常见的 一自由度转轴换成并联机构，机器人腰部运动更加灵活，运动更加平缓，接近真人。 尽管并联和混联机构有很多优点，但国内外现有机器人大部分还是采用串联结构， 这是因为并联和混联机构技术还不够完全成熟，需要进一步研究和发展；此外，引入并 联和混联机构机器人设计成本会大大提高，控制难度增加。因此，需要根据实际情况， 综合多方面因素，来对机器人构型进行选择。 本课题设计平台要求成本较低、易于控制和维护，所以选用串联双足机器人结构。 2.1.2 机器人下肢的自由度分析 步行是双足机器人最基本的功能和最重要的特点，也是目前双足机器人研究的重点， 双足机器人稳定的关键在于下肢运动稳定与否，这就要求下肢机构设计合理，易于步态 规划和控制。机器人下肢是一个复杂的空间机械系统，在运动过程中，结果将变得更加 复杂，观察国内外双足机器人，大多采用机械去模拟人体肢体结构的方法，但人类如此 复杂的运动系统用机械结构去模拟是不可能，同时也是没有必要的，所以要根据机器人 实际功能进行简化。 机器人下肢大致可以分成髋关节、膝关节和踝关节三部分，著名的机器人学家郑元 芳从仿生学角度出发，对双足机器人下肢进行研究，得出在关节扭矩最小的情况下，自 由度分配如下：髋关节和踝关节各三个自由度，膝关节一个自由度。其结构如图 2.1.4 所示。髋关节三自由度和踝关节三个自由度配合保证机器人直立、平衡和转弯，膝关节 一个自由度主要用来调整机器人重心，使机器人动作平滑，减少机械痕迹，或者配合髋 关节和踝关节调整脚板离地高度，以适应不同的地形环境。所以一个完备的双足机器人 腿部结构至少单腿 7 个自由度。 图 2.1.3 7 自由度下肢结构 6
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