双足步行机器人头部及身体结构的设计另外有完整图纸

双足步行机器人头部及身体结构的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 另外有完整图纸 本科毕业设计说明书(论文) 第 1 页 共28 页 1 绪论 1.1 引言 什么是机器人呢?在国际上，关于机器人的定义很多，出发点各不相同，有的强调工业机器人特征，有的侧重于智能机器人。美国机器人协会认为“机器人是一种用于移动各种材料、零件的工具或专用装置;是通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机”，显然该定义指的是工业机器人，国际标准化组织(ISO)也有类似的定义。日本工业机器人协会(JIRA)定义机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的且能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。有些定义直接把机器人分为工业机器人和智能机器人两种情况来解释，认为工业机器人是“一种能够执行与人的上肢(手和臂)类似动作的多功能机器”，智能机器人是“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器”。我国的蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”。尽管定义各不相同，但有共同之处，即认为机器人应具有下列特征: (1)像人或人的上肢，并能模仿人的动作; (2)具有智力或感觉与识别能力; (3)是人造的机械或机械电子装置。 当然，随着机器人的进化和其智能的发展，这些定义很难涵盖其本质，有必要修[1]改。 1.2 机器人的发展及技术 1.2.1 机器人的发展 20世纪40年代，伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现，关于机器人技术的研究开始出现。60年代美国的 Consolidatedcontry公司研制出第一台机器人样机，并成立了Unimation公司，定型生产了Unimate机器人。20世纪70年代以来，工业机器人产业蓬勃兴起，机器人技术逐渐发展为专门学科。1970年，第一次国际机器人会议在美国举行。经过几十年的发展，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人已进入了实用化阶段。目前，尽管关于机器人的定义还未统一，但一般认为机器人的发展按照从低级到高级经历了三代。第一代机器人，主要指只能以“示教一再现”方式工作的机器人，其只能依靠人们给定的程序，重复进行各种操作。目前的各 本科毕业设计说明书(论文) 第 2 页 共28 页 类工业机器人大都属于第一代机器人。第二代机器人是具有一定传感器反馈功能的机器人，其能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人按照己编好的程序做出一定推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。当前，对第二代机器人的研究着重于实际应用与普及推广上。第三代机器人是指具有环境感知能力，并能做出自主决策的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中可独立行动。第三代机器人又称为智能机器人，并己成为机器人学科的研究重点，但目前还处于实验室探索阶段。机器人技术己成为当前科技研究和应用的焦点与重心，并逐渐在工农业生产和国防建设等方面发挥巨大作用。可以预见到，机器人将在21世纪人类社会生产和生活中扮演更加重要的角色。 1.2.2 机器人技术 机器人学是一门发展迅速的且具有高度综合性的前沿学科，该学科涉及领域广泛，集中了机械工程、电气与电子工程、计算机工程、自动控制工程、生物科学以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最新成就。机器人充分体现了人和机器的各自特长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。目前，机器人及其自动化成套装备己成为国内外备受重视的高新技术应用领域，与此同时它正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、服务、娱乐等各个领域渗透。目前，虽然机器人的能力还是非常有限的，但是它正在迅速发展。随着各学科的发展和社会需要的发展，机器人技术出现了许多新的发展方向和趋势，如网络机器人技术、虚拟机器人技术、协作机器人技术、微型机器人技术和双足步行机器人技术等。人们普遍认为，机器人技术将成为紧随计算机技术及网络技术之后的又一次重 [2]大的技术革命，它很可能将世界推向科学技术的新时代。 1.3 双足机器人的优点及国内外研究概况 1.3.1 双足步行机器人的优点 机器人是现代科学技术发展的必然产物，因为人们总是设法让机器来代替人的繁重工作，从而发明了各种各样的机器。机器的发展和其它事物一样，遵循着由低级到高级的发展规律，机器发展的最高形式必然是机器人。而机器人发展的最高目标是制造出像人一样可以行走和作业的机器人，也就是拟人机器人。因为它具有良好的环境适应性，并且这种优秀品质在高低不平的路面上以及具有障碍物的空间里更加突出，所以与之相关的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 己经成为研究热点。拟人机器人的研制工作开始于20世纪60年 本科毕业设计说明书(论文) 第 3 页 共28 页 代，短短的几十年时间内，其研制工作进展迅速。步行机器人的研制工作是其中一项重要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 。目前，机器人的移动方式主要包括轮式、履带式、爬行式、蠕动式以及步行等方式。对轮式和履带式移动机器人的研究主要集中在自主运动控制上，如避障路径规划等。这两种机器人过分依赖于周围环境，应用范围受限。爬行和蠕动式机器人主要用于管道作业，具有良好的静动态稳定性，但速度较低。常见的步行机器人有双足、四足和六足等情况。自然界事实、仿生学以及力学分析表明:在具有许多优点的步行机器人中，双足步行机器人因其体积相对较小，对非结构性环境具有较好的适应性，避障能力强，移动盲区很小等优良的移动品质，格外引人注目。首先，对于支撑路面，双足步行机器人的要求很低，理论上只需要分散的、孤立的支撑点，就可以通过机器人自行选择最佳的支撑点，获得最佳的移动性能。而轮式移动机器人通常要求连续的、硬质的支撑路面，对于恶劣的支撑路面，它只能被动的适应。其次，在存在障碍物的情况下，双足步行机器人能够跨越与自身腿长相当的障碍物，甚至跳越障碍，而轮式移动机器人仅能滚越尺寸小于轮子半径的障碍物。机器人力学计算表明，足式 [7]步行机器人的能耗通常低于轮式和履带式。 1.3.2 双足步行机器人的步行特点及研究意义 世界著名机器人专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授曾经指出“机器人应当具有的最大的特征之一是步行功能”。一般说来，机器人的步行方式有两种，即静态步行与动态步行。静态步行是指低速步行，不考虑惯性力，机器人在行走过程中只需要满足静力平衡条件，即重心要始终保持在支撑脚区域内:动态步行与之不同，必须考虑惯性力的影响，行走过程中要满足动态平衡，即控制系统的零力矩点(zMP)始终在支撑脚的稳定区域内。动态步行具有速度快效率高等优点。静态步行可以看作动态步行的特例。和轮式、履带式、爬行式、蠕动式等机器人相比，双足步行机器人在具有上述难以取代的优越性的同时，也存在很多的技术难关，稳定步行和高速运动都困难的。双足步行机器人系统存在着高阶、强耦合、多变量及非线性等特性，这些特性使得双足步行机器人的运动学和动力学的精确求解非常困难，而且也没有十分理想的理论或方法来求解逆运动学和动力学解析解，只有外加一些限制条件，如能量消耗最小，峰值力矩最小来求解运动学和动力学的近似解，这往往导致了机器人的规划运动与实际运动有较大的出入。所以，迄今为止双足步行机器人还是以“静步行”为主，特点是步速较低、步幅较小，其运动性能与人类相比还相距甚远。由于步行机器人的发展受到机构学、材料学、计算机技术、控制技术、微电子技术、通讯技术、传感技术、 本科毕业设计说明书(论文) 第 4 页 共28 页 人工智能、数学方法、仿生学等学科发展程度的制约，还处于实验室研制阶段，距离 [10]真正意义上的拟人机器人还有相当的距离。在这一领域内还有许多的问题等待我们去解决。双足步行是生物界最难的动作，它的完美实现必然要求机器人在结构设计方面产生巨大的变革和创新，从而有力地推动相关学科的发展。同时，双足步行机器人具有多关节、多驱动、多传感器，而且具有冗余自由度，这给控制研究带来很大困难，也相应的给各种控制策略和优化方法提供了理想的试验平台，因此，对双足步行机器 [4]人的研究具有很高的理论价值，引起国内外无数专家学者的瞩目。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舞蹈机器人项目就是为了促进双足步行机器人的发展而设立的。由于步行机器人的实现目前还存在很多技术难题，前几届由中国科技大学主办的舞蹈机器人大赛基本上是以轮式机器人为主，还没有出现步行机器人参赛。由此可见，双足步行机器人的发展还有一段很长的路要走。研制双足步行机器人的一项重要内容就是步态规划。所谓的步态，是指在步行过程中，步行本体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系;步态规划就是给出机器人各关节位置与时间的关系，是双足步行机器人研制中的一项关键技术，也是难点之一。步态规划的好坏将直接影响到双足步行机器人的行走稳定性、美观性以及各关节所需驱动力矩的大小等多个方面，已经成为双足步行机器人领域的研究热点。基于上述原因，本课题拟进行双足步行机器人的步态规划研究，研制具有高度稳定性的双足步行机器人平台，为进一步的拟人机器人研制奠定基础。 1.3.3 国外研究概况 拟人机器人的研究是一个很诱人、难度很大的研究课题。关于这方面的研究日本走在了世界的前列。早稻田大学理工学部1973年建立了“人格化机器人”研究室，曾开发出不少拟人机器人系统。例如会演奏钢琴的机器人、双足步行机器人以及电动假肢等。该研究室的带头人高西淳夫教授说:“人格化机器人的一个很大特征就是它具有与人类相近的结构。机器人与人类的共存是我们研究开发的课题之一”。当今世界，有“机器人王国”之称的日本在双足步行机器人研究领域处于绝对领先地位，具有代表性的研究机构有加藤实验室、日本早稻田大学、日本东京大学、日本东京理工学院、日本机械学院、松下电工、本田公司和索尼公司等。日本早稻田大学的加藤一郎教授于1968年率先展开了双足步行机器人的研制工作，并先后研制出场系列样机 本科毕业设计说明书(论文) 第 5 页 共28 页 若干年研制出P-1平面自由度步行机器人，该机器人具有六个自由度，每条腿有骼、膝、踩三个关节;关节处使用人造橡胶肌肉，通过充气、排气引起肌肉收缩，肌肉的收缩牵引关节转动从而实现步行。1971年，研制出WAP-3型双足机器人，仍采用人工肌肉，具有11个自由度，能在平地、斜坡和阶梯上行走。该机器人重130kg高0.9m，实现步幅15cm，每步455的静态步行;同年又研制出WL-5双足步行机器人，该机器人采用液压驱动，具有11个自由度，下肢作三维运动，上躯体左右摆动以实现双足机器人重心的左右移动。1973年，在WAP-5的基础上配置机械手及人工视觉、听觉等装置组成自主式WAROT-1。1980年，推出WL-9DR(Dynam Refined)双足机器人，该机器人采用预先设计步行方式的程序控制方法，通过对步行运动的分析及重复实验设计步态轨迹，用设计出的步态控制机器人的步行运动，该机器人采用了以单脚支撑期为静态，双脚切换期为动态的准动态步行 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，实现了步幅45cm，每步95的准动态步行。1984年，研制出采用踝关节力矩控制的WL-10DR双足机器人，增加了踝关节力矩控制，将一个步行周期分为单脚支撑期和转换期。1986年，又成功研制了wL- 12(R)双足机器人，该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，实现了步行周期23秒，步幅30cm的平地动态步行。代表双足步行机器人和拟人机器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。本田公司从1986年至今已经推出了Pl，PZ，P3系列机器人，在PZ和P3中，使用了大量的传感器:陀螺仪(测定上体偏转的角度和角速度)、重力传感器、六维力/力矩传感器和视觉传感器等，利用这些传感器感受机器人的当前状态和外界环境的变化，并基于这些传感器对下肢各关节的运动做出调整，实现动态步行。并且于2000年11月20日，推出了新型双足步行机器人，实现了与人一样自然行走的新姿态控制技术，自律连续移动技术以及可顺畅地与人同步动作的技术等，使其更容易适应人类的生活空间，通过提高双脚步行技术使其更接近人类的步行方式。双脚步行技术方面采用了新开发的技术,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。以往由于不能进行“预测运动控制”，当从直行改为转弯时，必须先停止直行动作，然后才可以转弯。索尼公司于2000年11月21日推出了人形娱乐型机器人SDR-3X(Sony DreamRobot一3x)。SDR一3X:头部2个、躯干2个、手臂 4×2个、下肢和足部6×2个，共计24个自由度。2001年7月，川田工业公司的航空机械业务部开发出了研究用类人型双足步行机器人。该机器人身高146.8cm，体重55kg，关节自由度全身合计32个。通过使用具有摇杆(Joystick)的操作部件，可以令该机器人向任何方向 本科毕业设计说明书(论文) 第 6 页 共28 页 自由步行。该产品在脚趾处安装有关节，从而提高了步行的速度，并且能够爬上最高阶差为25cm的楼梯。2002年6月12日，机器人世界杯国际委员会宣布将从2002年6月20日起在日本的福冈与韩国的釜山举行机器人世界杯大赛。从该届起，将增设双足步行机器人的足球赛事。这标志着机器人选手参加的世界杯又向人类走近了一步。该大赛的目标是“在2050年之前，制造出能够战胜当时世界冠军队的自律型机器人队伍”，这一梦想将由双足步行机器人来实现。2005年1月12日，由日本产业技术综合研究所的比留川博等人开发出一台取名“H-2”拟人机器人亮相东京。该机器人身高154cm，体重 58kg。研究人员先请民间艺术家跳舞，用特殊摄像机拍摄后将画面输入电脑，并对手、脚、头、腰等32个部位的动作进行解析，然后把有关解析数据输入给机器人，最后利用这些数据来控制机器人手的动作和脚步等，使“HRP-2”可以和人一样动作连贯,翩翩起舞。除了日本之外，美国、英国、法国等也对步行机器人做了大量的基础理论研究和样机研制工作，并取得一定成就。美籍华人郑元芳博士是美国双足步行机器人研究者中一位非常杰出的人物。他基于神经网络研制出两台双足步行机器人，分别命名为SD-1和SD-2，SD-1具有4个自由度，SD-2具有8个自由度，其中SD-2是美国第一台真正类人的双足步行机器人。他利用SDR-2于 1986年实现了平地上的前进、后退以及左、右侧行;1987年，又成功地实现了动态步行。1971年至1986年间，英国牛津大学的Witt等人制造并完善了一个双足步行机器人，该机器人在平地上行走良好，步速达0.23m/s。前面所述的研究主要是关于主动式步行机器人(靠关节电机驱动)。加拿大的d?McGeer主要研究被动式双足步行机器人，即在无任何外界输入的情况下，靠重力和惯性力实现步行运动。1989年，他建立了平面型的双足步行机构，两腿为直杆机构，没有膝关节，每条腿上各有一个小电机来控制腿的伸缩，无任何主动控制和能量供给，放在斜坡上，可依靠重力实现动态步行。目前，主动和被动式双足步行机器人在研究上很少互相借鉴。 1.3.4 国内研究概况 国内双足步行机器人的研制工作起步较晚，我国是从20世纪80年代开始双足步行机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，1987年，我国的“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前我国从事机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行机器人技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后取得了一定的成就。自1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果，其中以哈尔滨工业 本科毕业设计说明书(论文) 第 7 页 共28 页 大学和国防科技大学较为成果显著。在自然科学基金和国家“863”计划的支持下，哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足步行机器人，迄今为止己经完成三个型号的研制工作。1988年哈工大HIT-I型双足步行机器人问世，HIT-I型双足步行机器人具有10个自由度，重100kg，高1.2m，关节由直流伺服电机驱动，属于静步态行走。HIT-?具有12个自由度，该机器人髋关节和腿部结构采用了平行四边形结构。HIT-?具有12个自由度，踝关节采用两电机交叉结构，同时实现了两个自由度，腿部结构采用了圆筒形结构。HIT-?实现了静步态行和动步态步行，能够完成前/后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。1988年春，国防科技大学成功研制出我国第一台平面型六自由度的双足机器人，能够实现前进、后退和上下楼梯;1989年，他们又实现了准动态步行。1990年，进一步实现了实验室环境下的全方位行走;2000年2月30日，国防科技大学在自1986年开始研制的双足步行机器人的基础上，成功研制出我国第一台拟人机器人“先行者”，并通过国家“863”项目专家组验收。与该校1990年成功研制的双足步行机器人相比，其行走频率从过去的6秒每步提高到每秒两步;从只能平地静态步行，到能快速自如地动态步行;从只能在己知环境下步行，到可在小偏差、不确定环境下行走，实现了多项关键技术突破。2003年1月取名为BRH-1的仿人机器人在北京理工大学通过国家“863”项目组的验收。这个机器人身高1.58m，体重76kg，具有32个自由度，每小时能够行走1km，步幅0.33m。验收专家认为该机器人在系统集成、步态规划和控制系统等方面实现了重大的突破。仿人机器人课题组负责人、北京理工大学教授李科杰认为:目前“BHR-1”仿人机器人己经能够根据自身力觉、平衡觉等感知机器人自身的平衡状态和地面高度的变化，实现在未知地面上的稳定行走和太极拳表演，使中国成为继日本之后，第二个研制出无外接电缆行走，集感知、控制、驱动、电源和机构于一体的高水平仿人机器人国家。 本科毕业设计说明书(论文) 第 8 页 共28 页 2 双足机器人的本体结构设计 2.1 引言 双足步行机器人本体的机械结构是研究机器人的基础，结构的好坏直接影响到机器人后续的研究工作。以双足类人结构特征为基础，各研究结构研制的双足机器人在自由度，驱动方式，重量，高度与结构特征等方面都存在很大的差异。机器人结构的不同，其控制的方式也有所不同。 2.2 两足机器人的结构分析 两足步行机器人是对人类自身的模仿，但是人类总共有上肢52对，下肢62对，背部112对，胸部52对，腰部8对，颈部16对，头部25对之多的肌肉。从目前的科学发展情况来看，要控制具有400个双作用式促进器的多变量系统是不可能的，因此，在设计步行机械时，人们只考虑移动的基本功能。例如，只考虑在平地或者具有已知障碍物的情况下的步行。郑元芳博士从仿生学的角度对类人机器人的腿部自由度配置进行了深入的研究，得出关节扭矩最小条件下两足步行机器人的自由度配置。他认为髋部和踝部设两个自由度，可使机器人在不平地面上站立，骸部再加一个扭转自由度，可改变行走方向，踝关节处加一个旋转自由度可使脚板在不规则表面上落地，这样机器人的腿部需要有7×2个自由度(骸关节3个，膝关节1个，踝关节3个)。但是，无论现在的两足步行机器人还是拟人机器人都还只能在规则路面上行走，所以各研究机构都选择了6×2个自由度(踝关节3个，膝关节1个，踝关节2个)，如:哈尔滨工业大学的HIT-m、国防科技大的“先行者”、本田公司的AsIMO和索尼公司的SDR和QRIO。具有6×2个自由度的机器人的机械结构和控制都特别的复杂。按照在能完成研究目标的情况下，自由度最少的设计原则，在过去的四十年中，为了不同的研究目标，人们设计了许多具有不同自由度的两足步行机器人，按照行走过程中的稳定方式，两足步行机器人一般分为三类: (1) 静态机器人，这类步行机器人的COM(Censer of Mass)始终处于支撑多边形(单脚支撑期为支撑脚的轮廓线，双脚支撑期为两只脚的外边沿所围成的凸多边形)内，所以只能实现静态行走; (2) 动态机器人，这类步行机器人有踝关节，依靠踝关节来保证它的ZMP点(Zero 本科毕业设计说明书(论文) 第 9 页 共28 页 Momeni Censer)始终处于支撑多边形内，所以可以实现静态行走和动态行走; (3) 全动态机器人，这类步行机器人的踝关节没有驱动，甚至没有踝关节所以，支撑多边形在单脚支撑期缩小成一个点，在双脚支撑期缩小为一条线段，所以，这类 [8， 9]机器人不能保持静态平衡，只能实现动态行走。 自由度数最少的两足步行机器人只有一个自由度，如图2.1所示。这类机器人没有躯干，两条腿直接铰链在一起。这类机器人理论上只有一个自由度，实际上，为了防止摆动腿摆动时和地面干涉，这两条腿都必须是可以伸缩的。加上这两个平移自由度，这个机器人实际上有3个自由度。它的运动学模型是平面的，没有侧向运动，在径向平面内的运动象一个两脚圆规。在双脚支撑期，没有冗余自由度。这类两足步行机器人不能保持静态平衡，属于完全动态机器人，在仅受重力作用时，可以在斜面上行走。 图2.1 一个自由度的两足步行机器人 2.3 双足机器人的自由度配置 我们设计了一个双足步行机器人模型，如图2.2所示。显著的结构特征就是采用多关节型结构。行走机构能实现平地前后行、爬斜坡等功能。动力源采用舵机直接动，这样不但可以实现结构紧凑、传动精度高以及大大增加关节所能达到的最大角度，而且驱动源全为电机，便于集中控制和程序化控制。 图2.2 双足步行机器人模型 本科毕业设计说明书(论文) 第 10 页 共28 页 图2.2模仿人类，肩关节三个自由度，前向和侧向自由度，一般不考虑转动的自由度。肘关节两个自由度前向和侧向自由度，腕关节一个自由度。踝关节有两个自由度，前向和侧向自由度:膝关节只有一个前向自由度，髋关节处要模拟人类髋关节行为理论上要求有三个正交的自由度，但在机器人直线前进时只需要正交的前向和侧向 [5， 6]自由度，同样不考虑。 2.3.1 头部及身体结构规划 在头部装有一个舵机，可实现Z轴一个自由度的转动。身体内部空心以降低重心，提高机器人步行的稳定性。头部结构如图2.3所示。身体结构如图2.4，图2.5所示。 图2.3 头部零件 图2.4 机器人的身体结构 本科毕业设计说明书(论文) 第 11 页 共28 页 图2.5 机器人的身体结构 2.4 驱动方式的选择 驱动器用于驱动机构本体各关节的运动功率。目前驱动方式主要有气动、液压和伺服电机。驱动器在双足步行机器人中的作用就相当于人体的肌肉，如果把连杆以及关节想象为机器人的骨骼，那么驱动器就起到肌肉的作用，它通过移动或转动连杆来改变机器人的构型。驱动器必须有足够的功率对负载加速或者减速。同时，驱动器本 [11 ，12]身要精确、灵敏、轻便、经济、使用方便可靠且易于维护。 目前己经有很多种驱动器，常用的有以下几种:(1)电动机:舵机、伺服电机、步进电机、直接驱动电机;(2)液压驱动器;(3)气压驱动器;(4)形状记忆合金驱动器;(5)磁致伸缩驱动器等。液压驱动是由高精度的刚体和活塞一起完成的。活塞和刚体采用滑动配合，压力油从液压缸的一端进入，把活塞推向液压缸的另一端，调节液压缸内部活塞两端的液体压力和进入液压缸的油量即可控制活塞的运动。以前在大型的工业机器人系统中，液压系统使用非常普遍，它具有驱动力矩大，功率重量比较高，工作平稳可靠，系统响应速度快以及传动中的力、速度、易于实现自动控制等特点;但是也存在成本高、重量大、工艺复杂以及可能发生泄漏甚至高温爆炸等缺点，同时因其固有的笨重性，不宜用作双足步行机器人的驱动器。 气动具有成本低、控制简单的特点。气动装置在原理上和液压系统非常相似，它以压缩空气为气源驱动气缸做直线或旋转运动，并用人工或电磁阀进行控制。气动调节阀的制造精度要求没有液压元件高，易于高速控制，无污染，但由于位置控制困难，只能用于1/2自由度(受限的关节，被限定为几个可能的值)的开关类型关节，实现插入、点位搬运等简单操作，并且其工作稳定性差，压缩空气需要除水。液压驱动与气压驱动不能实现自带能源，更直接决定了其难于应用到双足步行机器人系统中。步行机器人各个关节都是旋转副。在廉价的计算机问世之前，控制旋转运动的主要困难是计算量大，所以当时认为采用直线驱动方式比较好。今天，电机驱动和控制的费用已经大大降低，大功率晶体管己经广泛使用，只需要采用几个晶体管就可以驱动一台大功率伺服电机。同样，微型计算机的价格也越来越便宜，计算机费用在机器人总费用中所占的比例大大降低。甚至在每个关节或自由度中都采用一个微处理器。基于上述分析可以看出，电机驱动具有成本低、精度高、易于控制、可靠且维修方便等特点，是最常用的机器人驱动器。直接驱动电动机，形状—记忆合金等驱动器目前还处于研 本科毕业设计说明书(论文) 第 12 页 共28 页 究和开发阶段，在不远的将来会变得非常有用。 本双足步行机器人采用舵机直接驱动。舵机是一种最早应用在航模运动中的动力装置，它的控制信号是一个脉宽调制信号，所以很方便和数字系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机，比如PLC、单片机等。而且舵机体积紧凑，便于安装，输出力矩大，稳定性好，控制简单，所以舵机己经广泛地应 [15 ，16]用于机器人领域。 本科毕业设计说明书(论文) 第 13 页 共28 页 3 双足步行机器人的3D图 3.1 整体结构图 机器人全身一共装有17个舵机，控制包括头部，手臂，手肘，大腿，小腿，脚踝等部分的一共17个自由度。在头部以下的舵机控制Z轴的自由度，使机器人人具有摇头功能。手臂部分一共有3×2个舵机，控制手臂摆动，手肘的内外摆动，小手臂的转动。大腿部分一共有5×2个舵机，主要控制机器人的步行动作。如图3.1，图3.2所示。 图3.1 机器人的正面 图3.2 机器人的背面 本科毕业设计说明书(论文) 第 14 页 共28 页 3(2 头部零件图 头部材料采用铝制合金板，图3.3角铁部分和小孔方便与颈部连接。图3.4空隙处方便安装舵机，角铁处可与身体部分连接。 图3.3 头部部件图 图3.4 颈部部件图 本科毕业设计说明书(论文) 第 15 页 共28 页 3(3 身体零件图 身体两侧的空隙处方便安装舵机，中下侧的两块铁板将前后两块身体主板相连接以提高结构稳定性。最下侧的铁条作为身体与腿部的连接点。身体内部安装控制系统。如图3.5,图3.6所示。身体主板上一共设有2×5个小孔。身体上侧的小孔用于连接身体前后两块主板。中间两侧的2×2个小孔用于安装舵机并加大身体主板连接的稳定性。身体主板下侧一共有10个小孔，分上下两排排列。上排4×2个小孔用于安装腿部的两个舵机并作为身体主板于腿部的连接点。下排2个小孔用于安装连接前后两个身体主板的铁片，以提高结构的稳定性。身体主体板块的设计尽可能使用较少材料，不仅减少上身材料，降低机器人的整体重心，也节省材料。使用铝合金材料，因为铝的密度较小而强度较高。使用普通的工具就能容易的实现切割和弯曲。铝材料一般可以做成各种形状。在原计划中，要实现身体的转身功能，但在实际操作过程中，我们发现对支撑点的技术难度较高，在结构上难以支持上身的重量。希望可以在以后的研究可以解决这些问题。 图3.5 身体部件图 本科毕业设计说明书(论文) 第 16 页 共28 页 图3.6 身体部件图 本科毕业设计说明书(论文) 第 17 页 共28 页 4 液晶显示 4.1 引言 在嵌入式系统的应用中，为系统扩充外部设备一直是用户所关注的问题。LCD屏幕就是相当重要的外围设备之一。本节将对LCD系统如何实现进行研究。选择液晶显示的原因是基于它友好的人机交互界面，能够进行良好人机信息交互。它是以ARM920T处理器为核心研发的。能够显示文字，例如: 热烈庆祝南京理工大学 泰州科技学院建校5周年 4.2 LCD系统的实现 4.2.1 STN型彩色LCD模块介绍 STN液晶显示器与液晶材料、光线的干涉现象有关，因此显示的色调以淡绿色与橘色为主。STN液晶显示器中，使用X、Y轴交叉的单纯电极驱动方式，即X、Y轴由垂直与水平方向的驱动电极构成，水平方向驱动电压控制显示部分为亮或暗，垂直方向的电极则负责驱动液晶分子的显示。STN液晶显示屏加上彩色滤光片，并将单色显示矩阵中的每一像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，也可以显示出色彩。单色液晶屏及灰度液晶屏都是STN液晶屏。研究课题中使用液晶显示屏主要考虑的参数有外形尺寸、分辨率、点宽、色彩模式等。以下是EmbestEdukit2实验板所选用的液晶屏为LRH9J515XA STN/BW型，可视屏幕的尺寸及参数示意如图4.1 [17]所示。 本科毕业设计说明书(论文) 第 18 页 共28 页 图4.1 液晶屏参数示意图 4.2.2 LCD系统的组成与结构 LCD控制器主要提供液晶屏显示数据的传送、时钟和各种信号的产生与控制功能。S3C2410处理器的LCD控制器主要部分框图如图4.2所示。 图4.2 LCD控制器框图 S3C2410 LCD控制器用于传输显示数据和产生控制信号。除了控制信号之外，S3C2410还提供数据端口供显示数据传输，也就是VD[23:0]。LCD控制器包含REGBANK、LCDCDMA、VIDPRCS、TIMEGEN和LPC3600等控制模块。REGBANK中有17个可编程的寄存器组和256×16调色板内存用于配置LCD控制器。LCDCDMA是一个专用的DMA，它负责自动地将帧缓冲区中的显示数据发往LCD驱动器。通过特定的DMA，显示数据可以不需要CPU的干涉，自动地发送到屏幕上。VIDPRCS将LCDCDMA发送过来的数据变换为合适的格式之后通过VD[23:0]发送到LCD驱动器。TMIEGEN包含可编程逻辑用于支持不同LCD驱动器对时序以及速率的需求。VFRAME、VLINE、VCLK、VM等控制信号 本科毕业设计说明书(论文) 第 19 页 共28 页 由TIMEGEN产生。在LCD控制的33个输出接口中有24个负责用户数据输出，9个用 [18]于控制。 4.2.3 LCD系统电路设计 进行液晶屏控制电路设计时必须提供电源驱动、偏压驱动以及LCD显示控制器。由于S3C2410处理器本身自带LCD控制器，而且可以驱动本课题所选用的液晶屏，所以控制电路的设计可以省去显示控制电路，只需进行电源驱动和偏压驱动的电路设计即可。具体电路设计图及液晶管脚说明如图4.3所示。电源驱动与偏压驱动如图4.4所示。 图4.3 液晶电路结构框图 图4.4 电源驱动与偏压驱动电路 本科毕业设计说明书(论文) 第 20 页 共28 页 4.3 触摸屏控制技术的实现 4.3.1 触摸屏的特性 触摸屏(TSP:Touch Screen Panel)由于其体积小、轻便和接口简单等特点，成为一种在嵌入式系统中广泛应用的输入设备。按技术原理可分为五类:矢量压力传感式、电阻式、电容式、红外线式和表面声波式，其中电阻式触摸屏在嵌入式系统中用的较[20]多。常用的触摸屏由于实现技术的不同，导致特性各异。 4.3.2 触摸屏工作原理 TSP由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸检测部件安装在显示器前端，用于检测用户触摸位置，接受信息后传送至触摸屏控制器;控制器的主要作用是接收触摸信息并转换成触点坐标传至CPU，并接收和执行CPU下达的命令。Embest EduKit III 采用四线式电阻触摸屏，点数为320×240，其被按下的状态如图4.5所示 图4.5 触摸屏按下时示意图 图4.6 本实验台所使用的触摸屏外观图 如图4.6所示，电阻触摸屏采用一块带有统一电阻外表面的玻璃板。聚酯表层紧贴在玻璃面上，通过小的透明绝缘颗粒与玻璃面分开。聚酯层外表面坚硬耐用，内表面有一个传导层。当触摸屏幕时，传导层与玻璃面表层电子接触，产生的电压就是触 [20]摸位置的模拟表示。等效电路示意图如图4.7，图4.8所示。 本科毕业设计说明书(论文) 第 21 页 共28 页 \ 图4.7 等效电路示意图 图4.8 触摸屏的等效电路 4.3.3 S3C2410处理器TS控制器 处理器集成的TSP只使用到3个寄存器，即ADC控制寄存器(ADCCON)、触摸屏控制寄存器(ADCTSC)和ADC数据寄存器(ADCDAT)。 ADC控制寄存器(ADCCON) ADCCON[15]:A/D转换结束标志 0:A/D转换正在进行 1:A/D转换结束 ADCCON[14]:A/D转换预分频允许 0:不允许预分频 1:允许预分频 ADCCON[13:6]:预分频值PRSCVL PRSCVL在0到255之间，实际的分频值为PRSCVL+1 ADCCON[5:3]:模拟信道输入选择 000 = AIN0 001 = AIN1 010 = AIN2 011 = AIN3 本科毕业设计说明书(论文) 第 22 页 共28 页 100 = AIN4 101 = AIN5 110 = AIN6 111 = AIN7 ADCCON[2]:待机模式选择位 0:正常模式 1:待机模式 ADCCON[1]:A/D转换读,启动选择位 0:禁止Start-by-read 1:允许Start-by-read ADCCON[0]:A/D转换器启动 0:A/D转换器不工作 1:A/D转换器开始工作 触摸屏控制寄存器(ADCTSC) ADCTSC[8]:保留，必须为0 ADCTSC[7]:选择YMON输出值 0:输出为0 1:输出为1 ADCTSC[6]:选择YPON输出值 0:输出为0 1:输出为1 ADCTSC[5]:选择XMON输出值 0:输出为0 1:输出为1 ADCTSC[4]:选择XPON输出值 0:输出为0 1:输出为1 ADCTSC[3]:上拉开关使能 0:上拉使能 1:上拉禁止 ADCTSC[2]:自动按顺序转换X、Y坐标选择位 0:正常模式 1:自动按顺序转换X、Y坐标使能 ADCTSC[1:0]:手工设置X、Y坐标转换 00:无操作 01:X坐标转换 10:Y坐标转换 11:等待中断模式 ADC数据寄存器(ADCDAT0,ADCDAT1) ADCDAT0[15]:等待中断模式，Stylus电平选择 0:低电平 1:高电平 ADCDAT0[14]:自动按照先后顺序转换X、Y坐标 0:正常ADC顺序 1:按照先后顺序转换 ADCDAT0[13:12]:自定义X、Y位置 本科毕业设计说明书(论文) 第 23 页 共28 页 00:无操作模式 01:测量X位置 10:测量Y位置 11:等待中断模式 ADCDAT0[11:10]:保留 X坐标转换数据值 ADCDAT0[9:0]: ADCDAT1[15:10]与ADCDAT0[15:10]功能相同 ADCDAT0[9:0]:Y坐标转换数据值 A/D转换的转换时间计算 例如PCLK为50MHz，PRESCALER=49;所有10位转换时间为: 50MHz/(49+1)=1MHz 转换时间为1/(1M/5 cycles),5us A/D转换器的最大工作时钟为2.5MHz，最大的采样率可以达到500ksps。 4.3.4 触摸屏的电路设计 当手指触摸屏幕时，平常绝缘的两层导电层在触摸点位置产生一个接触，控制器检测到这个接通后，产生中断通知CPU进行A/D转换;具体原理:当触摸屏被按下时，首先导通FET管组Q602和Q604，X轴回路加上+5V电源，同时将FET管组Q1和Q3关闭;再启动处理器的A/D转换通AIN7，电路电阻与触摸屏按下产生的电阻输出分量电压，并由A/D转换器将电压值数字化，计算出X轴的坐标。中断处理程序通过导通不同MOS管组，使接触部分与控制器电路构成电阻电路，并产生一个电压降作为坐标值输出。其电路如图4.9所示。 本科毕业设计说明书(论文) 第 24 页 共28 页 图4.9 触摸屏坐标转换控制电路 显示模块选用的是周立功SmartARM 3250通用教学/竞赛/工控开发平台,它全面深入地支持μC/OS-II、WinCE和Linux操作系统，它完全按照工业级标准(EMC/EMI)设计，精心设计的电路提供多达7路串口、IrDA接口、USB OTG接口、带电气隔离的CAN-bus接口、CF卡接口、SD/MMC卡接口、I2S音频接口、以太网接口等，满足各种应用要求。 由于这款芯片是新款,到毕业设计结束,芯片还没有到位,所以没有完成液晶显示的调试过程,希望在以后的设计中完善。 本科毕业设计说明书(论文) 第 25 页 共28 页 结束语 本论文是关于机器人头部身体结构的设计。从了解机器人开始，到对机器人总体结构的认识，对机器人人步行过程中的平稳性研究，是对我所学四年知识的一个综合检查，也是对我独立思考和解决问题的一次考验。在此次毕业设计中，我们团队不仅在书面上对机器人进行了结构的分析，控制程序的编排，更是通过大家的实践做出了成品。通过这3个月的设计，使我对自己所学的知识有了更深入了解;在指导老师帮助下，通过收集各种有关资料所解决的毕业设计问题。在这次毕业设计当中，了解到了机器人的发展历史，发展前景以及国内外的研究现状，初步完成了对机器人身体结构的设计。通过查找资料以及老师的指导，初步了解了液晶显示的相关理论。但是对机器人步行稳定性的研究仍停留在初步，导致结构设计中的一些不合理性，对液晶显示方面的相关较深入的理论仍理解不够。整个毕业设计对机器人的整体结构进行了初步规划并做成实体，对全身自由度特别是手部以及腿部做到了合理分配，使机器人基本实现行走功能。但在行走稳定连续性方面仍显不足，在液晶显示方面也只是停止与简单文字的显示，没有更多的人机交互功能。在身体结构设计中，原本计划的转身功能也没有实现，其原因主要是支撑点的建构难度过高。希望下一届能够弥补我们这一届的遗憾。 不过正是这些遗憾让我认识到了自己的不足，深深感到对知识的追求是没有止境的，这些遗憾更是激励我以后努力工作，认真学习。从实践中总结经验，在学习中收获知识。 由于自身经验不足，这次毕业设计一定很多不足之处。希望老师们多多指教，对老师们的指导表示深深的感谢。 本科毕业设计说明书(论文) 第 26 页 共28 页 致 谢 在此，我对指导老师刘艳老师对我的严格要求和对我在设计上的帮助，表示衷心的感谢～他们在繁忙的工作期间，对我毕业设计的完成付出了大量的心血，多次给我提出深刻而具有指导性的意见，让我能够很好的按时完成毕业设任务。在毕业设计完成之时，谨向恩师们表示最衷心的感谢，并致以崇高的敬意。此外，还要衷心感谢机械工程系的其他曾经给予我指导、问题解答的老师，以及与我朝夕相处、共同研讨解决设计中碰到疑难的同窗学友。我还要以我的毕业设计成果，真诚地、深深地感谢一直对我关心、支持、并寄予厚望的父母～同时也对我的团队，徐超，许峰，吴玉坤，黄俊表示衷心的感谢，通过我们共同的努力，完成了整个工程，这些离不开他们的热情帮助。 本科毕业设计说明书(论文) 第 27 页 共28 页 参 考 文 献 [1] 张永学. 双足机器人步态规划及步行控制研究[M]. 哈尔滨工业大学博士学位论文. 2001. 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