双足竞步机器人设计与制作技术报告

中国矿业大学徐海学院2013级双足竞步机器人设计与制作技术报告中国矿业大学徐海学院双足竞步机器人设计与制作技术报告队名：擎天柱班级：电气13-5班成员：郭满意游世豪侯敏锐唐丽丽侯伟俊王胜刘利强杨光题目：双足竞步机器人任课教师：李富强2015年12月中国矿业大学徐海学院2013级双足竞步机器人设计与制作技术报告双足竞步机器人设计与制作任务书班级电气13-5班学号22130263学生姓名郭满意任务下达日期：2015年10月16日设计日期：2015年11月1日至2014年12月31日设计题目：双足竞步（窄足）机器人的设计与制作设计主要内容和完成功能：1、双足竞步机器人机械图设计；2、双足竞步机器人结构件加工；3、双足竞步机器人组装；4、双足竞步机器人电气图设计；5、双足竞步机器人控制板安装；6、整机调试7、完成6米的马拉松比赛。教师签字：中国矿业大学徐海学院2013级双足竞步机器人设计与制作技术报告摘要双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计双足机器人最基本的和首要的工作。本文根据项目规划和控制任务要求，按照从总体到部分、由主到次的原则，设计了一种适合仿人双足机器人控制的机构。文章首先从机器人整体系统出发，制定了总体设计方案，再根据总体方案进行了关键器件的选型，最后完成了各部分机构的详细设计工作。经过硬件设计、组装；软件设计、编写；整体调试，最终实现外型上具有仿人的效果，在功能上完全满足电气各部件机载化的安装要求。本文介绍一个六个自由度的小型双足机器人的设计、调试与实现。包括机械结构设计、电路设计与制作，机器人步态规划算法研究，利用Atmega8芯片实现了对六个舵机的分时控制，编写VC上位机软件,通过串口通信对双足竞步机器人进行调试，通过人体仿生学调试出机器人的步态规划。实现了双足竞步机器人稳定向前行走、立正。关键词：双足机器人、机械结构中国矿业大学徐海学院2013级双足竞步机器人设计与制作技术报告目录1系统概述..........................................................................................................................................................12硬件设计..........................................................................................................................................................22.1机械结构................................................................................................................................................22.2电路设计................................................................................................................................................23软件设计......................................................................................................................................................43.1AVR单片机程序设计..........................................................................................................................43.2PC上位机调试软件设计.....................................................................................................................44系统调试..........................................................................................................................................................55结束语..............................................................................................................................................................66参考文献..........................................................................................................................................................77附录..................................................................................................................................................................87.1源程序....................................................................................................................................................87.2相关图片................................................................................................................................................9中国矿业大学徐海学院2013级双足竞步机器人设计与制作技术报告第1页1系统概述针对项目根据实际拟订目标，结合我们所学知识，从仿人外形和仿人运动功能实现，首先确定了双足双足机器人自由度。双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足双足机器人最基本的和首要的工作。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理。首先分析双足机器人的运动过程(前向)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。双足机器人系统，从硬件上可以分为机械结构部分、驱动部分、传感部分和控制部分；从功能上可以分为机构模块、驱动模块、感知模块和控制模块。机械结构部分的设计机械结构部分在整个系统中，起到一个平台的作用，机器人的其他部分都是在此机械结构的基础上进行安装调试的。本文首先对双足机器人进行机械结构的设计，搭建双足机器人控制系统和步态规划的平台。控制部分的设计因为我们选择舵机来对双足机器人进行驱动，而舵机一般都是通过ＰＷＭ技术来进行控制的。所以，为了实现对舵机的精确控制，需要设计出一个能够输出多路ＰＷＭ信号的舵机控制器。双足竞步机器人的步态规划由于双足竞步机器人具有多关节、多驱动器、多约束等特点，在对其进行步行规划及行走控制时有很大的难度。如何规划机器人步态使其稳定行走仍是双足机器人研究领域的关键技术之一。步态是在步行运动过程中，机器人的各个关节在时序和空间上的一种协调关系，通常由各关节运动的一组时间轨迹来描述。步态规划的目标是产生期望步态，即产生在某个步行周期中实现某种步态的各关节运动轨迹（期望运动轨迹）。步态规划是双足机器人稳定步行的基础，要实现和提高机器人的行走性能，必须研究实用而有效的步态规划方法，以实现机器人的稳定步行。中国矿业大学徐海学院2013级双足竞步机器人设计与制作技术报告第2页2硬件设计2.1机械结构双足机器人机械结构设计中关节轴系的结构设计必须紧凑，传动精度高，效率高，并保证提供必要的输出力矩和输出速度，以满足机构动态步行运动速度和承载能力。在机械结构的总体设计方案制定后，我们对机械结构中关键器件进行了选型，主要包括轴系电机、传动杆件等，为此我们根据轴系对运动实现的重要性把机器人所有轴系分为两类：主要轴系和次要轴系。主要轴系包括下肢所有轴系，它们涉及双足机器人基本运动功能的实现问题，因此是本项目机构设计的核心问题，其基本元件和结构方式必须首先确定下来才能展开以此为核心的机构设计和机加工工作。要使机器人能够平稳的行走，首先要设计好机械结构。我们选用了3个舵机作为机器人腿的3个关键，因为舵机的理论旋转角度是180度，所以我们把腿部和膝盖的2个舵机竖直55放置，脚步的1个舵机水平放置。在选材方面，我们主要用的是铝合金板为主要的框架材料，也用了一些塑料的电路板做底板。机器人的2个手臂也是用的金属做支撑，以保证机器人行走时的稳定，也减少了舵机震动所带来的影响。2.2电路设计为了避免舵机的供电电源产生的电压波动对控制电路的干扰，控制电路与舵机的电源要进行隔离，即分开供电。控制电路电源使用的是一个12V输出的AC-DC变压电源经7805芯片后提供的5V电源，而舵机的电源提供了一个接口，外接一个7806芯片进行供电。运动控制器的控制芯片模块包括单片机、时钟电路、复位电路、外部程序存储芯片扩展。单片机采用Atmel公司的ATmega8AVR单片机，它是8位的高性能嵌入式控制器,其内部集成了8k的可在线编程的Flash存储器;256字节的RAM，可寻址64字节，具有32根I/O口、3个可编程定时器、8个中断源、6个中断矢量、1个看门狗定时器。时钟电路给系统提供时间基准,设计时采用11.05296MHz晶振。同时，本设计还扩展了一片8k×8位的外部存储芯片2864。运动控制器采用一片AVR的单片机实现了PWM的产生。由于AVR具有他特有的并行处理能力和大量的IO接口，可以同时控制几十甚至上百个舵机同时工作，可以为后续的工作留出一定的空间。中国矿业大学徐海学院2013级双足竞步机器人设计与制作技术报告第3页串行通信模块主要用于ATmega8单片机与PC机之间的串行通信。由于PC机的COM口符合RS-232标准,ATmega8单片机上的串行接口是TTL电平，在RS-232与TTL电平通信时,需要电平转换，因此，设计时利用MAX232芯片来作电平转换。中国矿业大学徐海学院2013级双足竞步机器人设计与制作技术报告第4页3软件设计3.1AVR单片机程序设计RB-150MG舵机的控制信号为PWM信号，通过改变占空比进而改变舵机转动的角度。通过多次实验，测得脉宽在0.5ms-2.5ms时，对应舵机在0度-180度区间转动，并呈线性关系。由于atmega8的8位pwm控制精度不高，为了可以精确调整舵机所转角度并能分时控制6路pwm，利用atmega8t0定时器软件仿真pwm信号输出。为了实现方便调试双足竞步机器人步态规划，我们设计pc上位机与avr单片机进行串口通信，设置avr单片机串口接收中断，接收对应舵机编号和该舵机pwm参数，并实时改变舵机角度，实现机器人仿真行走。3.2PC上位机调试软件设计选用V