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1绪论两足步行机器人是指可以使用两只脚交替地抬起和放下，以适当的步伐运动的机器人，可分为拟人机器人和桌面型两足机器人(仿人机器人)大小和人相似，不仅具有拟人的步行功能，而且通常还具有视觉、语音、触觉等一系列拟人的功能；桌面型两足机器人通常指体积较小，只具有步行功能及其他少数特定功能的两足机器人，例如具有步行功能和视觉功能的自主踢足球机器人。与拟人机器人相比，桌面型两足步行机器人的成本较低，除了具有科研性外，还具有广泛地娱乐性，也可以应用在教学和比赛中。国内外的机器人大赛中，常常可以看到桌面型两足步行机器人的身影[1]。1.1课题的研究背景和意义于两足步行机器人的拟人性和对环境良好的适应性等特点，受到各国政府和研究者的广泛重视，是当今世界的高新技术的代表之一。它在科研、教学、比赛和娱乐等方面都很到了很好的应用。江苏省大学生机器人大赛和全国大学生机器人大赛中经常有两足步行机器人，它可以参加舞蹈机器人比赛、两足竞走机器人比赛、Robocop类人组机器人踢足球[10]器人创新比赛、Robocop救援组比赛等。舞蹈机器人比赛时使用了日本“KONDO”两足步行机器人，性能出众，发挥稳定，获得了舞蹈机器人比赛的冠军。但是该机器人是集成度很高的商业产品，它的控制系统不开放底层代码，难以进行二次开发和步态研究。所以本文基于机器人控制系统中常用的众多处理器和操作系统各自的特点，并结合“KONDO”机器人机械结构的特性，选用了高性能、低功耗的8位AVR®微处理器内核处理器ATMega8P来实现对机器人的控制来。设计的控制系统控制指令精简，控制转角精度高，波特率可以实时更改，体积小，重量轻，其可作为类人型机器人、仿生机器人、多自由度机械手的主控制器。随着中国机械产业的不断进步，各高校相继开设机械类创新课程和比赛，学生可将其应用在各类机械创新作品中，优化控制系统参加比赛。日本“KONDO”机器人如图1.1所示。图1.1日本“KONDO”跳舞机器人1.2国内外研究现状步行是人与大多数动物所具有的移动方式，其中两足直立行走是人类特有的步行方式，是所有步行方式中自动化程度最高，最为复杂的动态系统。最早从工程角度研究双足机器人并获得成功的是早稻田大学的加藤一郎。1972年，加藤实验室推出了wL-5双足步行机器人，这是世界上第一台双足机器人。1996年11月本田((HONDA)公司展示了一个有两腿两臂的仿人[2]型机器人P2,能在平地上行走、转弯、上下楼梯和跨越障碍，并可提5公斤的重物和使用扳手等简单工作;在此基础上，本田公司又连续开发了第二代仿人机器人P3，第三代仿人机器人Asimo,Asimo高120cm，行走质量很高，非常接近人类。Sony公司也推出了能歌善舞的机器人Qrio，不但具有非常出色的步行稳定性，而且具有很强的自行辨认能力，甚至能在狭隘道路上行走并绕过障碍物。这两个机器人代表了当前世界上两足步行机器人研制的最高水平。Asimo和Qrio都是拟人机器人，它们除了具有两足步行功能之外，还具有非常强大的视觉功能和语音功能，能辨认很多目标，并能和人进行很好的语言及肢体交流。而桌面型的两足机器人也一直受到研究者的重视，研究的重点是两足步行功能。如图1.2所示。图1.2Asimo(左)和Sony的Qrio(右)2006年，日本神奈川大学设计的WABIAN-2LL机器人，身高120cm，重40Kg,在步行中通过膝关节改变腿长，通过腰关节的运动来减少腿部运动对身体重心的影响。2007年，大阪大学的KohHosoda等人研究了人类行走过程中的腿、腰、头、手臂等各部分的协同作用，在两足机器人中引入了三维极限环协同理论，设计的机器人Pneumat-BT[6]，[7]。随着集成电路的发展，小型机器人可以具有功能越来越强大的嵌入式计算系统，甚至可以使用运算能力很强的图像处理和模式识别系统。这使得桌面型两足步行机器人和拟人机器人之间并没有严格的区分标准。2007年，东京Denki大南京师范大学硕士学位论文学的HidetoSHIMIZU等人设计了小型两足步行机器人HOAP-3，身高60cm，重8.8Kg，共有28个自由度，有一个强大的视觉处理系统。如图1.3所示。图1.3WABIAN-2LL(左)、Pneumat-BT(中)和HOAP-3(右)2006年，西班牙PolitecnicadeValencia大学的Albero和Blanes等人设计了具有高性能分布式控制系统的桌面型两足机器人YABIRO，高55cm，重4Kg，共27个自由度，具有独特的腰部三自由度结构，如图所示。该机器人使用了多个嵌入式系统，主控制系统使用了嵌入式个人计算机和实时Linux操作系统，具有非常强大的数据处理能力；主、从控制系统以及传感器之间使用dual-CAN总线通信。2006年，韩国国立釜山大学开发了脚底安装有力传感器的桌面型两足机器人，该机器人身高28cm，重3.2Kg，如图所示。同年，韩国SungKyunKwan大学也开发了一个桌面型两足步行机器人，身高45cm，重4.3Kg，共24个自由度，如图所示。该机器人使用了TI公司的DSPTMS320F2407作为控制器，使用直流无刷电机作为驱动器，在两足步态设计中引入了遗传算法。如图1.4所示。图1.4YABIRO-2（左）、釜山大学机器人和SungKuhnKwan大学机器人（右）我国从80年代中期才开始研究两足步行机器人[20，21]，国防科技大学1988年研制成功我国第一台平面型六自由度的两足机器人，能实现前进、后退和上下楼梯；之后又现了实验室环境中的全方位行走，1995年，实现了动态步行。2000年11月，国防科技大学又研制出了我国第一台具有人类外观特征、可以模拟人类行走与基本操作功能的拟人两足步行机器人Pioneero。2002年，清华大学精密仪器系、机械工程系和自动化系组成的研究小组开始研究开发拟人机器人THBIP，共32个自由度，可以步行、上下楼梯、打太极拳等，并具有视觉及语音识别功能[3]。两足机器人的研制发展过程，是由少自由度到多自由度、由实现简单动作到复杂动作、由静态步行到动态步行、由仅从简单功能到仿生功能的研制过程。1.3本文的主要工作本文设计的主要内容是两足行走机器人的行走控制系统部分，我选用8位AVR微处理器内核处理器ATMega8P，设计了两足行走机器人的控制系统。主要工作包括：(1)设计了两足步行机器人的硬件电路。选用高性能、低功耗的8位AVR微处理器，指令执行时间为单个时钟周期，速度快，控制精度高、I/O口驱动能力更强，优于AT51、STC51系列单片机。(2)选择设计了两足步行机器人的控制软件系统。在AVR微处理器中移植了uC/OS-II操作系统；在操作系统下设计了应用程序，实现了两足机器人控制系统的各项功能，搭建了完整的两足机器人控制系统软件框架[12]，[13]。(3)搭建了17自由度机器人双腿的运动模式，通过17个舵机同时协调运作，以实现机器人完成相应的动作。(4)完成毕业设计的同时，提出本设计的不足，指出需要改进的地方。1.4本文组织结构第一章介绍了两足步行机器人的国内外研究现状[26]，由别人设计的机器人总结对自己的启发提出本设计的主要任务点。第二章介绍了控制系统中常用的处理器和操作系统、以及两足步行机器人的机械结构，并说明了本文设计两足步行机器人控制系统的目的。使用Prote199设计了两足步行机器人控制系统的硬件，包括核心电路图和PWM脉冲信号控制原理图。第三章介绍了使用实现机器人控制系统的具体软件，这里我们使用了ServoControlSoftware,是实现伺服电机控制器通讯协议PC机上专用WINDOWS控制软件，可以简便的实现复杂动作的操控。第四章建立两足步行机器人步行模式建立，对机器人的双腿运动进行了分析，对10个微型伺服直流电机的转角角度进行了逐个分析。第五章对本文的工作进行了总结，并对今后的深入研究提出了建议。2两足步行机器人控制系统硬件设计与实现在以比赛、娱乐、教学和研究为目的的两足步行机器人控制系统中，单板计算机作为控制系统虽然运算速度快，但体积大、成本高，而且功耗大；有此而选用高性能、低功耗的8位AVR®微处理器，指令执行时间为单个时钟周期，速度快，控制精度高、I/O口驱动能力更强，优于AT51、STC51系列单片机，所以能够解决一些较为复杂的控制指令。2.1硬件系统的基本要求两足步行机器人是对人类的模仿[15]。但人类的结构极其复杂，对人类步行原理的研究至今仍有许多未解决的问题。所以在设计两足步行机器人机械结构时，会对人类步行的结构进行减化，只会考虑基本的步行功能。人类的仅下肢就具有62对肌肉，腰部8对肌肉，在设计两足步行机器人时，要控制具有这么多自由度的多变量系统几乎是不可能的事情，所以两足步行机器人通常腿部只具有8至12个自由度，腰部具有0至3个自由度。本课题设计的机器人共有17个自由度，驱动器为微型直流伺服电机，简称舵机。其机械结构如图2.1所示。图2.1机器人机械实物该机器人的机械结构具有如下特点：(1)该机器人的机械设计具有很高的稳定性，国外的一些类似机器人曾获得机器人比赛冠军；(2)该机器人踝关节和髋关节各具有两个自由度，这种机械结构设计可以使机器人在不平地面站立；(3)该机器人膝关节具有一个自由度；(4)该机器人肩关节具有两个自由度，肘关节具有一个自由度，可以实现简单的摆臂功能，用以配合腿部的运动，抑制摆腿时产生的左右扭转趋势。(5)该机器人的机械结构也具有一个缺点:没有腰部扭转自由度，使两足步行机器人在行走中不能使用腰部关节进行姿态平衡，但这并不阻碍机器人在平地上的行走。本文在“KONDO”机器人[9]机械结构的基础上，设计控制系统，用来替换其自带的控制系统。本文设计的控制系统在硬件上至少满足如下5个基本要求：(1)产生不少于17路独立的高精度单边沿PWM信号，用来控制作为机器人关节驱动器的17个直流伺服电机；(2)具有调试接口；(3)具有一个与PC机通信的接口；(4)具有多路A/D转换电路，用来扩展传感器；(5)具有独立而稳定的电源。我们设计的机器人所用的高精度直流伺服电机，控制信号为0.5ms～2.5ms高电平的PWM信号，对应转角为0度到180度，电机精度为0.1度，则控制信号的精度应该高于(2.5ms～0.5ms)/1800=1.11μs。2.2硬件系统设计的技术路线和总体方案2.2.1处理器选型二十年前，只有少数的几个科研机构在研究两足步行机器人，现在却不胜枚举，这其中很重要的一个原因就是嵌入式计算机的高速发展[24]，[25]。嵌入式计算机由于其体积小、功耗低、硬件资源丰富，非常适合应用在对体积和功耗都有较高要求的小型机器人系统中。在机器人控制系统中常用的处理器有：TIC2000和C6000系列DSP、8051和AVR单片机、ARM7和ARM9系列、PC104和PowerPC单板计算机等。它们各自具有鲜明的特点，通常都是为了特殊的应用而设计，如表2.1所示。表2.1机器人控制系统中常用处理器机器人控制系统中常用的处理器处理器的特点在机器人控制系统中的应用C20具有运动00系列DSP很强的数字信号处理能力,适合运动控制,硬件设计方便。控制、语音处理。尤其适合执行针对单个或一对直流（无刷）电机的复杂算法。C6000系列DSP具有极强的数字信号处理能力，具有专门的操作系统，硬件设计非高级的视觉处理和模式识别常复杂。8051和AVR系列单片机结构和指令简单;运算能力较低，通常不支持操作系统：几乎全部简单的运动控制和信号处理，在复杂的控制系统中作为局部控芯片都己经单片化，硬件设计非常方便。制器。ARM7系列典型的RISC处理器，运算能力较强，小型机器人主控制器，常用于运支持多种操作系统：部分型号芯片己经单片化，硬件设计较方便。动控制和传感器信号处理。ARM9系典型的机器人列RISC处理器，运算能力很强，支持多种操作系统;几乎没有单片化，硬件设计主控制器，同以进行视觉处理、语音处理和模式识别。较复杂。PC104,PowerPC等单板计算机由PC演化而来