模块化仿生机器人设计.doc

《模块化仿生机器人设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模块化仿生机器人设计.doc（44页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、模块化仿生机器人设计摘要模仿人的形态和行为而设计制造的机器人就是仿人机器人，一般分别或同时具有仿人的四肢和头部。仿生机器人的发展可以给国家科技，教育，经济等各个领域带来很大 的进步空间。本文是在对国内外人形仿生机器人资料， 特别是连接键部分和控制资料进行研读的 基础下，对人形仿生机器人的整体结构、驱动、控制和传感器等方面进行方案拟定。本 文对人形仿生机器人的结构进行详细的设计，画出总装配图、部件图并完成相应的设计 计算。此外，本文设计了仿生机器人的主控电路板以及控制程序。研究小型仿生机器人的目的就是为了便于普及仿生机器人研究，让自然人与机器人能在同一个空间内融洽相处。本文所设计的仿生机器人是采

2、用舵机实现运动，并且采用 单片机实现机器人的运动控制。本设计还对模块化仿生机器人的结构组成和控制部分进 行了优简化的设计和详细的分析。关键词：仿生机器人，舵机，单片机模块化仿生机器人设计AbstractThis paper is in the form of domestic and foreign bionic robot for data, especially the bond part and the control data were studied under the foundation, the humanoid robot structure, drive, control

3、and sensor of the plan. In this paper, structure of the humanoid robot were detailed design, drawing assembly diagram, parts diagram and complete the corresp onding desig n and calculati on. The desig n of the bionic robot adopts servo moti on, and using the MCU control the movement of the robot. Th

4、e design structure of the humanoid robot and con trol part of the detailed an alysis.Researchon bionic robot is designed to facilitate the popularization of bionic robot, let the natural human robot can be in the same space along. Bionic robot is designed in this paper is the actuator motion, and th

5、e motion control of the robotby single chip microcomputer. Structure the design of bionic robot of the moduleand control part of the desig n and simplified and an alyzed in detail.Keywords: bionic robot, steering engine the MCUfdf图紙枉务书36 KEMi cros oft V?or i9.EOT14510-00-04 连接 件W4.7 KBRQT14510-00-Q1

6、 连接 件I74 KBROTI4510-00-06 连播 件¥185 KBROT 14510-00-03 连接 件III97 KB也 R0T14510-00-05 连接dwg人 R0T14S10-OO-O8 连接 件DWG彳1 ROT14510-02-00 手臂351 KBD 霜（jF Aut oCAD 團形BDT14510-DO-07 件vnGO KBROT14S10-00-02 件II89 K6主桎原理图2419 KBAutoCAD 團形连接主控原理图3466 KBAutoCAD 图形ROTI 4510-01-00 軀干4&4 OAutoCAD 團形主揑原理圉1634 K

7、BAuUCAD團形ROT 14510-04-00 褪剖79S KBAutoCAB 團盘ROT14EiO-ODO 机器人装配盟 961 KE仿生设计说明书C论立）1,681 KBMieroEoft Word 9.模块化仿生机器人设计目录1绪论11.1仿生机器人的特点11.2国内外仿生机器人的研究现状 21.3课题技术要求52. 人形仿生机器人机构设计分析62.1仿生机器人的结构分析62.2 仿生机器人设计方案 62.3 驱动方式的选择92.4仿生机器人相关数据93. 人形仿生机器人控制系统硬件设计 113.1硬件系统的基本要求113.2硬件系统设计的技术路线和总体方案 114. 仿生机器人控制系

8、统软件设计 174.1软件系统的基本要求174.2软件设计的总体方案 174.3 舵机与控制系统 194.4舵机的选择205. 仿生机器人步行模式的建立 235.1 静态步行模式设计与实现235.2姿态运动的软件实现25结论28参考文献29致谢30模块化仿生机器人设计1绪论机器人是自动控制机器（Robot）的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类 行为或思想与模拟其他生物的机械（如机器狗，机器猫等）。狭义上对机器人的定义还有很多分类法及争议，有些电脑程序甚至也被称为机器人。在当代工业中， 机器人指能自动执行任务的人造机器装置，用以取代或协助人类工作。理想中的高仿真机器人是高级整合控制论、 机械电子

9、、计算机与人工智能、材料学和仿生 学的产物，目前科学界正在向此方向研究开发。仿生机器人，也称仿制人或人型机器人等，指以模仿真人为目的制造的机器 人。但人型机器人也可以指英语中的 Humanoid （拟人机器人），可以大小和真人 差很远也没有似人的外观，但有人的四肢和头等构造。现时仿生人仍然在试制阶 段，是长期以来科幻和机器人学的一大主题。仿生人拟真的程度有很多，有些是可以从外观上识别，也没有真人的思想和感情 （如Chobits中的人型电脑）。相对 是称为生物机器人，是使用一种真人或生物的活组织，但以机器为主体的类型， 是和机械化人有重叠的概念，也是完全刻意为了仿冒真人而制造的， 但行为不一 定

10、似真人。而有时把女性型的仿生人称为机娘（Gy no id），如机械女仆。反过来说 亦有开发外观不似人，但能够有似真人行为的机器人，如在2001年美国麻省理工 学院，研发了号称世界上第一个有类似人类感情的机器人。2013年1月，英国的机器人专家设计师宣称展示了世界上第一个完整的、迄今为止最复杂的仿生人， 其包括人造器官以及健全的四肢。1.1仿生机器人的特点研究仿生机器人，以代替人类在核电站、太空、海底及其它危害人类身心健 康的复杂极端环境中工作，将大大拓展人类的活动空间。仿生机器人是近年来兴起的类人小型机器人系统，是机器人领域一个新的方 向，人形机器人就是按照人体的一定比例进行微缩的机器人。这种

11、机器人从外形 上看据有人的特征，依赖双足行走；能像人一样站立、行走、跳舞、运动，具有 人一样的行为，能像人类一样地生活、学习，并且为人类服务。研究小型人形机 器人的目的就是为了便于普及人形机器人研究， 让自然人与机器人能在同一个空 间内融洽相处。模仿人的形态和行为而设计制造的机器人就是仿人机器人，一般分别或同时 具有仿人的四肢和头部。中国科技大学陈小平教授介绍，机器人一般根据不同应 用需求被设计成不同形状，如运用于工业的机械臂、轮椅机器人、步行机器人等。 而仿人机器人研究集机械，电子，计算机，材料，传感器，控制技术等多门科学 于一体，代表着一个国家的高科技发展水平。仿生机器人的发展可以给国家科

12、技，教育，经济等各个领域带来很大的进步空间 0本课题主要解决了模块化仿生机器人各个模块之间连接件的设计，以及通过C语言编程，对于伺服电机模块进行精确地控制。 从而使得整个系统至少能够搭 接10种模型，包括变形金刚、机器猫、机器狗、机器兔等造型。而这样的一个仿生机器人它的意义不仅在教学上可以给我们带来实体的展 示和实验，学生通过制作仿人机器人来实践机械结构和复杂控制软件模块的设 计。学生用仿人机器人进行实验来增强动手能力和解决新问题的能力。而且在生活中也可以进行推广，可以成为自闭症儿童的开导工具等等。对于这样的仿生机器人的进一步研究和学习，我相信在未来它所具有的经济 价值和市场需求是非常可观的。

13、I1.2国内外仿生机器人的研究现状1.2.1国内状况我国在仿人形机器人方面做了大量研究，并取得了很多成果。比如长沙国防 科技大学研制成了双足步行机器人， 北京航空航天大学研制成了多指灵巧手， 哈 尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的工作。在张启先院士的主持下，北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开始灵巧手的研究与开发，最初研究出来的 BH -1型灵巧手功能相对简单，但填补 了当时国内空白。在随后的几年中又不断改进，现在的灵巧手已能灵巧地抓持和 操作不同材质、不同形状的物体。它配在机器人手臂上充当灵巧末端执行器可扩 大机器人的作业范围，完成复杂的装配、搬运等操作。比如它可以用来

14、抓取鸡蛋， 既不会使鸡蛋掉下，也不会捏碎鸡蛋。灵巧手在航空航天、医疗护理等方面有应 用前景。灵巧手有三个手指，每个手指有3个关节，3个手指共9个自由度，微电机 放在灵巧手的内部，各关节装有关节角度传感器，指端配有三维力传感器，采用 两级分布式计算机实时控制系统。上海交通大学于1999年研制的仿人形机器人 SFHR,腿部和手臂分别有12 和10个自由度，身体上有2个自由度。共有24个自由度，实现了周期3.8s,步 长10cm的步行运动。机器人本体上装有 2个单轴陀螺和一个三轴倾斜计，用于 检测机器人的姿态信息，并配备了富士通公司的主动视觉系统， 是研究通用机器 人学、多传感器集成以及控制算法良好

15、的实验平台18 0北京理工大学在归国博士黄强教授的带领下， 高起点地进行仿人形机器人研 究，于2002年12月通过验收的仿人形机器人 BHR-1，高158cm,重76kg, 32 个自由度，步幅0.33m,步速每小时1公里。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， 实现未知地面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形机器人国家。此外，清华大学正在研制仿人形机器人 THBIP- I,高1.7m，重130kg, 32 个自由度，在清华大学985计划的支持下，项目也在不断取得进展。南

16、京航空航 天大学曾研制了一台8自由度空间型双足步行机器人，实现静态步行功能。2007年7月7日，由哈尔滨工程大学研制开发的仿生机器人螃蟹，经过近 百次试验获得成功。该仿生机器人螃蟹长60厘米，宽35厘米，厚度为25厘米， 体重12公斤，时速540米/小时。这只仿生螃蟹配备有卫星定位系统，能潜入 4 米深水下进行搜救、探测、录像等任务。目前，我国仿人形机器人研究与世界先进水平相比还有差距。 我国科技工作 者正在努力向前，我们热切地期盼着我们自己水平更高的、 功能更强的仿人型机 器人与大家见面。1.2.2国外状况在2005年爱知世博会上，大阪大学展出了一台名叫ReplieeQ1expo的女性机器人

17、。该机器人的外形复制自日本新闻女主播藤井雅子， 动作细节与人极为相似。 参观者很难在较短时间内发现这其实是一个机器人。由日本本田公司研制的仿人机器人 ASIMO，是目前最先进的仿人行走机器 人。ASIMO身高1.2米，体重52公斤。它的行走速度是0-1.6km/h。早期的机器人 如果直线行走时突然转向，必须先停下来，看起来比较笨拙。而ASIMO就灵活得多，它可以实时预测下一个动作并提前改变重心，因此可以行走自如，进行诸如“8”字形行走、下台阶、弯腰等各项“复杂”动作。此外，ASIMO还可以握手、挥手，甚至可以随着音乐翩翩起舞9。在仿人机器人领域，日本和美国的研究最为深入。日本方面侧重于外形仿真

18、， 美国则侧重用计算机模拟人脑的研究。由于仿人型机器人集机、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，因此，世界发达国家都不惜投入巨资进行开发研究。日、美、英等国都在研制仿人形机器人方面做了大 量的工作，并已取得突破性的进展。日本本田公司于1997年 10月推出了仿人形机 器人P3,美国麻省理工学院研制出了仿人形机器人科戈（COG）,德国和澳洲共 同研制出了装有52个汽缸，身高2米、体重150公斤的大型机器人。本田公司最新 开发的新型机器人“阿西莫”，身高120厘米，体重43公斤，它的走路方式更加 接近人。在2013年举行的机器人奥运会上，

19、日本 Schaft公司机器人HRP-2拿到第一。 而美国NASA花了 300万美元打造的Valkyrie人形机器人也同时展现在了世人面 刖。日本机械学院的S -Kajita等针对一台具有4台前向驱动电机且全部安装在机 器人的上体的五连杆平面型双足步行机器人Meltran I,研究其动态行走的控制方法。他根据机器人机构质量几乎完全集中在上体的事实，为使双足步行机器人 实现稳定、周期性的动态行走，对机器人上体采用了约束控制方法，提出了一种理想的线性倒立摆模型。同时又提出了机构轨道能量守恒的概念，来求解各个关节运动轨迹及输入力矩，实现了在已知不平整地面上的稳定动态步行。1996年他 们又在此样机的基

20、础上加载了超声波视觉传感器以实现实时提供地面信息的功 能。将视觉传感器系统与针对线性倒立摆所提出的控制模式相结合构成自适应步 态控制系统，使Meltran U成功地实现了在未知路面上的动态行走15。代表拟人机器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。他们代表了当今拟人型机器人发展的最高水平。本田公司从 1986年至今己经推出了 P系列1, 2, 3 型机器人。并且于2000年11月20日，推出了新型双足步行机器人“ASIMO(Advaneed Step in Innovative Mobility) ”，“ASIMO ”和“ P3” 相比，实 现了小型轻量化，使其更容易适应人类的生活空间，通过提

21、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“ l-WALK(lntelligent Real-time Flexible Walk) ”。l-WALK 是在过去的步行技术 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。过去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后才可以转弯13。索尼公司于2000年 11月21 日在四足娱乐机器人 AIBO的基础上推出了人形 娱乐型机器人SDR-3X(Sony Dream Robot-3X)。SDR-3X :头部2个自由度、躯干 2个自由度、手臂4 X

22、2个自由度、下肢和足部6 X 2个自由度，共计24个自由 度。2002年又推出SDR-4X，采用64位RISC处理器，64MBDRAM，共有38个自 由度(头部4个，身体2个，胳膊5X 2=10个，腿部6X2=12个，独立的5个手指5 X 2=10个)O 2003年 12月18日，索尼公司通过对控制系统和ISA(Intelligent Servo Actuator)的改进、增加输出力矩等方法，使 QRIO在世界上第一次实现了双足行 走机器人的跑动，QRIO可以在跑步时滞空6ms,双脚跳跃时滞空10ms。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“ HRP-

23、2”双足拟人机器人亮相东京。该机器人身高154em，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14 O1.3课题技术要求模块化可拼装，结构件可更换； 采用伺服电机驱动； 具有红外避障，光敏传感器；USB下载程序 蓝牙无线，红外遥控； 电池可在线充电； 连接简单、方便、耐用； 16个自由度，10种以上造型； 设计机械结构三维模型，提交零件图和装配图 采用单片机设计控制系统5模块化仿生机器

24、人设计2. 人形仿生机器人机构设计分析机构设计是仿生机器人的重要的部分，在这个部分中，主要设计机器人的驱 动传动机构、连接件等。主控制器作为电源子系统和控制子系统的机载化安装空间。2.1仿生机器人的结构分析人形仿生走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。按照设计参数的要求，从仿人外形和仿人运动功能要求出发， 设计

25、要求机器 人自由度具有16个自由度。其中下肢8个自由度。每条腿包括髋部转动1个自由度。膝部前向1个自由 度。踝部前向、转动各1个自由度。上肢8个自由度。每个手臂包括肩部肘部各 2个自由度。2.2仿生机器人设计方案机器人的机械安装示意图如图2.1所示，机器人有一个传感器模块（即头部）， 一个主控制器（即胸部），16个舵机模块（各个关节），通过机械连接件由螺丝和 卡扣连接而成。通过上面所述和查阅相关机器人行走的视屏，我们设计了一个16自由度的机 器人模型，如图2.1所示。显示的结构特征就是采用多关节型结构。动力源采用 舵机直接驱动。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

26、大角度，而且驱动源全为干电池，便于集中控制和程序化控制。Front ViewRear View图2.1 仿生机器人模型图2.1人形机器人，头部和身体相连接（图2.2） o肩关节、大臂和小臂各一个 自由度（图2.3,图2.4）,髋关节一个自由度，大腿（图2.5,图2.6） 2个自由度, 小腿和脚步各一个自由度。各个关节的活动范围理论上是 180度 （由于零件之间 互相干涉，关节之间活动范围以实际为准）。8模块化仿生机器人设计#模块化仿生机器人设计图2.2 机器人头部和身体#模块化仿生机器人设计9模块化仿生机器人设计图2.4机器人右手臂图2.5机器人左腿10模块化仿生机器人设计图2.6机器人右腿2

27、.3驱动方式的选择由于此次设计的仿生机器人只是达到简单运动，而且为了使机器人行走稳定，所以对机器人的各个关节旋转的角度和配合都需要比较精确的控制，所以所有的驱动都是由舵机来完成如图2.7 。图2.7 舵机2.4仿生机器人相关数据两足机器人所有零部件清单，如表2.1表2.1 零部件清单名称型号数量舵机12(NX m)16铝制零件52螺栓螺帽M3x 11(mm)145两足机器人的相关尺寸，如表2.2表2.2总体尺寸名称尺寸(高x宽mm)总体348x 195手臂189x 49腿部198x 49舵机的相关参数，如表2.3表2.3舵机参数型号重量k轴承减速比马达6V7.4V墙转扭距(kg-crfl)空m

28、电 流(mA)s/BQa堵萍扫拒空戢工柞电SR51&75230空业杯0JS141.4J00J302117 J32712模块化仿生机器人设计3. 人形仿生机器人控制系统硬件设计控制系统是用于控制机器人的运动、传感器数据采集，机器人与人的交互等。 控制系统有一个主控制器来实现，主控制器对每个机器人的模块分别控制，机器 人的运动控制算法是在主控制器中设计，每个模块上的舵机里有CPU通过232或485总线跟主控制器进行通信。在这部分要设计主控制器，编写程序，设定与每个模块的通信协议，实现机 器人的整体协调动作。3.1硬件系统的基本要求双足行走机器人是对人类的模仿。但人类的结构极其复杂，对人类步

29、行原理 的研究至今仍有许多未解决的问题。 所以在设计双足行走机器人机械结构时，会对人类步行的结构进行减化，只会考虑基本的步行功能。所以双足行走机器人通 常腿部只具有8至12个自由度，胯部具有0至3个自由度。本课题设计的机器 人共有16个自由度，驱动器为微型直流伺服电机，简称舵机。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16路独立的高精度单边沿PWM&号，用来控制作为机器人 关节驱动器的16个舵机；(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

30、精度直流伺服电机，控制信号为 0.5ms2.5ms 高电平的PWM&号，对应转角为0度到300度，电机精度为0.1度，则控制信号 的精度应该高于(2.5ms0.5ms)/1800 =1.11卩s。3.2硬件系统设计的技术路线和总体方案3.2.1处理器选型智能仿生机器人系统主要由伺服电机模块、传感器模块、主控制器模块及结 构连接件构成。主控制器模块为机器人的大脑，总体协调各个部分的运动、感知等功能。伺服电机模块为机器人的运动系统， 每个自由度采用一个伺服电机模块。伺 服电机模块标有不同的ID号，通过串行总线与主控制器通信。传感器模块包含几种传感器，为机器人的感觉系统。传感器模块唯一的ID

31、号，通过串行总线与主控制器通信。结构连接件具有多种形状，可以搭接成不同形式的机器人。在机器人控制系统中常用的处理器有：TI C2000和C6000系列DSR 8051和AVR单片机、ARM系列、STM32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3.1所示。表3.1 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具有很强的数字信号处理能力，适合运动控运动控制、语音处理。尤其适合C2000 系歹y DSP制，硬件设计方便。执行针对单个或一对直流（无刷）电机的复杂算法。具有极强的数字信号处理

32、能力，具有专门的高级的视觉处理和模式识别C6000 系歹y DSP操作系统，硬件设计非常复杂。8051和AVR系列单片结构和指令简单；运算能力较低，通常不支简单的运动控制和信号处理，在机持操作系统：几乎全部芯片都己经单片化，硬件复杂的控制系统中作为局部控制器。设计非常方便。典型的RISC处理器，运算能力较强，支持小型机器人主控制器，常用于运ARM7系列多种操作系统：部分型号芯片己经单片化，硬件动控制和传感器信号处理。设计较方便。专为要求高性能、低成本、低功耗设计，运机器人主控制器，同以进行视觉STM32系列系列算能力很强，支持多种操作系统；几乎没有单片处理、语音处理和模式识别。化，硬件设计较复

33、杂。PC104, PowerPC 等单由PC演化而来，通用性很强，功耗大，硬复杂的拟人机器人的主控制器。板计算机件设计非常复杂。DSP处理器在谱分析、FFT变换、数字滤波等方面得到非常广泛地应用。TI公司的02000系列DSP主要用来进行运动控制，适合用于执行针对单个或少 量电机的高级控制算法。虽然C2000在桌面型两足机器人中也有应用，但C2000 对操作系统的支持能力有限，一般不使用操作系统，所以如果作为主控制器会带 来软件设计上的局限性。C6000系列具有很高的主频、丰富的硬件资源、特殊的系统结构，数字信号 处理能力非常强大，并且 TI公司特地为 C6000（和C5000）系列开发了专用

34、 DSP/BIOS操作系统。DSP/BIOS操作系统使C6000如虎添翼，成为了高级视觉 处理应用的主流处理器。但使用 C6000作为处理器时电路复杂，通常只在大型 拟人机器人中作为高级的视觉处理器，小型的机器人中应用很少。8051和AVR系列单片机通常在其内部集成了 CPU、存储器、总线逻辑、看 门狗、1/0、以及其他接口，单片化的特性使其体积和功耗都大大减小，在双足 行走机器人中得到了广泛使用。ARM7系列处理器是ARM处理器中使用很多的一款。ARM7处理器是典型 的RISC处理器，对操作系统的支持能力很强，适合运行多种操作系统。单板计算机由通用计算机演化而来，常见的有PC104 Powe

35、rPC、MIPS>68000 等。单板计算机具有良好的通用性，对操作系统具有极强的支持能力。 但其设计 和开发比较复杂，功耗较大，在拟人机器人等大型机器人中经常被用作主控制器。本文结合控制系统设计的基本要求和常用处理器，高性能、低功耗的8位STM32F103RCT6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。3.2.2舵机的控制特性舵机又称为直流伺服电机，是一种位置伺服驱动器，适用于角度不断变化并 可以保持的控制系统。我们设计的仿生机器人的直流伺服电机使用+7V至+12V电源，内部基准信号为周期为20ms的PWM

36、周期信号，输入的控制信号也必须 是周期为20ms的PWM周期信号，电压为+4V至+6V。电机输出转角与输入的 控制信号的脉冲宽度有如图3.1所示的线性关系。图3.1 舵机输出转角与输入 PWMW号宽度的关系本文中的双足行走机器人机械结构共有 16个舵机，所以在设计控制系统硬 件电路时，除了需要提供9V至12V的电源外，还必须提供至少16路4V至6V 的PWM信号。3.2.3硬件设计总体方案对应于控制系统硬件设计的基本要求，作了如下的设计方案：(1) 核心电路包括STM32核心处理器、调试接口、串口驱动电路和A/D转换 基准电压电路，原理如图3.2所示。图3.2 核心电路原理图58K(2) 控制

37、系统需要控制16个舵机，使机器人完成相应的动作。控制直流伺 服电机的PWM&号的周期为20ms高电平持续时间为0. 5ms至2. 5ms占空比 较小，最大仅为1/8，所以可以进行多路分时复用。控制系统是用于控制机器人 的运动、传感器数据采集，机器人与人的交互等。控制系统有一个主控制器来实 现，主控制器对每个机器人的模块分别控制，机器人的运动控制算法是在主控制 器中设计，每个模块上的舵机里有 CPU通过232或485总线跟主控制器进行通 信。在这部分要设计主控制器，编写程序，设定与每个模块的通信协议，实现机 器人的整体协调动作。其舵机PWM&号控制电路原理如图3.3所示。lAfr

38、 1-fiMD铭口B9-217zH6C：KT芮阳 £ H-PI 7zRSC-L 0?z5T图3.3 PWM信号控制原理图324电源设计为了增加机器人的灵活性，机器人使用高性能充电电池供电。 直流伺服电机 的电源要求为9V至12V，本文选用了电压为10V的高性能电池，直接作为直流 伺服电机的电源。由于基于STM32的处理器和外设均使用3. 3V电源电压，所以需要选用电源电压转换器进行电压转换。我们使用了一个直流电压转换芯片SWDM02将电池的直流电源转换为相应的电流。如图 3.4所示是机器人电源部分的控制图：18模块化仿生机器人设计19模块化仿生机器人设计STD_3RS4_3TM_I3

39、rg_2*?&4_JTH_jSFD_M54占El图3.4 电源控制原理图#模块化仿生机器人设计4. 仿生机器人控制系统软件设计STM3系列单片机通常在其内部集成了 CPU存储器、总线逻辑、I/O、以及 其他接口，单片化的特性使其体积和功耗都大大减小，在双足行走机器人中得到了广泛使用，现在在操作系统下设计并实现了模块化仿生机器人控制系统的多个 应用软件，构成了一个完整的控制系统软件框架；最后改进了常见的多路PW产生方法，具有很高的PW信号的精度和系统的实时性，并对模块化仿生机器人进 行了关节调试。4.1软件系统的基本要求根据机器人控制系统的功能需求和硬件电路的特点，软件系统至少需要满足

40、以下4个要求：(1) 软件模块化，具有很好的可维护和可扩展性。(2) 实现PW信号的分时复用，并要保证PW信号的高精度。并且通过软件， 能够及时地改变PW的输出。(3) 通过RS23接口能和PCM通信。(4) 接收上位机的运动列表，串口和 USB程序下载，能够从上位机更新固 件程序。4.2软件设计的总体方案CPU STM32F103软件开发平台：Keil-C功能要求：接收上位机的运动列表，串口和 US程序下载，能够从上位机更 新固件程序。方式：与上位机统一运动列表格式，控制其他模块时采用串口通信，封装标 准API函数。函数列表：(1) 伺服电机初始化Motornit函数功能：电机初始化入口参数

41、：nModule 模块序号 = 模块ID出口参数：1成功0失败函数原型：BOOL Motornit(ui nt8 n Module )(2) 伺服电机驱动Motor_Drive函数功能：电机驱动入口参数：nM odule 模块序号 =模块IDVelocity运行速度，单位：百分比，数值为正时朝前；数值为负时朝后。Degree 旋转角度，单位：度，数值为正时顺时针；数值为负时逆时针，0时停止出口参数：1成功0失败函数原型：BOOL Motor_Drive(ui nt8 n Module , ui nt32 Velocity, ui nt8 Degree )(3) 伺服电机停止Motor_Stop

42、函数功能：电机停止入口参数：nModule 模块序号 = 模块ID出口参数：1成功0失败函数原型：BOOL Motor_Stop(ui nt8 nM odule )(4) 读取电机温度Motor_ReadTemp函数功能：读取电机模块温度入口参数：nModule 模块序号 = 模块IDtemp 温度值出口参数：1成功0失败函数原型：BOOL Motor_PWMSet(ui nt8 n Module , ui nt32 temp)(5) 读取模块 ID号Module_ReadID函数功能：设置PW值，调整电机速度入口参数：nModule 模块序号 = 模块IDtemp 温度值出口参数：1成功0失

43、败函数原型：BOOL Module_ReadID(ui nt8 nM odule )(6) 读取红外数值Sensor_Read函数功能：读取传感器数值入口参数：nModule 模块序号 = 模块IDnSensor红外序号，0=前，1=左, 2=右；光敏=4；声音=5value 参数值出口参数：1成功0失败函数原型：BOOlMotor_PWMSet(uint8 nModule , uint8 nSensor, uint32temp)(7) 读取模块 ID号Module_ReadlD函数功能：设置PW值，调整电机速度入口参数：nMotor电机序号 =模块IDtemp 温度值出口参数：1成功0失败函

44、数原型：BOOL Module_ReadID(ui nt8 nM otor)4.3舵机与控制系统4.3.1工作模式主控制器模块为机器人的大脑，总体协调各个部分的运动、感知等功能。舵机模块为机器人的运动系统，每个自由度采用一个伺服电机模块。 伺服电 机模块标有不同的ID号，通过串行总线与主控制器通信。传感器模块包含几种传感器，为机器人的感觉系统。传感器模块唯一的ID号，通过串行总线与主控制器通信。主控制器分别与十六个伺服电机以及传感器相连，主控制器负责向各个舵机 发送命令，而舵机则反馈信息给主控制器。4.3.2通信原理图主控制器负责向各个舵机主控制器分别与十六个伺服电机以及传感器相连, 发送命令

45、，而舵机则反馈信息给主控制器。23模块化仿生机器人设计24模块化仿生机器人设计图4.5通信示意图#模块化仿生机器人设计4.4舵机的选择舵机在无线电业余爱好者的航模活动中使用已有很长一段历史，而且应用最为广泛，国内亦称之为“舵机”，含义为：“掌舵人操纵的机器”。舵机是一种 位置伺服的驱动器。它是机器人、机电系统和航模的重要执行机构。它接收一定 的控制信号，输出一定的角度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制 系统。标准的舵机有3条导线：电源线（红）、地线（黑或灰）、控制线（白或 橙黄）。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号（PWM），方波脉冲信号的周期为20 ms（即频率为50Hz），当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴 的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比，也就是利用占空比的变化 来改变舵机的位置。可见，其主要用作运动方向的控制部件。因此，机器人模型 中也常用到它作为可控的运动关节，这些活动关节在机械原理中常称它为自由 度。4.4.1舵机的选型本设计选用的舵机为“春天”SR518舵机，其图和参数如图4.11和表4.1所示。图4.11“春天” SR5