机器人设计范文

机器人设计篇1

关键词机器人;设计;方法

1.前言

纵观人类的发展史，工具的进步才能带动人类的文明，如今设计朝着智能化的方向在发展，机器人就是人类在发展智能化过程洪重要的产物，因此机器人常用的设计方法是设计师们必备的工具。

2.控制系统的硬件设计

在现代科学技术不断发展的背景之下，工业现场所涉及到的重体力劳动量不断提升。当中部分劳动任务的实现单单依靠人力是很难实现的。而为了良好的完成工业现场的相关生产作业任务。就需要通过对机器人装置的研究与应用来实现机器人控制系统的硬件部分主要由5个模块组成：控制模块、循迹模块、避障模块、电机驱动模块、电源模块。

（1）控制系统模块。ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，运算速度快，具有多路PWM输出，可将测速、避障等电路产生的输入信号进行处理，并输出控制信号给驱动放大电路，从而控制电机转速，此方式产生的PWM信号比用定时器中断产生的PWM信号实时性更好，而且不会占用系统的定时器资源。

（2）循迹模块。循迹是指小车在比赛场地上循白色引导线线行走，循迹模块的原理图如图2所示。循迹模块采用灰度传感器，发射管为普通LED灯，接收管为光敏三极管3DU33。工作原理为：不同颜色的物体对LED发射光反射不同的亮度，光敏三极管3DU33接收这些不同亮度的光线，就会呈现不同的电压Vx。Vx输入到比较器LM339的同相端，并与电位器设定的电压V0相比较，当Vx>V0时，比较器输出高电平，当Vx循迹机器人前后两端均是由7个灰度传感器组成的循迹模块。其中，中间三个灰度传感器起巡线的作用，两端的灰度传感器起探测弯道作用，剩下两个灰度传感器交替进行巡线和探测弯道。实验证明，这样的灰度传感器的布置图，机器人循迹的效果好，且“性价比”非常高。

（3）避障模块。避障模块主要使用的是红外发射接收传感器，当红外感应避障模块靠近物体时，输出低电平信号;当没有感应到物体时，输出高电平信号。将该信号线接入到单片机的控制端口，控制程序就能起到探测障碍物的作用，当在机器人行进的路径上就可以发现有障碍物并及时避开绕行。

（4）驱动模块。循迹避障机器人要求行走灵活、反应快速，因此要求驱动电机具有“转速快、制动及时”等特点。我们设计制作的循迹避障机器人采用中鸣公司的JMP-BE-3508I驱动板模块，其输入电压为11V到24V，最大输出电流为20A，满足快速前进、制动、转弯的要求。并且电机速度达到500rpm，堵转力矩为8KG.CM，具有很强的刹车功能。利用单片机的四路PWM输出信号，分别控制四个轮子的转速。并采用“四轮驱动”、“差速转弯”的方式实现机器人的前进、后退与转弯。

（5）电源模块。循迹机器人的电源模块主要实现以下三大功能：①稳定输出5V工作电压。故我们设计制作的电源模块以7805芯片为核心，把输入电压截止到5V。②提供足够的电流。7805芯片最大输出电流为1.5A，而循迹机器人需要较大电流，所以我们使用了两片7805芯片分别对控制系统和外部设备进行供电。③滤波。在7805芯片的输入、输出端分别并联104贴片电容和10μF的电解电容，过滤高频、低频信号。

3.软硬件模块开发流程和界面程序

（1）图像处理模块：照相机实时捕捉图像，处理转化后和初始图像进行处理比较，找出图像中差异的位置通过TCP传输。

（2）TCP通信模块：视觉系统通过以太网连接贝加莱控制器，控制器可以作客户机或服务器实时传输数据，：定义结构体用于视觉系统传输位姿给机器人和机器人实时反馈位姿和信号状态数据给视觉系统。

（3）位置转换模块：把视觉系统的位姿转换为机器人的位姿传输给机器人，控制机器人运行。

（4）轨迹规划模块：进行运动轨迹规划和速度规划，根据机器人当前的位置和目标位置，选择最优的运动轨迹（直线、圆弧、不规则曲线等运动轨迹），然后对轨迹、速度进行插补，插补值调用机器人运动学算法计算轨迹的可靠性，再把实时插补的位置、速度传送给运动控制模块。

（5）运动控制模块：根据实时插补的值结合加速度、加加速度等控制参数给驱动器。

（6）伺服模块：根据控制器所发送数据，结合各伺服控制参数，驱动电机以最快响应和速度运行到各个位置。

4.机器人精度标定和视觉软件处理

4.1精度标定

精度的标定包括机器人精度标定 和机器人相对于视觉照相机位置标定 。机器人运动前，需要用激光跟踪仪标定准确各轴杆长、零点、减速比、耦合比等机械参数，给运动学、控制器系统，机器人才能按理论轨迹运行准确。行到指定点。 通过三点法、六点法标定机器人相对于视觉照相机的X、Y、Z方向距离给位置转化模块，确定机器人坐标系相对于照相机坐标系的转化关系。

4.2视觉处理软件

包括固定视觉系统标定模块和移动视觉系统标定模块 。视觉系统安装在固定位置相当于给机器人建立照相机一个用户坐标系，此模块用于运算机器人和固定视觉系统之间位姿转换关系。视觉系统安装在机器人末端法兰位姿相当于给机器人建立照相机一个工具坐标系，随着机器人运动而实时改变位置，此模块用于运算机器人和动态视觉系统之间位姿转换关系。 实时处理传输机器人、视觉系统和以太网的运行通信状态以及出错状态处理。

4.3人机界面设计及实现

当机器人出现故障，不能自动移动位置时，比如碰到硬件限位或出现碰撞现象时，此时可以进入手动页面，选择机器人操作，移动机器人到指定位置。对于新建码垛工艺线，需要配置系统参数、位置信息、以及产品参数，等必要的信息。码垛数据编辑与创建的功能，产品覆盖了袋子、箱子，以及可变数量抓取的功能。可以添加产品数量，改变产品方向，单步数量修改，产品位置移动以及旋转等设置。本页面中，示例生成了每层五包的袋装产品，编号从1到5，可以通过调整编号的顺序，达到改变产品的实际码垛顺序。

5.结束语

总之，在进行机器人的设计过程中，要根据设计的用途进行针对性的设计，对于设计过程中出现的问题要及时的采用上述的思维方法进行解决，随着机器智能化的推广，无疑机器人的设计在未来会有更广阔的天空。

参考文献：

[1]张海平，陈彦. Wincc在打包机人机界面中的设计与应用[J].HMI与工业软件，2012（3）：70-72.

[2]朱华栋，孔亚广.嵌入式人机界面的设计[J].中国水运，2008（11）：125-126.

[3]金长新，李伟.基于Windows CE的车载电脑系统人机界面的实现[J].微计算机信息，2005（21）：132-134.

作者简介：

机器人设计篇2

关键词:仿人机器人;关节控制器;分布式控制系统;DSP

中图分类号:TP24文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)20-029-03

Design about Joint Controller of Humanoid Robot Based on DSP

SHAN Linna,JIANG Chongran,CHEN Wenping

(School of Information and Electronic Technology,Jiamusi University,Jiamusi,154007,China)

Abstract:Distributed control system structure could be adopted in humanoid rodot with 32 degrees of freedom to ensure motion accuracy of each joint.TMS320F240DSP based on RS 485 bus is adopted as the joint controller,which is quite suit to be installed in the narrow space inner mechanical arms.The circuits of incremental discs and speed detection together with their respective applications are designed.The accomplishment of distributed controller for 6 degrees of freedom mechanical arms fulfills the trajectory requirement of humanoid robot qualification and the system.

Keywords:humanoid robot;joint controller;distributed control system;DSP

0 引 言

仿人机器人具有可移动性,具有很多的自由度,包括双臂、颈部、腰部、双腿等,可以完成更复杂的任务,这些关节要连接在一起,进行统一的协调控制,就对控制系统的可靠性、实时性提出了更高的要求[1] ,以往采用的集中控制系统,控制功能高度集中,局部的故障就可能造成系统的整体失效,降低了系统的可靠性和稳定性,因此考虑采用分布式的控制系统来实现系统的控制功能[2,3]。

考虑到机械臂控制系统控制算法的计算量以及多轴协调控制等问题,采用基于RS 485总线的分布式控制的体系结构,见图1所示。运动规划算法由主计算机来实现[4],同时主计算机还将通过RS 485总线与各关节控制器通信,负责各关节控制器的协调工作。每个关节控制器和一台电机、驱动器、检测反馈装置等构成一个位置伺服系统,负责机械臂某一个关节变量的具体控制任务[5-7]。

图1 分布式控制系统结构框图

1 仿人机器人分布式控制器的硬件设计

1.1 关节控制器硬件电路设计

该设计选用TI公司的2000系列DSP TMS320F240作为控制单元。其时钟频率可达20 MHz,具有高速的处理能力,片内资源丰富,特别是它特有的内置事件管理器模块,使其在电机控制领域具有非常广泛的应用。该芯片本身尺寸很小,需要外扩的资源不多,节省了电路板的空间。关节控制器硬件电路原理图框图如图2所示[8,9]。

1.2 电机驱动器的接口电路

驱动器的控制模式可以分为两种:速度控制模式和位置控制模式(通常用电位器作为电机的位置传感器)。这里采用它的速度控制模式,输入的指令信号是0~10 V的模拟量。因此需要用D/A转换电路,把DSP输出的数字量给定转变为模拟信号,电路图如图3所示。DAC7621为12 b并行输入的D/A转换器,它内置参考源,输出范围:0~4.095 V。它的12位输入接DSP数据总线中的D0到D11。它的片选输入管脚可以接DSP的I/O控制线/IS。为了得到0~10 V的模拟信号,还要利用LM358中的一片运算放大器构成的同相比例放大电路,把0~4.095 V的信号放大2.5倍。

图2 关节控制器硬件电路原理图框图

图3 D/A转换以及同相比例放大电路

如果驱动和控制器不进行隔离,尖峰将破坏控制器电路中的器件,例如RAM。因此,设计了基于线形光耦HCNR201的隔离电路,如图4所示。

图4 基于线形光耦的隔离电路

线形光耦HCNR201只能起到隔离电流的关系,且输入电流和输出电流呈线性关系。U6B 是图3芯片LM358中的另外一片运算放大器,它将输入0~10 V电压转换成20 mA以内的电流信号,输入线形光耦HCNR201。HCNR201输出电流再经过一个由单电源轨到轨运放AD8519构成的电压跟随器转换成0~10 V电压信号,作为驱动器的模拟信号输入。显然,HCNR201两侧电路应采用不同的电源和地。LM358中的两片运算放大器采用控制器输入的12 V电源供电,而AD8519则采用驱动器输入端提供的10 V电压供电。

1.3 增量式编码器信号处理电路

增量式编码器信号处理电路如图5所示。J8是MR编码器的信号输入接口,采用AM26C32把MR编码器输出三个通道的RS 422差分信号转换成TTL电平,得到A,B,Z三路信号。

图5 增量式编码器信号处理电路

1.4 RS 485总线通信电路

RS 485总线是一种通信总线,TMS320F240 DSP芯片本身不具备RS 485总线接口,采用两个485通信芯片MAX485可以的把TMS320F240的串口RXD和TXD的TTL电平转换为RS 485电平, TMS320F240 DSP的RXD和TXD引脚分别连接到第一片485通信芯片RO和第2片485通信芯片DI的引脚。TMS320F240 DSP的SPISIMO和SPISOMI连接到MAX485的使能引脚RE,用于控制TMS320F240 DSP芯片的数据发送口挂接到总线上或和总线分离,电路如图6所示。

图6 2个MAX485芯片与

TMS320F240 DSP芯片接口电路

2 仿人机器人控制器的软件设计

2.1 关节控制器主程序

主程序的流程见图7。

寄存器初始化操作主要包括:设置CPU CLK为外部晶振的2倍频,即16 MHz;设置串口通信波特率为:38.4 Kb/s;设置定时器/计数器相关寄存器;设置QEP电路单元相关寄存器;设置中断控制寄存器等[10]。

2.2 串口数据接收中断服务程序

串口数据接收中断服务程序流程图见图8。在中断服务程序中,读取数据接收寄存器中的数据,存入数据接收区,而并不做任何进一步分析和处理。数据接收区是内存中暂时存放数据的区域,当存满一条完整指令信息后,由主程序分析和处理。

图7 主程序流程图

图8 串口数据接收中断服务程序流程图

2.3 控制周期定时中断服务服务程序

控制周期2 ms定时中断服务程序的流程见图9。定时器/计数器为位置环和速度环控制周期定时2 ms,每2 ms进入定时中断服务程序1次,读取位置反馈值和速度反馈值,进行积分分离PID运算,最后输出给D/A转换成模拟量。

每一个插补周期(50 ms),主计算机向关节控制器发送1次运动规划后的目标位置。该目标位置是以增量编码器信号四倍频后的脉冲数为单位,以前一次的目标位置作为脉冲计数的零点。因此,关节控制器在读取新的目标位置后,也应该以前一次的目标位置作为新的增量码盘脉冲计数零点,测量实际的电机位置,与新的目标位置比较、运算。主计算机根据需要可以查询当前电机运行的实际位置,关节控制器返回的位置则是关节角的绝对位置,单位是0.1°。

图9 控制周期定时中断服务服务程序流程图

3 结 语

仿人机器人机械臂分布式关节控制器研究与设计,对于提高仿人机器人总体性能与人机交互能力,具有重要科研价值与现实意义。 机械臂分布式控制器的高度实时性、容错性、可靠性、扩充性[11],为仿人机器人系统提供了先进的网络体系结构与通信标准,实践表明应用前景极为广阔。

参考文献

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[2]孙富春,朱纪洪,刘国栋.机器人学导论分析、系统及应用[M].北京:电子工业出版社,2004.

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[4]赵晓军,黄强,彭朝琴.基于人体运动的仿人型机器人动作的运动学匹配[J].机器人,2005,27(7):358-379.

[5]Jean-Pierre,Thomesse.Fieldbus Technology in Industrial Automation[J].Industrial Electronics,2005,3(6):1 073-1 174.

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[10]苏小红,陈慧鹏,孙志刚.C语言大学实用教程[M].北京:电子工业出版社,2007.

[11]Zhang Z,Huang Q,Jin Q,et al.Kinematics Analysis of a Humanoid Leg with Redundancy Freedom[A].Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics and Automation[C].Piscataway,NJ,USA:IEEE,2006:1 080-1 085.

机器人设计篇3

【关键词】四轴飞行器 运载 机器人 微控制器

四轴飞行器自从被发明以来，由于它具有灵活、稳定、可悬停等优点，得到人们的广泛关注。目前它在商业领域中主要是用于执行低成本航空拍摄任务，如体育赛事、综艺节目的拍摄录制。与此同时，四轴飞行器在其他领域的运用也在不断拓展，比如军事侦察，地形勘察等。考虑到四轴飞行器具有一定的运载能力，本文打算从另一运用出发，让四轴飞行器执行货物的运载与投放任务。传统的货物运输主要是靠人力完成，比如说快递等，在这个人力资源越来越宝贵的今天，我们有必要尝试将人力资源从这些事务中解放出来。近年来由于与四轴飞行器的有关各个核心难题被逐渐攻克，四轴飞行器的价格也逐渐走低，而性能却在不断的提升，因此得以实现高效能，低成本的无人机载货与投放方案 。

1 主要器件选型

为了实现低成本的目的以及便于程序的开发、调试，选择合适的微控制器和姿态传感器是关键。本设计采用意法半导体公司的STM32F103RBT6单片机。STM32系列是基于ARM公司Cortex-M3内核的一款高性能的微控制器，它的功耗低，在72MHz时消耗36mA（所有外设处于工作状态），而待机时则下降到2μA；集成度高，内部集成了复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等；资源丰富，最多多达11个定时器和112个的快速I/O端口，同时还具备12位高精度AD转换，具备PWM波调制，I2C总线控制，串行通信等功能，使得电路大大简化。丰富的硬件资源使得它非常适合用作四轴飞行器的主控芯片。

姿态测量系统是用于感知四轴飞行器的飞行姿态。如何实时，低噪声地获取飞行器的姿态信息是整个控制系统的关键。MPU9250[5]是InvenSense公司推出的第二代9轴组合传感器，它将6轴惯性测量单元（加速度计+陀螺仪）和3轴磁力计集成于3mm×3mm QFN封装中，相比上一代产品，面积减小了45%。它解决了陀螺仪与加速器安装时的轴间差问题，占用很少的PCB空间。它具有131 LSBs/°/sec 的敏感度与测量范围为±250、±500、±1000、±2000°/sec 的3轴角速度感测器（陀螺仪）和可编程测量范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速度计。MPU9250拥有高达400kHz快速模式的I2C，或最高至20MHz的SPI串行主机接口，使得它与控制芯片能够做到快速、实时地通信。

电磁铁在通电状态下可以产生强吸附力，把它安装在自动化设备中可对被吸附物体起到停止或移动作用。广泛应用于自动化配送生产线，分拣机器，机械手，实验设备，医疗研磨、切割、切削等自动化加工生产线上材料或产品的输送、传递。它具有控制简单，省力省电，安全可靠，并且可以进行远程操作等优点。它要求被吸附物表面应该尽可能地平整，吸引力是指电磁铁吸合面与被吸附的铁块完全接触之后通电产生的吸力。本设计从简易性和可靠性出发，选用ELE-P2015型号的电磁铁来实现货物的运载与投放。ELE-P2015自重轻，仅25g；体积小，三维为20mm×18mm×15mm；吸附力强，在12V供电，理想接触的情况下可达2.5kg。只需要在货物的表面贴一块薄铁片，便可利用电磁铁通电产生强磁将货物吸住，断电后退磁释放货物以实现我们的目的。

2 电路设计

这里的设计主要分为四个部分，第一部分是微控制器STM32的基本电路，作为整个设计的控制核心，通过对传感器采集回来的数据加以分析处理然后发出控制信号；第二部分是各个传感器，负责飞行器姿态数据的采集与转换并通过I2C总线发送给微控制器；第三部分是控制部分由无感无刷电子调速器和无刷电机以及电磁铁组成，起到控制输出以调节姿态的作用；第四部分是通信电路，由蓝牙串口模块组成，起到飞行器与PC或手持设备交换数据的作用。

主控芯片STM32核心电路与部分器件连接电路如图1所示。

传感器电路设计与电磁铁控制电路如图2所示。

3 PID控制算法

我们以飞行器的横滚轴roll为例介绍四轴飞行器的PID控制算法。首先是由微控制器通过姿态传感器获得的飞行器的姿态角rol_now，其值在+-90°之间。然后由微控制器解算遥控接收机的PPM信号，得到控制的目标姿态角rol_tar，其值在1000-2000之间。通过它们的差值就可以得到控制偏差量rol_err。对rol_err进行积分并限幅可以得到rol_i，乘以控制系数PID_ROL.I即可得到积分控制PID_ROL.iout。同理可得到比例控制PID_ROL.pout和微分控制PID_ROL.dout。其中微分控制PID_ROL.dout中的rol_d来源于横滚轴的陀螺仪直接测量输出，能起到很好的抑制飞行器振荡。将PID_ROL.pout、PID_ROL.iout和PID_ROL.dout相加即可得到四轴飞行器的横滚轴控制输出。再将输出分别作用于四个电机便可以完成对roll轴的控制。相关代码如下

rol_err= rol_now-（rol_tar-1500）/10.0；

rol_i+=rol_err；

rol_i=Number_Limit（rol_i，10，-10）；

PID_ROL.pout = PID_ROL.P * rol_err；

PID_ROL.iout = PID_ROL.I * rol_i；

rol_d =（GYRO.X/1000.0）

PID_ROL.dout = PID_ROL.D *rol_d；

PID_ROL.OUT = PID_ROL.dout + PID_ROL.iout + PID_ROL.pout；

moto1 = throttle - PID_ROL.OUT + PID_PIT.OUT - PID_YAW.OUT；

moto2 = throttle + PID_ROL.OUT + PID_PIT.OUT + PID_YAW.OUT；

moto3 = throttle + PID_ROL.OUT - PID_PIT.OUT - PID_YAW.OUT；

moto4 = throttle - PID_ROL.OUT - PID_PIT.OUT + PID_YAW.OUT；

4 硬件电路设计

电磁铁的安装以及整机效果如图3和 图4所示。

5 结论

本文利用STM32F103RBT6作为核心控制器件，再加上整合性9轴运动处理组件MPU9250， ELE-P2015型电磁铁和必要的电路及硬件资源，设计实现了具备实时姿态控制、悬停、飞行、货物运输与投放等功能的四轴飞行机器人。利用电磁铁作为物体的拾取和投放方式，改变了以往的机械手结构复杂、体积大、容易滑脱等缺点，达到了重量轻、结构简单、可靠性更高等优点。这样同时减少了飞行器的总体质量，使得飞行器的有效载荷更大、滞空时间更长，这也为以后的各项扩展应用打好了基础。

参考文献

[1]彭军桥.非共轴式碟形飞行器研究[D].上海大学，2012，1-68.

[2]姬江涛，扈菲菲，贺智涛等.四旋翼无人机在农田信息获取中的应用[J].农机化研究.2013，02：1-4.

[3]黄鹏宇，曾路荣，杨川等.一种新型灾难救援四轴航拍飞行器设计[J].四川兵工学报，2014，06：124-128.

作者简介

李浩蜜（1993-），男，重庆市人。现为重庆大学通信工程学院本科生，研究方向为电子与通信工程。

作者单位

1.重庆大学通信工程学院 重庆市 400044

机器人设计篇4

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0315-01

前言

机器人技术融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。轮式车辆在平地公路运输中有着无可替代的用途，而履带车辆被广泛应用在沙地和泥泞的地面。足式步行机器人适合于山地和复杂多障碍地面的移动，多足步行机器人由于足端与地面接触面积小的特点，机器人能够在足端点可达工作范围内自由调整步行姿态，灵活选择机械腿的落脚点，越过障碍物和小沟壑，具有很高的避障、越障能力，因此能更好的适应崎岖地形，其研究对于军事运输、矿山开采、星球探测等领域具有重要的意义。

本文开发设计一种可靠、实用的六足圆形仿生机器人，该机构具有结构紧凑，传动可靠的优点，且留有较大的负重余量，便于今后功能的扩展。

1.六足机器人机构设计及分析

本文设计的圆形六足仿生机器人作为一个系统，其运动关节、机械足以及机身构成了机器人的整体，六条机械足与机身通过舵机相连，均匀分布的圆形躯干的四周。机器人质量重1.98kg。六足机器人打开时的整体直径为640mm，身高为100mm；收起时的机器人整体直径为300mm，身高为290mm。六足机器人每条腿上有3个关节，即3个自由度，全身共18个自由度。如图1所示。对于一个仿生机器人来说，每条腿上的3个自由度基本能满足到达各个位置的要求，实现躯干的灵活攀爬。

按照由躯干到足端的顺序，六足机器人每条腿上的三个自由度其传动方式如下：

第一个自由度，由舵机带动腿部转节前后摆动，从而使整条腿前后摆动。

第二个自由度，由舵机带动腿部股节上下摆动。

第三个自由度，由舵机带动腿部胫节上下摆动。

为了增加整个躯干的支撑稳定性，六条腿呈环绕式分布在躯干周围。前两个自由度的转动轴线相互垂直，后两个自由度的转动轴线相互平行，分别由三个独立的舵机驱动。每个舵机扭矩为14kg.cm，全部采用金属齿轮传动。

2.六足机器人控制系统

对于机器人设计来说，除了机器人机体本身的设计外，还有很重要的一个部分就是机器人的控制器系统。该六足仿生机器人采用森汉科技生产的STC12C5A60S2控制板。此控制板设计合理，扩展了STC12C5A60S2系列单片机的所有外接端口。功能强大，操作简单。

STC12C5A60S2单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内置2KBEEPROM，60KBFlash，两片电可擦除存储芯片AT24C512，存储空间共128KB，使机器人程序存储器空间扩充至190KB。带欠压保护电路，系统供电低于6V时，系统将无限制的复位，且保护电压可调。4pinRS232接口，带“CTS”判断位，可同时输出RS232电平和TTL电平。

该控制板按装有蜂鸣器可发出响声与用户进行信息交互。此外，电路板共扩展35个IO口，其中24个专业舵机控制口（7.4V），11个万能口。采用STC标准的串口ISP编程方式。

3.六足机器人步态规划

3.1 步态分析

由于仿生机器人的支撑点相对于人形机器人要多，所以行走起来更方便。按照传统机器人的结构划分，六足仿生机器人划分水平面和竖直平面，如图3所示。

机器人前进时，采用交互式行走步伐。所谓交互动作，即水平面（H平米）运动与竖直平米（V平面）运动同时进行。设初始位置时机器人每条腿成90度站立，其动作流程如图4所示。

4.结束语

本论文设计了一种圆形六足仿生机器人，以STC12C5A60S2为核心设计了六足机器人运动控制系统，实时驱动18个关节运动，并对其步态进行了分析，实现了机器人在地面的稳定前进运动.运动过程中机器人整体系统运行稳定可靠，控制系统对机器人各关节的控制准确。该六足机器人控制系统在实时计算能力、存储容量、外设扩展性以及小型化上都有较好优势。

机器人设计篇5

类人型教学机器人不仅融合了当今世界在机械电子、自动化技术、传感器技术和计算机控制技术等多个学科领域的尖端技术，还给人们带来了欢乐和享受，因此，广受世界各国普遍关注以及重视。

本文在分析国内外仿人机器人研究现状的基础上，完成了10自由度的类人型教学机器人的结构设计和控制系统的方案设计。根据人体结构以及运动机理，确定了类人型教学机器人关节自由度的分配、运动范围的确定和驱动源的选择。

一、课题背景和研究意义

机器人学涉及多个学科领域，是高度融合电子技术、机械学、自动控制工程技术、计算机控制技术、仿生学、人工智能原理等多个领域的高度交叉的综合学科，是目前科学研究最活跃的领域之一。类人型机器人是机器人领域的最高研究成果的代表。

随着人们生活水平的不断提高，社会老龄化程度不断加深，科学技术的不断发展，类人型机器人应用于康复医学、老人的护理以及普通的家政服务等方面。类人型机器人与一般工业机器人不同点是可以灵活的行走，不需要固定在某一指定位置上，是一种高度的自动化运动，可随时移动到需要它的地方，具有很强的适应环境的能力，可以在具有辐射、粉尘等恶劣的环境中工作，与轮式、蠕动式以及履带式等移动方式而言，具有更广阔的应用前景。

二、动力源的选择和结构设计

1.动力源的选择

本设计选用的是性能价格比较高的伺服电动机——舵机。在航空模型中，通过调节发动机和各个控制舵面可以实现飞行机的飞行姿态调整。以满足舵机对动静态指标的要求。舵机控制器一般需要采用PID控制。伺服功率放大器的两部分组成一般是由脉冲宽度调制器和开关控制电路；直流伺服电机的执行元件是电动舵机；减速器部分一般采用蜗轮蜗杆机构。

因为舵机是一种位置伺服驱动器，所以比较适合应用在需要角度不断变化并需要保持住的控制系统中。其具体的工作原理是：信号调制芯片接收由接收机的通道进入的控制信号，同时获得直流偏置电压的数值。通过内部的基准电路，产生周期一个为20ms、宽度为1.5ms的基准信号。通过比较获得直流偏置电压数值与电位器的电压差，同时输出电压差。最后，电机驱动芯片接收信号判断电压差的正负输出并以此来决定电机的正反转。当电机转速固定时，电机基于级联减速齿轮带动电位器进行旋转，直到电压差为0为止，电机停止转动。

2.机械结构与自由度配置设计

步行方式中自动化程度最高、最为复杂的、控制难度最大的动态系统是双足步行。与其他足式机器人相比，双足机器人的特点是支撑面积小、支撑面的形状随时间变化较大、质心的相对位置高。但由于双足机器人有更高的灵活性，具有其他足式机器人所没有的优势，尤其适合与人类协同工作，因此为了满足机器人的性能要求，机器人的机械结构应具有稳定性、灵活性和高强度的特点。

设计双足步行机器人最重要的工作是双足步行机器人的机构设计，必须能够实现机器人前后左右移动的基本功能，因此自由度的配置必须合理。以机器人前行为例，分析一下机器人的前向运动过程和行走时序：重心右移、抬起左腿、左腿放下、移重心到双腿中间、左移重心、右腿抬起、右腿放下、移重心到双腿间，主要是8个阶段。从机器人步行过程可以看出，机器人向前迈步或向后迈步时，必须各自为髋关节与踝关节配置一个俯仰自由度以平衡实现支撑腿和上躯体的移动；髋关节和踝关节的偏转自由度与重心转移是密不可分的。为了调整摆动腿的着地高度，使抬腿成为可能，膝关节处必然要配置一个俯仰自由度。因此可知，髋关节需要配置2个自由度：俯仰运动和偏转运动自由度。配置一个俯仰自由度给膝关节，踝关节需要有俯仰和偏转两个自由度。这样，每条腿就配置了5个自由度。在纵向平面内的直线行走功能可以通过髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度的共同协调动作完成。在横向平面内的重心转移功能可以通过髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作实现。

为了使设计的机器人在步行等功能上更能贴近于人，根据人体比例，设计机器人小腿∶大腿=1∶1，其足部末端执行器，要求在灵活性能尽可能好的前提下，选择速度特性、工作空间、运动幅度和力的特性都比较好的尺寸。大腿部质量与小腿部的比率，与双足机器人的动力学行为直接相关，所以机器人的质量分配大致设计为脚部占总质量的10%，小腿40%，大腿和髋关节50%，腰部因为机械结构原因所占比例比人体相应值偏大。

三、控制系统硬件设计

1.避障传感器和无线通讯模块选择

作为一种非接触式的检测方式，超声测距与其他检测方法相比，它不受外界光线强弱变化、被测对象颜色等对其检测效果的影响也较小，甚至是被测物处于较为黑暗、有灰尘、浓烟雾、强电磁干扰等极其恶劣的环境下都有较强的适应能力，因此广泛应用于车辆自主导航、不透明甚至是透明物体识别等方面，尤其适合应用于空气中的测距。由于空气中波速相对较慢，比较容易检测出来回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息，因而其检测的准确度也较其他方法高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点，因此本设计采用超声波测距传感器作为避障传感器。

无线通讯模块选用NewMsg-RF905模块，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶振震荡体和一个调节器组成。

2.图像传输模块选择与舵机控制方法

选用无线摄像机，其优点是微功耗，供电电压为8伏，电流只有30～50毫安，彩色图像传输，标准音频、视频接口，配置小镜头、外壳防磨设计、带音频监听，可全天候工作，图像稳定而不飘忽，这些特有的性能使无线摄像机安装更加方便，可随身携带。所以本设计选用其作为图像传输设备，安装于类人型机器人顶部，实时向控制台传输图像。

舵机接收来自于信号线的控制信号，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。当脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生相应的改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比，也就是利用脉冲信号占空比的变化来改变舵机的位置信息，即用户只需要给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上。无论外界转矩和负载如何改变，除非给它提供一个另外宽度的脉冲信号，舵机才会改变输出角度并且达到一个新的对应的位置上。因此，机器人模型中也通常用到它作为可控的运动关节的驱动元件。

结论

机器人设计篇6

针对轮椅在跨越楼梯、台阶、沟壑等障碍时不便的问题，结合腿式机器人，文中提出了一种新式双足载人机器人的行走机构设计方案。对机器人的行走机构进行了结构设计，其控制简单，仅具有两个自由度。同时为了得到使人体感觉最舒适的乘坐高度，对机器人大腿结构的运动曲线进行三次求导得到加加速度，并通过对加加速度的绝对值分析，确定最优高度。同时，利用Matlab对结果进行仿真，验证了该机器人机构的运动平稳性。经多次试验数据分析，软件评定结果和数学计算理论值基本一致，误差≤1%。

关键词

机器人;自由度;高度优化;加加速度

轮椅是年老体弱者及下肢伤残者必不可少的代步工具，随着无障碍设施的增多，轮椅使用者的活动范围逐步加大，但楼梯、台阶、沟壑等障碍却使轮椅的行动受到限制［1］。移动机器人在非结构环境中的运动特性一直是机器人技术研究的热点问题。目前，机器人有3种类型的移动结构:轮式、履带式和腿式［2］。轮式机器人结构简单、速度快、控制方便、运动稳定、耗能低，但其不适合于跨越像楼梯等障碍，越障能力较差。履带式机器人有着较强的地形适应能力，但由于摩擦阻力较大，因此耗能高且运动速度低。腿式机器人是最灵活的运动机构，但具有复杂的机械结构并且不易控制。攀爬楼梯是移动机器人适应非结构化环境所必备的功能之一，也是乘坐轮椅最难跨越的障碍。针对轮椅跨越障碍时的不足和腿式机器人行走时的灵活性，结合两者提出了一种双足载人机器人的行走机构。

1机械人腿部结构

腿式机器人的腿部可具有多个自由度，使运动的灵活性大幅增强，其可通过调节腿的长度保持身体水平，也可通过调节腿的伸展程度调整重心的位置，因此不易翻倒，且稳定性更高［3］。根据要求，提出一种连杆结构方式，结构简图如图1所示。其中，n=8，pL=11，pH=0。根据自由度的计算公式F=3n－2pL－pH，得出F=2，在此结构中，大腿可带动小腿运动，反之亦可，则需两个舵机分别驱动。

2舵机的选用

舵机主要包括模拟舵机和数字舵机。模拟舵机，需要不断地PWM信号才可保持锁定角度;数字舵机，只需发送一个信号就能锁定角度不变，控制精度高、线性度好，输出角度准确且响应速度快。在处理抖动和越位方面更方便精准，数字舵机的加、减速更柔和，更平滑，能更有效地为电机提供启动所需转矩。本文选用LD－1501MG机器人专用舵机，该舵机扭力大、速度快、噪音低，虚位和死区都特别小，断电可用手扭动360°，上电控制可180°精确转动，适合做中高端机器人，具体参数如表1所示。

3机械腿位置控制求解

为使人坐在上面时可平稳前进，需尽量保持重心高度不变，即保持平动。所以，要求大腿前端始终应该与地面平行。即O2点应减少上下波动，沿着水平线l2平移。根据要求，在AutoCAD中做出结构简图，如图2(a)所示。令O2A=a=300mm，O1A=b=300mm。建立如图2(a)所示模型，为进一步研究O2点的运动特征，以O1为坐标原点建立坐标系，如图2(b)所示。要保证人体感觉舒适，重点对与其相接触的O2A杆进行分析，因此主要分析式(2)。但直接根据φ1的变化无法准确描述O2点的波动情况，在此对式(2)进行3次求导，得到O2A杆终端加速度的变化率，称为加加速度［4］。加速度的时间变化率只在少数国外物理教材中简略地提到，因一般均认为加速度a的时间变化率并不重要［5］。事实上，至少在力学界，加速度的时间变化率已被定义为“jerk”，并已在物理期刊中出现，我国力学界已采用“加加速度”这一中译名，又称急动度。用j表示加加速度。在工程学中经常需要用到加加速度，尤其是在交通工具设计以及材料等问题。交通工具在加速时将使乘客产生不适感，该种不适感不仅来自于加速度，也与加加速度有关。在这种情况中，加速度反应人体器官在加速度运动时感受到的力，加加速度则反应这作用力的变化快慢。较大的加加速度将使人体产生相当的不适感，例如在电梯升降，汽车、火车等加速和转弯的过程中。因而在设计交通工具时，加加速度是必须要考虑的因素［6］。在非线性动力学中，加加速度也有一定应用。载人腿式机械人作为一种交通工具，显然具有非线性动力学特征，本文有必要对加加速度进行分析。

4高度优化

4.1Matlab最优求解对机器人大腿运动曲线进行求一次导、二次导和三次导，得a杆的角速度ω，角加速度a以及角加加速度j。为求得最优高度h，分别研究t=0s，t=0.01s，t=1s时刻的加加速度。在Matlab中编写程序，得到O2点在不同高度下不同时刻的加加速度，如表2所示。加加速度代表加速度变化的快慢，根据j的意义，求t=0s和t=1s时刻各高度所对应的加加速度的绝对值，并在Matlab中进行结果仿真，如图3所示。根据表2及图3可知，t=0s时j为常数，此后j的绝对值将逐渐减小，因此只需研究t=1s时刻各高度所对应加加速度的绝对值。由图3可知，当h=500mm时，j1=0.000590981＜ξ=1×10－3，加加速度最小，运动最为平稳。

4.2结果验证为验证结果是否合适，对t=0－1s求其角速度ω，角加速度a以及加加速度j。此时视h=500mm为已知条件，在Matlab中编写程序，求得结果如表3所示。并根据此结果进行仿真，得到此时的角速度ω，角加速度a以及加加速度j曲线，如图4所示。由表3和图4可知，加加速度的绝对值逐渐减少趋向于0，保证机器人行走时做到平稳减振，人体感觉自然舒适。此时的加速度及角速度曲线也较为光滑，基本符合要求，但由于初始加加速度的绝对值仍＞ξ=1×10－3，这说明杆长和速度仍需要完善，应对不同阶段的速度及各个杆长进行优化。在该种情况下，速度和高度均为未知数，对于这种多参数的优化，文中可使用变分法。

5变分原理

变分法的基本问题是求泛函的极值问题和相应的极值函数［7－8］。

6结束语

本文设计了一种可载人的腿式爬楼梯机器人结构，通过加加速度的分析，用Matlab进行高度优化及结果仿真，该机器人具有较大的平稳性。经多次试验数据分析验证，软件评定结果与数学计算理论值基本一致，误差≤1%。

参考文献

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机器人设计篇7

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[2] 图灵机器人官网[EB/OL]. http：///.

[3] 百度百科. 聊天机器人[EB/OL]. http：///view/58034.htm.

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机器人设计篇8

关键词:移动机器人 嵌入式 模块化

中图分类号: TP24文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 03-064-02

1引言

移动机器人研究是一个多学科交叉的研究领域,涉及传感器技术、无线网络通信、运动控制、实时操作系统、人工智能等多学科的内容。一个良好的移动机器人平台非常适合于嵌入式系统的学习和研究。目前的移动机器人的硬件架构已比较成熟,但现有的机器人控制系统大多是针对于某一个特定领域的机器人所设计 ,无法跨领域使用;对于不同的研究对象和应用场合,需要选择不同的移动机器人,这会增加成本,也为研究带来诸多不便。在群机器人(Swarm Robots System)领域,每个机器人的体积和成本都是非常关键的因数 。群机器人系统中,并不是每个成员都要求是高性能的机器人,为每种机器人设计不同的嵌入式系统会增加成本、花费时间 。根据成员不同的特性,安装不同的硬件模块,可以有效的控制成本和体积。不同的研究目的要求机器人执行不同的任务,所以移动机器人必须具有挂载多种传感器的能力。本文根据分层次、模块化 、易扩展的硬件设计思想,设计了一个完整的移动机器人平台,具有安装多种传感器、无线网络通信的能力,用于机器人和嵌入式技术的研究。

2设计方案

硬件的整体结构主要分成5个部分:控制系统、通信系统、传感器、动力系统和移动机器人底盘。采用分层设计,动力系统和底盘构成驱动层,控制器、通信和传感器构成控制层,第三层为主控制器。每一层是相对独立的模块,可以进行更换。驱动层包含了驱动器和底盘,根据机器人不同的运行环境采用不同的驱动层。比如室内和室外、陆地和水面等就需要选择不同的底盘,履带式、轮式还是船型的。它和控制层采用独立的设计,这样在更换底盘时不需要改动控制层,提升了整个系统的灵活性。控制层包含控制器、通信和传感器。主要的重点是提供丰富的接口,能够连接多种传感器模块。能够根据实际需要执行的任务,加载不同功能的传感器模块,使得该机器人平台能用于多种用途。控制层还提供通信模块,再加上底层的驱动层就已经构成了一个基本的移动机器人平台,能够实现一些较低级的功能。第三层为主控制器,通过SPI接口或USB接口与控制级相连,这样可以选择不同的主控制器。当需要实现较复杂的功能、运行复杂的算法,可以选择高性能的控制器,如果需要实现大量、高速的数据传输,可以将通信功能转移到主控制器层。

驱动级负责底盘驱动;控制级负责传感器数据的采集和处理、机器人的运动控制、低速通信;主控制器级采用高速的处理器,实现复杂运算和高速通信。在执行不复杂的任务时,不必添加主控制器,驱动级和控制级已经构成了一个比较完整的移动机器人平台。这样设计提高了系统的灵活性,也有利于控制成本。

图 1系统层次图

3业系统结构

3.1驱动层

不同的底盘需要不同的驱动电路,所以将驱动电路与底盘捆在一起,是一个独立的模块。底盘的设计涉及到机械结构方面的知识,不在本文讨论的范围。图3中的样车是购买的Arduino RP5底盘,采用直流电机驱动,最大负重7.5kg,能满足大部分需求。为这个底盘设计了配套的驱动电路,采用BTS7960搭建H桥电路,光电码盘测速。由控制层提供PWM信号、采集光电码盘的测速信号。如果希望进一步提高驱动层和控制层的独立性,在驱动层采用MCU,设计成独立的运动控制系统,通过UART或SPI等标准接口与控制层相连。所以只需基本相同的标准接口,采用规定的数据通讯格式,就可以随意更换驱动层和控制层。但出于成本的考虑,没有采用这种设计。

3.2控制层

(1)控制器

基于实验室的条件,控制层采用瑞萨的M16C/62P单片机,主频24MHz,具有384Kbyte的Flash,31Kbtye的SRAM。M16C/62P提供了丰富的外设,主要包括I2C、SPI和UART接口,11个16位定时器,8个10位AD。根据设计思想,控制层结合驱动层能构成相对完整的机器人平台,所以为了具有足够的内存,又外扩了128Kbyte的SRAM。保证有足够的内存运行uC/OS、LwIP(Light Weight IP,一款针对嵌入式系统的TCP/IP堆栈)、EFSL(Embedded Filesystem Library,一款嵌入式文件系统),构成一个相对完整的嵌入式软件平台。还设计了一个SD卡接口,能够存储大量的传感器数据,也作为EFSL的存储介质。

(2)通信系统

在通讯系统方面,扩展了一片以太网控制芯片CS8900A,只需添加一个无线AP就可以实现WiFi通信。M16C/62P的能力有限,无法达到较高的网络通信速度,但在不加主控制器层的情况下,机器人只用于执行较简单的任务,并不要求很高的通讯速度,所以是可行的。除此之外,通过UART接口可以连接无线串口、ZigBee模块、GPRS等通讯模块,可以提供丰富的无线通信手段。由于M16C/62P单片机支持串口调试、下载程序,在硬件测试和整车调试阶段采用了无线串口,使得调试更为方便。

(3)传感器

控制层的硬件设计要满足连接多种传感器的要求。一些简单常用的传感器集成在控制层的电路板上,其他的传感器可以通过电缆连接的控制层提供的接口上,保证了一定的灵活性,可以根据不同的任务选择相应的传感器。M16C/62P单片机具有I2C接口、SPI接口和UART接口,通过扩展电路扩展了数字IO和模拟通道,可以连接数字和模拟信号的传感器。还提供了图像传感器(OV7620)接口,因为M16C/62P的速度限制,通过一个32Kbyte的FIFO来存储图像传感器的数据。目前支持的传感器种类:

* SFR02超声波测距模块(I2C接口)

* GP2D12红外测距模块

* 温度传感器

* 湿度传感器

* 3轴加速度传感器(I2C接口)

* 接触传感器

* 巡线传感器模块

* 图像传感器

图 2控制层结构框图

3.3主控制器

主控制器采用32位的高性能的控制器,提升系统的处理能力,使得机器人能用于执行较为复杂的任务。设计通过SPI实现主控制器和控制层的通信,这样主控制的选择非常灵活,几乎不受限制。具体选择何种主控器,取决于实际的情况,不在本文的讨论范围。值的注意的是,如果系统对通信速度有较高要求,而且传输的数据量大,可以考虑采用主控制器层的通信系统,而不使用控制层的通信模块。

3.4实现

图 3样车图片

图3是根据这种设计方案设计的样车图片,连接了红外测距传感器GP2D12,还没有添加主控制层。经测试,运行良好。

4总结

本文介绍了一个基于M16C/62P的嵌入式系统的设计和实现。该系统与RP5履带式底盘结合在一起,构成一个分层次、模块化的移动机器人平台。该平台设计用于机器人和嵌入式技术的研究,具有丰富灵活的传感器接口。基于模块化的设计,可以根据不同的应用,方便的更换底盘和主控制器,为机器人和嵌入式技术的研究提供良好的平台。

注释:

Y. Meng, K. Johnson, B. Simms, M. Conforth, C. Creamer, and C.Hawley, “SMARbot: A Miniature Mobile Robot Paradigm for Ubiquitous Computing,” International Conference on Intelligent Pervasive Computing, 2007.

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