课程设计（论文）-会追光的双足机器人.doc

会追光的双足机器人苏 州 市 职 业 大 学课程设计说明书 名称 会追光的双足机器人 2011年 6月 7日 至 2011年 6月 10日共 1 周院 系 电子信息工程系 班 级 09电气1 学 号 姓 名 系主任 教研室主任 指导教师 目录第一章 绪论21.1.机器人技术概述21.2本课程设计的目的和要求3第二章 硬件设计42.1 结构设计42.2 驱动器方案52.3 传感器方案72.3.1 接近传感器82.3.2.超声测距传感器92.3.3 声音传感器92.3.4 倾覆传感器102.3.5光强传感器11第三章 软件设计123.1步态设计123.2控制策略13第四章 设计总结20参考文献21第一章 绪论1.1.机器人技术概述机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。它可以说是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业甚至军事等领域中均有重要用途。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。1.2本课程设计的目的和要求1.设计一个简单的双足机器人系统，该机器人能够模仿人类行走方式迈步行进，能感知光源，并能转向光源，朝光源前进；2.进行结构设计，每个足要包括腕、膝、胯三个关节，画出机器人的机构运动简图；3.进行步态分析，并编写前进、左转、右转的步态流程；4.进行传感器种类及功能介绍，基于智能创新实验室实验套件选定传感方案；5.设计追光策略；6.用NorthStar设计完整的双足机器人追光程序；第二章 硬件设计2.1 结构设计机器人系统是模仿人类等生物的结构、思维而构建的，所以我们也可以以我们自身为范本来设计机器人。将人类对肌肉的协调控制用机器人对舵机的协调控制进行模拟。我们组设计的机器人机构运动简图如下图示。每个足包括腕、膝、胯三个关节。2.2 驱动器方案机器人之所以有“人”字，是因为人们希望这种新的人造物能够像人一样，有聪慧的大脑、敏感的知觉、灵活的活动能力，能够代替人完成人们所不期望亲力亲为的事情。机器人常用的运动驱动部件有直流有刷电机、直流无刷电机、步进电机、舵机等。“创意之星”配置了直流有刷电机、微型舵机、机器人专用舵机等。此课程设计采用的是CDS5516机器人舵机： proMOTION CDS系列机器人舵机属于一种集电机、伺服驱动、总线式通讯接口为一体的集成驱动单元，主要用于微型机器人的关节、轮子、履带驱动，也可用于其他简单位置控制系统。CDS5516的特点如下图所示 CDS5516 的使用： CDS5516 采用半双工串行异步总线进行控制，每个舵机都有自己单独的ID号，您在机器人构型搭建时需要对 ID号进行配置，以免机器人的某些关节的ID号重叠。博创出厂的CDS5516默认ID为 1，在“创意之星”包装盒里有 CDS5516 ID编号的不干胶，您设好ID后请将不干胶粘贴到舵机后盖上，避免遗忘。CDS5516有专用的调试环境 RobotServo Terminal，在这个环境下，您可以设置舵机 ID、波特率、工作模式、速度限制、角度限制、电压限制等等。光盘 “InnSTAR 产品光盘部件资料汇总CDS5516 机器人舵机”里有 RobotServo Terminal 详细使用说明和CDS5516的数据手册，这些文件将指导您使用CDS5516。CDS5516采用总线式通讯，您可以串联使用。使用R/C舵机时我们一直很苦恼，如果我们设计的构型有20个舵机，我们需要接 20根线都接到控制器，整个机器人会被长短不一、颜色各异的线所包围缠绕。CDS5516让我们摆脱了这种窘境，我们可以将 6足爬虫每条腿上的3个CDS5516串联在一起，再连到控制器上。我们可以将机械手的六个关节串联成一串，最后一根线接到控制器上，整个走线非常简单、清晰，可靠性也高很多。需要注意的是：每个 CDS5516 需要使用不同 ID；每串 CDS5516 的数量不能太多，最好是6个以下。正常工作下单个CDS5516的电流可能达到 500mA1A，堵转电流可达到 2.5A，单组 6 个 CDS5516 的工作电流可能达到 3-8A。这样的电流会让舵机线发热，并产生比较大的电压降，最后一个 CDS5516 可能因为沿途舵机线的分压而导致工作电压过低，CDS5516在电压过低时会出现复位、数据通讯不正常等等状况。CDS5516 的基础参数设置、保护参数调节、性能测试等都可以通过 RobotSevo Terminal软件来实现。您可以在光盘 “InnSTAR 产品光盘部件资料汇总CDS5516 机器人舵机”里找到软件和软件帮助说明。2.3 传感器方案传感器就是“创意之星”机器人的感知器官：皮肤、眼睛、耳朵、鼻子和舌头等等。传感器能够将机器人自身的电流、电压、位置信息，外部的距离、温度、湿度、光线、声音、图像等信息转化为电信号。传感器内部的电路对这些电信号经过预处理之后转化为能够为控制器所采集或读取的电压、脉冲、数据信号。传感器据此得到需要的内外部信息。控制器对这些信号解析提取之后，就能够知道相应的信息，比如机器人离前面的墙壁只有 10cm 了。您编写程序时可以对此距离的不同数值采取不同的策略。比如机器人离墙壁20cm时减速，距离10cm时转弯。创意之星”配套的传感器有模拟量传感器、数字量传感器、总线式传感器三种。具体如下表所示：表为“创意之星”传感器类型及电气规范 2.3.1 接近传感器 红外传感器和霍尔传感器是常见的两种接近传感器。红外接近传感器 原理：红外接近传感器俗称光电开关。 它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理如下图所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型，因此也称为红外开关。由于红外线是不可见光， 红外探头体积小巧，隐蔽性非常高，所以各种规格的红外开关、红外测距传感器常常用于安防保卫领域。 霍尔接近传感器 原理 ：霍尔效应接近传感器是利用霍尔效应（Hall Effect）制成的接近开关，主要用于检测磁性物体。市场上常见的霍尔接近传感器的检测距离为10mm左右。以下是一些常见的接近开关的外形特点和安装方式。可以看到， 接近开关种类非常丰富，安装方式也很多样。不管是电感式、电容式还是霍尔效应式，其外观都有些类似，接口也基本上都是三线制：信号输出（通常为 OC输出）、电源（通常 5-30V） 、地。2.3.2.超声测距传感器 原理：超声波测距传感器工作原理是：探头向前方发射一束超声波，超声波经前方障碍物反射返回，传感器再接收此反射波，通过计算声波往返时间与声速相乘就可算出障碍物的距离。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛应用。2.3.3 声音传感器 驻极体式电容麦克风构造与原理：机器人上最常用的声音传感器就是麦克风。常见的麦克风包括动圈式麦克风、MEMS麦克风和驻极体电容麦克风。 其中， 驻极体电容麦克风尺寸小，功耗低，价格低廉而性能不错，是手机、电话机等常用的声音传感器。大量具有声音交互功能的机器人，例如 SONY AIBO，本田ASIMO，均采用这类麦克风作为声音传感器。驻极体式电容麦克风由一片很轻的振动膜及驻极电荷的背极板组成。 构成驻极体式电容麦克风的内部零件相当精密，对外部的杂音很敏感，因此为预防灰尘或异物质的侵蚀及电器杂音，要紧紧密封在只有音波可流入的圆形金属壳中。随着音波的流入使金属振动板振动时，振动板与电极板会随音波变化，这种物理现象可解释为静电容量变化。因驻极体式电容麦克风器的耗电流量较大，故不可直接使用于一般的放大器(扩大器)上。为入信号耗电流量，必须要经由JFET使电流量转换成放大器可接受的程驻极体式电容麦克风随振动板与背极板极化蓄电荷的类型及构造1.背极式麦克风 Back Electret Type Condenser Microphone 2.薄膜式麦克风 Foil Electret Type Condenser Microphone 3.前极式麦克风 Front Electret Type Condenser Microphone 其内部构造如下图所示：2.3.4 倾覆传感器 姿态传感器采集的是机器人的姿态信息，专业的姿态传感器（电子罗盘、陀螺仪等）价格昂贵， “创意之星”机器人套件提供了一个基本的姿态传感器水银开关（输出开关量信号） 。水银开关里有一个位于玻璃管， 可自由移动的水银粒。水银开关输出不同的信号与水银粒在玻璃管的位置相关。比如水银粒位于玻璃管 A 端时，水银开关输出高电平；当传感器由于某种原因姿态改变过大移动到玻璃管 B 端，水银开关输出低电平。根据水银开关这种输出信号与其本身姿态有关的特性，我们可以借此来检测机器人的姿态。水银开关在测量机器人是否倾覆上非常好用且成本低廉，所以我们也常将之称为倾覆传感器。图是“创意之星”的倾覆传感器，输出开关量信号，接 IO0IO11的任意一个接口都可以通过NorthSTAR进行数值读取和编程。2.3.5光强传感器光强传感器对可见光波长的光照强度（专业术语即“照度”）很敏感，其核心原件是一只光敏电阻，其输出信号是与光强相关的模拟信号。图示是“创意之星”的光强传感器，输出模拟信号，接AD0AD7的任意一接口都可以通过NothSTAR进行数值读取和编程。第三章 软件设计3.1步态设计一个完整的行走周期分为双腿支撑阶段和单腿支撑阶段。在双腿支撑阶段,两只脚都与地面接触,这个阶段开始于前脚的后跟接触地面,结束于后脚的脚尖离开地面。单腿支撑阶段一条腿支撑身体,另外一条腿完成步行前移。在单腿支撑阶段,一只脚固定在地面上而另一只脚从后往前摆动,步行时,机器人交替地进入双腿支撑阶段和单腿支撑阶段。步行过程如图所示。双足步行机器人的步行可以分为静态步行和动态步行两种。静态步行是重心移动少、 速度慢的步行方式。动态步行则是自身破坏平衡,向前倾倒式的行走。人的行走以动态步行为主,要想和人类一样具有较高的行走速度,双足机器人就必须以动态行走为主,即上身向前倾倒,髋关节摆动双腿,实现迈步并使上躯体前倾或者后仰。从生理角度分析,髋、 膝、 踝关节对于稳定有效的行走来说是必不可少的,髋关节主要用于摆动双腿,实现迈步并使上躯体前倾或者后仰,使之在步行过程中起辅助平衡作用;膝关节主要用来调整重心的高度,并用来调整摆动腿的着地高度,使之与地面的状态相适应;而踝关节用来和髋关节相配合实现支撑腿和上躯体的移动,而且还可以调整脚掌与地面的接触状态,从而完成步行过程。双足机器人完整的步行过程包括三个阶段:1)起步阶段:由初始的双腿并立静止状态变化到行走状态,一条腿向前跨出了半步距离,髋部速度从零上升到恒定值;2)整步阶段:两条腿交替地向前跨出一步距离,髋部速率保持不变;3)落步阶段:后腿向前跨出半步,落在与另一条腿并行的部位,髋部速度减少到零,恢复成双腿并立静止状态。3.2控制策略1) 建立工程在NothSTAR中新建一个工程。2) 添加变量需要添加两个变量来存储光强传感器获得的光强数值。变量属性如表所列3) 程序逻辑设计在获取了两侧光强数值之后，便可以开始设计程序的逻辑框架。将情况分为三种：状况一，左侧光比右侧光强；状况二，左侧光比右侧光弱；状况三，左右光强近似相等。这三种情况在逻辑上较好区分，并且覆盖了可能会出现的状态。在程序的主循环里，用三个条件分支来区分这三种状况。程序逻辑框图如上图所示。4) 等待延迟在控制器运行程序的过程中，如果在短时间内向多个舵机发送大量的控制指令，会造成总线的拥堵，导致舵机收到新指令的时间延后，最直观的表现就是指令发送和舵机运动之间存在一个延时。为了保持舵机数据总线的通畅，让舵机有时间执行接受到的指令，通常在两次发送指令之间添加延时。5) 最