（机械制造及其自动化专业论文）类人机器人运动控制关键技术研究.pdf

摘要 机器人的研究应用领域不断拓宽，其中类人机器人的研究和应用尤其受到了 普遍的关注，并成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一。研制与人类外观 特征类似，具有人类智能、灵活性，并能够与人交流、不断适应环境的类人机器 人一直是人类的梦想之一。基于这样的目的，本文阐述了： ( 1 ) 利用p c 机作为上位机，利用p i c 单片机作为下位机进行了硬件平台的设 计，运用运动学与动力学的基础对机器人多关节运动与移动控制进行了建模与编 程实现。在硬件设计方面，采用了p i c 系列单片机对机器人各功能子系统进行控 制，其中，通过对舵机的优化控制使机器入具有多关节协调运动模仿人类动作的 能力。 ( 2 ) 在类人机器人多关节协调运动控制方面，研究了由多电机组合而成的机 器人手臂的多关节控制模型，并通过编程实现了机器人对人类动作的学习和模 仿，使机器人动作的流畅以及灵活性得到了解决。 ( 3 ) 在类人机器人移动问题上，本文提出了一种对传统同轴两独立驱动轮的 移动控制新方法，即以其中一独立轮作为圆心( 参照点) 进行路径规划，使机器人 的移动控制更加简单，从而使机器人自主移动能力大大提高。 本文提出的新方法在制作成功的类人机器人身上得到了具体实现。 关键词：类人机器人，多关节控制模型，运动控制，单片机 a bs t r a c t n l er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fr o b o ti s c o n t i n u o u s l yd e v e l o p e d e s p e c i a l l y , h u m a n o i dr o b o ti sb e c o m i n gh o t t e ra n dh o t t e ri nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n tr o b o t i ti so n e o fh u m a n sd r e a m st om a k eah u m a n o i dr o b o lw h i c hh a st h es i m i l a rf e a t u r e s ，l i k e h u m a na n dt h eh u m a n 。si n t e l l i g e n c e sa n da g i l i t i e s ，a n dt om a k ei tc o m m u n i c a t ew i t h p e o p l ea n da d a p tc i r c u m s t a n c e s o m er e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) ah a r d w a r ep l a t f o r mu s i n gp ca n dp i cs i n g l ec h i pi sd e s i g n e d n l er e s e a r c h u s e sp i cm c ut oc o n t r o lt h er o b o t se v e r ys u b - s y s t e mi n c l u d i n gm u l t i s e r v oc o n t r 0 1 p e r c e p t i v es y s t e md e s i g n t h r o u g hu s i n gt h e s et e c h n o l o g i e s ，t h er e s e a r c hr e a l i z e s r e m o t ec o n t r o lt ot h er o b o t w h i c hc a ns i m u l a t eh u m a n sb e h a v i o r sa n di n t e r a c t b e t w e e nh u m a na n dr o b o t ( 2 ) i nt h ef i e l do fh u m a n o i dr o b o t sm u l t i - j o i n th a r m o n i z a t i o nm o t i o nc o n t r o l ， m u l t i - j o i n tc o n t r o lm o d e lt oc o n t r o lr o b o t sh a n dm a d eb ym u l t i - s e r v oi ss t u d i e d a n d t h r o u g hp r o g r a m ，t h er o b o ts i m u l a t e sh u m a n sb e h a v i o r ss m o o t h l ya n dn e a t l yi s r e a l i z e d ( 3 ) i na d d i t i o n ，o nt h ep r o b l e mo fh u m a n o i dr o b o t sm o v e m e n t ，t h i sr e s e a r c h a d v a n c e san e wi d e at or e a l i z et h em o v e m e n tc o n t r o lt h r o u g ht w oc o a x i a li n d e p e n d e n t d r i v i n g w h e e l s i tm a k e st h em o v e m e n tc o n t r o l s i m p l ya n de n h a n c e s r o b o t s s e l f - m o v e m e n ta b i l i t yw i t ht h i sn e wi d e aw h i c hm a k e st h ep a t ho u tw i t ha n y o n eo ft h e t w ow h e e l sa st h ec e n t r eo fac i r c l ew h i c ha l s oi sr e g a r d e da sr e f e r e n c e t h en e wi d e a sa d v a n c e db yt h ed o c u m e n th a v eb e e nr e a l i z e do nt h er e a l h u m a n o i dr o b o t k e yw o r d s ：h u m a n o i dr o b o t ，m u l t i - j o i n tc o n t r o lm o d e l ，m o t i o nc o n t r o l ，s i n g l ec h i p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储擗：郴彳替醐：诉夕仲 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘奎盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 虢书啄 签字日期： 蟠年夕月扩日 ，卜肘 声夥 由分 l叶0川l， 名 期 签 日 师 字 导 签 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 类人机器人研究在很多方面已经取得了突破，如关键机械单元、基本行走能 力、整体运动、动态视觉等，但是离理想中的要求还相去甚远，需要在类人机器 人思维和学习能力、与环境的交互、躯体结构和四肢运动、体系结构等方面进行 更进一步的研究。研制与人类外观特征类似，具有人类智能、灵活性，并能够与 人交流，不断适应环境的类人机器人一直是人类的梦想之一l l 】。 本文主要利用p c 机作为上位机，利用p i c 单片机作为下位机进行了硬件平 台的设计，运用运动学与动力学的基础对机器人多关节运动与移动控制进行了建 模与编程。在硬件设计方面，采用了p i c 系列单片机对机器人各功能子系统进行 控制，其中，通过g s m 通讯技术及g p s 定位技术实现了对机器人的远程操作， 通过对舵机的优化控制使机器人具有多关节协调运动模仿人类动作的能力。在类 人机器人多关节协调运动控制方面，由多电机组合而成的机器人手臂多关节控制 模型，并通过编程实现机器人对人类动作的学习和模仿，使机器人动作的流畅性 以及灵活性得到了很好的解决。在类人机器人移动问题上，对传统同轴两独立驱 动轮进行移动控制，即以其中一独立轮作为圆心( 参照点) 进行路径规划【2 3 】，使机 器人的移动控制更加简单，从而使机器入自主移动能力大大提高。采用e k m a n 和f r i e s e n 提出的面部运动编码系统( f a c s ) 中定义的动作单元( a u ) 来描述机器人 的面部表情。 1 2 类人机器人 1 2 1 类人机器人发展现状 现阶段，机器人的研究应用领域不断拓宽，其中类人机器人( 也叫仿人机器 入) 的研究和应用尤其受到普遍关注，并成为智能机器人领域中最活跃的研究热 点之一，6 刀。 从1 9 2 0 年捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小说罗萨姆的机器 人万能公司中，根据r o b o t a ( 捷克文，原意为“劳役、苦工”) 和r o b o t n i k ( 波兰文， 第一章绪论 原意为“工人”) ，创造出“机器人”这个词。机器人历史有了如下的发展： 1 9 3 9 年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人e l e k g o 。 它由电缆控制，可以行走，会说7 7 个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活 还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。 1 9 4 2 年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说 里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。 1 9 4 8 年诺伯特维纳出版控制论，阐述了机器中的通信和控制机能与人的 神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。 1 9 5 4 年美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器入，并注册了 专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。 1 9 5 6 年在达特茅斯会议上，马文明斯基提出了他对智能机器的看法：智能 机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解 决方法”。这个定义影响到以后3 0 年智能机器人的研究方向。 1 9 5 9 年德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器 人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂- - u n i m a f i o n 公司。由于英格伯 格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。 1 9 6 2 年美国a m f 公司生产出t e r s t r a n ”( 意思是万能搬运) ，与u m m a t i o n 公司生产的u n i m a t e 一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀 起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。 1 9 6 2 年1 9 6 3 年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人 上安装各种各样的传感器，包括1 9 6 1 年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和 博尼1 9 6 2 年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1 9 6 3 年则 开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1 9 6 5 年，帮助m i t 推出了世界上第一 个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。 1 9 6 5 年约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出b e a s t 机器人。b e a s t 已经 能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。2 0 世纪6 0 年代中 期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人 实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。 1 9 6 8 年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器入s h a k e y 。它带有视觉 传感器，能根据人的指令发现并抓取积木。不过控制它的计算机有一个房间那么 大。s h a k e y 可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。 1 9 6 9 年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。 2 第一章绪论 加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向 以研发仿人机器人和螟乐机器_ 凡的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的 a s i m o 和索尼公司的q m o 。 1 9 7 3 年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作就诞生了美国 c i n c i m l a t i m i l a c r o n 公司的机器人”。 1 9 7 8 年美国u d i m a t i o n 公司推出通用工业机器人p u m a ，选标志着工业机 器人技术已经完全成熟。p u m a 至今仍然工作在工厂第一线。 1 9 8 4 年英格伯格再推机器人h e l p m a t e ，这种机器人能在医院里为病人送饭、 送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车， 检查安全。 1 9 9 8 年丹麦乐高公司推出机器人( m i n d - s t o r m s ) 套件，让机器人制造变得跟搭 积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。 1 9 9 9 年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝( a i b o ) ，当即销售一空，从此娱 乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。 2 0 0 2 年丹麦i g o b o t 公司推出了暖尘器机器 r o o m b a ，它能避开障碍，自动 设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。r o o m b a 是目前世界上销 量最大，最商业化的家用机罄 。 2 0 0 6 年6 月，微软公司推出m i c r o s o f t r o b o t i c ss t u d i o ，机器人模块化、平 台统一化的趋势越来越明显，比尔盖菠预言，家用机器人很快将席卷全球。 图1 - 1 为索尼公司研制的新一代a s i m o 类人机器人。 圈1 】奉目公司发布的新一代a s i m o 娄 机器 第一章绪论 1 2 2 类人机器人的发展趋势 类人机器人研究在很多方面已经取得了突破，如关键机械单元、基本行走能 力、整体运动、动态视觉等，但是离理想中的要求还相去甚远，还需要在类人机 器人思维和学习能力、与环境的交- f t ；：躯体结构( 如图1 - 2 ) 和四肢运动、体系结 构等方面进行更进一步的研究2 1 。研制与人类外观特征类似，具有人类智能、灵 活性，并能够与人交流，不断适应环境的类人机器人一直是人类的梦想之一。 图i 一2 类人机器人的躯体结构 1 躯体结构和四肢运动 类人机器人行动的多样性、通用性和必要的柔性是“智能”实现的首要因素， 是保证类人机器人可塑性和与人交流的前提。类人机器人的结构则决定了它能不 能为人所接受，而且也是它像不像人类的关键。类人机器人必须拥有类似人类上 肢的两条机械臂。这样不仅可以满足一般的机器人操作需求，而且可以实现双臂 协调控制和手指控制以实现更为复杂的操作。类人机器人要具有完成复杂任务所 需要的感知活动，还要在已经完成过的任务重复出现时要像条件反射一样自然地 做出反应。 2 与环境的交互 类人机器人与环境相互影响的能力依赖于其富于表现力的交流能力，如肢体 语言、思维和意识的交互。目前，机器人与人的交流仅限于固定的几个词句和简 单的行为方式，其主要原因是：( 1 ) 大多数类人机器人的信息输入传感器是单模 型的；( 2 ) 部分应用多模型传感器的系统没有采用对话的交流方式；( 3 ) 对输入信 4 第一章绪论 息的采集仅限于固定的位置，比如图像信息，照相机往往没有多维视角，信息的 深度和广度都难以保证，准确性下降。 3 体系结构 类人机器人的体系结构是定义机器人系统各组成部分之间相互关系和功能 分配，确定单台机器人或多台机器人系统的信息流通关系和逻辑的计算结构，也 就是类人机器人信息处理和控制系统的总体结构。如果说机器人的自治能力是类 人机器人的设计目标，那么体系结构的设计就是实现这一目标的手段。现在类入 机器人的研究系统追求的是采用某种思想和技术，从而实现某种功能或达到某种 水平。 图1 3 类人机器人的串行功能分解体系结构图 4 思维和学习能力 现有类人机器人系统的主要缺陷是对环境的适应性和学习能力的不足。机器 人智能1 8 9 1 0 1 来源于与外界环境的相互作用，同时也反映在对作业的独立完成上。 机器人学习控制技术是实现类人机器人在结构和非结构环境下实现智能化控制 的一项重要技术。但是由于受到传感器噪音、随机运动、在线学习方式以及训练 时间的限制，学习控制的实时性还不能令人满意，仍需要研究和开发新的学习算 法、学习方式，以不断完善学习控制理论和相应的评价理论。 ， 类人机器人具有人的外观，可以适应人类的生活和工作环境，代替人类完成 各种作业，并可以在很多方面扩展人类的能力，因此在服务、医疗、教育、娱乐 等多个领域都将得到广泛的应用。在人类的历史中，曾经因为我们制造机器的局 限性，使得我们不得不去适应机器，而现在我们要让机器来适应我们，这就是类 人机器人的未来发展趋势。 5 第一章绪论 1 2 3 机械系统 机械系统由机械元素组成的，它可以是自然的，也可以是人造的。后者是本 论文要研究的对象。机器人的机械系统由以下几个子系统组成：( 1 ) 机械子系统， 由刚体和弹性体组成；( 2 ) 传感系统：( 3 ) 执行系统：( 4 ) 控制器；( 5 ) 信息处理。此 外，子系统之间的通信是通过接口进行的，接口的基本功能是把从一个部分传到 另一个部分的信息解码。 图1 - 4 是典型机械系统的方块图，系统的输入是事先确定的任务，它是由实 时或离线给定的。前者在本质上看成是智能的，后者是可编程序的机械。机器人 的机械系统输出是通过传感器监测的实际任务( a c t u a lt a s k ) 。传感器以反馈信号的 形式传递作业信息并与事先设定的动作相比较，事先设定的任务与执行动作间的 误差反馈给控制器，然后合成必要的校正信号。在机器人控制系统中，通过人来 构成闭环控制的称为遥控机器人( t e l e m a n i p u l a t o r s ) 。遥控机器人是人借助于复杂 的传感器和显示装置进行控制的机械系统，操作者也就成了一个中心单元，根据 显示的信息，操作者对校正信号调整以完成所需要完成的动作| 1 1 , 1 2 , 1 3 。 作业关节 误差 ( 角度和扭矩) 实际关节变量 ( 角度和扭矩) 位置和 力信号 驱动 磊网誓笪蛎丽 关节信号 囊1 巫 图1 - 4 机器人机械系统方框图 实际 动作 研究机器人机械系统时，建立了运动的表示方法，这里用独立的杆件运动组 合成机械系统，把这些杆件看成刚体】。一般刚体的运动由平动和转动组成，通 过一个坐标系和矢量代数计算距离和角度并在此坐标系下描述矢量，但最终的结 果与选择的坐标系无关，得到的数学模型就是机械系统运动的表示方法。这些数 学表示方法包括：线性变换，刚体的旋转矩阵，坐标变换和齐次坐标建立，校正 方法，以及各种方法的合成等。以上各种方法的具体概念及实现方法见文献l j j 。 6 第一章绪论 1 3 本文要做的工作 本文将针对如何实现类人机器入的多关节控制技术与移动控制技术这个主 题而展开。类人机器人不但要具备机器人的一般性质，而且必须与人类外观特征 类似，具有人类智能，能够与人交流、不断适应环境，能模仿人类的肢体语言等 功能。本课题的主要任务是实现类人机器人模仿人类四肢运动并能够适应自然环 境，具有灵活的自主移动避障能力。因此本文内容安排如下： 第一章主要阐述与课题相关的机器人及类人机器人的历史及发展情况，同 时就关于机器人系统的相关理论以及它们相互之间的关系进行了简要介绍。 第二章主要研究类人机器人的系统功能以及硬件电路设计的实现。其中着 重于机器人的控制器i p i c 单片机的使用及基于p i c 单片机控制的机器人各个功 能的硬件电路设计，包括舵机控制技术。 第三章主要是完成机器人的运动模型及运动轨迹规划的设计和规划的解 析，以及结构误差的影响所必须的误差补偿并利用超音波感测器实现对机器人 的行为导航控制。最后参照人体工学的原理，不仅使类人机器人的动作拟人化， 更使类人机器人的行为和表情趋于拟人化，采用电机驱动机器人的肢体并配以必 要的面部表情来完成机器人的情感表达。 第四章全文总结 本文各章均以引言开始，简要介绍研究内容和目的；以小结结尾，简要归纳 所得结论。 7 第二章机器人硬件设计与功能 2 1 引言 第二章机器人硬件设计与功能 单片机和p c 机是目前最常用的两种机器人控制系统。鉴于所研究的机器人 的功能特点，采用了p c 机与p i c 单片机协调控制的方案。一个机器人系统是多 技术融合的系统，所以本章在着重介绍p i c 单片机使用的同时也将研究机器人的 各个功能子系统。 2 2 机器人功能系统结构 2 2 1 上下位机控制结构 上位机有保存g p s 定位信息、图像信息、障碍信息和记忆动作参数等多种 功能。下位机( 单片机) 则专门负责通过身上的传感器阵列收集周围环境的障碍信 息并发送到上位机，同时接受上位机的命令，根据上位机的要求使各个舵机协调 运动，做出各种类人的动作，如摇头，摆臂，招手，拥抱，前进、后退、左右转 等。下位机接收g p s 定位信息，同时将g p s 定位信息通过r s 2 3 2 串口发送给上 位机，由上位机通过g s m 网络以短信形式发送给控制中心或个人。控制中心或 个人根据机器人发过来的信息进行分析处理，将处理结果通过g s m 网络再传送 到机器人身上，从而可以实现了对机器人的遥控操作。 表2 1机器人的上下位机控制功能 控制系统控制任务 l语音识别与合成 2有线或无线语音输入 上3人脸识别与跟踪 位 4 短信息接收与发送 机 5各种信息的存储 6 资料显示 7 与下位机的通讯 第二章机器人硬件设计与功能 l g p s 定位信息处理 2轮式移动控制 下3固定障碍识别 位 4 人体障碍识别 机 5绕障或避障 6 类人动作表演 7与上位机的通讯 2 2 2 舵机组合手臂和轮式移动的机械结构 本文所研究的机器人的机械结构主要由两部分组成：上身的头部和手臂的舵 机组成部分、下身的直流电机控制的轮式行走部分。其中下身的轮式部分采用目 前机器人制作方面常见的也最常用到的两个独立驱动轮驱动，前后两个万向轮作 平衡的行走系统。这种机构组成容易实现，且转动灵活，稳定性好。虽然两个驱 动轮的负载不可能相等，使机器人在直线行走时总有偏差，但是，由于将g p s 信息进行了集中差分信息技术处理使机器入具有精确的自主导航功能。当偏离目 标航向时机器人能自主回航，因此基本上能消除机器人偏离航向的缺陷。所研究 的类人机器人具有与人进行情感动作交互的能力。这些都是由机器人的手臂及头 部的舵机控制系统实现鲥1 4 , 1 5 , 1 6 17 1 。类人机器人的每只手臂由肩部舵机、大臂舵 机、肘部舵机、手腕舵机等五个电机组成，形成5 个自由度的多舵机组合系统， 能很好地模仿人类手臂的全部功能，如握手，摇头，点头，挥舞手臂，拥抱等富 有人类情感的动作。 2 2 3 机器人的感知系统 类人机器人的感知系统主要由三个部分组成：安装在上位机的摄像头，由下 位机负责的传感器阵列和g p s 定位系统。类人机器人的眼睛由两个摄像头组成， 在机器人的前方及左右两侧均装有一个红外收发一体式的传感器，能探测到前方 l o c m 一3 0 c m 内的障碍物，以免机器人与障碍物碰撞，机器人的前下方也有一个 红外收发体式的传感器，以探测行走前方是否存在路坑等危险路段。在机器人 身体的中间高度部位，前后分别装有一个红外热释传感器，以探测前方1 5m 内 是否存在人类，经过采集这些传感器得到的外界信息，机器人能够判断出前方存 在的是人还是障碍，如果是障碍，机器人自动做出避障或绕障的动作。如果是人， 9 第二章机器人硬件设计与功能 则机器人自动停止运动，并发出友好语音信息准备与人进行对话，与此同时，机 器人通过摄像头采集障碍物或人的图像，处理后保存，并通过g s m 网络将图像 信息及g p s 定位信息传送给控制中心或个人，请求处理。 2 3p i c 单片机 研究中使用的p i c l 6 f 8 7 7 单片机具有双总线结构( 如图2 1 ) 及两级指令流水 线结构( 如图2 2 ) ，其结构结构框架见图2 3 。 单片机1 1 8 , 1 9 , 2 0 2 1 2 2 拘软硬件开发系统采用集成开发环境m p l a bi d e 软件： m p l a b 。在m p l a b 中可以在四种方式下运行： ( 1 ) m p l a b s i m 软件模拟程序运行方式：在这种方式下可以进行无硬件的软 仿真，提供了用于调试应用系统设计源程序的快速工具。 ( 2 ) 编辑程序方式：不用软件模拟程序或硬件仿真器便可编写、编译汇编或c 源程序，并能从源代码中删除错误。 ( 3 ) 硬件仿真器方式：可以用各种兼容的仿真器实时运行用户应用系统的目 标程序，同时对硬件进行调试。 ( 4 ) 编程方式：可以用各种兼容的编程器对芯片进行烧写。 图2 1 两种不同结构的示意图 周期0 周期1 周期2 周期3 周期4 图2 - 2 指令流水线结构 1 0 冯诺依曼结构 ( 普林斯顿结构) 哈佛结构 第二章机器人硬件设计与功能 程序 总线 闪存 指令注册器 序计数器 直接地址 数据总线 随机存储地址i 历丽蒜 i n s t r u c t i o n d e c o d e & c o n t r o l t i m i n g g e n e r a t i o n 0 s c l c l k i n 0 s c 2 ，c l k o u t p o w e r u p t l m e r o s c i l l a t o r s t a 九u dt i n p o w e r o n r e s e t w a t c h d o g t i m e r b r o w n c u t r e s e t i n c i r c u l t r e s e t l o w v o l t a g e p r o r a m m i n e v d d v s s m u x a l u wr e p a r a l l e i 1 a v e p o 堕_ j 灌时钟1l | i 时钟2i i l 地一b i t a d e e p r o mc c p i 2 | i | 鬻譬= 1 11 | u s a r t p o r t a p o i t b p o r t c p o r t d r 娲| 氏n 0 r a l ，a n l r a 2 a n 2 n r e f - r a 3 a n 3 r e f + r a 4 t o c kl r a 5 | a n 4 | 焉 - | 叉 - 一 h i o益 | y h 二 葛 - 、 r 一j ) ( _ - h h 壬艾 p o r t e 图2 - 3p i c l 6 f 8 7 7 单片机结构框图 i 遇o ，i n t r b l r b 2 r b 3 p g m r b 4 f u b 5 r b 6 p g c r b 7 ，p g d r c o ，r 1o s 0 ，1 1 c k l r c l 厂r 1o s i c c p 2 r c 2 c c p l r c 3 s c k s c l r c 4 s d i s d a r c 5 ，s d 0 r c 6 ，1 w c k r c 7 i u ( d t r d o ，p s p 0 r d l p s p l i t d 2 p s p 2 r d 3 p s p 3 r d 4 p s p 4 r d 5 ，p s p 5 r d 6 p s p 6 r d 7 ，p s p 7 r e 0 气n 5 i 五 r e ! a n 6 丽 r e 2 a n 7 西 第二章机器人硬件设计与功能 图2 4 为m p l a bi d e 软件环境，支持i c d 2 以下硬件版本：支持多源文件 编译，寄存器值监测，连接及编译窗口监测等多窗口功能。 在硬件方面，利用高端的仿真器m p l a bi c e2 0 0 0 。它能仿真全系列的p i c 单片机，仿真速度达到2 0 m h z 。在低端上采用在线调试器m p l a b1 c d 。i c d 2 在线调试器，可以基本支持全系列芯片的调试与烧写。 m p l a b i c d 2 利用f l a s h 工艺芯片的程序区自读写功能，使用芯片来实现仿 真调试功能。m p l a bi c d 2 软件通信接口方式是u s b ( 最高可达2 m b i t h ) 或 r s 2 3 2 串行接口方式，工作电压范围为2 0 - - 5 5 v ，可支持最低2 0 v 的低压调试。 圈2 4m p l a b 软件编程环境 p i c 单片机的编译系统使用宏汇编，能使可读性很差的征编语言变得容易解 读，在代码移植上提供了根好的支持，尽管宏于 编消耗掉许多程序空间t 但是缩 短了研发时间，并且提高了程序的运行速度。 另外m a p l i n k 汇编器更在汇编语言上提供了更多的功能。因为它是支持可 重定位的汇编代码。传统的汇编语言需要人工确定汇编程序在程序存储器的实际 第二章机器人硬件设计与功能 物理地址，使用m a p l i n k 只需要知道汇编器寄存器和程序段的数量，m a p l i n k 将自动分配寄存器和重新定位程序在存储器的实际地址，能大大节省开发时间， 方便代码的复用和移植。图2 5 为所选用的单片机的的最小系统电路图。 2 4 舵机控制技术 图2 - 5p i c l 6 f 8 7 7 的最小系统电路图 2 4 1 舵机对机器人的驱动控制 机器人上身的手臂及头部结构是由多舵机组成的。舵机是一种位置伺服的驱 动器，适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统。 第二章机器 硬件设计与功能 在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以 在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构。其简单的控制和输出使得单片 机系统非常容易与之接口。 图2 - 6 选用的舵机是一种高性能舵机，其力矩是8 7 妇m ，速度为 o1 7s 6 0 型号是k r s - 2 3 4 6 i c s 。该舵机在同娄产品中具有力矩大，稳定性好， 且易于控制等突出特点。只要按照要求给定脉冲周期宽度，舵机能从0 转到0 ， 通过程序控制，使舵机匀速或变速转动。 圈2 舵机外观圈 舵机与外界的连接端口只有三端其中与单片机的接口只有一端，称之为控 制线，另外两端分别接电源与电源地，为电源线与地线。舵机与单片机接法如图 2 - 7 所示。舵机的控制信号是p w m 信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。 一般舵机的控制要求如图2 - 8 所示。 图2 - 7 舵机与单片帆的接线图 | + 业壁磐业l 刊 ll ：燃触2il li2 ，埘脉冲左转极限位置1l | 叫 m s ( = 脉宽车2 j 圈2 - 8 舵机的控制要求 第二章机器人硬件设计与功能 用单片机作为舵机的控制单元，使p w m 信号的脉冲宽度实现微秒级的变 化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为p w m 信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠 硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。单片机系统实现对舵机输 出转角的控制：首先是产生基本的p w m 周期信号，即产生2 0 m s 的周期信号； 其次是脉宽的调整，即单片机模拟p w m 信号的输出，并且调整占空比。即可使 舵机转到相应角度。 爿 图2 - 9 机器人移动轮示意图 机器人手臂运动的轨迹是指机器人在运动过程中的位移、速度和加速度。而 轨迹规划1 2 3 1 是根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹，对机器人的任务、 运动路径和轨迹进行描述，机器人轨迹规划属于机器人底层规划，是在机器人运 动学和动力学的基础上，讨论在关节空间和笛卡儿空间中机器人运动的轨迹规划 和轨迹生成方法。 在规划机器人的运动轨迹时，还需要弄清在其路径上是否存在障碍物。路径 规划和障碍物的组合把机器人的规划与控制方式划分为四类，如表2 2 所示。本 文采用了连续路径的无障碍轨迹规划方法。 障碍物 有无 路径有 离线无碰撞路径规则+ 在线路径跟踪离线路径规则+ 在线路径跟踪 约束无 位置控制+ 在线障碍探测和避障位置控制 路径有：离线无碰撞路径规则、在线路径跟踪离线路径规则、在线路径跟踪 1 5 第二章机器人硬件设计与功能 约束无位置控制、在线障碍探测和避障位置控制。机器人最常用的轨迹规划方法 有两种：第一种方法要求对于选定的转变结点( 插值点) 上的位姿、速度和加速度 给出一组显式约束( 例如连续性) ，轨迹规划对结点进行插值，并满足约束条件； 第二种方法要求给出运动路径的解析式，如为直角坐标空间中的直线路径，轨迹 规划在关节空间或直角坐标空间中确定一条轨迹来逼近预定的路径。在第一种方 法中，运动的设定和轨迹规划均在关节空间中进行，因此可能会与障碍物相碰。 第二种方法的路径运动是在直角坐标空间中给定的，而关节驱动器是在关节空间 中受控的，因此，为了得到与给定路径十分接近的轨迹，首先必须采用某种函数 逼近的方法将直角坐标路径约束( 路径运动) 转化为关节坐标路径约束( 路径运 动) ，然后确定满足关节路径约束( 路径运动) 的参数化路径。目前，机器人的手臂 或其它运动方式是示教再现的，即首先教机器人如何做，机器人就记住了这个过 程，于是它可以根据需要重复这个动作。对于连续路径控制，不可能把机器人的 运动轨迹的所有点都示教一遍，让机器人记住，因为这样会增加计算机( 单片机) 的负担或浪费内存。因此，对于有规律的轨迹，只要示教几个特征点，( 如直线 需要示教两点，圆弧需要示教三点) ，计算机或单片机就能利用插补算法获得中 间点的坐标( 相对于基坐标系) ，机器人将这些运算结果放入存储器，以便以后的 再现。 轨迹上位 兰垒奎查，l 插补 i 算法 2 4 2 舵机的软件设计 机器人逆 向运动学 8 、e ， n 个角度位 置控制系统 图2 1 0 机器人轨迹控制过程图 要求的位 置和姿态 舵机是小型仿人机器人常用的输出执行机构。它接收一定的控制信号，输出 相应的角度。图2 1 1 所示为舵机的内部结构图，从图中可以看出舵机主要是由外 壳、一个小型直流电机、一组减速齿轮、一个用于检测转角位置的检测电位器和 一块控制电路板组成。其中，高速转动的直流电动机提供了原始动力，经过减速 齿轮组减速后，通过输出轴对外提供转距，齿轮组的减速比越大，舵机的输出力 矩也越大。标准的舵机有3 条导线，分别是：控制线、电源线、地线。电源线和 地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源，电压通常介于4 7 2 v ，控制线的输入是个宽度可调的周期性方波脉冲信号。当方波的脉冲宽 1 6 第二章机器 硬件设计与功能 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，其输 出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图2 - 1 2 , 昕示。 舵机标称方渡脉冲信号的周期为2 0 m s ，事实上舵机角度控制对信号的周期 要求为1 8 2 0 m s 。舵机的控制信号被成为p p m ( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，即脉 冲位置调制渡) 。可由f f g a 模拟电路或单片机来产牛 0 。9 0 1 8 0 角度d 圈21 2g e l s , 输出转角与输入信号脉冲宽度的关系 本文采用的p i c l 6 f 8 7 7 为主控芯片，晶振频率取值2 0 m h z ，每条指令执行时 间为2 0 0 从图3 - 13 可以看出舵机角度变化1 时，脉宽改变为 1 7 0 0 出1 8 0 - 9 4 地，单片机能执行9 4 , u s 0 2 坤条约4 7 条指令，用c 语言很难 实现在4 7 条指令内一次比较判断完2 4 路舵机的p p m 信号。多路p p m 信号产生的机 理如图21 3 所示。为了产生精确的时间信号，占用了一个1 6 位硬件计数器，计数 基准设为2 0 0 n s ，同时用2 4 个i 6 位匹配寄存器保存每一路p p m 信号的计数匹配 值，该匹配值正比于舵机的期望角度。2 4 路p p m 信号分为8 组，每组3 路进行分时 控翩。程序开始时，将第一组p p m 信号相应的引脚全置高电平，并且将计数器清 零。然后不断查询计数器的值是否大于或等于匹配寄存嚣的值。如果是，将该路 p p m 信号的引脚置为低电平。每一组p p m 信号占用的时隙均为2 4 m 5 ( 不足 第二章机器人硬件设计与功能 2 4 m s 的延时n 2 4 m s ) ，保证每一路p p m 信号的周期丁= 2 4 x8 = 1 9 2 m s 。在8 组 p p m 信号处理完毕后，再用0 5 m s 一1m s 的时隙进行系统的其他任务处理。这种分 时控制的方法的最大特点是保证每一路p p m 信号的时间误差最小，且不会产生波 形的抖动。对于p i c l 6 f 8 7 7 单片机在2 0 m 的系统时钟下，lm s 内能执行5 0 0 0 条单 周期指令，p p m 的周期可以大于2 0 m s 。 第i 组 第2 组 第8 组 2 一1 3 多路p p m 信号产生机理 图2 1 4 所示为多路p p m 信号的发生流程图。p a 、p b 、p c 、p d 、p e 的2 4 个 端口均为p p m 输出端口，1 6 位定时器用来和每组的3 路p p m 信号匹配寄存器进行 比较，基准为2 0 0 n s 。 第二章机器人硬件设计与功能 p p m g e n 开始 初始化 董黧盔岁 组p p m 信号 7 y j o o o _ _ _ o o o o p p m g e n 结束、 2 5 小结 处理下一组 p p m 信号 置高该组p p m 信号 的引脚并清零计数器 定时0 5 m s 墓嫠嚣薯黧藿矗二叫繁瑟篙路匹配寄存器匹配l 信号的引脚 y 计数器与该组第1 路匹配寄存器匹配 y 叫鞣胃 计数器与该组第l 路匹配寄存器匹配 y 叫徽掣 图2 1 4p p m 信号的发生程序流程图 n 本章着重研究了用于控制机器人各功能子系统的p i c l 6 f 8 7 7 为主控芯片p i c 的单片机的特点与使用。另外，还研究了用于组成机器人手臂的舵机的控制及各 个子功能模块的设计，为下文的理论实现提供了基础。 1 9 第三章机器人行为运动控制 3 1 引言 第三章机器人行为运动控制 人的肢体和脸部作为人最重要的外部特征，在人与人的交流过程中起着非常 重要的作用，它能够传递许多非语言的信息来加强理解或表达情感。身体语言是 指经由身体的各种动作，从而代替语言以达到表情达意的沟通目的。本章将主要 研究机器人如何通过移动、肢体动作、躯体动作以及面部表情来表达情感。 3 2 机器人控制结构 机器人由于体积和电源( 电池) 的供电能力有限，对电路的结构，元件的布线 和布局有较高的要求，通过不断的实验，简化各个功能模块，并使之相对独立， 通过模块间的接口来组成完整的系统。控制系统的总体框图入图3 1 所示： r s 2 3 2 富 图3 1 机器人控制系统总体框图 控制系统采用多级分布控制方法，分为上、下两层控制，功能分别为：上层 第三章 机器人行为运动控制 p c 机，完成机器人行为数据的离线计算和调整，通过有线或者无线网络控制和 协调各个机器人的动作行为阱】，并且可以通过机器人所带的传感器获取环境信 息；下层实现控制算法，控制多路舵机协调运动。相应的控制系统模块可以分为 以下内容： ( 1 ) 算法、电机控制模块：i 扫p i c l 6 f 8 7 7 微控制器组成，实现控制算法，和多 路舵机控制信号的生成。 ( 2 ) 无线通讯模块：i 由n r f 9 0 5 射频芯片和s t c 2 0 51 微控制器组成，实现上、 下位机通过射频( r f ) 进行数据交互。 ( 3 ) 有线通讯模块：由s p 3 2 3 2 电平转换芯片，实现上、下位机通过r s 2 3 2 总线 进行数据交互。 ( 4 ) 行为数据存储模块：由i i c 总线的串行e e p r o m ( 2 4 c 5 1 2 ) 组成，p i c l 6 f 8 7 7 通过i i c 总线对其进行读写操作。 ( 5 ) 电源模块：向下位机系统各模块提供稳定的电压。 3 - 3 机器人硬件构成 控制算法电路原理图如图3 2 所示。该模块为微控制器的最小系统，包括主 控制器p i c l 6 f 8 7 7 ，上电复位电路，振荡电路，状态指示灯。p i c 单片机还设计 了在线调试( i nc i r c u i td e b u g ) 和系统自编程( i ns y s t e mp r