双足机器人计划书word参考模板

两足机器人系统的研
究与实现
项目简介
1.1项目摘要
双足或人形机器人，又称仿人机器人。

双足机器人要实现动作的准确和控
制的实时,必须依赖合理的控制策略和稳定的控制系统以及高效的微处理器。

按照设计要求,本项目选定ATMEL公司的AVR系列单片机ATmegal28为控制核心,设计一套具有19个自由度的双足人形机器人及其控制系统。

实现机器人能
够在自主状态下实现前后平稳行走、单腿站立、侧向平移、左右转向行走、前
后翻滚以及标准的体操动作等功能。

1.2立项背景
机器人是整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物,能实现
环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能。

机器人代表了科学
技术的最高水平,在工业、农业、医学建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。

宋健院士在国际自动控制联合会第14届大会报告中指出：“机器人学的进步
和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义上的自动化”。

现在,国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。

一般来说,人们都可以接受这
种说法,即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

联合
国标准化组织采纳了美国机器人协会(Robot Institute of America, RIA)于1979年给机器人的定义：一种可编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具
的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。

作为机器人研究领域的一个重要分支,双足机器人(Humanoid Robot)由于其广
阔的应用空间一直是研究热点之一。

所谓双足机器人,又称仿人机器人,是具有
人形的机器人,是关节转动灵活,控制系统复杂,能完成高难度的动作的机器人。

它是机械、自动控制技术、计算机技术、人工智能、微电子学、模式识别、通
讯技术、传感器技术、仿生学等多学科和技术综合的结果,代表着一个国家高
科技发展水平。

研制与人类特征类似,具有人类智能、灵活性,并能与人类交流,不断适应环境的双足机器人一直是人类的努力的目标。

1.3项目研究意义
与传统机器人相比,双足机器人具有显著的优势,比一般机器人有更大的机动性、灵活性,同时也具有更广泛的应用领域。

双足机器人的出现是控制科学、传感
器技术、人工智能、材料科学等学科的技术进步,以及机器人使用范围的扩大
和人类日常生活需要的产物。

双足机器人在工农业生产、科学探测、军事侦察、生活服务与娱乐等很多方面都有广泛的应用前景。

首先双足机器人在拓展人类
的认知范围上发挥着重要作用,在外层空间、深海等人类尚不能到达的环境都
有双足机器人的身影；其次双足机器人己经广泛应用在恶劣、危险条件下或其
它不适合人类活动的环境中。

双足机器人的迅速发展和广泛应用,对人类社会
的生活和生产产生了深远的影响。

也正是因为双足机器人的广泛的应用背景和
商业价值,所以近年来,双足机器人成为机器人研究领域内的一个热点。

1.4国内外研究现状
现代机器人的研究始于20世纪60年代，最初为工业机器人。

随着科学技
术的发展，机器人的应用领域也在不断拓宽，逐渐由制造业向非制造业和服务
行业发展。

具有人类的外形特征，可以模仿人类行为的双足机器人早已出现。

比如，本田机器人ASMO、索尼机器人QRIO和韩国KAIST机器人KHR-3等。

目
前很多国家都正在积极进行双足机器人的研发。

主要有美国、日本、英国、韩国、法国、加拿大等。

美国研究机器人较早，日本类人机器人研究成果最多。

国内双足机器人的研究相对而言起步较晚,但发展很快,并取得了重要进展。

我国自“八五”期间开始进入这一研究领域,并在国家“863”计划把开发智能
机器人的内容列入高科技发展规划中。

机器人学国家重点实验室依托于中国科
学院沈阳自动化研究所,定位于国民经济和社会发展、国家安全和重大科学工
程提供所需要的机器人技术与系统。

另外,各高校也是国内双足机器人研究中
的主力军,并取得了很大的进展和成果。

一、研究方案
2.1 研究内容
（1）完成空间19个自由度（手臂、髋、膝、踝）的人型机器人结构设计及实现；
（2）采用ATmegal28作为控制芯片,控制器负责给舵机和传感器模块发送指令,以及对双足机器人的运动进行控制；
（3）在移动式机器人模拟软件Webots中搭建机器人平台，让后用C++编写实现前后平稳行走、单腿站立、侧向平移、左右转向行走、前后翻滚以及标准的体操动作的驱动程序，检验其是否能完成要求的动作；
（4）在设计好的软硬件平台上进行相关的实验,实现控制系统设计目标和要求。

2.2 研究方法和技术路线
2.2.1 人型机器人结构设计
图2-1 机器人自由度的配置
根据项目的要求我们将19个自由度做了如上图的配置：其中头部有一个
自由度，可以保证头部自由的旋转；每个手臂配置三个自由度，肩部2个自由
度保证机器人可以完成左右伸展手臂和前后摆臂的动作，肘部一个自由度可以
让其完成抬臂的动作；胯部有4个自由度，保证机器人横向移动和抬腿的动作；每条腿有三个自由度，使机器人能够灵活的完成腿部动作；最后脚踝各配置一
个自由度，让其能够完成转弯的动作。

以上就是我们设计的机器人的所有自由
度的配置方案。

由于机械知识的缺乏，我们初步计划购买机器人框架，然后在框架的基础上进行改造，让其符合我们机器人自由度配置的要求。

2.2.2 机器人内核的选择
通过查阅大量的文献资料和请教师兄师姐，本设计所选用的主控芯片型号是基于ARM CORTEX—M3内核的STM32F1O3RB。

该内核具备了优异的计算性能和先进的中断控制系统，支持优先级配置和中断嵌套。

STM32F103RB拥有多达3个USART接口，可以完成通讯功能以及ISP程序下载。

STM32F103RB还具备CAN，I2C，SPI等通信接口，拥有DMA控制器、3个16位定时器以及l2位精度的ADC转换模块，其FLASH大小为128K，SRAM 大小为20K。

STM32F103RB的功能
图2-2 STM32F103xx增强型LQFP64管脚
完全能完成本设计的要求。

2.2.3 电源电路设计
在舵机驱动过程中为了避免电流波动影响机器人运动稳定性，将舵机驱动和控制系统分开供电。

由于机器人使用的是大扭矩的辉盛995舵机，每个舵机
的工作电流是100 mA，19 个舵机同时工作时需要1.9A 电流，所以舵机的供电
部分使用了LM1084-5.0为舵机提供5 V 电压，该芯片允许输出的最大电流高达5 A。

在电源的输入端使用二极管桥式整流电路，防止电源接入时的极性错误。

为了减少电路各部分的电源和地之间的相互干扰，在数字地、模拟地之间引入零欧姆电阻，舵机电源电路如图所示。

图2-3 机器人舵机电源电路
STM32F103RB控制系统需要2.0 ～3.6 V 的电压，为I /O 引脚和内部调压器供电，使用1 片AMS1117-3.3 产生3.3V稳压电源，电路如图所示。

图2-4 控制系统电源电路
2.2.4 传感器的选择
陀螺仪与加速度计：
陀螺仪是一种运动姿态传感器，它固定安装在机器人上面，可以测量机器人运动过程中旋转的角速度。

把测量到的角速度在计算机算法上进行积分，得到的是机器人运动旋转过程中转过的角度，这个角度很重要，通过角度，我们可以对机器人的转动进行控制。

这样就比起传统的循线转弯快了很多，在机器人的直线行走过程，也可以通过陀螺来检测机器人是否走偏，从而来对它进行纠偏控制。

机器人行走可以分为：走直线的情况和拐弯的情况。

直线行走时理论上陀螺
仪应该角速度为0，但由于误差常常不为0.这是可以采用简洁实用的PID调节
控制，达到稳定目标。

拐弯时，给机器人的左右两轮设定不同的速度，这样机
器人便开始拐弯，然后我们反复不断地读取陀螺测得的机器人目前拐过角度，
直到达该角度到设定的角度时再停止拐弯。

不为了简化结构和电路选择三轴陀螺仪，三轴陀螺仪是能够准确测定运动物体
前后左右方位，主要用于测量运动物体角速度的惯性器件。

利用的是一块机械敏感元件，
根据哥氏效应，由元件输入轴的转动产生一个正比于转动角速率的电压。

红外传感器：
选择功能强大的GP2D12可测距传感器。

工作中，根据白色与黑色的反射率不同来辨
别轨迹；避障工作中，根据传感器前方有物体时有反射信号到达接收管来获得触发信号。

这里使用红外发射和接收管，组成红外传感阵列来进行环境判断，实现循迹、避障、测距
的功能。

超声波传感器：
超声波传感器以其信息处理简单、价格低廉、硬件容易实现等优点，被广
泛用作测距传感器。

在移动机器人行走过程中，由于随时可能遇到障碍物，而
且障碍物的大小、多少未知，所以能够顺利地到达目的地，设计系统使用了超
声波传感器进行检测现场的环境信息，使其和红外传感器的信息能够相互补充。

超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。

但是目前的超声波
传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。

在测距时可以和红
外传感器相互配合，使得测量更准确。

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