1、安阳师范学院本科学生毕业论文机器人的运动与控制作 者 * 院（系） 物理与电气工程学院 专 业 电气工程与自动化 年 级 2012 级 学 号 * 指导教师 * 日 期 * 学生诚信承诺书本人郑重承诺：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名： 日期： 论文使用授权说明本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有
2、权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名： 导师签名： 日期：第 1 页机器人的运动与控制杨佩佩（安阳师范学院 物理与电气工程学院 河南 安阳 455002）摘 要：人形机器人一直是机器人领域研究的热点，它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、信息工程、自动控制工程以及人工智能和仿生学等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。本课题以 Bioloid机器人为实践，着重分析机器人的构成，以及它的工作原理，并控制机器人的运动状态，让我们对机器人有一定的简单了解。|关键词
3、：Bioloid 机器人；构成；工作原理；控制1 引言1.1 课题意义 人形机器人是机器人技术中的最高点，它代表了机器人技术的发展现状。人类是在地球上最富有智慧的一种动物。而对人类进行仿制的机器人是对高级智能形式的探索。人形机器人可以代替人类去完成危险的或繁重的工作。在有毒的、对人体有害的、高温的、或危险的工作环境中，人形机器人可以代替人类去完成这些工作。对于一些重复性和繁重的工作，人形机器人则完全可以代替人类保质保量的完成这些工作。l人形机器人在服务业方面具有广阔的前景。人形机器人可以做成导游礼仪机器人，能够跟人进行简单的对话，在宾馆接待客人。现在很多的国家在开发能进行表演的机器人。在大型游
4、乐园，为了增加娱乐性，这些机器人能够说话唱歌和表演，还能跟人进行交流。人形机器人还是残疾人士的福音。在电影阿凡达里面有一种人操纵的仿人机器人，人可以坐在机器人里面操纵机器人行走和做各种各样的动作。如果这种机器人能够走进人们的现实，无疑会给残疾人士带来希望。使残疾人可以突破自身的缺陷，重新获得自由。当然，人形机器人对人类的益处远不止这些，而且它将会给人类在科技、社会、经济、文化、伦理等方面带来深远的影响。由于人形机器人代表了机器人技术的最高水平，因此成为各个国家在机器人技术上努力争取的制高点。各国都不遗余力地投入财力、物力进行人形机器人技术的研究，其机械结构、控制系统、步态规划等都成为当今机器人
5、研究的热门领域。2人形机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统。3这对机器人的运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的实验平台。中国机器人大赛中专门设有针对人形机器人的舞蹈比赛，本项目这是以此为平台对人形机器人的机械结构和控制系统等进行研究，希望利用全国机器人大赛这样一个平台与其他高校、企业进行交流，相互学习，共同进步。1.2 国内外的发展 近年来，人形机器人的研究与开发引起了日本和欧美等许多国家的科学家和企业家的极大热情，而且这些国家的政府也纷纷耗资去组织相应的发展战略计划。许多著名的大学和公司也成立或资助了这些以研究和开发人形机器人为目标的研究机构。日本是最早进
6、行人形机器人研究的国家，在国外人形机器人的研究中尤以日本的研究中最为突出，代表着世界研究人形机器人的最高水平。最早出现的人形机器人应该首推1973 年早稻田大学加藤一郎研究室开发的认叭 BO 不 1。加藤一郎教授等人在 WL 一 5 型二足步行机器人的基础上，配置了机械手、人工视觉、听觉等装置组成了认叭 BO 丫 1 型自主式机器人。尽管技术还不是很成熟，但认钱 BOT-1 却能通过视觉识别物体，也能通过听觉和语音与人进行交流，还能用有触觉的双手对物体进行操作，也能用双足行走，第 2 页几乎具备人形机器人的所有功能和组成要素。其后，早稻田大学同一个研究室又开发了能演奏钢琴的人形机器人认叭 BO
7、T-2。人形机器人的新纪元是由本田在 19%年推出的 P2掀开的。本田技研从 1986 年开始实施一项人形机器人研发的秘密计划。终于在 1996 年推出身高 182cm、体重 210kg 的人形机器人 P2。P2 身上搭载了计算机和电池，而且具有无线遥控技术。P2 通过重力感应器把地面的信息传给机器人电脑，经过机器人电脑进行判断，进而实现身体平衡和稳步前进。P2 是世界上首台能用双足稳定步行的人形机器人，因此本田公司在人形机器人领域里处于世界绝对领先地位。此后，本田又于 1997 年发布了高 160cm、重 130kg 的 P34。本田公司又在 2000 年 n 月推出了高度仅 120cm、重
8、量仅43kg 的 AsIMo5，向小型化迈进。本田公司还把目前最先进的行走技术 i 一 Walk(hitelligentRealtimeFlexiblewalking，智能型即时弹性行走)运用到机器人。我国在人形机器人方面的研究与发达国家相比总体上还有一定的差距，但在我国学者的不懈努力下还是取得了丰硕的成果。在国家 863 计划、国家自然科学基金和湖南省的支持下，长沙国防科技大学首次于 1988 年 2 月研制成功了六关节平面运动型双足步行机器人。随后于 1990 年又先后研制成功了十关节、十二关节的空间运动型机器人系统，并实现了平地前进、后退，左右侧行，左右转弯，上下台阶，上下斜坡和跨越障碍
9、等人类所具备的基本行走功能。近期在十二关节的空间运动机构上，实现了每秒钟两步的前进及左右动态行走等功能。经过十年攻关，国防科技大学还研制成功了我国第一台仿人型机器人一“先行者” ， 实现了机器人技术的重大突破。 “先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以动态步行。2005 年由北京理工大学牵头、多个单位参加历经三年攻关打造的双足人形机器人“汇童”研制成功，如图 1 一3b 所示。 “汇童 GDSC”仿人机器人的应用，使我国成为继日本之后第二个仿人机器人走出实验室并投入实际应用的国家。我国人形机器人的研究起步较晚，主要在基础理论上有一些突破，重点主要集中在机构、控制
10、系统和步态上，使机器人具有智能性和学习能力的研究才刚刚起步。2 Bioloid 机器人的基本构成及工作原理2.1 基本构成 第 3 页图 2-1 Biolod 机器人CM-510 作为机器人的 CPU 等同于人的大脑。它的使用电压 6.5V-15V (充电:11.1V)，电流损耗比较小，工作温度：-5-70。内部的 I/O 设置包括,按钮：2 个（Reset 1,Star 1）,麦克（声音感知）1 个，温度传感器 1 个，电压传感器 1 个。外部 I/O 设置含有，OLLO 周边配件 5P I/O 接口 6 个，AX-系列 3P 接口 5 个。图 2-2 CM5 控制设备，在 PC 上编写程序
11、，串口下载到 CM-5 可控制 28 个伺服电机，10 个传感器模块 输入输出按钮 遥控接口 内置电池 CM-5 按钮可当输入装置，也可将两个 CM-5 分别作为遥控的发送/接收设备 操作模式: 管理模式（Manage）, 编程模式（Program）, 运行模式（Play） 状态 LED 灯 4 种（POWER, TXD, RXD, AUX） 。 输入或命令按键 4 种（U, D, L, R）AX-12+ 数字伺服电机不像一般的 R/C 微伺服电机（舵机）使用 PWM（脉冲宽度调制）控制，其需要使用 CM-5 Dynamites AX-12+伺服电机专用控制器控制。当用做关节电机时，可以旋转
12、0300；当用作轮子驱动时，可以选择 360连续旋转模式。更重要的是 AX-12+提供了高达 16kgcm 的扭矩，是一般数字舵机的 2 倍，动力十足，是一款真正意义上的机器人专用伺服电机。AX-12+规格参数:1.齿轮减速比：1/2542.扭矩：12kgcm（7V） ；16.5kgcm（10V）3.速度：0.269 秒/60 度(7V)；0.196 秒/60 度(10V)4.最小分辨率：0.355.最大运行角度：300（有位置控制） ；360连续旋转（无位置控制）6.电压：7V10V （推荐供电：9.6V）7.最大电流：900mA8.工作温度：-5 +859.控制信号：数字信号10.通讯协议
13、：半双工异步串行通信第 4 页11.通讯设置：（数据位 8、停止位 1、无奇偶效验）12.Link 方式:TTLDaisy 总线13.ID 数：254ID (0253)14.通讯速率：7343bps 1 Mbps15.反馈：位置、温度、负载、电压16.报警功能：当内部温度、扭矩、供电电压超过额定范围时，电机主动反馈实时情况。此种紧急状况，电机会闪动 LED 指示灯或停止输出扭矩。图 2-3 AX-12+ (舵机接口)Bioloid AX-S1 可以是“麻雀虽小，五脏俱全”， 包含多功能的 AX-S1 感测模块(如距离感测, 声音感测等), 不像其它远程遥控的玩具, Bioloid 机器人套件组
14、, 可以让使用者开发智能型的自主程控机器人AX-S1 包含的传感器红外距离探测器红外遥控器声音探测传感器光度探测传感器（ 3 个方向）温度检测传感器红外线传输 Bioloid 中使用红外线传输，可以透过Behavior control或是编写程序来控制。图 2-4 AX-S1 (传感器模块)其他组成单元：专用专用伺服电机：专家版含 21 个电机，综合套件 18 个，初级 4 个主控制器 CM-5,专家版含 2 个,综合套件 1 个，初级 1 个联结件：综合套件中 215 机械结构件，1000 多个联结件导线及外接电源 1 个第 5 页串口线若干及 CD 1 个专用伺服电机：专家版含21个电机综
15、合套件18个，初级4个联结件：综合套件中215机械结构件，1000多个联结件主控制器CM-5专家版含2个综合套件1个，初级1个外接电源1个 串口线若干导线CD 1个图 2-5 部分单元器件实物图2.2 全身机械结构原理 人类在研究人体结构之前花费了大量的时间去研究昆虫，哺乳动物的腿部移动，甚至登山运动员在爬山时的腿部运动方式。这些研究帮助我们更好的了解在行走过程中发生的一切，特别是关节处的运动。比如，我们在行走的时候会移动我们的重心，并且前后摆动双手来平衡我们的身体。这些构成了人形机器人行走的基础方式。人形机器人和人类一样，有髋关节，膝关节和足关节。机器人中的关节一般用“自由度”来表示。一个自
16、由度表示一个运动可以或者向上，或者向下，或者向右，或者向左。分散在身体的不同部位，所以骨骼结构因此而生。一般的，人形机器人身上装有两个传感器能辅助它水平行走，它们是加速度传感器和陀螺传感器。它们主要用来让机器人知道身体目前前进的速度以及和地面所成的角度，并依次计算出平衡身体所需要调节量。这两个传感器起的作用和我们人类内耳相同。要进行平衡的调节，机器人还必须要有相应的关节传感器和 6 轴的力传感器，来感知肢体角度和受力情况。机器人的行走中最重要的部分就是它的调节能力。所以需要检测在行走中产生的惯性力。当机器人行走时，它将受到由地球引力，以及加速或减速行进所引起的惯性力的影响。这些力的总和被称之为
17、总惯性力。当机器人的脚接触地面时，它将受到来自地面反作用力的影响，这个力称之为地面反作用力。所有这些力都必须要被平衡掉，而机器人的控制目标就是要找到一个姿势能够平衡掉所有的力。这称做“zeromoment point“ (ZMP)第 6 页图 2-6 机械结构当机器人保持最佳平衡状态的情况下行走时，轴向目标总惯性力与实际地面反作用力相等。相应地，目标 ZMP 与地面反作用力的中心点也重合。当机器人行走在不平坦的地面时，轴向目标总惯性力与实际的地面反作用力将会错位，因而会失去平衡，产生造成跌倒的力。跌倒力的大小与目标 ZMP 和地面反作用力中心点的错位程度相对应。简而言之，目标 ZMP 和地面反
18、作用力中心点的错位是造成失去平衡的主要原因。假若机器人失去平衡有可能跌倒时，下述三个控制系统将起作用，以防止跌倒，并保持继续行走状态。（1）地面反作用力控制：脚底要能够适应地面的不平整，同时还要能稳定的站住。（2）目标 ZMP 控制：当由于种种原因造成机器人无法站立，并开始倾倒的时候，需要制他的上肢反方向运动来控制即将产生的摔跤，同时还要加快步速来平衡身体。（3）落脚点控制：当目标 ZMP 控制被激活的时候，机器人需要调节每步的间距来满足当时身体的位置，速度和步长之间的关系。2.3 机器人的驱动机构 2.3.1 驱动机常用于机器人的驱动机有液压、气压和电动驱动机。液压驱动机的优点是能产生非常大
19、的力（如在 280105 牛顿米工作压力下，2 厘米直径液压缸就能产生 8000 牛顿力） 。力矩-重量比值较高，能以体积小重量轻的驱动器提供较大的驱动力，刚度大。缺点是：需液压动力源设备，内部漏油及油温影响驱动特性；管理、维修技术要求高，一次性投资较高等。目前液压执行机构主要用于大型机器人的驱动气压驱动机的优点是：成本低，可靠性高，维修管理容易，无污染，不会失火。缺点是：难于准确控制速度和位置，出力小，有噪声，易锈蚀等。一般用于控制要求不高、出力要求不大的场合。电动驱动机即指电机，它的优点是：便于控制，能实现快速精确的位置和速度控制，信号处理方便，配线容易，比较清洁。缺点是：力矩一重量比值较
20、低，为得到低速大力矩，需使用减速器，并因减速器存在齿隙而引起一些控制问题。常用的电机主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机三种。其中直流伺服电机应用最广，这是由于直流伺服电机的机械特性和控制特性好，调速范围宽，起动力矩大，效率高等。随着电子技术的发展，近年来出现了采用电子换向技术的直流无刷电机，避免了机械换向可能带来的火花问题。交流伺服电机的电源提供简单，但控制相对复杂。步进电机直接用脉冲数字信号控制，控制简单，位置控制准确。但一般效率较低，长期工作有丢步问题。一般用于小型普及型机器人。还有一些特殊的驱动方式，如气囊驱动：英国的“Shadow”计划研制的双足步行机器人的传动结构就是采用的气
21、囊肌肉的方式进行驱动。它具有重量轻，输出力大，柔顺性好等优点；记忆合金驱动器（SMA）：功率重量比大，驱动电压低，无噪音，无污染等优点；压电驱动器：体积小、精度高、响应快、输出力大，可用于微动机器人。关节的驱动方式有直接驱动方式和间接驱动方式两种。直接驱动方式是驱动器的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连；这种方式的优点是驱动器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦、间隙等非线性因素的影响，可以做到控制性能比较好。然而，在另一方面，为了直接驱动手臂的关节，驱动器的输出力矩必须很大，此外，必须考虑手臂的动力学问题。间接驱动方式是把驱动器的力通第 7 页过减速器等传递给关节。大部分机器人的关节是
22、间接驱动。这种间接驱动，通常其驱动器的输出力矩大大小于驱动关节所需要的力矩，所以必须使用减速器。2.3.2 减速机构减速机构的目的是把电动机输出的高转速小力矩的运动变换成低转速大力矩的关节旋转运动，或变换成低速驱动力大的关节直线运动。描述减速机构的基本参数是传动比，又称减速比。传动比与传动效率定义 2.1 传动比 i ：输入转速与输出转速之比定义 2.2 传动效率 ：输出功率与输入功率之比在忽略传动机构功耗的情况下，输出转速是输入转速的 1/ i ，输出力矩是输入力矩的 i 倍。常用的减速机构有两类:旋转减速机构和平移减速机构。旋转减速机构：一般输入轴由电机带动作高速旋转运动，输出轴作低转速运
23、动。主要有齿轮减速机构、蜗轮蜗杆减速机构、行星齿轮减速机构和谐波减速机构等。齿轮减速机构输入轴与输出轴可以平行,也可以垂直相交，转速比即为输出齿轮的齿数与输入齿轮的齿数之比。一级齿轮减速比较小，且有齿隙。为获得大减速比，通常需多级。蜗轮蜗杆减速机构用于交错轴间传递运动与力，轴交角通常为 90 度。它有较大的转速比。有自锁功能（即在外力作用下能自行保持关节位置） 。但其机械效率低(60%)，且有齿隙。行星减速机构由太阳轮 S、行星齿轮 P、行星轮支架（即转臂）C 和内齿轮 A 组成。太阳轮位于行星减速机构“太阳系”中心，是有外齿的中心轮。中心轮是指与行星齿轮相啮合，且轴线固定的齿轮。行星齿轮在转
24、臂的带动下围绕太阳轮做行星运动，行星齿轮既有公转，又有自转。内齿轮位于行星减速机构的最外侧，是具有内齿的中心轮。用 Z 表示齿数， 表示转速，即 ZS 表示太阳轮齿数， ZA 表示内齿轮齿数。为表示各组件间的运动关系，将传动比表示为 aibc ，其中上标 a 表示固定件，下标 b 表示主动件 c 表示从动件太炎；传动比为正，表示主动件与从动件转向相同，传动比为负，表示主动件与从动件转向相反。(1)转臂固定，太阳轮与输入轴相连，内齿轮与输出轴相连时太阳轮顺时针旋转一周，带动行星轮逆时针转过 ZS 个齿，从而带动内齿轮也转过 ZS 个齿，即 ZS / ZA 周.当转臂不是固定件时，可采用转臂固定法
25、来计算传动比。转臂固定法的基本思想是：根据相对运动原理，如果给整个行星机构加上一个与转臂 C 的角速度 C 大小相等、方向相反的公共角速度C ，则行星机构中各构件之间的相对运动关系仍然保持不变。(2)内齿轮固定，太阳轮与输入轴相连，转臂与输出轴相连时,行星减速机构的特点是机械效率高，具有中等程度的减速比，但有齿隙。第 8 页谐波减速机构谐波减速机构一般由波形发生器 H、柔轮 A 和刚轮 B 三个基本构件组成。波形发生器(Wave Generator)是椭圆形凸轮。通常将波形发生器装在电机轴上。柔轮(又称 Flex Spline)是由弹性金属制成具有外齿 ；刚轮(又称 Circular Spli
26、ne)是有内齿的圆形刚体构件，内齿的大小与柔轮外齿的大小相同，但齿数多于柔轮外齿。谐波齿轮传动是在谐波发生器 H 的作用下迫使柔轮 A 产生弹性变形，并与刚轮 B 相互啮合而实现传递运动或动力的目的。它的主要特征是：在 H 的作用下，柔轮 A 的各点依次与刚轮啮合时，柔轮 A 各点的径向位移随转角的变化为一基本对称的简谐波，这也是该机构被称为谐波减速机构的原因。传动比可如下计算：(1)刚轮 B 固定，波形发生器 H 与输入轴相连，柔轮 A 与输出轴相连时。凸轮转一周时，柔轮沿相反方向转过 ZB-ZA 个齿，相当于(ZB-ZA)/ZA 转。(2)柔轮固定，凸轮与输入轴相连，刚轮与输出轴相连时当凸
27、轮转一周时，刚轮沿相同方向转过 ZB-ZA 个齿。谐波减速机构具有以下特点：(1) 结构简单，体积小，重量轻体积小，构造简单，减速比大。(2)传动比大，且传动比范围宽。(3)传动精度高。(4)齿面磨损小，且均匀。(5) 传动效率高。(6)间隙（空回量）小，甚至可实现无间隙传动。(7)运动平稳，无冲击。(8)同轴性好。也有一些局限性：(1) 传动比下限值较高。(2)柔轮和波发生器的制造较复杂，制造成本较高。(3)一般不能做成相交轴和交错轴的传动机构。平移减速机构：将旋转运动转换为平移运动，输入与高速旋转的电机轴相连，输出与滑动关节相连。常用的有齿轮齿条机构和滚珠丝杠等。此外，为了减轻各关节驱动器
28、的负载，解决安装空间的限制和实现机器人臂的重力平衡，机器人的驱动机构常常不能直接安装在关节上带动臂运动，而是安装在适当的位置（如基座）通过转递机构实现力或力矩的传输，如可采用链条等间接驱动机构。2.4 工作原理 CM-5 AX-12+ AX-12+ AX-S1 图 2-7 控制原理接线图工作过程：机器人是一种能够做各种动作的装置。然而，根据情况做一个机器人的行为，应该有一个程序指导机器人的行为，行为控制程序决定行为的机器人模式。首先将将各个部分按照要制作人形机器人的要求进行组装并进行调试，由 CM-5 通过 Daisy 总线控制每一个 AX-12+(舵机)，并有 AX-S1传感器模块协作，完成一系列有程序制定的动作过程。3 机器人的行为运动控制
