双足竞步机器人 - 智能步行者 - 技术报告 - 图文

山东省高校第四届机器人大赛暨国

际水下机器人邀请赛

技 术 报 告

学 校：青岛理工大学

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解山东省高校第四届机器人大赛暨国际水下机器人邀请赛关于

保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛机器人的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。

参赛队员签名：

带队教师签名：

日 期：

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摘要

本文对本双足窄足机器人的组装过程以及其各模块的构成作简要介绍，并且对机器人的步态规划及其简单的设计过程作简要的概述。

本系统以STM32F407ZET6为核心控制板，以光电传感器为采集信号模块，通过对黑白线的判别从而返回给控制板高低电平不同的信号。在控制板内部通过对返回信号用算法的处理可以得出该机器人此时的状态情况，从而再通过规划好的步态对机器人的状态进行调整，使机器人走向正确的轨迹。以下重点介绍了各个模块的电路结构和功能。

首先，对双足竞步机器人的自由度进行配置；根据自由度的配置把机器人的机械结构分为脚部、膝部、胯部、躯干部四个模块，对其进行模块化设计与制造；对各个模块进行加工和装配，得到双足竞步机器人实体。

其次，在分析舵机控制原理的基础上，提出了PWM信号生成方法合理性评价四原则，实现了对各种生成PWM信号的方法全面而又具体的评价；首次提出了利用分时成组原理进行PWM信号生成的方法，生成的PWM信号不仅具有较好的输出同步性、周期可适应性和良好的占空比可调性，而且具有较强的信号输出能力。

最后，在设计本最小系统的过程，特别在硬件和软件的调试过程中碰到了很多的问题，在老师们的指导下和我们的努力下最终克服了所有的难题，并且在调试过程中对机器人的步态和结构进行了最优的规划，使机器人的状态达到最优的情况，在不断的调试过程中我们对机器人的步态和程序控制有了更深的理解，并且提高了我们的实践动手能力。

在备战比赛的过程中，学院、老师和同学都给予了我们很大的帮助和鼓励，在此谨表达对他们由衷的感谢。

关键词：双足窄足机器人 STM32最小系统版

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目录

摘要 ................................................................................................................................................. II 目录 ................................................................................................................................................ III 第一章 引言 ............................................................................................................................... VI

1.1 机器人控制技术的国内外研究现状 ........................................................................... IV 1.2 双足机器人的特点 ........................................................................................................ V 1.3 机器人的发展趋势 ........................................................................................................ V 第二章 机械机构设计 ............................................................................................................... VI

2.1 固件选型与安装 .......................................................................................................... VI 2.2 固定件实物图 ............................................................................................................. VII 2.3 安装步骤 ..................................................................................................................... VII 第三章 电路硬件设计 ............................................................................................................. - 8 -

3.1 最小系统板 ................................................................................................................ - 8 - 3.2 电源模块 .................................................................................................................... - 8 - 3.3 电机模块 ................................................................................................................... - 8 - 3.4 循迹模块...................................................................................................................... -7- 第四章 软件设计 ................................................................................................................... - 11 -

4.1 逻辑机构图 .............................................................................................................. - 11 - 4.2 软件的实现方法 ...................................................................................................... - 11 - 第五章 步态规划设计...............................................................................................................- 11 -

第六章 总结 ........................................................................................................................... - 13 -

6.1 不足以及改进 .......................................................................................................... - 13 - 6.2 参赛心得 .................................................................................................................. - 13 - 参考文献 ................................................................................................................................... - 15 -

附录A 部分程序源码...................................................................................................... XVI 附录B 电路板设计原理图 ........................................................................................... XVIII

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第一章 引言

1.1 机器人控制技术的国内外研究现状

双足机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一，它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体，是一个国家高科技实力的重要标志。而且，双足机器人是一种高度非线性、强耦合的对象，反映了一个国家的智能化和自动化研究水平，双足机器人研究已成为目前非常活跃的一个研究领域。

双足机器人是一种非常典型的仿人机器人，国外早在60年代末就开始了双足机器人的研究开发。1968年，美国通用公司试制了一台名为“Rig”的操纵型双足机器人，揭开了双足机器人研究的序幕。随着双足机器人在各个领域的应用日趋广泛，各个国家在该领域相继投入巨资开展研究。自20世纪90年代开始，双足机器人的研究已从模仿人类腿部行走发展到全方位拟人阶段，相继诞生，P3，ASIMO等机器人明型刎。双足步行机器人的运动规划问题主要是研究如何提高行走速度、减少行走耗能、实现行走稳定(包括静态和动态稳定)和姿态切换等。

步行是人类最基本的行为方式，双足机器人具备人类的基本结构，具有类人的步行能力。双足步行机器人在外形上具有人类特征，适合用于人类生活的环境，为人们提供方便，因此具有广阔的市场前景。双足机器人与其他多足机器人相比具有体积较小、重量轻、动作灵活、迅速，而且更接近于人类步行的特点，因此它们对环境有最好的适应性，在日常生活中更具有广泛的应用前景，并且对控制方法产生一定影响，从而促进仿生学及其他领域的相关研究与应用。通过研究机器人我们可以更多的了解和掌握人类的步行特征，并为人类的服务，如人造假肢。综上所述，双足机器人的步态规划研究具有重要的理论意义和应用价值，步稳定性是首要的问题，也是双足步行机器人的核心问题，是实现其他复杂功能的前提和基础，是当前双足机器人研究的重要任务。

双足机器人采用单、双脚交替支撑的方式步行，具有很好的灵活性，但由于其结构复杂，要实现稳定的步行，必须先规划出合理的步态。步态的好坏将

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直接影响到机器人行走的稳定性、驱动力矩的大小以及姿态的美观性等。目前，双足机器人的步态规划方法计算量大，难以满足实时性要求，因此，大部分步态都是离线规划的。在规划过程中，为了使计算过程和运动分析变得简单，一般把三维空间的步态规划分解到径向和侧向两个平面内进行，并且假设这两个平面内的步态是相互独立的。

1.2 双足机器人的特点

双足行走机器人属于类人机器人，典型特点是机器人的下肢以刚性构件通

过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节。并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动。与其它足式机器人相比，双足机器人还具有如下的优点：

(1)双足机器人对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，不仅能够在平面行走，而且能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，故它的移动“盲区”很小。

(2)双足机器人具有广阔的工作空间，由于行走系统占地面积小，活动范围很大，其上配置的机械手具有更大的活动空间，也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。

(3)双足行走是生物界难度最大的步行动作，但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。

此外，双足行走机器人能够在人类的生活和工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。所以双足行走机器人具有广阔的应用领域，特别是作为残疾人（下肢瘫痪者或截肢者）提供室内和户外行走工具、极限环境下代替人工作业等方面更是具有不可替代的作用

1.3 机器人的发展趋势

双足行走机器人具有以下几个发展趋势，当然也是进一步研究的重点所在。 （１）稳定性与控制。稳定性与控制策略是双足行走机器人技术的关键，也是各国学者研究的焦点。具体主要有双足运动的动态稳定与控制机理、双足步行运动的固有鲁棒性机理、实时步态规划与控制等几个方面。只有解决了这些问题，双足机器人才能实现自然、顺畅地行走，从而更好地完成任务。２００

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６年１０月在中国苏州举行的机器人大赛上，所展出的双足机器人已经具有较好的稳定性，不但具有顺畅的行走能力，而且在不慎摔倒时还能够独立地站 立起来继续行走。

（２）开发新型关节驱动器。双足机器人的自由度是其完成动作质量的保证，自由度越多其动作越协调、顺畅。目前研制的双足机器人自由度最少的也有十几个，最多的达到几十个。自由度的增多的同时对驱动器的要求也越来越高，已不局限于传统的几种方式，形状记忆合金驱动、压电陶瓷驱动等方式逐渐应用到机器人领域，这些驱动方式以驱动速度快、负载能力强等特点已经逐渐取代了传统的驱动方式。

（３）改进人机接口设计。机器人应该要与人类共存并合作，做人类做不到的事，开拓机动性的新领域，从而对人类社会产生附加价值，而并不是完全取代人。目前，双足机器人还不能摆脱人的控制而独立工作，因此，良好的人机协调系统在机器人的工作中将起到非常重要的作用。

第二章 机械机构设计

2.1 固件选型与安装

1：多功能舵机支架 2：长U型支架 3: 短U型支架 4：U型梁 5：大脚板 6：杯式轴承组件 7：金属舵盘 8：多孔固定件 9：传感器固定支架 10：直角固定件

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2.2 固定件实物图

图1 机器人各部件实物图

2.3 安装步骤

A：将舵机用多功能固定件固定在大脚板上，然后用螺丝固定。

B：用长U型固定件以及多功能固定件把另一个舵机固定在第一个舵机上，作为膝关节。

C：再用一个长U型固定件和一个多功能固定件把另一个舵机固定在膝关节的上方作为胯关节。

D：最后用一个U型梁以及舵机金属舵盘把两个舵机腿固定在一起，组装成一个六个自由度的机器人。

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第三章 电路硬件设计

3.1 最小系统板

该系统以STM32F407ZET6为核心控制板

（1）内核：ARM 32位的Cortex(TM)-M4 CPU。

（2）工作频率：最高168MHz工作频率（网上有人测试可达200多MHz）, 在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz(Dhrystone2.1)。 （3）工作电压及封装：1.8～3.6伏供电和I/O引脚。

（4）存储资源：高达512K字节的Flash存储器, 192 +4 KB的SRAM，其中包括64字节的CCM（核心耦合内存）RAM,灵活的静态存储器控制器支持 闪存，SRAM，PSRAM，NOR和NAND存储器。

（5）低功耗设计:睡眠，停机和待机模式,VBAT提供RTC，20× 32位的备份 寄存器+可选的4 KB备份SRAM。

（6）接口资源 ：3个12位A/D模数转换器，1μs转换时间(多达24个输入通道)，2通道12位D/A转换器、12通道DMA控制器 ，多达140个I/O端口具有中断功能，136个快速I / O高达84 MHz，138个5 V容限I/O，17个定时器（12个16位的2个32位的），2个看门狗(独立、窗口型的)，15个通信接口，3个I2C接口，3个SPI接口(37.5M位/秒）,5个USART接口支持ISO 7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制)，2个可复用为I2S接口，2个 USB2.0全速接口，2个CAN通信接口， 8 - 14位并行摄像头接口54 M，10/100以太网MAC专用DMA,还有SDIO,FSMC接口。

（7）调试下载：串行单线调试(SWD)和JTAG接口， Cortex-M4内嵌跟踪模块(ETM)。

3.2 电源模块

控制板和光电传感器用5V电池集中供电，舵机用7.4V电池供电。

图2 5V电池和7.4V电池

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/akw3.html