拟人机器人运动设计及制作 - 图文

毕业设计论文

姓 名： 学 号：

学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 题 目： 拟人机器人运动设计及制作

指导老师：

2014 年 6 月

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摘 要

摘 要

拟人机器人是一个复杂的多刚体双足行走系统，并具有多输入多输出,强耦合，非线性等特点。 近年来，拟人机器人的研究发展迅速，拟人机器人越来越具有人的特征，双足步行，相对于其他移动方式，是支撑离散，交替地接触地面的，可主动选择最佳支撑点，因而受环境的限制少，具有很高的灵活性。拟人机器人模拟人类的行走方式，特别适合在人类的日常生活和工作中，与人友好协调地完成任务，拟人机器人的双足动态步行研究，正成为机器人领域的一个研究热点，不仅具有重要的学术意义，而且有现实的应用价值，要稳定地实现拟人机器人的双足动态步行，涉及的领域很广。

本文以拟人机器人为研究对象，使用专业软件Pro/E对其进行三维造型。对机器人主要包括：身体的实体造型、腿的实体造型和脚的实体造型等。

机器人动力学是研究物体的运动和作用力之间的关系的科学，研究的目的是为了满足实时性控制的需要，本文进行了分析，为结构优化提供理论依据。

最后，对论文主要研究内容和取得的技术成果进行了总结，提出了存在的问题和不足，同时对机器人技术的发展和应用进行了展望。

关键词：拟人机器人 ; 运动学 ; Pro/E

I

II ABSTRACT Abstract Humanoid robot is a complex multi-rigid-body biped walking system,which has

multiple-input,multiple-output,strong coupling, onlinear and other characteristics.The research on humanoid robot developed rapidly in recent years,and humanoid robot has more human being characters.Comparing with other locomotion methods,the supporting position can be chosen,the locomotion has the least restriction from the environment,so the biped walking has the highest flexiblity.Since humanoid robot copy the locomotion method from human being,it suits to human-friendly help people or cooperate with people in the daily life and works.Studying the biped dynamical walking of a humanoid robot is becoming one of the main focus in rootics,if has not only important academic value but also considerable significance of application.

This paper is taking the man kind robot as example. for elephant as It carries out three-dimensional modelling by the professional software Pro/E . For engine, modelling is mainly including: the entity modelling of body, the entity modelling of leg and the entity modelling of foot.

The function of dynamics is to get the relationship between the movement and force and the target is to satisfy the demand of real time control. in this chamfer, Newton-Euripides method is used in analysis dynamic problem of the cleaning robot and the arthrosis force and torque are given which provide the foundation for step motor selecting and structure dynamic optimal thing.

At last, the research content and the achievement are sum up and the problems and shortages in main the content are also listed. The development and application of robot in the future is expected.

Keywords: Humanoid robot; Kinematics ;Pro/e

II

目 录

目 录

摘 要 ........................................................... I Abstract ......................................................... II 目 录 ......................................................... III 第1章 绪 论................................................ - 1 - 1.1 课题背景................................................. - 1 - 1.2 国内外发展现状及发展前景................................. - 2 -

1.2.1 国内研究现状 ....................................... - 2 - 1.2.2 国外研究现状 ....................................... - 3 - 1.2.3 机器人的未来 ....................................... - 3 - 1.3 拟人机器人运动学与动力学分析............................. - 3 - 1.4 设计与制作............................................... - 4 - 第2章 拟人机器人双足步行机构的数学模型 ...................... - 5 - 2.1 机器人的数学模型......................................... - 5 - 2.2 数学基础................................................. - 5 -

2.2.1位姿描述 ............................................ - 5 - 2.2.2齐次坐标和齐次变换 .................................. - 6 - 2.2.3连杆的描述 .......................................... - 7 - 2.2.4连杆坐标系 .......................................... - 8 - 2.2.5 运动学模型 ......................................... - 9 - 2.2.6动力学模型 ......................................... - 11 - 2.3 本章小结................................................ - 11 - 第3章 Pro/e 简介及拟人机器人的零件制造及装配 ............... - 12 - 3.1 Pro/e 系统软件介绍 ....................................... - 12 - 3.2 Pro/e产品主要特性 ....................................... - 12 - 3.3 Pro/e的工作平台简介 ..................................... - 13 -

3.3.1Pro/e界面介绍 ...................................... - 13 - 3.3.2 标题栏 ............................................ - 13 - 3.3.3下拉菜单栏 ......................................... - 14 - 3.3.4 提示区 ............................................ - 15 - 3.3.5工具栏 ............................................. - 15 - 3.3.6导航区 ............................................. - 16 - 3.4 Pro/E的工作模式 ......................................... - 16 - 3.5 拟人机器人机构各部分零件造型和装配模型.................. - 18 -

3.5.1 腰部设计 .......................................... - 18 - 3.5.2大腿设计 ........................................... - 23 - 3.5.3脚的设计 ........................................... - 25 -

III

目 录 3.5.5 拟人机器人整体装配模型 ............................ - 28 - 3.6 本章小结................................................ - 29 - 第4章 机器人制作 ........................................... - 31 - 4.1 材料与型材选择.......................................... - 31 -

4.1.1 机器人结构材料的选择 .............................. - 31 - 4.1.2 机器人舵机的选择 .................................. - 32 - 4.1.3 机器人CPU的选择 ................................. - 33 - 4.2 单片机外围接口电路...................................... - 34 -

4.4舵机的控制方法 ...................................... - 36 - 4.5 单片机端软件设计........................................ - 36 - 4.6 本章小结................................................ - 37 - 结 论 ...................................................... - 38 - 致 谢 ...................................................... - 39 - 参考文献 .................................................... - 40 -

IV

第1章 绪 论 第1章 绪 论

1.1 课题背景

从1920年捷克斯洛伐克作家卡佩克在他的一本科幻小说--《罗萨姆的机器人万能公司》中构思和幻想了第一个名字叫罗伯特(Robot)的机器人，到1947年美国橡树岭国家实验室研制成功第一台主从遥控机器人，再到2004年3月9日索尼公司的人形机器人“QRIO”在东京市举行的节目彩排中登台亮相，担任乐队指挥，机器人的研制取得了巨大的发展。机器人已经发展成为一种产业，方兴未艾。

机器人技术是多门学科和技术的集成，涉及到机器人学、机电控制、人工智能、通讯、计算机、传感器技术等多个领域的前沿研究。一般来说，机器人主要可分为两类：一类是用于制造环境下的工业机器人如焊接、搬运、喷漆机器人等；另一类是用于非制造环境下的特种机器人如服务、医疗、娱乐机器人等。随着计算机、控制、传感等技术和人工智能理论的发展，机器人技术正得到突飞猛进的发展。机器人已被广泛应用于工业领域的各行各业，从事如焊接、搬运、装配等工作：同时其也被逐渐应用于军事、医疗和其它一些服务行业。

机器入主要由执行机构和控制系统组成，如果将执行机构比作为人的肌体，则控制系统就可比作人的大脑和神经中枢，因而机器人的先进程度与能强弱通常都直接与其控制系统的性能密切相关。机器人控制系统是根据指令及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。作为机器人的核心部分，机器人控制系统是影响机器人性能的关键部分之一，它从一定程度上影响着机器人的发展。

机器人分类方法很多，也很复杂，按应用领域分类可以分为服务机器人，军用机器人，空间机器人，水下机器人和医疗机器人。按机械结构坐标布置形式分类可以分为直角坐标型机器人，圆柱坐标型机器人，球坐标型机器人和关节型机器人。按技术发展进程分类，一般认为有三代机器人：第一代机器人（可编程机器人及遥控操作机），这种机器人可根据操作人员所编写的程序完成一些简单重读性工作，遥控操作的每一步动作都要靠工作人员发出；第二代机器人（感知机器人）带有外部传感器，可进行离线编程。能在传感器系统支持下，具有不同程度感知环境并自行修改程序的功能。第三代机器人（智能机器人），这一代机器人不仅具有高度发达的感觉装置，如视觉系统，测距系统和语音识别系统，可以对环境进行感知，分析，还具有一定的决策和规划能力。能根据

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东北电力大学本科毕业论文 人的命令或按照所处的环境，自行做出决策，规划动作，完成任务。国内外都在进行第三代机器人的探索和研究，这类机器人主要有装配机器人，外层空间机器人，资源开发机器人，拟人机器人和军事机器人[1]。

世界著名机器人学专家，日本旱稻田大学的加一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能”[2]。步行是人与大多数生物所具有的移动方式，包括双足步行，四足和六足步行，其中双足步行是各种步行方式中自动化程度最高，最为复杂的。双足步行机器人作为一种移动式机器人，它与轮式，履带式机器人相比更适应各种地面，并具有较强的逾越障碍的能力；另外步行机器人的能耗通常低于轮式和履带式机器人，即能耗较小双足步行机器人是多门基础学科，多项高技术的集成，代表了机器人的尖端技术。它不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产，生活中有着广泛的用途。研究双足步行机器人的科学意义主要有如下几点：

（1）双足行走是生物界难度最高的步行动作，但其步行性能却是其他步行结构所无法比拟的[3]。两足机器人的研制势必要求并促进机器人结构的革命性的变化，同时有力推进机器人学及其他相关学科的发展。

（2）两足步行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，多变量，强耦合和变结构复杂动力学系统，其动态平衡问题为机器人运动学，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。对其进行研究能够促进控制领域中新理论，新方法的产生[4]。

（3）双足步行机器人作为步行机器的一种形式，是提高机器人机动性和节省能源的一条重要途径[5]。研制一种连续稳定步行的拟人型双足机器人可为机器人操作器提供灵活的操作平台，使其能够促进康复医学，仿生学，人工智能，计算机图形学，通信等相关学科的发展[6]。

（4）拟人型双足机器人具有人类的外观，可以适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，扩展人类的能力。同时在服务，医疗，教育，娱乐等多个领域有着广泛的应用前景。

1.2 国内外发展现状及发展前景

1.2.1 国内研究现状

国内双足步行机器人的研究起步较晚，开始于1988年国防科技大学对六关节平面运动型双足步行器的研究。国防科技大学的“先行者”是国内第一台拟人机器人，高1400m，重20kg，可以每秒两步的频率动态步行，能够在小偏差的不确定环境中行走，并具有一定的语言功能。随后清华大学，哈尔滨工业大学，北京理工大学，中科院等单位都开展了双足机器人的研究，并取得了很多成果。

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第1章 绪 论 国内最新的研究成果是北京理工大学黄强教授[7~9]带领的团队研制的BHR-2[10]，该拟人型机器人与日本的人形机器人外貌相似，能够打太极拳，并且能够根据地面的情况调整姿态。

1.2.2 国外研究现状

各国学者对双足步行机器人从理论和实践上进行了较长时间的研究工作，最早在1986年，英国的Mosher.R成功试制了第一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人，它只有踝关节和髋关节，机器人的平衡通过操纵者对力反馈的感觉来保持，这种主从式的机械装置可以算是双足步行机构的雏形。

日本在双足步行机器人的研究方面走在世界的前列，并且研发双足步行机器人的历史由来已久。日本本田公司的P2，P3的行走机器人最先进，P2能通过感应器把地面的信息传递到大脑，机器人的电脑再根据情况进行判断，进而平衡身体稳步前进。它不仅可以走平路，而且可以爬台阶和在倾斜路面上行走；不仅能推车，而且能通过严控拧螺钉。P3机器人是P2的改进型，它比P2更先进，与人类更加接近。

1.2.3 机器人的未来

机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。尤其是近年来，随着计算机技术的日臻完善，机器人的发展更是突飞猛进。我国在20世纪90年代开始了机器人的时代，30年来我国对于机器人的研究取得了可喜的进步，但重点仍然在工业机器人上，这成为我国机器人发展局限的一个地方。而且，虽然近年来我国在工业机器人方面发展寻思，但与发达国家相比还是很大差距，机器人研究制造技术还不成熟。如今，我国正从机器人“制造大国”向“制造强国”迈进，制造业面临巨大的挑战。不过有挑战才有机遇，相信我国机器人产业又一次腾飞必将不远。

1.3 拟人机器人运动学与动力学分析

拟人型机器人两足步行机构是一个复杂的多连杆机构，单脚支撑期的开链构形和双脚支撑期的闭链构形交替出现，是一个内在的不稳定系统。其动力学特性非常复杂，具有多变量，强耦合，非线性和变结构的特点，为规划其步行运动的步态和进行步行控制研究，必须透彻了解其内在的运动学和动力学特性。

运动学建模的目的是确定机器人各个关节与组成机器人各个刚体之间的运动学关系，是进行步态规划的基础；动力学建模的目的是在运动学建模和步态规划的基础上，研究在拟人机器人双足行走的过程中各个连杆运动与各个关节

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东北电力大学本科毕业论文 驱动力矩之间的作用关系，另外，通过动力学模型可以对规划的步态进行计算机仿真以确定步态的步行特征以及各驱动关节的力矩和功率，为机器人的机构设计和控制系统的优化设计提供依据。

1.4 设计与制作

拟人机器人主要是实现双足行走的下肢机构，进行作业操作的上肢机构，以及安装有各种感知控制系统的上体机构组成。尽管上肢的摆臂运动及其上体的运动可以在一定程度上协助实现稳定步行，但是上肢和上体的主要功能并不是为了实现行走的，他们一般都有自己的任务，两足动态稳定步行的实现主要还是依靠下肢行走机构，将上肢和上体对步行运动的影响综合起来，一般情况下可以用一个上体连杆代替，这时，拟人机器人两足系统模型就简化了很多，对两足步行的研究更有针对性和方便。

因此，本文主要针对拟人机器人两足步行机构进行建模。主要是通过Pro/e进行三维造型设计，主要设计机器人的下肢，仿真膝关节和踝关节等部件。然后在其基础上制作机器人。

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- 5 - 第2章 拟人机器人双足步行机构的数学模型 第2章 拟人机器人双足步行机构的数学模型

2.1 机器人的数学模型

双足机器人是一个多变量、强耦合、具有冗余自由度的动力学系统。它也

是一个复杂的多连杆机构，具有丰富的动力学特性。在自起立过程中，机器人由多处接触地面到两脚站立;在机器人侧向运动过程中，单脚支撑期的开链结构和双脚支撑期的闭链结构交替出现，摆动腿着地时与地面之间存在着冲击力等这些现象使得其数学模型具有显著的非线性和复杂性。这些因素导致对机器人很难进行精确的数学建模。为了实现稳定规划和控制，有必要深入的研究其数学模型。双足步行机器人运动学建模的目的是在给定各个关节运动的前提下，确定机器人的各个部分的运动学关系;动力学建模的目的是在运动学建模和步态规划的基础上，研究在双足步行机器人行走的过程中各个杆件之间的作用，即分析各个关节所受的力和力矩。另外，通过动力学建模可以对规划出的步态轨迹进行仿真以确定步态的步行特征以及步行机构各个关节所需要的控制力矩，为机器人机构的设计以及驱动装置的优化设计打下基础。

在建立双足机器人的力学模型时，要考虑到所建立的力学模型不但要用于轨迹规划的评价，还要用于控制模型的计算，而这不是所有的建模方法都能够办得到的。控制方程应该比较适合编程，拥有较优越的控制性能高效的计算效率。考虑到这些因素，谨慎地选取建模方法是非常必要的。本章采用的基于广义坐标的建模方法，不但能方便地求解运动轨迹，而且可以直接转化为驱动电机的转角。同时为了更好的表示起立规划(不仅只具备侧向运动时具有的腿部的功能外，而且还具有在起立时需要用到的上身的功能，自由度也比侧向运动时成倍的增加)和侧向规划，本章还对这两种规划方式建立不同的模型但都用拉格朗日方程对动力学模型的分析。根据文献[11]到文献[15]所讲，可得到机器人建模中的数学基础。

2.2 数学基础

2.2.1位姿描述

在机器人研究中，通常在三维空间中研究物体的位置。这里所说的物体既包括机器人各个连杆、电机及连接部件，也包括机器人工作空间内的其他物体。通常这些物体可用两个重要的特性来描述:位置和姿态。刚体参考点的位置和刚体的姿态统称为刚体的位姿，其描述方法很多，如齐次变换法、矢量法、旋转法和四元数法等。采用齐次变换法，其优点在于它将运动、变换和映射与矩阵

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东北电力大学本科毕业论文 联系起来，可以方便的运用矩阵理论解决相关问题。 一旦建立了坐标系，就能用一个3 x 1的位置矢量对坐标系中的任何点进行定位。在直角坐标系中通常用一个位置矢量表示一个点。在坐标系{A}中，用一个矢量来表示点P。AP可等价地被认为是空间的一个位置，或者简单地用一组有序的三个数字来表示，则AP=[PX,PY,PZ]，其中:PX,PY,PZ分别表示三个坐标分量。为了描述空间某刚体B的方位，另设另一直角坐标系{{B}以某种方式固定在物体上，用坐标系{B}的三个单位主矢量XB,YBZB，相对于坐标系{A}的方

A向余弦组成的3 X 3矩阵 。BR=[AXB,AYB ,AZB]来表示刚体B相对于坐标系{A}的方位。BR称为旋转矩阵。BR有9个元素，6个约束方程，所以只有3

A个元素是独立的。同时，BR也是正交矩阵。

为了完全描述刚体B在空间的位姿，通常将物体B与某一坐标系{B}相固接，{B}的坐标原点一般选在物体B的特征点上，如质心或对称中心等。相对

A参考系{A}，由位置矢量APB和旋转矩阵BR分别描述坐标系{B}的原点位置和坐标轴方位。因此，刚体B的位姿可由坐标系{B}来描述，即

A {B}={BR,APB}

A当上式表示位置时，BR=1:当表示方位时，APB =0。

A

A2.2.2齐次坐标和齐次变换

坐标系{B}的原点与{A}的不重合，且坐标轴方位不同，此时可以通过BP描述AP ，如(2-2)式所示: AP=

ABRBP+

APB (2-2)

定义三维空间内某点P的直角坐标和齐次坐标分别为P=[x y z]和p = [x y z 1]T = [ωx, ωy,ωz, ω]T (其中是非零常数)，并且规定:[1 0 0 0]T代表ox轴上的无穷远点;非无穷远点[[0 0 0 1]T代表坐标原点。这样，利用齐次坐标不仅可以规定点的位置，还可以用来规定矢量的方向。当第四个元素非零时，代表点的位置;为零时，代表方向。

式((2.2)所表示的复合变换对于BP是非齐次的，通过齐次坐标可变为:

A?AP??BR=????1??0APB??BP???? (2-3) 1??1?A?BRT=??0A若仍然把齐次坐标记作AP和BP，并令:

ABPB?? 1?B式(2-3)即为：AP=AP，ABTBT综合反映了平移变换和旋转变换，称为齐次

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- 7 - 第2章 拟人机器人双足步行机构的数学模型 变换矩阵。

2.2.3连杆的描述

机器人可以看成由一系列刚体通过关节连接而成的一个运动链，将这些刚

体称为连杆。连杆的功能在于保持其两端的关节轴线具有固定的几何关系，连杆的特征也是由这两条轴线规定的。空间中的任意两个轴之间的距离为一个确定值，两个轴之间的距离即为两轴之间的公垂线长度。两轴之间的公垂线总是存在的，当两轴不平行时，两轴之间的公垂线只有一条。当两关节轴平行时，则存在无数条长度相等的公垂线。如图2-3所示，连杆i-1是由关节轴线i-1和i之间的公垂线的长度为ai-1, ai-1即为连杆i-1的长度。也可以用另外一种方法来描述连杆参数ai-1,以关节轴i -1为轴线作一个圆柱，并且把该圆柱的半径向外扩大，直到该圆柱与关节轴i相交时，这时圆柱的半径即等于ai-1。用来定义两关节轴相对位置的第二个参数为连杆转角。如图所示，转角ai-1定义为连杆i-1的扭角，即表示为关节轴i-1和关节轴i之间的夹角。ai-1的指向规定为从轴线i-1绕公垂线转至轴线i所成的锐角。两轴线平行时，ai-1=0°;两轴线相交时ai-1=0。此时ai-1指向不定。

图2-1 连杆描述示意图

在一个机器人系统里，所有的连杆均可以视为中间连杆或者首末连杆。中间连杆具有下述特征:假设相邻两连杆i和i一1由关节i相连，因此关节轴线i有两条公法线与它垂直，每条公法线代表一条连杆，ai-1代表连杆i-1;ai代表连杆i，如图2-4所示。两条公法线ai-1与ai之间的距离di称为两连杆间的偏置; ai-1和ai之间的夹角θi称为两连杆之间的关节角。di和θi都带正负号。di表示ai-1

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东北电力大学本科毕业论文 与轴线i的交点到ai与轴线i的交点之间的距离，沿轴线i测量; θi表示ai-1和ai之间的夹角，绕轴线i由ai-1到ai测量。连杆长度ai-1恒为正，扭角ai-1可正可负。

图2-2 中间连杆

对于运动链两端的首末连杆，规定a0=a末=0；α0=α末=0°。对于转动关节，θ1和θ末是可变的，约定d1=d末=0。

2.2.4连杆坐标系

每个连杆由是个参数ai-1，αi-1，di和θi来描述，ai-1和ai描述连杆i-1本身的特征; di和θi描述连杆i-1与连杆i之间的联系。对于旋转关节i，仅仅θi是关节变量，其它三个参数固定不变的。对于移动关节i，仅仅di是关节变量，其它三个参数是固定不变的。这种描述机构运动的方法称为D- H方法。对于一个n关节的机器人，用3n个参数可以完全表示它的运动学中固定部分，而用n个关节变量描述运动学中变动部分。

为了确定机器人各连杆之间相对运动关系，在各连杆上分别固接一个坐标系。与基座固接的坐标系记为{0}，与连杆i固接的坐标系记为{i}。确定连杆坐标系的方法如下:

中间连杆:坐标系{i-1}的Z轴Zi-1;与关节轴i-1共线，指向任意;X轴Xi-1，与连杆i-1的公垂线重合，指向由关节i- 1到关节i，当ai-1= O时，取Xi-1;Y轴Yi-1，按右螺旋法则规定，即Yi-1= Zi-1* Xi-1，原点Oi-1取在Xi-1和Zi-1的交点上。当Zi和Zi-1相交时，原点取在两轴交点上;当Zi和Zi-1平行时，原点取在di =0的地方。如图:画出连杆i-1和连杆i坐标系{i-l}和{i}的设定位姿。

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- 9 - 第2章 拟人机器人双足步行机构的数学模型 首末连杆:基座标系{0}与基座固接，固定不动，常用它来描述机器人其它连

杆的运动。基座标系{0}原则上可以任意规定，但为了简单起见，总是规定，当第一个关节变量为零时，{0}与{1}重合。这种规定隐含: a0=0；α0=0°，当第一个关节是旋转关节时，di =0；第一关节是移动关节时，θ1=0。

末端连杆坐标系{n}的规定与坐标系{0}类似。对于旋转关节n，取Xn使得θn =0时，Xn与Xn-1重合，{n}的原点选在使dn=0的地方。需要指出的是，连杆坐标系的设定不是唯一的，例如，虽然Zi-1与关节轴i-1一致，但是Zi-1的指向有两种选择;当Zi和Zi-1相交时，Xi-1的指向也有两种选择;当Zi和Zi-1平行时，{i-l}的选取也具有一定的任意性。选择不同的连杆坐标系，相应的连杆参数也会不同。

图2-3 连杆坐标系

根据所设定的连杆坐标系，相应的连杆参数可定义如下： ai-1:从Zi-1到Zi沿Xi-1，测量的距离; ai-1:从Zi-1到Zi沿Xi-1旋转的角度;

di :从Xi-1到Xi沿Zi测量的距离; θi:从Xi-1到Xi沿Zi旋转的角度;

ai-1代表连杆i-1的长度，规定ai-1≥ 0；而ai-1，di 和θi可正、可负。

2.2.5 运动学模型

机器人运动学主要是把机器人相对于参考坐标系的运动作为时间的解析函数进行分析研究，不考虑引起这些运动的力和力矩。尤其是要研究关节变量空间和机器人末端执行器位姿之间的关系。

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东北电力大学本科毕业论文 机器人运动学的研究与空间机构学密切相关。目前研究方法有很多，有以画法几何为基础的图解法，有运用矢量分析、矩阵、二元数等数学工具的解析法。图解法发展较早，这种方法虽然简洁直观，但仅限于平面机构及某些简单的空间机构问题。

双足步行机器人的运动学建模即是求解摆动脚的运动状态与各关节运动状态的数学关系。运动学建模包含正运动建模与逆运动学建模两个方面。正运动学是给定双足步行机器人各个杆件的参数和关节的运动情况，求解摆动脚相对于参考坐标系的位姿;逆运动学问题则是通过步态规划得到机器人摆动脚与上体相对于参考坐标系的位姿，求解双足步行机器人的各个关节的运动情况。即是说，运动学正问题是在给定各关节的位置、速度、加速度，求各杆件特别是末端执行器的位姿，速度、加速度和角加速度等问题;运动学逆问题是在给定末端执行器的位姿、速度、加速度等，求解能实现这些要求的各关节变量的位置、速度与加速度。

机器人逆运动学问题的解和正运动学的解不同，正解是唯一的，而逆解可能是多重的，也可能不存在。

只要满足以下两个条件之一(PiePer准则): 1、三个相邻关节轴交于一点: 2、三个相邻关节轴相互平行。

逆运动学问题就具有封闭形式解，显然双足步行机器人满足这个准则。对于正运动学，可以推导出一组与机器人特定构型有关的方程，以使得将己知关节变量和连杆参数带入这些方程就能计算出机器人的位姿，然后可以用这些方程推导出机器人逆运动学方程。正逆运动学问题的关系如下图所示:

图2-4 正逆运动学问题的关系

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- 11 - 第2章 拟人机器人双足步行机构的数学模型 2.2.6动力学模型 机器人动力学是机器人机构和控制系统的设计基础，为了获得较理想的步

态规划，决其步行控制问题，保证机器人的稳定行走，就必须对其动力学问题进行深入的了解和研究。机器人起立运动和侧向运动时候，为了计算机器人运动过程中各关节所受的力和力矩、分析步行的动力学稳定性和控制规律，必须建立其动力学模型，给出便于进行运动规划和实施控制问题研究的数学描述。

动力学方程决定着机器人的运动规律，可以确立机器人各个杆件的力、质量和加速度与力矩、惯量和角加速度之间的关系。机器人动力学有两个相反的问题:其一是动力学的运动分析问题，即已知作用在机器人各关节的驱动力矩，求解各关节坐标的移动轨迹，称为动力学正问题。动力学正问题可以用于对规划出的步态轨迹进行动态仿真，研究步态的步行特性;其二是动力学的力分析问题，即已知与机器人运动有关的各关节坐标的轨迹，求解各关节所需要的驱动力或力矩，驱动机器人连杆和关节以期望的速度和加速度运动，保证机器人的位置精度，称为动力学逆问题。逆运动学问题有利于为拟人机器人的机构设计和驱动装置的优化打下基础，并能够在控制中用来进行非线性补偿，将机器人的非线性运动方程线性化。

多自由度机械机构的建模方法很多，如 :Newton一Euler方法，还有腾森伯格方法，Katoh.A等人提出将两足机器人的动态方程看成关节杆件加速度的动态方程形式[16];Tzafestas和J.Furusho等人利用势能和动能公式来直接计算lagrange方程中的矩阵和矢量[17，18];Fujimoto等人采用递归形式的Newton-Euler动力学方程来获得双足机器人动力学问题迭代形式的解[19，20];陈敏华则应用 6 X 6螺旋变换矩阵，直接从速度、力等旋量入手，结合Lagrange方程给出了一种关于机器人动力学模型的新方法[21]。

2.3 本章小结

1、本章介绍了本论文所用的实体双足步行机器人的特点。

2、简要给出了进行双足步行机器人建模所必需的理论。

3、在杆件坐标系下，基于齐次坐标变换对双足步行机器人进行了正逆运动学的建模，为后续的步态规划奠定了基础。

4、介绍拉格朗日动力学方程变于对后期不同运动的简化的机器人模型分别进行了动力学分析，得到了便于控制的动力学模型。

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东北电力大学本科毕业论文 第3章 Pro/e 简介及拟人机器人的零件制造及装配

3.1 Pro/e 系统软件介绍

Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。

3.2 Pro/e产品主要特性

Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。

Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。

1．参数化设计

相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。

2．基于特征建模

Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

3． 单一数据库（全相关）

Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一

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第3章 Pro/E简介及拟人机器人的零件制造及装配 优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。

3.3 Pro/e的工作平台简介

3.3.1Pro/e界面介绍

标题栏 下拉菜单栏 提示区 工具栏 绘图区 导航区 过滤区 图

3-1 Pro/e 工作界面

3.3.2 标题栏

当前文件标题栏位于窗口的最上方，功能与标准Windows软件的标题栏类似。

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3.3.3下拉菜单栏

下拉菜单栏包括了Pro/ENGINEER 野火版3.0的重要命令，很多时候都需要使用它。在不同的模块中，下拉菜单也会有所不同。

1“文件”菜单

“文件”菜单是pro/e中文件和对象的操作界面。其中包含打开以及打印和输出对象的选项。

2“编辑”菜单

“编辑”菜单提供了更改几何元素的选项。在零件模块中，包含了用于执行特征操作和修改的命令，诸如编辑定义、编辑参照、隐含以及删除等。在草绘模块中，有移动、复制已经修剪草绘图元的选项。

3“视图”菜单

用来改变模型的外观和pro/e的工作区。很多视图选项可以用快捷键表示，工具栏上也可以找到这些选项。“视图”菜单中常用的视图操作选项有分解装配视图、重画视图和恢复到缺省视图。“视图”菜单中还包括重定向模型、保存视图、修改模型的颜色和外观以及改变pro/e工作区亮度的选项。

4“插入”菜单

“插入”菜单可用来创建传统的pro/e特征（例如拉伸、孔、基准平面、修饰螺纹等）。

5“分析”菜单

在“分析“菜单中可用查找装配体和零件属性的选项。例如，在”模型分析“选项中可用得到零件的质量属性。

6“信息“菜单

“信息“此案但提供关于pro/e对象的信息。这些信息可用从父子关系、特征、参考以及几何图形中获得。消息（例如，在再生失败中产生的错误消息）可用通过“消息日志”选项显示出来。再生失败的附加消息可以在“几何检查”选项中找到。“信息”菜单中的常用选项是“切换尺寸”，使标准以数字值或标注符号的方式显示，这个选项用于在二维显示方式间转换。

7“应用程序”菜单

“应用程序”菜单允许用户在pro/e模块中应用程序之间切换。例如，在零件模块和制造模块间切换。

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第3章 Pro/E简介及拟人机器人的零件制造及装配 8“工具”菜单

“工具”菜单用于定制pro/e的界面。“工具\\环境”选项是用于临时改变工作区外观的工具。很多“环境”菜单中的特征，如基准和模型显示，现在都可以在工具栏中找到。“工具”菜单提供了访问pro/e配置文件的功能。其他选项用于定制工具栏选择和创建映射建。

9“窗口”菜单

“窗口”菜单用于操作pro/e的窗口。窗口可以被激活、打开或关闭。在pro/e中，可以同时打开多个零件的多重窗口。为在某个菜单中工作，用户首先要做的就是激活它。已打开的窗口将显示在“窗口”菜单中，用户可以轻松的从一个对象切换的另一个对象。

10“帮助”菜单

Pro/e利用web浏览器访问帮助信息。要获得所有帮助信息，首先必须装入pro/e\\help CD，但是一些帮助选项必须拥有网络连接。帮助选项提供查找pro/e选项的功能，并且带有一个上下文相关帮助选项。使用上下文相关帮助来查找耽搁pro/e菜单和选项信息。

3.3.4 提示区

当鼠标指向特征图标时，系统会在提示栏中出现相关的简短提示，提醒用户相关的命令和所指向的特征。

图

3-2 提示栏

3.3.5工具栏

通过上图所示的pro/e工具栏上的按钮，可以轻松地访问常用选项。缺省情况下，pro/e的初始工具栏被分为5个组。其他工具栏通过“制定”对话框（“工具”→“制定屏幕”）添加到pro/e的工作环境中。

文件管理

文件管理按钮用于文件操作，这些按如下图所示

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图3-3 文件管理

●创建新对象 用于创建一个新的pro/e文件。 ●打开现有对象 用于打开一个存在的pro/e文件。

●保存活动对象 用于保存一个pro/e文件。 ●打印活动对象 用于打印一个pro/e对象。

●发送邮件（两个） 用于将模型文件以附件或连接的形式发送给邮件收

3.3.6导航区

1模型树 单击按钮切换至模型树。模型树以树状结构显示模型的所有零件及其特征，他提供了模型地重要信息。用户可以快捷地在模型树中进行相关的编辑或者重定义。

2文件夹导航器 单击按钮切换至文件夹导航器。文件夹导航器提供了强大的功能，用户可以查看内存，PTC服务器上的共享空间以及本机硬盘和局域网上的文件，设置工作目录，还可以快速查找所需的文件并配合浏览器对模型进行预览和打开。

3收藏夹 单击按钮切换至收藏夹。收藏夹用于保存浏览过的文件。读者可以将经常访问的地址保存至收藏夹中，由“添加”和“组织”两个图标来管理收藏夹。

4连接 单击按钮切换至收藏夹。通过连接可以快速连接到所要连接的项目上。

3.4 Pro/E的工作模式

在Pro/E中新建项目时，可以根据建模的需要选择不同的工作模式。Pro/E有十种工作模式可供选择，可以在【新建】对话框中选择不同的选项进入不同的模式，如图3-4所示。在不同的模式下可进行不同的建模操作。草绘模式，主要进行二维平面设计；零件设计模式，主要进行零件的设计与建模；装配模式，主要将已设计好的零组件进行装配；工程图模式，主要为以完成设计的模型制作二维平面工程图；制造模式，主要进行模拟制造[22]。

草绘模式：在Pro/E进行三维设计可视为二维截面的在三维空间的变化与

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第3章 Pro/E简介及拟人机器人的零件制造及装配 延伸。因此建立三维实体时必须建立二维草绘截面图。在系统中有两种二维模式：草绘模式和工程图模式。在草绘模式下，主要进行二维的截面绘制使用通过对二维图的绘制，草绘模式生成的文件扩展名为“.sec”。要进草绘模式，只需要【新建】对话框中单选框【草绘】，输入文件名称后单击【确定】按钮。即可进入草绘模式，如图所示。

图3-4 草绘模式

零件设计模式：其中包括3个选项可供选择：实体，建立新的实体零件；组合件，新建一个组合零件；钣金件，建立新的钣金件。在此模式下生成的文件扩展名为“.prt”如图所示

图3-5 零件设计模式

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装配模式：当设计人员完成零件的模型设计后，可以在【装配】模式下进行组合或制作零件工程图，由于Pro/E使用单一的数据库，所以在进行装配时序引入零件设计模式中完成的各个零件，形成完整的组件或系统三维建模。在模式里不但可以将已设计完成的零件进行组合装配，而且可以修改有关零件的尺寸特性以满足整体设计的要求，也可以直接建立新的特征，形成完整系统整体设计[23]。在装配模式下生成的文件扩展名为“.asm”。如图所示。

图3-6 装配模式

工程图模式：在工程图模式下可以建立标准的工程图。完成零件或产品的三维建模后，建立标准的工程图可以增进设计、制造与维护的环节之间的交流。在本模式下可以建立各种正交投影视图、局部放大图及截面图等。由于Pro/E建立在单一数据库系统之上，因而在系统在工程图模式下生成文件扩展名为：“.drw” 。

3.5 拟人机器人机构各部分零件造型和装配模型

拟人机器人的组件模型有4部分组成：躯干，腿，踝关节，脚。

3.5.1 腰部设计

由于本文主要模拟拟人机器人双足步行，所以上肢各部分由腰部模型简化。腰部与两腿之间连接各为一个自由度。

腰部在Pro/e中设计步骤： ●【文件】/【新建】/【零件】

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第3章 Pro/E简介及拟人机器人的零件制造及装配 ●【插入】/【拉伸】，或者直接选择工具栏中的拉伸按钮，选择【放置】，选择Front面，单击【确定】。绘制矩形，长146mm，宽56mm。拉伸厚度为5mm。如图3-7所示

●单击拉伸按钮，选择新建平面，在边缘处绘制图形如图所示。如图3-8所示

●单击孔加工按钮，放置在上述拉伸平面上，放置三个孔，两个小孔直径2mm。大孔直径1cm。如图3-9所示

●单击镜像按钮。先设置多个平行的平面，并以这些平面为基准，对上述图形进行镜像处理，如图3-10所示形状，

●单击拉伸按钮，在侧面进行拉伸，画出如荼的形状，拉伸厚度3mm。如图所示3-11。

●单击孔加工按钮，在此拉伸平面上做三个如图的孔，其中两个孔需要用拉伸来处理如图3-12所示。

●单击镜像按钮，将上述图形按照之前确定的平面进行镜像处理如图3-13所示。

●单击拉伸按钮，放置在底面平面上。在平面顶端绘制长宽的矩形。选择去除材料。如图3-14所示。

●单击镜像按钮，上述图形按照之前确定的平面进行镜像处理如图3-15最后经过上色倒角。得到如图3-16所示腰部完整结构。

图

3-7 设计步骤1

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3-8 设计步骤2

图3-9 设计步骤3

图

3-10 设计步骤4

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第3章 Pro/E简介及拟人机器人的零件制造及装配

图

3-11 设计步骤5

图

3-12 设计步骤6

图

3-13 设计步骤7

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图

3-14 设计步骤8

图

3-15 设计步骤9

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3-16 腰部设计

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第3章 Pro/E简介及拟人机器人的零件制造及装配 3.5.2大腿设计 两条腿各用两个舵机以及材料板组成，用于身体的前进与后退。 腿设计步骤：

●选择工具栏中的拉伸按钮，选择【放置】，选择Front面，单击【确定】。绘制舵机，最终如图3-17

●选择工具栏中的拉伸按钮，绘制零部件如图3-18图3-19以及图3-20所示。将上述所画出的图形进行装配，经过整理以后即得到腿部结构如图3-21所示：

图3-17 设计步骤1

图3-18 设计步骤2

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3-19 设计步骤3

图

3-20 设计步骤4

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第3章 Pro/E简介及拟人机器人的零件制造及装配

图3-21 大腿设计

3.5.3脚的设计

脚与脚腕间为轴向连接，一个自由度，保存身体平衡。 脚设计步骤：

●【文件】/【新建】/【零件】 ●单击拉伸按钮，选择【放置】，选择Front平面，单击【确定】。绘制矩形，长120mm，宽60mm，选择按钮。设置拉伸厚度为3mm。如图3-22所示

●单击拉伸按钮，选择【放置】，选择已拉伸的长方体的长*宽=120*60的平面，单击确定。平面边缘绘制图形所示。单击。拉伸厚度设置为3mm。如图3-24所示。

●单击拉伸按钮，选择【放置】，选择平面同上。绘制三角形，和矩形。单击。拉伸厚度设置为3mm。如图3-25

●单击镜像按钮，选择中间的平面为参考，选定之前拉伸的图形，以选定的平面进行镜像处理。偏移参照选择顶面和侧面。如图3-26

●最后渲染处理，完成设计如图3-27

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图

3-22 设计步骤1

图

3-23 设计步骤2

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第3章 Pro/E简介及拟人机器人的零件制造及装配

图3-24 设计步骤3

图

3-25 设计步骤4

图3-26 设计步骤5

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图3-27 脚的设计

3.5.5 拟人机器人整体装配模型

拟人机器人装配步骤： 单击【装配】按钮，打开放置已完成零件的目录，打开【腰】,单击 。单击【装配】按钮，打开目录，选择【舵机】。选中舵机上孔的轴线和腰上孔的轴线，使两轴线重合。再选择舵机外侧平面和腰部内侧的平面使两平面重合。单击【移动】/【旋转】，将舵机旋转至与腰垂直即可如图3-28所示。类似以上步骤再进行其他舵机的装配，如图3-29所示。单击【装配】按钮，打开放置已完成零件的目录，打开【jiao】,，所以装配步骤同上。全部装配完即可得到图3-30

图

3-28 装配步骤1

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第3章 Pro/E简介及拟人机器人的零件制造及装配

图

3-29 装配步骤2

图3-30机器人整体装配造型

3.6 本章小结

在本次的毕业设计中应该学会：

●通过拉伸加材料特征创建模型实体特征。 ●使用拉伸切减材料去除特征上的材料。 ●使用“修改”命令修改特征的标注值。 ●使用“编辑定义”命令修改特征的定义。

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东北电力大学本科毕业论文 ●创建基准平面。 ●孔加工 ●零件装配

本章主要介绍了三维绘图软件Pro/e的界面和部分模块功能，描述了拟人机器人各部分模型的建模方法并给出了拟人机器人的整体装配造型。

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第4章 机器人的制作

第4章 机器人制作

4.1 材料与型材选择

4.1.1 机器人结构材料的选择

机器人制作前，必须选择用于机器人本体的主要结构材料。在进行机器人

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东北电力大学本科毕业论文 制作时，特别要确定它自身的大小、轻重等，这就需要选择合适的材料来满足要求。对机器人本体材料选择，不仅仅有助于确定它的强度、重量、尺寸，而且确定了整体结构的难度水平、可能需要的特殊工具以及达到可接受结果所需要的技术水平。因此在选择材料时，一般是根据机器人以下原则进行挑选： （1）零部件的形状、大小有何要求 （2）零部件需要多大的强度； （3）要选择多大重量的零部件

机器人的设计和制作要求，所以应在充分掌握机器人特性和各组成部分的基础上，从设计思想出发。机器人本体是被用来支承、连接、固定机器人的各部分，也包括机器人的运动部分。拟人双足机器人腿部是运动的，其整体也是运动的，所以，机器人运动部分的材料质量要轻。拟人双足机器人的结构设计成左右对称，高度适当，比例协调，确保结构紧凑。关节连接件的设计合适，既要保证机器人行动起来灵活自如，动作顺滑平稳，又要具有一定的承受负载能力。

所以选用了密度较小的制作，因为亚克力板易于加工，质量又轻，不会增加机器人的承载负担。

这里简单介绍一下亚克力板，\亚克力\是一个音译词，英文是ACRYLIC。它是一种化学材料。化学名叫做\属丙烯醇类，俗称\经过特殊处理的有机玻璃\，在应用行业亚克力的原材料一般以颗粒、板材、管材等形式出现。亚克力又称特殊处理的有机玻璃，系有机玻璃换代产品。它具有寿命长，抗冲击力强，可塑性强等特点，非常适合机器人的制作。

4.1.2 机器人舵机的选择

舵机，顾名思义，大海航行靠舵手，舵机早期是应用在航模中控制方向的，在航空模型中，飞行器的飞行姿态是通过调整发动机和各个控制多面来实现的，后来有人发现这种机器的体积小、重量轻、扭矩大、精度高，由于具备了这样的优点，很适合应用在机器人身上作为机器人的驱动。

按照舵机的转动角度分有180度舵机和360度舵机。 180度舵机只能在0度到180度之间运动，超过这个范围，舵机就会出现超量程的故障，轻则齿轮打坏，重则烧坏舵机电路或者舵机里面的电机。360度舵机转动的方式和普通的电机类似，可以连续的转动，不过我们可以控制它转动的方向和速度。

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第4章 机器人的制作 市场上机器人的舵机种类繁多，这里我们选择了HITEC HSR-5498SG高级机器人用数字舵机作为本次机器人所使用的舵机。舵机的参数如下： 表4-1 马达类型 轴承类型

速度sec/60（6.0v/7.4v） 扭力kg/cm（6.0v/7.4v）

体积mm 重量kg 三对级 双滚珠轴承 0.22/0.19 11/13.5

39.88x19.81x36.83

59.53 4.1.3 机器人CPU的选择

CPU是整个机器人控制系统的“大脑”,因此选择一款高性能的CPU即是十分有必要的。考虑到机器人尺寸、重量的限制、功耗、价格等各种因素,故选择一个功能较齐全的CPU是比较合适的。定位合理的方案,可使机器人获得较高的性能价格比。

以下是几种备选方案:

方案一 :选用高档次的电机控制专用控制芯片,例如TI公司的2000系列DSP、Intel公司的16位微处理器SXX196MC(MD)等。这些芯片一般都具有很强的扩展能力和运算能力,提供了开发使用复杂算法的可能性,结合一定的外围电路能够完成速度控制。障碍回避和其他一些复杂的功能。

方案二:选用低档次的CPU,例如Intel的8xc51,并结合一些专用芯片例如精密运动控制器LM629,能够实现对电机的PI0控制。

方案三:选用一些具有特殊功能的CPU,例如Atmel公司的AVR单片机,该类单片机基于RICS架构,指令译码采用流水作业,具备在系统编程能力,方便进行程序修改,片内有硬件PWM模块,能够产生适合电机控制的PWM控制信号。

其中,方案一成本较高,开发难度也较大,比较适合于理论研究；方案二比较适合于比赛需要,并具有较高的性价比,但芯片速度较慢；方案三系统集成度高,可充分利用空间。

通过一系列对比，以及对机器人本身所需的考虑，最终选择了ATmage16单片机作为机器人的控制终端。

高性能、低功耗的ATmega16单片机主要特点如下：

（1）先进的RISC结构：131条指令，32个8位通用工作寄存器和外设控

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东北电力大学本科毕业论文 制寄存器，工作于16MHZ时，性能高达16MPS，只需两个时钟周期的硬件乘法器。

（2） 非易失性的程序和数据存储器：16K字节的系统内可编程Flash，512字节的EEPROM，1K字节的内部SRAM。

（3） JTAG接口：遵循JTAG标准的边界扫描功能，支持扩展的内片调试，通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。

（4） 外设特点：两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两个具有预分频器、比较功能和扑捉功能的16位定时器/计数器，具有独立预分频器的实时时钟计数器，两路8位PWM，4路分辨率可编程(2~16位)的PWM,输出比较调制器，8路10位ADC，面向字节的两线接口I^2C总线，两个可编程的串行USART,可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，具有独立片内振荡器的的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器。

（5）特殊的处理器特点：上电复位以及可编程的掉电检测，片内经过标定的RC振荡器，片内/片外中断源，6种睡眠模式，可以通过软件进行选择的时钟频率，通过熔丝位可以选择ATmega103兼容模式，全局上拉禁止功能。 （6） I/O和封装：32个可编程I/O口，40引脚PDIP封装、44引脚TOFP封装、44引脚MLF封装。

本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言 编译器、汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。目前止,ATMEL公司己推出30多种型号的AVR单片机,包括ATtiny、AT90、ATmega三大系列,分别对应低档、中档、高档产品。由于AVR单片机所具有的巨大的优点,从而使得它在自动控制、数据采集系统、家用电器、智能仪器仪表等领域得到了广泛的应用

4.2 单片机外围接口电路

单片机外围接口电路由单片机ATmega16与时钟电路、复位电路、I/O端口扩展电路组成,电路如图4-1所示。

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第4章 机器人的制作

图4-1 单片机外围接口

单片机ATmega16作为机器人的控制核心,主要完成以下功能: 生成舵机控制所需的PWM信号,控制机器人各关节运动；

通过PWM方式控制直流电机运行,对电机速度进行反馈检测,通过PID算法计算出控制量；

（1）下载行走动作数据,或者从数据存储模块中读取动作数据,控制机器人行走；

（2）对机器人出现碰撞等突发情况进行处理,对电机转动情况进行电流检测,对过流等严重事故进行处理。

时钟、复位电路为单片机的正常工作提供了时间基准,并为单片机系统的可靠工作提供了保障。时钟电路采用8MHz有源晶振构成外部振荡器,将晶振的时钟信号输出经反相后与单片机片内振荡器的输入脚XTALI相连,将单片机片内振荡器的输出脚XTAL2作接地处理。复位电路采用上电自动复位和按钮手动复位相结合的形式,在单片机出现程序跑飞等非正常情况时,可以通过手动复位,使单片机回复正常。

4.3 电源模块

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东北电力大学本科毕业论文 电源模块的设计也是机器人控制系统硬件结构设计的一个很重要的内容。由于本机器人电机数目较多,多个电机同时工作,再加上控制系统中其他元器件的用电,因而所需电源的容量也较大,然而由于机器人几何尺寸的限制,电源的体积又不能过大,所以设计电源时,应该对电源容量、效能、体积等各方面因素综合考虑给予合理解决。

由于本机器人属于移动机器人,所以一般选择可充电的电池作为能源，电源的选择标准如下：(1)电池容量,电池容量应该足够提供整个机器人运动所需,至少能保证比赛时间内能源充足；(2)电压大小,由于电机的供电电压要求范围较宽,电池电压应该根据所选择的电机型号而定；(3)电池内阻,电池的内阻应该尽可能小,以减少功耗；(4)充电重用率,为降低成本应使用充电次数较大的可充电电池。

基于以上考虑,在设计时,整个机器人采用可充电电池组供电且整个控制系统由一组电源供电,为了适应不同模块对电压的要求,适当加入了电压转换、稳压电路[。

4.4舵机的控制方法

标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线。

电的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度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`，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。

4.5 单片机端软件设计

单片机程序主要实现读取并处理动作数据、为电机提供控制信号、响应外部中断、读取反馈速度值等功能。

整个单片机端程序采用模块化结构设计,从总体上分为初始化和运行两大模块。采用这种模块化的结构,其结构清晰明了,并且有利于程序的调试、修改和级。

初始化模块即主程序,主要执行系统硬件的状态初始化,只在整个程序上电运行时执行一次,可细分为Atmega16通用寄存器初始化、定时器初始化、串口初始化、外部中断初始化、C总线初始化、8255初始化、动作和变量初始化等

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第4章 机器人的制作 几个子程序。而运行模块主要用于接收上位机指令和动作数据、控制电机转动,它是一个循环结构,根据动作的时间来决定运行次数,主要由定时器中断服务子程序、串行通信子程序、C总线数据读取子程序、外部中断服务子程序、速度PID算法子程序组成。整个软件结构如图4-2所示。

初始化模块 运行模块

ATmega16通用寄存器初始化 定时器中断服务子定时器初始化 程序 串口初始化 串行通讯子程序 外部中断初始化 外部中断服务 C总线初始化 C总线数据读取子程序 动作和变量初始化 图4-2单片机软件总体构成

4.6 本章小结

1、本章介绍了本论文所用的实体双足步行机器人的材料选择。 2、舵机的控制方法

3、单片机外围接口的设置

4、简要给出了进行双足步行机器人的软件设计

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结 论

从制作出的拟人机器人可以看出，此次设计的拟人机器人可以达到平稳行走的目的，本次设计已完成了主要要求。通过拟人机器人运动设计与制作，为其以后在实际科研、制造产品中提供了经验。

在机器人的制作过程中，几乎所有的东西从头来过，从方案论证到具体实施，经验是我们本科生最稀缺的资源。有些设计上，所以采取了降低了理论高度，采取简单易行的方案，量体裁衣来实现任务。很多现实的问题也阻碍了设计的难度提高。比如电机性能与价格是成正比的，考虑到成本问题，只能选择性价比适中的电机，并且加辅助调速的光码盘来提高走路的精度。由于是实物设计，所以我在设计的过程中考虑最多的是实际制造的问题，因此在设计理念上受到了诸多的限制。同时自身的知识和经验储备不足，无法将自己的设计理念完全体现在实物上。但是正是这些诸多的因素是我懂得了，作为一名设计者如何去做设计，如何来实现设计要求。

由于时间仓促和作者的知识水平有限，论文中的错误和不足在所难免，希望各位老师批评指正。

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参考文献 致 谢

本人在校其间，得到了陈向伟老师的画龙点睛式的指导。陈老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。在此设计制作过程中，得到了老师，使我在设计过程中开阔了思路，少走了许多不必要的弯路。在零件加工过程中，陈老师也给予了热情的帮助，在仪器设备上提供了最大程度的支持。在此，对我的指导老师和关怀表示感谢和敬意。

老师他严谨的学风、渊博的知识和执著的敬业精神对我产生了深刻的影响，并让我受益终身。每当我在关键问题上遇到困难时，他总是给我具体的指导和热情的鼓励，于是所有的困难随之迎刃而解。从陈教授那里学来的乐观豁达的人生态度、活跃创新的学术思维、高效执著的工作作风，将是我今后人生中取之不尽、用之不竭的财富。

这次论文虽然我是个人一组，但是仍然要感谢我身边的同学们，在遇到瓶颈时他们也给予了我热心的帮助和支持。感谢所有参加机器人大赛的同学在合作的过程中给我信心和勇气，使我跨过一道道难关，顺利完成了这个设计任务。感谢这么多年来教育我的老师们，是他们的谆谆教导使我有机会用自己的学识来展示我的实力和智慧，使我对走向工作岗位的能力更有信心。同时提醒我们毕业后应该认认真真的做好每一件事，并且要学会找资料，学会学习，学会思考！这样我们才会不断的进步，不断地得到提升！

由于时间仓促和作者的知识水平有限，论文中的错误和不足在所难免，希望各位老师批评指正。

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东北电力大学本科毕业论文 参考文献

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