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1、 硕士学位论文类人机器人运动控制关键技术研究学科专业:机械制造及其自动化研究生:刘学菁指导教师:杨志永副教授企业导师:李秀敏高级工程师天津大学机械工程学院二零零八年,月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:利用机作为上位机,利用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,采用了系列单片机对机
2、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。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。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 . . , 。,. : . ?
3、. , . . , . ,. ,. .: , , ,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
4、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导师签名.虢书/啄签字日期 ,卜肘签字日期:叶川,由分蟠年夕月扩日 声夥第一章绪论第一章绪论.课题研究的意义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】。本文主要利用机作为上位机,利用单片机作为下位机进行了硬件平台的设计,运用运动学
5、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,采用了系列单片机对机器人各功能子系统进行控制,其中,通过通讯技术及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【.】,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。采用和提出的面
6、部运动编码系统中定义的动作单元来描述机器人的面部表情。.类人机器人.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?,刀。从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,根据捷克文,原意为“劳役、苦工”和波兰文,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: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。它由电缆控制,可以行走,.会说个字,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。年
7、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。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。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。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年智能机器人的研究方向。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
8、器人。随后,成立了世界上第一家机器人制造工厂公司。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”。年美国公司生产出”意思是万能搬运,与公司生产的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。年.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,包括年恩斯特采用的触觉传感器,托莫维奇和博尼年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器,而麦卡锡年则开始在机器人中加入视觉传感系统,并在年,帮助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。年约翰.霍普金斯大学应用物理实验室研制出机器人。已经能
9、通过声纳系统、光电管等装置,根据环境校正自己的位置。世纪年代中期开始,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。年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器入。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。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。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。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
10、田公司的和索尼公司的。年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作.就诞生了美国公司的机器人”。年美国公司推出通用工业机器人,选标志着工业机器人技术已经完全成熟。至今仍然工作在工厂第一线。年英格伯格再推机器人,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。年丹麦乐高公司推出机器人套件,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。年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝,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。年丹麦公司推出了暖尘器机器,它能避开障碍,自动设计行进路线,还能在电量不
11、足时,自动驶向充电座。是目前世界上销量最大,最商业化的家用机罄。年月,微软公司推出 ,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。图为索尼公司研制的新一代类人机器人。圈.】 奉目公司发布的新一代娄机器第一章绪论.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.;:躯体结构如图和四肢运动、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
12、想之一。图一类人机器人的躯体结构.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。.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
13、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:大多数类人机器人的信息输入传感器是单模型的;部分应用多模型传感器的系统没有采用对话的交流方式;对输入信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。.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
14、,从而实现某种功能或达到某种水平。图.类人机器人的串行功能分解体系结构图.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.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
15、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。第一章绪论.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:机械子系统,由刚体和弹性体组成;传感系统:执行系统:控制器;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
16、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 。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。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。作业 关节 实际误差 位置和 驱动动作力信号磊网誓笪蛎丽角度和扭矩关节信号实际关节变量角度和扭矩囊?巫图机器人机械系统方框图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
17、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。第一章绪论.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
18、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?单片机的使用及基于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
19、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。第二章机器人硬件设计与功能第二章机器人硬件设计与功能.引言单片机和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,采用了机与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单片机使用的同时也将研究机器人的各个功能子系统。.机器人功能系统结构.上下位机控制结构上位机有保存定位信息、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
20、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。下位机接收定位信息,同时将定位信息通过串口发送给上位机,由上位机通过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. 机器人的上下位机控制功能控制系统 控制任务语音识别与合成有线或无线语音输入上 人脸识别与跟踪位短信息接收与发送机各种信息的存储资料显示与下位机的通讯第二章机器人硬件设计与功能定位信息处理轮式移动控制下 固
21、定障碍识别位人体障碍识别机绕障或避障类人动作表演与上位机的通讯.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
22、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 。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。.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,能探测到前方一内的障碍物,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
23、路段。在机器人内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.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,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,并通过网络将图像信息及定位信息传送给控制中心或个人,请求处理。.单片机研究中使用的单片机具有双总线结构如图.及两级指令流水线结构如图.,其结构结构框架见图.。单片机.拘软硬件开发系统采用集成开发环境 软件:。在中可以在四种方式下运行:
24、?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。编辑程序方式:不用软件模拟程序或硬件仿真器便可编写、编译汇编或源程序,并能从源代码中删除错误。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。编程方式:可以用各种兼容的编程器对芯片进行烧写。冯.诺依曼结构普林斯顿结构哈佛结构图.两种不同结构的示意图周期周期周期周期周期图指令流水线结构第二章机器人硬件设计与功能数据总线娲氏序计数器闪存,/ 程序焉总线随机存储地址指令注册器遇,历丽蒜直接地址/, ,厂 /?,九. /? 叉,一./益?. /二/葛./ ?
25、/、/, 一.,?./壬?艾,/?气/五.丽/西时钟堕灌时钟 地一?/鬻譬 图 单片机结构框图第二章机器人硬件设计与功能图为 软件环境,支持以下硬件版本: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 。它能仿真全系列的。单片机,仿真速度达到。在低端上采用在线调试器在线调试器,可以基本支持全系列芯片的调试与烧写。利用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。软件通信接口方式是最高可达或.串行接口方式,工作电压范围为.,可支持最低的低压调试。圈软件编程环境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
26、了根好的支持,尽管宏于编消耗掉许多程序空间但是缩短了研发时间,并且提高了程序的运行速度。另外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,使用只需要知道汇编器寄存器和程序段的数量,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.为所选用的单片机的的最小系统电路图。图 的最小系统电路图.舵机控制技术.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
27、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。图选用的舵机是一种高性能舵机,其力矩是.妇,速度为/.型号是。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,舵机能从转到,通过程序控制,使舵机匀速或变速转动。圈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所示。舵机的控制信号是信号,利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵
28、机的控制要求如图所示。图舵机与单片帆的接线图?业壁磐业刊:燃触 ,埘脉冲左转极限位置 .叫脉宽车圈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:首先是产生基本的周期信号,即产生的周期信号;其次是脉宽的调整,即单片机模拟信号的输出,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
29、过程中的位移、速度和加速度。而轨迹规划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.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、
30、在线路径跟踪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
31、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。要求的位轨迹上位、?,置和姿态个角度位机器人逆兰垒奎查,
32、插补置控制系统算法 向运动学图.机器人轨迹控制过程图.舵机的软件设计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.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.,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
33、的脉冲宽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昕示。舵机标称方渡脉冲信号的周期为,事实上舵机角度控制对信号的周期,即脉要求为。舵机的控制信号被成为冲位置调制渡。可由模拟电路或单片机来产牛.。角度圈 输出转角与输入信号脉冲宽度的关系本文采用的为主控芯片,晶振频率取值,每条指令执行时间为从图 可以看出.舵机角度变化时,脉宽改变为出/地/,单片机能执行/.坤条约条指令,用语言很难实现在条指令内一次比较判断完路舵机的信号。多路信号产生的机理如图 所示。为了产生精确的时间信号,占用了一个位硬件计数器,计数
34、基准设为,同时用个位匹配寄存器保存每一路信号的计数匹配值,该匹配值正比于舵机的期望角度。路信号分为组,每组路进行分时控翩。程序开始时,将第一组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,将该路信号的引脚置为低电平。每一组信号占用的时隙均为.不足第二章机器人硬件设计与功能.的延时.,保证每一路信号的周期丁. .。在组信号处理完毕后,再用.一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信号的时间误差最小,且不会产生波形的抖动。对于单片机在的系统时钟下, 内能执行条单周期指令,的周期可以大于。第组第组第组一多路信号
35、产生机理图.所示为多路信号的发生流程图。、的个端口均为输出端口,位定时器用来和每组的路信号匹配寄存器进行比较,基准为。第二章机器人硬件设计与功能开始初始化置高该组信号的引脚并清零计数器组信号/ 董黧盔岁结束、定时.墓嫠嚣薯黧藿矗二?叫繁瑟篙 路匹配寄存器匹配/ 信号的引脚计数器与该组第路匹配寄存器匹配叫鞣胃计数器与该组第路匹配寄存器匹配 叫徽掣处理下一组信号图.信号的发生程序流程图.小结本章着重研究了用于控制机器人各功能子系统的为主控芯片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。第三章 机器人行为运动控制第三章机器人行
36、为运动控制.引言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。.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.所示:富图.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
37、章机器人行为运动控制机,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:算法、电机控制模块:扫微控制器组成,实现控制算法,和多路舵机控制信号的生成。无线通讯模块:由射频芯片和 微控制器组成,实现上、下位机通过射频进行数据交互。有线通讯模块:由电平转换芯片,实现上、下位机通过总线进行数据交互。行为数据存储模块:由总线的串行组成,通过总线对其进行读写操作。电源模块:向下位机系统各模块提供稳定的电压。机器人硬件构成控制算法电路原理图如图.
38、所示。该模块为微控制器的最小系统,包括主控制器,上电复位电路,振荡电路,状态指示灯。单片机还设计了在线调试和系统自编程 接,便于程序的调试和升级维护。利用片内的模数转换电路和电阻和.构成的电池电压采样电路,实现对电池的欠压保护。为了与无线模块相兼容,下位机采用的电源电压为.,而舵机的信号电压则要求为以上,这就需要混合信号电路处理。如果直接将的端口连到舵机的信号线上,该微控制器采用的是工艺,其端口电压比其芯片电源电压.高,则芯片会产生芯片特有的电流“闩锁”效应,导致芯片的电流急剧增加,最后芯片过热而烧毁。混合信号处理可以应用专用的芯片,如,实现.和的信号兼容。但是本次应用属于低速信号的应用场合,
39、可以用电阻分压的形式实现混合信号电路的处理,如图?所示。为简化分析,可以近似的人为舵机的信号输入端阻抗为无穷大。则在微控制器输出低电平时,舵机的信号电压【,?为:.鲫斋父删而/此时,通过电阻尺:的电流,即流入微控制器/口的电流,册。为:第三章 机器人行为运动控制.簪乩剃图控制算法模块原理图.接的引脚舵机接口图. 电阻分压实现混合信号电路处理当微控制器输出高电平.时,舵机的信号电压二。为:第三章机器人行为运动控制.二。瓦丽一.为微控制器/口内部二极管的电压降落。此时,流入微控制器,/的电流,。为:.,一?丽.一.棚满足舵机信号电压需要的高电平.一舵机电源电压电压和低电平电压的范围。.运动模型及轨
40、迹规划对于移动机器人系统,由于其工作环境一般比固定机器人的工作空间存在更多的不确定性,因此运动规划非常关键。不同形式的机器人,其运动规划的关键技术是不同的。对于轮式移动机器人,它的运动规划问题主要研究在未知或少知环境中机器人移动路径的确定方法。下面将针对机器人的底部轮式运动控制进行研究。.运动模型对轮式移动机器人,作路径和轨迹规划时,一般是以两独立驱动轮来进行的。在实时控制中,行为控制器把规划好的路径转化成随时间变化的两个独立驱动轮的角速度,通过驱动器分别去驱动两个驱动轮。两个驱动轮的角速度都要根据规划路径的变化而变化,对于机器人这样的非线性时滞对象来说,在执行任务过程中,如果规划路径不光滑,
41、又采用分段控制,必然存在累积误差,若累积误差过大,就会影响机器人的准确到位以及任务完成。另一方面,在进行位置校正时,要依据驱动轮走过的路程,通过积分得到中点的位姿,再与规划给定的中点位姿差分,得出需要校正的位姿增量,又通过矩阵求逆变成随时间变化的两驱动轮的角速度,这样就增加了实时控制的复杂性,在实时控制中是不希望出现的。在这里,把移动坐标系建立在两独立驱动.轴心中的任意一个的轴心上,以该点为规划对象,进行路径规划及轨迹规划,路径规划与传统方法基本一致,在轨迹规划时,把选为坐标原点的车轮的速度角速度固定不变,即该轮的角速度除起动与停止有变化外,中间阶段始终为一固定值;而另一驱动轮的角速度是依据两
42、驱动轮之间轮基的固连关系、两轮的角速度约束关系和规划路径进行计算,并依此得到两轮轴心的运动学方程,按上述方法,在进行位姿校正时,不需矩阵求逆,即可实现。第三章 机器人行为运动控制.同轴两独立驱动轮的约束方程为了便于说明及构造运动学模型以及规划控制机器人的位姿,建立坐标系如图所示。其中,一为移动机器人工作场所的固定参考坐标系。?。珞。为移动机器人固连坐标系。尺是固连坐标系的原点,该点与右驱动轮中心重合,与驱动轮同心,指向左轮,与。间的夹角口表示机器人的姿态,则其位姿即为,。在一中,左轮的投影为,右轮的投影为,并假设机器人在水平面上运动,车轮只旋转不打滑,即轮与地接触点间的速度为零。已知参数:?机
43、器人两独立驱动轮间的长度,即轮距;卜一机器人车轮的轮半径;口?机器人右轮的角速度;口?机器人的初始姿态,以逆时针为正口卜。,。图.移动机器人的位姿图机器人的角速度约束方程机器人在任意一点初始位置,经过时间礴睾过角后到达另一位置,如图所示。则左轮比右轮多转过的曲线位移为五口,一口,。由此得到.西?形式中西。、一机器人左、右轮的角速度;一转弯半径曲率半径;第三章 机器人行为运动控制伊一机器人经过时间礴睾过的角度,式.即为两驱动轮角速度问的约束方程。机器人左右轮间的坐标约束方程不论机器人移动到何处,它的左右轮间的距离是始终不变的,那么,它们在一中的坐标与轮距间的关系为.?,一,如图?所示, 机器人的
44、姿态角与两轮轴心坐标的关系式为工,一/一, .由式., 式.可得,一励 .?,图.机器人位移图.机器人非原点轮角速度方程按上面所建立的运动学模型,机器人运动方式只有直线运动和转弯运动两种,如果选择原点的轮子角速度香,口为已知,在单位时间内要转过角度,则通过式.可知,另一轮左轮的角速度为.口,一钐一彰对于直线运动而言,即两轮同速转动,香,叠,口,即直线运动是曲线运动的特例。对于的值应加以限制,因为当口过大,接近一。时,将使口,过大,在向心力的作用下易产生运动位置误差, 严重时会造成翻车,依分析得西糯.第三章 机器人行为运动控制式中一重力加速度:,轮与地面间的摩擦力系数;尺一转弯半径。.规划的解析方法.运动学正问题当两驱动轮的角速度已知时,左、右轮的角速度分别为香,西,转弯半径也是的函数,由此可以求出移动机器人的运动轨迹如图?。”铆鲫 .秒砉班一/.运动学逆问题当要求移动机器人按确定轨迹运动时,即、乡、畎已知,驱动轮的运动规律就可根据下式求出,且其左右驱动轮的运动规律将是惟一的。.自电?汀矗一.位姿校正传统以轮距中点为参考对象的移动机器人位姿校正是通过同时给两驱动轮加以角速度增量,这就要根
