《机电一体化综合训练Ⅲ》
实习报告
姓 名 王航 学 号 2013012554 班 级 机电133 联系方式 指导教师 史颖刚、苏宝峰、王转卫、刘利
西北农林科技大学机械与电子工程学院
2016年10月
目录
一． 绪论 ....................................................................................... 3
1.1 机器人的发展背景与前瞻与课程设计内容 ..................... 3 二. 实习任务 .................................................................................. 3 三. 实习要求 .................................................................................. 3 四． 工作原理 ............................................................................... 4
4.1六自由度机器人的工作原理.............................................. 4 4.2机器人的工作原理 ............................................................. 4 4.3舵机的驱动原理 ................................................................. 6 五． 机器人行走的实现 ................................................................ 6
5.1 步态规划的概念 ............................................................... 6 5.2 步态规划的方法 ............................................................. 6 5.3 步态设计 .......................................................................... 7 5.4 设置参数及程序的调试 ................................................. 7 5.4.1前进 ................................................................................. 8 5.4.2前空翻 .............................................................................. 8 5.4.3后空翻 .............................................................................. 8 5.5程序调试 ............................................................................. 8 六.实习中遇到的问题 ................................................................... 10
7.2 步态设计 .......................................................................... 10 7.3 控制系统设计 .................................................................. 11 八．实习总结 ............................................................................... 12
一． 绪论
1.1 机器人的发展背景与前瞻与课程设计内容
近年来，随着社会飞速发展，机器人的研究及应用得到迅速发展，因其在教育，医疗，军事，工业等领域的巨大应用，因此得到许多国内外科学家的关注。 机器人在以后社会快速发展的过程中会起着越来越重要的作用。相信在不久的将来机器人将会取代繁重的人力劳动，使劳动者的人身安全得到保障。同时机器人的发展也将为以后的社会发展奠定良好的基础。
双足机器人不仅具有广阔的工作空间，而且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，其步行性能是其它步行结构无法比拟的。研究双足行走机器人具有重要的意义。
1、主要内容：
1）、控制系统软硬件设计与仿真； 2）、六自由度机器人运动控制。 2、训练形式
学生以小组为单位，集体讨论确定整体方案；指导教师给出实训方向，技术指标等，协助学生完成训练任务。
二. 实习任务
这次机电一体化综合训练Ⅲ包含两部分内容。一是分组选题完成实习要求；二是开发性设计。本报告书将从整体上分为两部分对本次实习的要求进行汇报。完成对六自由度机器人的组装、调试以及实现预定的功能。 三.
实习要求
要使六自由度机器人实现人类的一些动作，那么六自由度机器人必须有它的独特性。事实上，关于运动灵活性，人类大约拥有四百个左右的自由度。因此，机器人的关节的选择、自由度的确定是很必要的，步行机器人自由度的配置对其结构有很大影响。自由度越少，结构越简单，可实现功能越少，控制起来相对简单；自由度越多，结构越复杂，可实现功能越多，控制过程相对复杂。 自由度的配置必须合理:首先分析一下步行机器人的运动过程(向前)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、 左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髋关节与踝关节必须各自配置有1个自由度以配合实现支撑腿、上躯体的移动和实现重心转移。另外膝关节处配置1个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，保证步行时落足平稳。这样最终决定髋关节配
置1个自由度，膝关节配置1个俯仰自由度，踝关节配置有1个偏转自由度。这样，每条腿配置3个自由度，两条腿共6个自由度。髋关节和膝关节俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向) 内的直线行走功能；踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。步行运动中普遍存在结构对称性。运动的对称性和腿机构的对称性之间存在相互关系。在单足支撑阶段，对称性的机身运动要求腿部机构也是对称的。根据这点，在结构设计时也采用对称性布置。
四． 工作原理
4.1六自由度机器人的工作原理
六自由度运动平台是由六支作动筒，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六支作动筒的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，.从而可以模拟出各种空间运动姿态。可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接中。在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动平台的研制，涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。六自由度运动平台是传动及控制技术领域的皇冠级产品，掌握了它，在传动和控制领域基本上就没有了难题。
4.2机器人的工作原理
按照目前最宽泛的定义，如果某样东西被许多人认为是机器人，那么它就是机器人。许多机器人专家（制造机器人的人）使用的是一种更为精确的定义。他们规定，机器人应具有可重新编程的大脑（一台计算机），用来移动身体。
根据这一定义，机器人与其他可移动的机器（如汽车）的不同之处在于它们的计算机要素。许多新型汽车都有一台车载计算机，但只是用它来做微小的调整。驾驶员通过各种机械装置直接控制车辆的大多数部件。而机器人在物理特性方面与普通的计算机不同，它们各自连接着一个身体，而普通的计算机则不然。
大多数机器人确实拥有一些共同的特性。首先，几乎所有机器人都有一个可以移动的身体。有些拥有的只是机动化的轮子，而有些则拥有大量可移动的部件，这些部件一般是由金属或塑料制成的。与人体骨骼类似，这些独立的部件是用关节连接起来的。
工业机器人专门用来在受控环境下反复执行完全相同的工作。例如，某部机器人可能会负责给装配线上传送的花生酱罐子拧上盖子。为了教机器人如何做这项工作，程序员会用一只手持控制器来引导机器臂完成整套动作。机器人将动作序列准确地存储在内存中，此后每当装配线上有新的罐子传送过来时，它就会反复地做这套动作。
大多数工业机器人在汽车装配线上工作，负责组装汽车。在进行大量的此类工作时，机器人的效率比人类高得多，因为它们非常精确。无论它们已经工作了多少小时，它们仍能在相同的位置钻孔，用相同的力度拧螺钉。制造类机器人在计算机产业中也发挥着十分重要的作用。它们无比精确的巧手可以将一块极小的微型芯片组装起来。
4.3舵机的驱动原理
舵机的工作原理。舵机常用的控制信号是一个周期为20毫秒左右，宽度为1毫秒到2毫秒的脉冲信号。当舵机收到该信号后，会马上激发出一个与之相同的，宽度为1.5毫秒的负向标准的中位脉冲。之后二个脉冲在一个加法器中进行相加得到了所谓的差值脉冲。输入信号脉冲如果宽于负向的标准脉冲，得到的就是正的差值脉冲。如果输入脉冲比标准脉冲窄，相加后得到的肯定是负的脉冲。此差值脉冲放大后就是驱动舵机正反转动的动力信号。舵机电机的转动，通过齿轮组减速后，同时驱动转盘和标准脉冲宽度调节电位器转动。直到标准脉冲与输入脉冲宽度完全相同时，差值脉冲消失时才会停止转动！，这就是舵机的工作原理。
五． 机器人行走的实现
双足机器人的行走要取决于步态规划，步态规划的好坏将直接影响到机器人行走过程中的稳定性、所需驱动力矩的大小以及姿态的美观性等多个方面，同时它也直接影响到控制方法及其实现的难易程度。
5.1 步态规划的概念
双足步行机器人的步态规划，是指机器人行走过程中其各组成部分运动轨迹的规划，比如说，脚掌何时离开地面、摆动中整个脚掌在空中的轨迹、何时落地等。步态规划要解决的问题主要是保证机器人的稳定性。
5.2 步态规划的方法
现在使用的步态规划方法主要有如下几种： 1、基于实验的规划方法
这种规划方法基于力学的相似原理，基本过程如下：让人模仿机器人行走(如果机器人有几个自由度，那么人在模仿行走的时候也尽量只动相应的关节)，同时对此人的行走过程进行正面和侧面的录像，然后对这些录像进行分析，得到此人在步行过程各个主要关节的角度变化，然后根据力学相似原理把这些角度相似地推广到机器人的关节变化上。
2、基于能量原理的规划方法
这种方法来源于一个生物学假设：人经过千百万年的进化，其行走方式是能量消耗最低的，而且还能保持步行的稳定性。如果机器人也能满足这个假设，则其行走方式将与人一样或很接近。根据能耗最小原则可以建立一个变分方程，并最终得到机器人的轨迹方程。
3、基于力学稳定性的规划方法
在机器人行走过程中，其ZMP点必须落在某个区域范围之内，只有这样才能保证步行机器人稳定地行走。实现方法有两种：‘
a．计算出理想的ZMP轨迹，然后推导出各个关节的运动函数以实现理想行走。
b．先大致规划出双足和躯干的运动轨迹，然后进行ZMP计算，最后选出稳定性最好的结果作为控制方程。
相比后两种方法，第一种方法更易于理解及掌握。所以本文将采用第一种方法，结合人体行走过程规划机器人步态的参数化设计。
5.3 步态设计
进行双足机器人行走动作设计。首先分析一下步行机器人的运动过程和行走步骤：
1）行走前进：重心右移（右腿支撑）、左腿抬起、迈步左腿放下、重心左移、右腿抬起、迈步右腿放下。依次循环。
2）停止：将重心移到双腿之间，双腿放下。
从机器人步行过程分析得出：机器人向前迈步时，髋关节与踝关节必须各自配置有1个自由度以配合实现支撑腿、上躯体的移动和重心转移。膝关节处配置一个自由度能够调整摆动腿的着地高度，保证步行时落足平稳。这样，最终确定每条腿配置3个自由度，踝关节配置1个偏转自由度、膝关节和髋关节各配置1个俯仰自由度。步行运动中存在结构对称性。运动的对称性和腿机构的对称性之间存在相互关系。步行前进时，对称的机身运动要求腿部机构也是对称的，两条腿共6个自由度。髋关节和膝关节俯仰自由度共同协调动作可完成机器人在纵向平面（前进方向）的直线行走功能，踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。
机器人的前翻跟头过程和步骤分析：低头（髋关节）、俯身（膝关节）使头脚面板同时着地、左腿离地、右腿离地使倒立、两腿同时弯膝（膝关节）、两脚同时着地（髋关节），头离地使重新直立。
小组在调试动作中，最后一步机器人头离地使重新直立这一步，经过小组组员间协商，找出了解决方法。使一只脚稍微向内侧倾斜一点角度，施力帮助机器人的头部离地，配合两个髋关节的舵机转动角度，最终使得机器人重新站立。
5.4 设置参数及程序的调试
舵机作为机器人得动力源直接决定着机器人的步态方式，而控制舵机的时基脉冲在程序里反映为一组参数。
由于在组装过程中不能保证每个舵机都处于中间位置，所以根据舵机程序得出各舵机的参数也不相同。用舵机控制程序结合步态规划动作得出机器人动作流程参数值。
#1P1560#2P1540#3P1500#4P1540#5P1560#6P1500T100 5.4.1前进
#1P1567#2P1433#3P1556#4P1500#5P1389#6P1462T500 #1P1567#2P1433#3P1833#4P1500#5P1389#6P1322T500 #1P1856#2P1256#3P1433#4P1500#5P1411#6P1322T500 #1P1856#2P1256#3P1678#4P1500#5P1411#6P1589T500 #1P1567#2P1456#3P1678#4P1144#5P1633#6P1478T500 5.4.2前空翻
#1P1567#2P1433#3P1556#4P1500#5P1389#6P1462T500 #1P2500#2P1433#3P1556#4P544#5P1389#6P1462T500 #1P2500#2P2367#3P1556#4P500#5P500#6P1462T500 #1P1589#2P1411#3P1556#4P500#5P500#6P1462T500 #1P1589#2P1411#3P1556#4P1522#5P1386#6P1462T500 #1P611#2P500#3P1556#4P1522#5P1386#6P1462T500 #1P611#2P500#3P1556#4P2456#5P2411#6P1462T500 #1P589#2P1456#3P1556#4P2456#5P1456#6P1462T500 #1P1611#2P1456#3P1556#4P1479#5P1456#6P1462T500 5.4.3后空翻
#1P1567#2P1433#3P1556#4P1500#5P1389#6P1462T500 #1P570#2P1433#3P1556#4P2500#5P1389#6P1462T500 #1P570#2P500#3P1556#4P2500#5P2389#6P1462T500 #1P1589#2P1389#3P1556#4P2500#5P2411#6P1462T800 #1P1589#2P1389#3P1556#4P1478#5P1445#6P1462T800 #1P2500#2P2300#3P1556#4P1478#5P1478#6P1462T800 #1P2500#2P2367#3P1556#4P500#5P500#6P1462T800 #1P2500#2P1389#3P1522#4P500#5P1500#6P1462T2000 #1P1544#2P1411#3P1522#4P1478#5P1389#6P1462T500 5.5程序调试
六自由度机器人在行走的过程中我们会很容易发现它在走的时候会非常的
不稳定，这个时候我们考虑的问题就是如何来设置参数及进行相应的测试会使其有很好的行走效果，通过最后定的调试发现，我们应按照以下方式来规划行走策略，会使行走效果更加的棒。
①不断的调试机器人每个肢体动作的运行角度，选择最合适的；
②通过测试机器人行走过程中脚步的大小来选择在力学分析的条件之下机器人行走是最稳妥的；
③同样也可以测试机器人在行走的过程中以什么样的行走姿势会使得行走效果更加的好。
六.实习中遇到的问题
1.单个舵机与机电一体化综合训练Ⅱ中的360度舵机的驱动原理有一些不同。如果是单个舵机由控制器发送PWM控制其在500—2500旋转。180度舵机是PWM控制它的旋转角度，500-2500us的PWM对应控制180度舵机的0-180度，是一一对应的，一个PWM值对应舵机的一个角度。因此需在安装前确定舵机的中位，否则，舵机安装不合适，无法执行所要求的动作。而360度舵机就是一个普通的直流电机和一个电机驱动板的组合，所以它只能连续旋转，不能定位，也没法知道它的角度和圈数。
2.为了让机器人走的又快又稳，我们小组设计的核心就是重心移动，为此我们将机器人分解为几个小动作，首先是倾斜身体，然后是抬脚、送腿、落地。倾斜身体的目的是让脚踝处的舵机倾斜一个角度，但是要保证机器人的重心能够落在指定的腿上。其次是抬腿，然后就是将关节处舵机偏移角度，是的身体前倾，这样再将大腿往前迈。最后再慢慢的放下，接着就又重复前面的步骤，主要是将机器人放正就好了。
七．基于单片机的四足步行机器人设计 7.1 步行机构总体结构分析
图1为所设计的四足步行机器人总体结构示意图，由图可知，该机构由四条腿及机体组成，每条腿的结构完全相同，在各主动驱动关节（膝关节、臀关节、髋关节）上分别装有直流电机，整个机体上共装有12个独立的驱动电机。而被动关节（踝关节）采用球铰链结构，脚底部粘上胶皮以增大和地面的摩擦力，同时可对脚与地面之间的撞击起到缓冲作用，小腿和大腿组成平面连杆机构，它们均可以绕着自身的关节轴在一定的角度范围内摆动，而整条腿又可以绕着髋关节转动。机器人在行走过程中，各条腿按照一定次序轮流抬跨，同时绕着各自的髋关节转动，使机体重心前移，不断地推动机体向前移动。该机构采用多个电机独立驱动，与以往的步行机构相比，具有传动机构简单、结构紧凑、运动灵活等优点。
7.2 步态设计
步态指的是行走系统抬腿和放腿的顺序，由于该四足步行机器人是模仿四足动物爬行原理设计的，因此，对四足机器人行走的研究，必然要从研究四足动物的运动入手，同时也是因为动物经过长期的进化和选择，逐渐形成了最适宜环境
的步态。在自然界中，四足动物的步态可以归纳为：慢走、对角小跑、单侧小跑、双足跳跃、慢跑、飞跑、以及四足跳跃等类型，这些种基本步态中，慢走（爬行）步态，是一般哺乳类动物低速爬行时最常见的静态步态；对角小跑、单侧小跑、双足跳跃步态则属于两条腿同时摆动的动态步行。其中，对角小跑步态是对角两条腿同时摆动的步态，单侧小跑是指单侧前、后两条腿摆动的步态。
图2为所设计的慢走步态中几个特殊时刻的机体姿态，图中的箭头表示机体前进的方向，实心圆圈代表对应的腿处于支撑相，空心圆圈代表相应的腿处于悬空相，O代表机体重心，机器人按照1→4→2→3的抬跨次序完成一个周期的步行运动。从初始状态a开始，首先，腿1向前抬跨，相对机体顺时针旋转44°，同时腿3相对机体逆转16°，腿2、4相对机体顺转14°，整个机体向前移动25mm到达状态b；接着腿4向前抬跨，相对机体逆时针旋转44°，同时腿2相对机体顺转16°，腿1、3相对机体顺转14°，整个机体向前移动25mm到达状态c；然后腿2向前抬跨，相对机体逆时针旋转44°，同时腿4相对机体顺转16°，腿1、3相对机体顺转14°，整个机体向前移动25mm到达状态d；最后，腿3向前抬跨，相对机体顺时针旋转44°，同时腿1相对机体逆转16°，腿2、4相对机体顺转14°，整个机体向前移动25mm到达状态e，机体又恢复到初始姿态，完成一个步态周期的移动，在此过程中整个机体移动了100mm。由于此过程中各电机的转角不同，所以应该对电机调速。
7.3 控制系统设计
为了实现所设计的步态，就必须设计相应的控制系统，本论文采用AT89S52单片机作为控制器，选用内部含有两个H桥的高电压、大电流全桥式电机驱动芯片L298N[7]，每个芯片可以驱动两个电机，整个系统中需要6块L298N芯片，由于单片机本身自带的I/O口数量有限，加上有的I/O口还具有第二功能，因此必须进行I/O扩展，此处选用并口扩展芯片8255A，最终设计出的控制系统电路原理图如图
对腿上关节转动的控制，也就是对电机转动时间和速度的控制，本设计所采用的电机驱动芯片L298N本身就具有PWM调速功能，因此，要对电机进行调速，只需要编写相应的PWM程序即可。整个控制系统的主程序流程图如图5，系统开发中采用Keil µVersion2软件编程和调试，要实现不同的步态，只需要改变程序即可。
八．实习总结
为期两周的机电一体化综合训练Ⅲ实习已经结束，我在这次的实习中学到了很多东西。本次我们进行了六自由度双足机器人的行走和翻滚，在实习期间，我们小组通力合作，交流积极，不仅让我完成了全部的实习任务和目标，更是让我接受了同学们其他更有创新力的意见。通过本次实习，让我对舵机工作原理，舵机的控制和机器人的概念有了更进一步的理解，也让我知道了实验不能急于求成，要脚踏实地一步一步的去尝试。在调试机器人的时候，偶尔会出现一些控制器内部的一些小问题，使得舵机没有按照指令去运转，这时一定不能急躁，要耐心调整指令。实验就是一个用实践去实行理论的过程，这个过程肯定不可能是顺风顺水的，但是我们一定要有一个戒骄戒躁的心，冷静思考。创新环节让我们明白，不能单纯的满足鱼理论的实践，我们应该有一颗敢于创新，认真思考的心，这更是一次我们对于以前学习过知识的一个整合，让我们发现知识与知识之间的内在联系。最后，感谢史老师，苏老师，王老师，刘老师对我们的悉心教导与理解。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容