基于Arduino的竞步机器人设计

分类：研究生报告    更新时间：09-12    来源：网络

 一、课题综述及研究意义

目前，机器人已经被人类广泛应用于很多繁重的领域，而拟人机器人是机器人发展的趋势。20世纪60年代拟人机器人开始发展，几十年的发展使得拟人机器人的研制工作进展迅速。其中步行机器人是拟人机器人中非常重要的一部分。

相较于传统的履带式和轮式机器人，步行机器人能适应更多的环境，更复杂的地面情况。其行动方式与人类更接近，能够代替人在恶劣的环境下作业。与其他机器人相比较，步行机器人的功耗比较小、体积比较小、重量比较轻、行动较为灵活。竞步机器人是步行机器人在竞赛领域的应用。机器人竞赛的科技含量高，其涵盖的领域很广，涉及人工智能、通讯传感、自动控制等，在社会上的有很强的影响力。

由上述观点可以表明竞步机器人很有研究意义和价值。竞步机器人可以促进很多学科的发展，如仿生学，人工智能，通信等。步行是人类的基本功能，而对于步行机器人的研究对医学研究同样有着很深远的意义。竞步机器人的研究对假肢的研制很有帮助。竞步机器人是全国机器人大赛的指定项目。在大赛的平台上我们可以更好的研究竞步机器人，同时通过竞步机器人这一平台我们也可以和其他高校以及企业交流学习。

二、课题拟采取的研究方法和技术路线

竞步机器人主要面向竞赛，在竞步机器人的设计和开发中，需要确定机器人的功能、需要达到的指标以及机器人的系统配置。设计机器人时，需要从硬件和软件两方面着手。根据竞赛要求设计机器人的硬件，根据比赛需要完成的动作等完成机器人的软件设计。

双足竞步机器人是机器人大赛中的一个比赛项目。为了体现比赛的公平公正性，但凡是比赛肯定有一定的规则。在竞步机器人的比赛中，选手的机器人需要规定的时间内完成要求的动作，并且要尽可能少的出错和尽可能快的走到终点。这对机器人的规格参数都有要求。

机器人大赛要求竞步机器人在4分钟内完成如下指定的动作：

机器人以步行的方式从起点走到终点（场地为200cm×60cm的区域），在场地的区域内要求先向前走3步，然后立正，再向前卧下，向前翻3次跟斗，起立，向前再走3步，立正，先后卧下，向后翻2次跟斗，起立，最后以稳定、连贯、轻快的步履走向终点竞步机器人执行系统即竞步机器人本体，执行系统最重要的是每条腿的三个关节。三个关节是保持竞步机器人在比赛过程中平稳走向，并且完成比赛指定动作的保证。三个关节的电机选择对于竞步机器人的设计很重要，电机选择的合适与否关乎竞步机器人完成动作的质量。

机器人软件设计以及硬件设计确保机器人能按照比赛要求运作。本次设计的竞步机器人具有6个自由度，每条腿具有三个关节。分别是足关节、膝关节和髋关节。机器人的硬件系统一般由控制系统，检测系统和执行系统组成。三个系统各自作用，相辅相成，有助于竞步机器人完成比赛的质量。

机器人的控制系统控制着机器人的运作。控制系统通过控制舵机，决定机器人的运动。控制系统给舵机发送指令，舵机通过转动相应的角度来控制机器人的动作。

竞步机器人的控制系统主要由电源模块，MCU主控制模块，232通讯模块、舵机控制模块和舵机接口模块组成。

控制系统各个模块各司其职，确保着竞步机器人在给定指令下运动。从而顺利完成比赛。

软件部分设计主要是通过程序编写控制竞步机器人的运动。本次设计采用我们比较熟悉的C语言编程。

软件部分设计主要是控制竞步机器人根据指令完成比赛规定的动作。每个动作都有相应的指令。机器人做出每个动作，都是通过舵机的转动完成的。而舵机转动是由PWM信号控制的。软件部分还将会介绍PWM信号的控制方法。

三、主要参考文献

[1] 蔡自兴. 机器人学[M]. 北京：清华大学出版社，2003.

[2] 2010年中国机器人大赛双足竞步机器人组比赛规则[S]. 2010.

[3] 张铁，谢存禧. 机器人学[M]. 广州：华南理工大学出版社，2005.

[4] 郭志攀，小型双足机器人设计及运动规划研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[5] 熊芳. 双足舞蹈机器人稳定性研究[D]. 兰州：兰州理工大学，2012.

[6] 贺廉云. 双足机器人的行走模型及步态规划[J]. 信息技术与信息化，2008，2.

[7] 杨斌，苏剑波. 仿人机器人的分布式控制系统设计[J]. 控制工程，2007, 32 (1) ：102~118.

[8] DETROIT Symphony Orchestra HONDA Motor Co. Ltd. ASIMO Humanoid Robot Conducts Yo-Yo Ma [J]. Scientific Computing, 2008, 25 (3) ：10~17.

[9] SONY Corp. QRIO Science Program: A hands-on science and technology class[J]. UNESCO International Science, Technology&Environmental Education Newsletter, 2005, 30 (1) ：16.

[10] Chevallereau C, Abba G, Aoustin Y, et al. Rabbit: a testbed for advanced control theory[C]. IEEE Control Systems Magazine, 2003 ： 57~79.

[11] 谭林，鲁守银，刘存根. 小型仿人机器人的设计及步态规划[J]. 电了设计工程，2009, 21 (8) ：79~83.

[12] 陈寿坤. 基于微机原理的步进电机控制[J]. 机电技术，2012, 43 (5) ：28~30.

[13] 候红，郭栋，李建军. 一种数字无刷电动舵机的原理建模[J]. 电光与控制，2011, 20 (6) ：74~84.

[14] 潘琢金，C8051F310/1混合信号工SPFLASH微控制器一数据手册[M]. 新华龙电了有限公司，2003.

[15] 蔡国武，刘柞时，梅传根. 基于C8051F310单片机的直流电机实时转速监控系统设计[J]. 微电机，2010, 43 (4) ：88~90.

[16] 李纯，阴科，湛华海. 基于C8051F060的高可靠性数据采集系统的研制[J]. 自动化技术与应用，2010, 29 (2) ：114~116.

[17] 台安科技(无锡)有限公司. RS232通讯隔离电路[P]. 中国专利，CN201557104U, 2010-08-18.

[18] Huang Q, Li Kejie, WangTianmiao. Control and Mechanical Design of Humanoid Robot BHR-O1 [C]. Proc. of theThird IARP International Workshop on Humanoid and Human Friendly Robotics，2002 ：10~13.

[19] 柳欣. 第四届CCTV机器人电视大赛控制系统的研制[D]. 合肥：合肥工业大学，2006.

[20] 沈林成. 移动机器人白主控制理论与技术[J]. 科学出版社，2011, 29 (2) ：14~16.

[21] 石华. 仿蟹步行机器人步态研究与仿真分析[D]. 上海：华东理工大学，2010.

[22] Joel Chestnutt,Manfred Lau, German Cheung, etc. Footstep planning for the Honda ASIMO humanoid[C]. In: Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2005：631~636.

[23] 范强. 双足竞步机器人设计及其步态规划研究[D]. 山东：山东理工大学，2009.

[24] 绳涛，程思微，土剑. 欠驱动双足机器人动态步态规划方法研究[J]. 计算机工程与应用，2009, 45 (6) ：1~97.

[25] 土新杰. 多足步行机器人运动及力规划研究[D]. 武汉：华中科技大学，2005.

[26] 郭晓明. 双足竞步机器人控制系统的研究与设计[D]. 江西：江西理工大学，2013.

[27] 何乙琦. 舵机控制步行机器人系统设计[D]. 南京：南京理工大学，2012.

[28] 张跃. 多智能双足机器人协作控制研究与硬件平合实现[D]. 西安：西安电子科技大学，2012.

[29] Masahiro Fujita, Yoshihiro Kuroki, Tatsuzo Ishida, etc. Autonomous Behavior Control Architecture of Entertainment Humanoid Robot SDR-4X[C]. In:Proceedings of the 2003 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Las Vegas，USA，2003：960~967.

[30] Takanishi, M. Ishida, Y. Yamazaki, etc. The realization of dynamic walking robot WL-10RD[C]. In:Proceedings of International Conference on AdvancedRobotics. 1985：459~466.

 

二、毕业设计（论文）工作实施计划 wwW.EEelw.com

（一）毕业设计（论文）的竞步机器人的软硬件设计

硬件设计：

机器人软件设计以及硬件设计确保机器人能按照比赛要求运作。本次设计的竞步机器人具有6个自由度，每条腿具有三个关节。分别是足关节、膝关节和髋关节。机器人的硬件系统一般由控制系统，检测系统和执行系统组成。三个系统各自作用，相辅相成，有助于竞步机器人完成比赛的质量。

执行系统：

竞步机器人执行系统即竞步机器人本体，执行系统最重要的是每条腿的三个关节。三个关节是保持竞步机器人在比赛过程中平稳走向，并且完成比赛指定动作的保证。三个关节的电机选择对于竞步机器人的设计很重要，电机选择的合适与否关乎竞步机器人完成动作的质量。

控制系统：

机器人的控制系统控制着机器人的运作。控制系统通过控制舵机，决定机器人的运动。控制系统给舵机发送指令，舵机通过转动相应的角度来控制机器人的动作。

竞步机器人的控制系统主要由电源模块，MCU主控制模块，232通讯模块、舵机控制模块和舵机接口模块组成。

检测系统：

本次竞步机器人的设计没有采用传感器。但是传感器的运用会使得竞步机器人更加智能化，能够自行调整比赛过程中的步态上的不足。在今后的设计中有必要给竞步机器人设计其检测系统。

软件设计：

软件部分设计主要是通过程序编写控制竞步机器人的运动。本次设计采用我们比较熟悉的C语言编程。

软件部分设计主要是控制竞步机器人根据指令完成比赛规定的动作。每个动作都有相应的指令。机器人做出每个动作，都是通过舵机的转动完成的。而舵机转动是由PWM信号控制的。