武术仿人机器人

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1、课 程 设 计 报 告课程名称课程名称 机电一体化课程设计机电一体化课程设计 课题名称课题名称 少林十八铜人阵少林十八铜人阵 专专 业业 机械电子工程机械电子工程 班班 级级 0801 学学 号号 30 23 16 35 姓姓 名名 黄雪姣、晁云花、周旋、曾巧黄雪姣、晁云花、周旋、曾巧 指导教师指导教师 陈小异陈小异 刘军安刘军安 2011 年年 12 月月 20 日日任务书任务书一、基本任务及要求：一、基本任务及要求：机器人设计是机电一体化系统设计的主要课题研究方向，群组机器人设计代表了机器人设计的较高阶段，是对机电一体化知识的系统应用与能力考核。少林十八铜人阵课题设计，需要综合应用大学所学

2、的机械制图 、 机械原理 、 机械设计 、 材料力学 、 理论力学 、 机械控制工程 、 机电一体化系统设计 、 微机接口技术检测与诊断 、 机器人技术等课程，同时使学生能通过运用所学知识解决实际问题，掌握分析、处理和解决问题的方法、步骤并为毕业设计打下基础。通过此次设计还应达到以下具体要求： 1、了解机电一体化系统设计原理，机器人设计原理及基础知识，熟悉机器人基本机构设计及控制原理； 2、通过分 9 组，分别完成 8 个机器人武术动作设计（要求每个机器人能单独完成 34个武打动作，动作要流畅，不能有运动干涉及自锁现象） ； 3、其中 1 组进行机器人系统的整体布局和阵法变换设计，完成 8 个

3、机器人的布阵、阵形变换和收阵的机电系统及控制设计；其中要考虑机器人动平衡、路径控制、干涉、互锁、自锁等。 4、通过设计说明书的编写训练使学生掌握工程技术文件的编写。 二、进度安排及完成时间：二、进度安排及完成时间：1、下达设计任务，查资料，分析课题，确定系统的总体方案 3 天2、分组课题设计方案的选择与拟定，详细机械设计及控制设计方案的设计、计算与验算 7 天3、根据分工，进行各自部分的设计、调试、运行，直至正确无误 2 天4、按格式编写设计说明书（12 页以上） 、制作存储介质（分组刻盘）资料汇总，答辩 3 天推荐资料推荐资料：仿生机器人、智能机器人、高级控制工程、自动控制；参考书目参考书目

4、：工业机械手设计基础；工业机械手提高；工业机械手设计；工业机器人与机器人学目录目录1 前言1.1 仿人机器人的概念 11.2 国内外研究状况及发展状况 11.2.1 国内研究现状 11.2.2 国外研究现状 21.3 发展趋势 21.4 本课题要解决的主要问题及解决方案 32 总体方案设计 42.1 机械部分的设计 42.1.1 头部机构的设计 52.1.2 手臂机构的设计 52.1.3 转身机构的设计 62.1.4 弯腰机构的设计 72.1.5 腿部机构的设计 92.1.6 材料与型材的选择 102.2 电机的选择 112.3 机器人驱动装置的设计 122.3.1 肩部电机的选择 132.3

5、.2 肘部电机的选择 142.3.3 头部和腿部电机的选择 142.4 机器人动作分析 142.4.1 人体运动数据的提取 152.4.2 人-机简化模型建模 152.4.3 求解人-机简化模型关节节点空间坐标 162.4.4 仿人机器人关节角解算 172.4.5 仿人机器人动作生成 183 电气部分 194 硬件电路设计 214.1 关节运动控制的硬件设计 214.1.1 主控 MCU 214.1.2 电机驱动电路 214.2 光电编码器 234.3 开关 244.4 单片机控制系统 254.5 信号隔离模块 264.6 锁存器 74HC595 模块 274.7 传感器硬件设计 295 系统

6、软件设计 305.1 动作编辑 305.2 主程序设计 315.3 子程序设计 315.4 编程准备 346 总结 34参考文献附录- 1 -1.11.1 仿人机器人的概念仿人机器人的概念现阶段，机器人的研究应用领域不断拓宽，其中仿人机器人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。研究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，不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。仿人机器人要能够理解、适合环境、精确灵活地进行作业，高性能的传感器的开发必不可少。传感器是机器人获得智能的重要手段，如何组合传感器摄取的信息，并有效地加以运用，是基于传感器控制的

7、基础，也是实现机器人自治的先决条件。仿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，但是离我们理想中的要求还相去甚远，还需要在仿人机器人的思维和学习能力、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。仿人机器人具有人类的外观，可以适合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，在服务、医疗、教育、娱乐等多个领域得到广泛应用。1.21.2 国内外研究状况及发展状况国内外研究状况及发展状况1.2.11.2.1 国内研究现状国内研究现状国内，仿人机器人的研制工作起步较晚，1985 年以来，相继有几所高校

8、进行了这方面的研究并取得了一定的成果。其中以哈尔滨工业大学和国防科技大学最为典型。哈尔滨工业大学自 1985 年开始研制双足步行机器人，基于控制理论曾经获得自然科学基金和国家“863”计划的支持，迄今为止已经完成了三个型号的研制工作：第一个型号 HIT-1 为 10 个自由度，重 100kg,高 1.2m，关节由直流伺服电机驱动，属于静态步行。第二个型号 HIT-2 为 12 个自由度，该机器人髋关节和腿部结构采用了平行四边形结构。第三个型号 HIT-3 为 12 个自由度，踝关节采用两电机交叉结构，同时实现两个自由度，腿部结构采用了圆筒形结构。HIT-3 实现了静态步行和动态步行，能够完成前

9、/后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。目前，哈尔滨工业大学机器人研究所与机械电子工程教研室合作，正在致力于功能齐全的仿人机器人 HIT-4 的研制工作，该机器人包括行走机构，上身及臂部执行机构，初步设定 32 个自由度。国防科技大学- 2 -也进行了这方面的研究。在 1989 年研制成功了一台双足行走机器人，这台机器人具有10 个自由度，能够完成静态步行、动态步行。清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等高等院校和研究机构也在近几年投入了相当的人力、物力，进行智能仿人机器人的研制工作。1.2.21.2.2 国外研究现状国外研究现状外仿人机器人在过去十多年中特别是近五年中发展迅速，自从有

10、关综述文章发表以来，情况有了很大变化。近期以来，特别是日本、美国和韩国等国在仿人机器人上的发展比较迅猛。日本早稻田大学与 1973 年研制成功的 WABOT-1 是最早的有记载的双足步行人形机构。1985 年，WABOT-1 的改进型 WHL-11 在日本筑波科技博览会上展出，成为博览会上的明星，被誉为划时代的科技成果。当时的 WABOT-1 行走十分缓慢，每走一步需几秒钟，真正对仿人机器人行走机构进行系列化研究始于日本本田公司。本田公司在 1986年到 1993 年间接连开发了 E0 到 E6 等 7 种行走机器人。这 7 种机器人都只有腿部机构，主要用来研究行走功能，在此基础上，本田公司于

11、 1993 年在研制的 P1 机器人上加上了双臂，使它初步具有了人形。同在 1993 年完成的 P3 机器人是后世闻名的 Asimo 机器人的原型。Asimo 作为第一个真正具有世界影响的仿人机器人诞生于 2000 年，它的诞生促进了各种各样的仿人机器人研究，开辟了一个仿人机器人蓬勃发展的时代。1.31.3 发展趋势发展趋势仿人机器人与轮式、履带式机器人相比有许多突出的优点和它们无法比拟的优越 性，但是由于受到机构学、材料科学、计算机技术、控制技术、微电子学、通讯技术、 传感技术、人工智能、数学方法、仿生学等相关学科发展的制约，至今基本上仍处于 实验室研制的阶段，尤其是双足行走的速度、稳定性及自适应能力仍不是非常理想， 只有在走稳走好之后再加上臂部执行机构和智能结构，才谈得上真正的仿人，当然， 仿人不能仅仅局限于这些，还应该模仿人类的视觉、触觉、语言，甚至情感等功能， 仿人机器人是许多技术的综合、集成和提高，目前，主要的攻关项目还是行走功能的 进一步提高，日本本田公司生产的 P3 仿人机器人虽已走向市场化，但是，它的功能还 很不限，离实际意义上的拟人化还有相当的一段距离，所以仿人机器人给科研工作者 提供了广阔的研究空间，提出了一个又一个新的挑战，同时也促进了许多相关学科的 发展，导致了一些新理论，新方法的出现，越来越多的