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1、北京邮电大学硕士学位论文双足步行娱乐机器人的初步研究姓名：文正国申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：孙汉旭20030201北京椰也丈学硕i ：研究生学位论文2 0 0 3摘要摘要机器人尤其是双足步行机器人汇集了当今世界在机电、材料、计算机、传感器、控制技术等多个学科领域翦尖端技术，两娱乐机器人不强调技术辨先进性窝复杂性，而是以给人们带来欢乐和享受为宗旨。本文试图在这两者之间找到一个结合点，开发一个结搦简单、磁本较诋毽是能够实现简革步行韵双足梳器人玩其。论文的第一部分首先简要地介绍了机器人的概念、发展历程以及类人型机器人和娱乐机器入的情况，然屠介绍了本研究项目的背景和目标，提出了机器
2、人自由度设置、步态规划和控制系统设计等三个研究要点。论文的第二部分阐述了双足机器人玩具的总体设计原则和目标，提出了机器人的总体结构，讨论了关节鑫由度熬设置和驱动系统以及传感器鲍配置闷题。论文的第三部分对人类的步行过程进行了详细的分析，介绍T Z M P ( 零力矩点)枫器入行走稳定性评价标准。根据翦入提战静步态援划思想，采用三次样条插值计算机器人的脚部和腰部轨迹，并计算出各个关节的轨迹，利用旋量理论计算出重心轨迹，采取迭代计算方式找到具有最大稳定性的步态。并使用O p e n G L 对机器人的步态进行了黪形仿真。论文的第四部分设计了机器人的单片机控制系统方案，建立了以8 0 C 1 9 6
3、K C芯片为核心、扩展了外国接嗣的单冀机硬传系统，然后确定了系统的软馋续毒勾，编写了汇编语言控制程序，实现了对命令响应、任务调度和关节控制等三个层次懿控制功链。关键运：步行机器人自由度步行分析步态规划单片机8 0 C 1 9 6北京邮l h 大学硕I 研究生学位论文2 0 0 3A b s t t a c tA b s t r a c tR o b o t s ，e s p e c i a l l yb i p e dr o b o t s ，c o n t a i na d v a n c e dm e c h a n i s mt e c h n o l o g y ，m a t e r
4、i a ls c i e n c e ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y , s e n s o r st e c h n o l o g ya n dc y b e r n e t i c s ，e t c E n t e r t a i n m e n tr o b o t so rr o b o tt o y sa i mt h ee n j o y m e n ta n dp l e a s u r ew h i c ht h e yb r i n gt op e o p l e I nt h i sp a p e r , w et r yt of
5、i n da j o i n to f h u m a n o i dr o b o t sa n dr o b o tt o y sb yt h ed e v e l o p m e n to f ab i p e dr o b o tt o yw i t hs i m p l es t r u c t u r ea n dl o wc o s t ，w h i c hC a nw a l ks l o w l y I np a r tIo ft h i st h e s i s ，f i r s tw ei n t r o d u c eb r i e f l yt h ec o n c
6、e p ta n dh i s t o r yo fr o b o t s ，e s p e c i a l l yh u m a n o i dr o b o t sa n de n t e r t a i n m e n tr o b o t s ，T h e nt h es i g n i f i c a n c ea n dg o a lo fo u rw o r ka r ep o i n t e do u t ，a n do u rr e s e a r c hp o i n t sa r el i s t e d ：t h ed e g r e e so ff r e e d o
7、 mo f o u rr o b o tt o y , t h eg e n e r a t i o no f w a l k i n gp a t t e ma n dt h ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e m I np a r tI I ，w ep r e s e n tt h eg e n e r a lp r i n c i p l e sa n dt a r g e t so fo u rd e s i g n ，p u tf o r w a r dt h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo ft
8、 h eb i p e dr o b o tt o ya n dd i s c u s st h en e e d e dd e g r e e sa n dt h ed i s p l a c e m e n to f f r e e d o ma n dt h ec o n f i g u r a t i o no f d r i v es y s t e ma n ds e n s o r s I np a r tI I I ，w ed i s c u s si nd e t a i lt h ew a l kl o c o m o t i o no fh u m a n ，t h e
9、ni n t r o d u c et h ec o n c e p to fZ M P ( Z e r oM o m e n tP o i n t ) a sam e a s u r eo ft h eq u a l i t yo fs t a b i l i t yw h i l er o b o t sw a l k B a s e do nam e t h o do fg a i tp l a n n i n gp r e s e n t e db yo t h e rr e s e a r c h e r s ，w eg e n e r a t et h ef o o tt r a
10、j e c t o r i e sa n dh i pt r a j e c t o r yb y3 ”o r d e rs p l i n ei n t e r p o l a t i o n S ow ec a ng e tt h et r a j e c t o r i e so fj o i n t sa n dt h e nc a l c u l a t et h et r 旬e c t o r yo ft h ec e n t e ro fg r a v i t yb ya p p l y i n gt h es c r e wt h e o r y B yi t e r a t
11、i v ec o m p u t a t i o nt h eh i pt r a j e c t o r yw i t hh i g hs t a b i l i t yi sd e r i v e d F i n a l l y , w ed e m o n s t r a t et h er o b o t Sw a l k i n gb yg r a p hs i m u l a t i o nu s i n gO p e n G L ，I nt h el a s tp a r t ，w ed e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mo fo u r
12、r o b o tt o yb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e ra n da8 0 C 1 9 6 K Cs i n g l eb o a r dc o m p u t e rs y s t e mw a ss e tu pw h i c hc o n t a i n ss o m ep e r i p h e r a li n t e r f a c e s T h e nw ep r e s e n tt h es t r u c t u r eo fs o f t w a r es y s t e m ，d e v e l o pt h ec
13、 o n t r o lp r o g r a mu s i n ga s s e m b l yl a n g u a g ea n dr e a l i z et h et h r e e l e v e lc o n t r o lf u n c t i o n s ：c o m m a n dr e s p o n s e ，t a s ka s s i g n m e n ta n dj o i n tc o n t r 0 1 K e y w o r d ：b i p e dr o b o t ；f r e e d o m ；w a l ka n a l y s i s ；g a
14、i ts y n t h e s i s ；s i n g l eb o a r dc o m p u t e r ；8 0 C 1 9 6北京| | f f U 人学硕J 。研究生学位论文2 0 0 3第一章绪论第一章绪论机器人技术作为二十世纪人类最伟大的发明之一，自六十年代初问世以来，经过了四十多年的发展，已取得很大的进步。工业机器人在经历了诞生一成长一成熟期后，已成为制造业中不可或缺的核心装备，世界上约有7 5 万台工业机器人正被应用在生产第一线上。特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，类人型机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器
15、人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。1 1 1 机器人定义1 1 机器人概述机器人问世已有几十年，机器人仍然没有一个统一的定义。原因之一是机器人还在发展，新的机型、新的功能不断涌现。根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。1 9 8 7 年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性
16、的自动化机器”。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。1 1 2 现代机器人的发展历程现代机器人的研究始于二十世纪中期，其技术背景是计算机技术和自动化技术的发展。美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1 9 4 7 年开发了遥控机械手，1 9 4 8年又开发了机械式的主从机械手。1 9 5 4 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。1 9 6 5 年，M I T 演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机北京 j j | j I U 大学硕I ：l 口f 究生学位论文2 0 0 3第一章耋f i 论器人系统。1 9 6 7 年日本成立了人工手研究会( 现改名为仿生机构研究会) ，同年召开了日本首届机器人学术会。1 9 7 0 年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。从7
