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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
