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1、摘要为满足低成本、高性能的要求, 提出在拟人机器人控制器的设计中引入基于ARM 处理器和RTO S (Real2timeO S) 的嵌入式系统。使用ARM 9 处理器S3C2410 和RT2Linux构建小型拟人机器人控制器的系统架构, 以拟人机器人的行走控制为例, 从硬件和软件上介绍了控制器的实现方法。硬件选用高集成度的嵌入式处理器并采用模块化设计; 软件开发中使用Petri 网建模并利用Linux 良好的驱动程序框架,降低了开发难度, 提高了系统的可扩展性。最后给出了在机器人避障中的应用, 验证了控制器方案的可行性, 为拟人机器人的进一步研究提供了平台，年来全密封免维护铅酸蓄电池其密封好、
2、无泄漏、无污染等优点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整个寿命期间，无需任何维护，从而揭开了铅酸蓄电池发展历程新的一页。众所周知，通信设备一般都采用免维护电池作为备用电源，许多电子设备必须的不间断电源系统（UPS）也离不开免维护电池，此外在应急灯、汽车、游艇中也越来越多的选用免维护电池。然而，由于充电方法不正确，充电技术不能适应免维护电池的特殊需求，造成电池很难达到规定的循环寿命。关键词: 拟人机器人; 舵机; 嵌入式系统; Petri 网; 设备驱动。AbstractA low cost, high performance humanoid robot controller was
3、developed based on the ARM processor and the RTOS( real2time OS). The controller system architecture consists of aS3C2410 chip with the ARM 9 co re running RT2Linux. The implementation including hardware and software is illustrated by a robot walking example. The hardware platform uses a modular des
4、ign with a highly inter grated embedded CPU. A Petri net is used to model the control flow. The software is based on the Linux device driver frame with simplifies the system and improves the expansibility. The control system successfully enabled the robot to evade obstacles and provides a platform f
5、or further development of humanoid robots. without leakage, and pollution-free advantages, without any maintenance, thus unveils the lead-acid batteries development a new page. and many electronic equipment must be uninterrupted power supply system (UPS) is inseparable from mianweihu battery, in add
6、ition in emergency light, automobile, yacht also more and more choose mianweihu batteries. However, due to the charging methods is not correct, charging technology can not adapt to the free maintenance batterys special demand, it is difficult to reach the prescribed caused battery life cycle.Key wor
7、ds: humanoid robot; servo; embedded system; Petri net; device driver；目 录1 设计简介11.1嵌入式简介11.2拟人机器人简介21.3嵌入式系统的设计简介42拟人机器人系统架构82. 1拟人机器人机械结构设计82. 2拟人机器人控制器硬件设计92. 3拟人机器人控制器软件设计113 拟人机器人步行控制方案124 应用实例165心得与体会17参考文献181 设计简介1.1嵌入式简介根据国际电气和电子工程师协会（IEEE）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”，原文为devices used to
8、control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants.目前，国内普遍认同的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。北京航空航天大学何利民教授给出这样的定义：“嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。”可以这样认为，嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。嵌入式系统一般有嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序4个部分组成。“嵌入性”、“专用性”和“计算机系统”是嵌入式系统的三
9、个基本要素，对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。嵌入式系统无处不在，在移动电话、数码相机、MP4、数字电视机顶盒、微波炉等设备中都使用了嵌入式系统。嵌入式计算机系统是整个嵌入式的核心，可以分为硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。1.2拟人机器人简介拟人机器人是机器人研究的一个重要分支, 是由仿生学、机械工程学和控制理论等多种学科相互融合而形成的一门综合学科。研究人员除了通过软件进行仿真, 还制作了各种类型的机器人实体。比较著名的国外有本田公司的Asimo、sony 公司的Qrio、开放机器人项目OpenPINO 等, 国内有北京理工大学牵头研制的“汇童”拟人机器人、哈工大的“H IT
10、 ”足球机器人、清华大学的THB IP2I 等。不过这些机器人体积庞大, 成本高昂。目前也开发了很多简易的小型机器人 , 但其中大部分采用简单的单片机进行控制, 可实现的动作和功能非常有限, 或者需要连接上位机来对它进行控制, 自主性不足。基于现有的条件, 综合考虑系统的性能和成本,研制了一种基于ARM 9 处理器, 采用嵌入式Linux 的小型拟人机器人, 可以实行静步行走, 同时可扩展视觉、无线网络和音频输入输出功能, 是一种可完全独立自主化的拟人机器人, 为相关学科的研究提供了一个验证平台, 还可以作为大学和中专院校机电专业、自动化专业、计算机专业、仪表与检测专业的试验平台, 进一步完善
11、后, 也是机器人舞蹈和机器人足球等项目的良好载体. 机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，它的研究开始于20世纪中期。第一代遥控机械手1948年诞生于美国原子能委员会的阿尔贡研究所，当时用来对放射性材料进行远距离操作，以保护原子能工作者免受放射线照射。第一台工业机器人产生于1956年，是英格尔博格(Engelberger)将数字控制技术与机械臂结合的产物。当时主要是为了克服串联机构累积的系统误差，以便达到较高的空间定位精度，提出了示教再现的编程方式，从而使重复定位精度差不多比绝对定位精度提高了一个数量级。1968年，日本川崎重工引进美国IMATION公司的UNIMATE机器人制造技术，开
12、始了日本机器人时代。1970年，在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。此后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。1979年IMATION公司推出了PUMA系列工业机器人，它的关节由电动机驱动，可配备视觉、触觉、力觉传感器。到1990年己有30万台机器人在全世界使用。其中高性能的机器人所占比例不断增加，特别是各种装配机器人的产量增加较快，和机器人配套使用的的机器视觉技术和装备也得到迅速发展。进入20世纪90年代后，装配机器人及柔性装配技术进入了大发展时期。日本一直拥有全世界机器人总数的60%左右。到1998年，美国拥有机器人8万台，德国为7万多台，分别占世界机器人总数的15%和13%左右。到20
13、05年，全世界的机器人总数约100万台。自50年代第一台机器人装置在美国诞生以来，机器人的发展经历了一个从低级到高级的发展过程。第一代机器人是示教再现型工业机器人，它们装有记忆存储器，由人将作业的各种要求示范给机器人，使之记住操作的程序和要领。当它接到再现命令时，则自主地模仿示范的动作作业。第二代机器人是装有小型计算机和传感器的离散编程的工业机器人，它能感知外界信息并进行“思维”，它比第一代机器人更灵活、更能适应环境变化的需求。第三代机器人是智能机器人，它不但有第二代机器人的感觉功能和简单的自适应能力，而且能充分识别工作对象和工作环境，并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动
14、作，是人工智能发展到高级阶段的产物，也是当今机器人发展的重点和热点。随着机器人技术的发展，机器人的用途越来越广，开始从传统的工业领域，向军事、公安、医疗、服务等领域渗透。与此同时，机器人的概念也越来越宽，己从狭义的机器人，开始向机器人技术扩展。世界上一些发达国家，都非常重视机器人技术的研究，都将机器人作为一个战略高技术给予支持。这是因为机器人不仅将形成一个大产业，而且将对国家的综合国力，对国家的可持续发展有着巨大而深远的影响。1.3嵌入式系统的设计简介 嵌入式系统设计是一个很复杂的过程，在设计嵌入式的过程中，不仅要对设计嵌入式系统的软硬件有很广泛的了解，同时还要熟悉行业的内容。下面是设计过程中
15、必须考虑的一些问题: (l)需要硬件的数量。 在系统设计中，不仅要选择使用何种微处理器，还要选择存储器的数量、所使用的外设及其它的内容。因为在满足性能要求的同时也要考虑制造费用的约束，硬件设备的选择是十分重要的，硬件太少，将不能达到性能的要求，硬件设备过多又会使产品变得过于昂贵。 (2)时限要求。 通过提高CPU的时钟频率的方法来提高程序运行速度以解决时间约束的方法显得十分笨拙，因为程序的速度有可能受存储系统的限制，因此必须从整个系统的观点来考虑这个问题。 (3)系统的功耗。 对于电池供电的电器而言，功耗是一个十分重要的问题;对于非电池供电的电器而言，高功耗也会带来高的散热量。降低系统功耗的一
16、种方法就是降低它的运算速度，但是单纯的降低运算速度显然会导致不能满足性能需求。所以必须从全局的角度进行设计，以便通过降低系统非关键部分的速度来降低系统功耗，而同时又能满足系统整体性能的要求。 (4)系统的可升级性。 系统的硬件平台可能使用几代，或者使用在同一代的不同级别的产品中，而这些仅仅需要一些简单的改变就应实现，所以我们必须能够通过改变软件来改变系统的特性。这就要求我们在软件设计中必须考虑系统的升级问题。进行嵌入式系统设计有两种最基本的方法。一种是自顶向下的方法，从对系统最抽象的描述开始，一步一步地推进到细节内容。另外一种方法是自底向上的方法，这种方法从构成系统的每一个构件开始向上。图1.1汇总了嵌入式系统设计的主要步骤。从自顶向下的角度来看，先从系统的
