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小型仿人机器人系统的设计
XX，XX，XXX（XXXXXXXX，XXXXXXXXX )
摘要；提出了一款新颖的小型开环控制双足行走机器人系统，该系统由机械系统、驱动系统和控制系统3 部分组成。关节自由度为21 个，比目前流行的小型机器人的17 自由度增加了4 个自由度，实现了机器人的协调稳定运动，5 SC 一32 舵机控制器的应用使机器人的运动程序编写更加便利，从而可以使设计人员把主要的精力用于动作的设计。关键词：仿人机器人；5 sc 一32 舵机控制器；舵机；ATmega16
中图分类号：T 尸242 文献标识码：A 文章编号：1 002 一2333 ( 2008 ) 10 一0058 一。nesign of a Mini 一biped Humanoid Robot ' 5 System
MENG Kai , HE Qing 一zhong , ZHANG Rui 一yang
( 51 , lluan University of Soience & Eogineering , Zigong 643000 , China )
Abstract : Thi 、I ) al ) eld ，、、（rihes a new mini 一bipe ( 1 hunlanoid rohot syste 订1 ( ontrolled hy ( ) l ) en ，• i , cle , ( , ' ) I , IPosedo , i m , ：〔 ha , 11 ( al systenl 、，( lriving system and ( ( ) ntr 。）1 systenl . It has 21 degrees of free whioll has 4 degrees 。）f lree nl , ) re than I ）。）polar rohot desig , 1 witlll7 ( legrees of free . It ( a , 1 make the movement cooldinateda , id applied SSC 一32 、elve 一Ir , ot 。），• 〔 ont , oller , tlle ( o , npiling of nl , ) vingf ) r ( ) gra 汀］15 nl 。）Ie conveniellt than bef ( ) re , afld the designer （、an poym ( ) re attell 之i ( ) ，、[ or ( ) l ) ( ) t ' s 仃l ' ) v ing design .
Key words : biped hurnan 。，i ( lr ( ) h ( ) t ; SSC 一32 serve 一i , l , ) tor controller ; serve 一motor ; Al ' mega16
双足步行是高级生物所特有的运动形式、）国外自1 % 0 年代以来就开始了双足步行机器人的研究，1972 年日本早稻田大学加滕一郎等首先研制出r WL 一5 ，直至近几年来受到广泛关注的日本本田公司的ASIMO ，双足步行机器人的研究已取得了长足的进步’2 〔 双足小型行走机器人的研究现已成为了研究的热点，日前的小型行走机器人主要应用于娱乐，对它研究的价值却不仅体现它的娱乐功能，随着对双足机器人的研究，所得到的研究成果也在自动化、军事、汽车等产业得到了厂泛的应用。因此，对双足机器人的研究具有较强的理论和实用价值。1 设计实现目标
本设计暂时只对机器人的双足行走功能和各关节的协调运动进行研究，对其它的视觉、触觉等人类器官的高级功能暂时不于仿生研究、本次设计主要完成的设计目标是：( l ）模拟人的行走过程，包括直线行走或转弯行走，实现髓关节的3 自由度运动和肘关节的2 自由度运动；( 2 ）行走过程平稳，动作连续；( 3 ）小型化，实际的高度在450mm 左右，重址在Zkg 左右；( 4 ）采用半闭环控制及通用的零件，是机器人的制作成本最低化3
2 机器人的自由度分配
人类的身体有许多的肌肉和骨骼组成，要实现对人类器官运动的精确仿生却是很难实现的气通过研究我们知道，通过下肢双腿12 个自由度的模拟就能很好地实现人的双腿的行走功能，而卜肢在行走的过程当中也扮演了重要的角色，它可以在行走的过程当中通过一定的运动平衡机器人的惯性力矩。下肢中，跺关节设计2 个自由
度，膝关节设计l 个自由度，跨关节设计3 个自由度仁肢设计9 个自由度，头部1 个自山度，肩部2 个自由度，肘部2 个自由度，手在行走过程中的自由度可以忽略，不影响行走运动的状态，故没有对手部的关竹进行仿生自由度的设计方案如图l 。根据自由度的设计完成的机械部分如图2 。
优点
微型伺服马达内部结构
TowerPro 一MG995 ，性能
微型伺服电机内部包括了一个小型直流电机、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器及一块电子控制板。结构如图3 。
根据相关
40 , 6mmxlg 名x37 , 8mln / 55 . 2 只
无负载速度
堵转扭矩结构要点
4 . 8 一72V
0245 / 600 ( 60V ) 02 、／600 ( 7 . 2V )
13ok 岁cm ( 6 刀v ) / 15okg / cm ( 72V ) 双滚珠轴承、金属齿轮、三级转子
参考资料，利用微型伺服马达驱动关节机器人，通常扭矩为3 . Ik 沙m 的伺服马达可以
驱动0 . 45kg 的机器人。TowerPro 一MG995 型伺服马达最大扭矩为15k 沙m ，故必须使机器人质量控制在2 . 15kg 之内。经过比较选择，最后决定选用TowerPro 一MG995 型伺服马达作为关节驱动元件。详细参数见表1 。
3 . 2 控制单元的设计
控制单元分为两部分：主控电路；伺服电机驱动电路。主控芯片用串行通讯的方式发送控制字符到伺服电机驱动电路使电机转动。
主控芯片采用8 位AVR 的ATmegal6 微控制器。它是基于增强的AVR RISC 结构的低功耗8 位CMOS 微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmegal6 的数据吞吐率高达IMIPS / MHz ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
图4 SSC 一32 舵机控制器
伺服电机驱动器采用SSC 一犯舵机控制器（见图4 ）。这是一款功能较强、体积较小的舵机控制器。它有着很高的位置精度以及运动精度。
SSC 一32 的特性：
角度控制范围：1800 ；伺服精度：l 林S , 0 . 90 ；伺服速度精度：1 娜／s ；伺服控制方式：即时控制、时间控制、速度控制和同步控制；最大控制舵机数量：犯个。
一｝它可以通过串
14 ( l 谧XI ) PI ) ( ) ) 15 门xl 〕 日）] )
串口通讯接线图
口接口与电脑串口直接连接，通过电脑控制多舵机的协调运行，也可以通过选用其他的微控
制器控制。本设计一过程中结合两种工作方式的优点。在机器人的动作设计调试阶段采用的是与电脑直接连接的工作方式，这样给调试机器人的动作带来了很大的便利，可以随时在线对机器人的动作进行修正。完成动作设计后，在演示过程中，采用ATmegal6 微控制器控制它，这样就机器人就脱离了串口接线的限制，使机器人做动作过程
不受外部条件限制。SSC 一32 的通讯方式如图5 。4 控制程序
4 ．了控制程序的初始化
首先进行上位机的初始化，也就是对ATmegal6 微处理器的数据发送器（USART ）的初始化。初始化的过程包括波特率的设定合帧机构的设置，以及根据需要使能接收器和发送器。TXC 标志位可以用来检验一个数据帧的发送是否完成，RXC 标志位可以用来检测接收缓冲器中是否还有数据未读出。在每次的数据发送前，必须将TXC 标志位清零。下面是用C 语言进行USATR 的初始化程序〔 51 。
void uSART _ Init ( unsigned int baud )
{
/ ＊设置波特率＊/
UBRRH = ( unsigned char ) ( baud > > 8 ) ;
UBRRL 二（unsigned char ) haud ;
/ ＊接收器与发送器使能＊/
UCSRB 二（l < < RxEN ) ! ( l < < TXEN ) ;
/ ＊设置帧格式：8 个数据位，2 个停止位叼
UCSRC = ( l < < URSEL ) I ( 1 < < USBS ) l ( 3 < < UCSZO ) ; }
4 . 2 控制字符的发送
置位UCSRB 寄存器的发送使能位TXEN ，将使能USART 的数据发送。使能后TXD 引脚的通用1 / 0 功能被USART 功能所取代，成为发送器的串行输出引脚。发送数据之前要设置好波特率、工作模式与帧结构。发送5 到8 位数据位的帧将需要发送的数据加载到发送缓存器将启动数据发送。加载过程即为CPu 对uDR 寄存器的写操作。当移位寄存器可以发送新一帧数据时，缓冲的数据将转移到移位寄存器。当移位寄存器处于空闲状态（没有正在进行的数据传输），或前一帧数据的最后一个停止位传送结束，它将加载新的数据。一旦移位寄存器加载了新的数据，就会按照设定的波特率完成数据的发送。4 ．了控制字符的执行
SSC 一犯内部规定了自己的控制指令字符，通过ATmegal6 或电脑串口通过控制线向其发送控制指令字符的ASCll 码，当SSC 一32 接收到发送过来的控制字符，并不会立即执行，直到接收到结束字符ASC n 13 （回车）后，控制字符对应的动作才会被执行。一组控制字符中，同类型控制多个舵机的控制字符会被同时执行；不同类型的控制字符不能在一个控制字符组中同时出现。这就实现了同时对多个舵机的有效控制，是每个机器人的关节运动相互协调。
如：机器人的左臂的四个舵机定义为5 号舵机，6 号舵机，2 号舵机3 号舵机。完成一个动作需要5 号、6 号和2 号舵机同时运行时，控制字符串：
呀5 P160O # 17 P75O 5500 # 2 P2250T2000 < cr > ' , 它代表的意思是：5 号舵机转角是1600 林m 的高电平对应的位置；6 号舵机是750 协m 的高电平对应的位置；2 号舵机是2250 协m 的高电平对应的位置。整个过程所用
的时问为25 。在这运动过程中，3 个舵机同时启动，同时停止运行。这种方式在控制机器人的行走过程中能轻松地实现腿部的协调运动。
以往一个微控制器同时控制舵机的数量是由它的计时器决定的，计时器产生的控制脉冲发送到舵机使舵机旋转固定的角度‘" ，现在的这种控制舵机的方式具有很大的优越性，不但机器人的协调问题得到了很好的解决，并巨指令的复杂程度得到r 很大的简化，可以通过简单的指令就得到更复杂的机器人动作
5 结论
本文介绍的小型机器人系统，增加了髓部的自由度，轻易实现17 自由度机器人在行走过程中的转弯问题，肘部增加的2 个自由度使机器人的L 肢运动得到加强。尤其是随着SSC 一犯舵机控制器的使用，机器人的编程难度大为降低，程序占用的存储空间减小许多，使得在程序存储空间不变的情况，存储更多的动作指令，机器人的动作
更加丰富，并且机器人运动的协调稳定性得到了强化。〔 参考文献〕
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「6 ] BehnkoS ( ) nline trajectory genofatio ，、f ( ) ro , nni ( lir 。（tio , lal 11ipeol walking [ C ］胭loc . I （二RA 2006 . 11 ; EE . Orlan . lo , 2006 : 1597 一1603 . （编辑）作者简介：XX（1981 一），男，硕士研究生，主要从事仿生机器人系统、机电一体化技术方面的研究
XXX（1 % 2 - - ) ，男，教授，研兄方向为机械设计制造及自动化。收稿日期：2008 一08 一06
60 机械工程师2 。。8 年第10 期

jjldc

研究生论文还是有一定的价值的
至少他篇幅较长，对一个系统有较全面的分析说明，对一个东西有个比较完整的总结

JJLuo

我靠，这个东西怎么这么熟悉呢...

aa513721

所谓论文 你抄我的 我抄你的 东改点 西加点 OK

ok924

超级同意一楼的说法