类人型机器人项目总体设计报告编制单位：作者：版本：发布日期：审核人：批准人：目录1.引言 (1)1.1背景 (1)1.2定义 (2)1.2.1专门术语的定义 (2)1.2.2外文首字母组词的原词组 (2)1.3参考资料 (3)2.总体设计 (3)2.1开发与运行环境 (3)2.1.1系统硬件运行环境 (3)2.1.2系统软件运行环境 (4)2.2硬件功能描述 (4)2.3硬件结构（如图2所示） (4)3.硬件模块设计 (4)3.1机器人套件 (5)3.1.1舵机 (5)3.1.2机器人合金零件 (7)3.2舵机控制器电路 (7)4.嵌入式软件设计 (8)4.1流程逻辑 (8)4.1.1程序流程图 (8)4.1.2程序流程图简述 (9)4.2算法 (9)4.2.1主要计算方法 (9)4.2.2源程序说明 (10)5.系统调试与总结 (13)5.1系统调试 (13)5.1.1单个舵机的研究和控制 (13)5.1.2单个舵机的研究和控制 (15)5.1.3机器人下肢运动的动作分解及实现 (15)5.2总结 (16)5.2.1总结一（作者：王刚） (16)5.2.2总结二（作者：赵爱芳） (19)5.2.3总结三（作者：刘丹） (24)5.2.4总结四（作者：张瑞娜） (24)附录一系统源程序 (32)1.引言类人型机器人是现在机器人研究领域的一个热点，无论是SONY公司不断更新的“阿西莫”机器人，还是每年在机器人世界杯上不断推陈出新的足球机器人，大家都把目光聚焦于更加拟人化的类人型双足行走机器人。
基于双足平台的机器人要正常工作首先需要能够平稳的行走，而双足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。
它具有支撑面积小、支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点，是最复杂、控制难度最大的动态系统。
但由于双足机器人比其它足式机器人具有更高的灵活性，因此具有自身独特的优势，更适合在人类的生活或工作环境中与人类进行协同工作，而不需要专门为其对这些环境进行大规模改造。
例如代替危险作业环境中（如核电站）的工作人员，在不平整地面上搬运货物等等。
此外将来社会环境的变化使得双足机器人在护理老人、康复医学以及一般家务处理等方面也有很大的潜力。
目前对双足行走机构的研究主要基于仿生学原理与动态控制原理，SONY公司的“阿西莫”主要基于仿生学原理，这种研究方式也是类人型机器人舞蹈比赛与人形组机器人足球比赛中常见的控制方式，因为这种控制方法容易上手，能够从最简单的步伐控制开始了解类人型机器人控制的基本原理。
1.1背景本小组以类人型机器人为课题，着重研究类人型机器人的结构与控制原理，掌握舵机的控制方式，掌握双足步行机器人步伐调整原理。
项目初期主要以上海英集斯公司的8自由度双足步行机器人为研究平台，以最基本的对单个舵机结构的研究及运动控制为起点，从而从每一个关节开始了解类人型机器人的组成，逐步过渡到多个舵机的联动控制，最终基本实现类人型机器人下肢的行走运动。
项目任务提出者：项目开发者：王刚、刘丹、张瑞娜、杨亮、赵爱芳（按姓氏笔画由小到大排列）软件开发者：王刚、杨亮、赵爱芳系统调试：张瑞娜、刘丹项目用户：每个爱好机器人的人。
系统运行环境：伟福系列单片机仿真器H51/L、单片机仿真软件Wave6000、单片机最小系统电路板。
1.2定义1.2.1专门术语的定义舵机：又称伺服电机，是机器人动力及动作的来源部件。
自由度：机器人运动到空间的位置是由肢体关节各自独立运动的合成来确定的。
机器人每个构件（如臂部、腕部等）相对于固定坐标系所具有的独立运动能力称为自由度。
机器人自由度是衡量机器人技术水平的一个重要参数，自由度越多，机器人可实现的动作越复杂，通用性就越好。
通常，机器人身上一个舵机代表一个自由度。
时间片：将某一段时间划分为若干等份，其中一小等份称为一个时间片，MCU可在不同的时间片执行不同的命令。
1.2.2外文首字母组词的原词组1.0 1.7P P：在本文中代表AT89S52单片机的HPI（主机接口），即I/O口P1口。
Pulse Width Modulation脉宽调制。
PWM：()servo servo：代表8自由度双足步行机器人的8个舵机。
18state：机器人动作状态数。
在程序设计的过程中采用状态机的设计思路，将机器人行走的每个动作设计为一个状态。
dj num：机器人自由度，即舵机的个数。
_1.3参考资料[1]李朝青.单片机原理及接口技术(第三版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.9[2]金钟夫,杜刚,王群,徐宗完.AVR ATmega128单片机C程序设计与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.1[3]佟长福.AVR单片机GCC程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.1[4]梁静强,许瑛,彭应龙.双足步行机器人的结构及其控制系统设计[D].南昌:南昌航空工业学院航空与机械工程系.2003.3[5]吴华波,钱春来.基于AT89C2051的多路舵机控制器设计[D].嘉应学院.2006.8[6]时玮.今日电子, Electronic Products China[J].北京:北京交通大学.2005.10[7]英集斯公司.双足步行机器人使用说明书[8]/kns50/index.aspx2.总体设计2.1开发与运行环境2.1.1系统硬件运行环境对于双足步行机器人，由于其本身8自由度的缺陷，使其只能在平整且粗糙的平面上平稳的行走。
该系统设计采用的是基于AT89S52系列单片机的舵机控制电路板。
图1 舵机控制电路板2.1.2系统软件运行环境程序的软件设计阶段利用Wav6000系列单片机仿真器进行在线的编程调试，在PC机上编写，然后通过串口COM1下载至仿真器，实现在线编程调试功能。
软件运行环境为Windows XP。
2.2硬件功能描述本系统硬件可划分为机器人套件和舵机控制器电路板两个部分。
其中机器人套件包括机器人合金零件、舵机（8个）等，机器人合金零件主要用于构建机器人的躯干、四肢及各部位连接件，而舵机用于模仿人的关节，是机器人得以完成动作的基础。
2.3硬件结构（如图2所示）硬件端口定义：舵机控制器电路板上有P1.0至P1.7八个舵机接口，分别定义为（Servo1至Servo8）；每个舵机输出口可以控制舵机转动（-90°至 +90°）。
图2 机器人硬件结构3.硬件模块设计从图2不难看出，该类人型机器人系统的硬件结构不是过于复杂，这是由舵机的控制特点而决定的。
该系统主要由基于AT89S52单片机的控制电路发出8路PWM信号，分别对8路舵机进行控制，舵机的运动带动了机器人肢体的运动，将不同的动作进行组合便可实现机器人的整体运动。
3.1机器人套件3.1.1舵机1．舵机概述：又名伺服电机，是一种位置（角度）伺服的器件，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，在微机电系统和航模中，它是一个基本的输出执行机构。
舵机的外形及其内部结构见图3。
图3 舵机的外形及其内部结构（2）工作原理：PWM 信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。
它内部有一个基准电路，产生周期为20ms ，宽度为1.5ms 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。
最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。
当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。
舵机的控制信号是PWM 信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。
（3）标准的舵机由3条导线（如图4所示），分别是：电源线、地线、控制信号线。
电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源，电压通常介于4—7.2V ，一般取5V 。
注意，给舵机供电的电源应能提供足够的功率。
控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms （即频率为50Hz ）。
当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲电源线VCC 地线GND 控制线图4 标准舵机宽度的变化成正比。
舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图5来表示。
对于舵机，其转角为一个绝对位置，即给一定脉宽的信号，舵机会转动到固定的转角位置，不管其上一个时刻的位置如何。
例如：当输入信号的脉宽为2.0ms时，舵机便会转到135°的位置，这个位置的图5 舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系定位是由舵机内部电路自动反馈校正完成的。
（4）本系统中舵机的型号及相关参数：MG995金属齿轮结构双滚珠轴承连接线长度：300mm尺寸：40mm×20mm×36.5mm重量：62g技术参数：无负载速度0.17秒/60度（4.8V）、0.13秒/60度（6.0V）扭矩：11Kg·m使用温度：-30——+60℃死去时间：4us工作电压：3.0V——7.2V3.1.2机器人合金零件将机器人的合金零件与舵机进行连接组装便可得到机器人的躯干和肢体，对于不同机器人套件生产商，其零件的种类也不尽相同，本系统的零件主要有舵机连接件、左脚、右脚、有丝舵盘、无丝舵盘、电池盒等零件。
具体组装图及组装步骤参见《双足步行机器人使用说明书》。
3.2舵机控制器电路舵机的控制信号是一个占空比可调的PWM信号，该PWM信号可由FPGA、CPLD、模拟电路或单片机产生。
采用FPGA成本较高，用模拟电路来实现则电路较复杂，不适合作多路输出。
一般采用单片机作舵机的控制器，目前采用单片机做舵机控制器的方案比较多，可以利用单片机的定时器中断实现PWM，本系统采用的单片机是51系列中的AT89S52单片机（如图1所示）。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 工艺的8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash。
AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节点模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
该控制板系一单片机最小系统开发板，直接从P1口输出8路信号分别控制8路舵机。
该模块设计人：杨亮4.嵌入式软件设计4.1流程逻辑4.1.1程序流程图#假设一个动作由state个状态组成，舵机个数为_dj num；#建立一个state行_dj num列的一个数组；#每一行都是一个状态所要求舵机应该到达的位置；#一维数组[_]dj dj num用来储存每个舵机的实时位置；#假设舵机的初始值为89度，初始的目标位置为90度，并把这个状态定为第0个状态，只有初始化时执行这个状态。