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《土木工程专业英语》段兵延第二版全书文章翻译.docx 41页
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《土木工程专业英语》段兵延第二版全书文章翻译
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第一课土木工程学土木工程学作为最老的工程技术学科，是指规划，设计，施工及对建筑环境的管理。此处的环境包括建筑符合科学规范的所有结构，从灌溉和排水系统到火箭发射设施。土木工程师建造道路，桥梁，管道，大坝，海港，发电厂，给排水系统，医院，学校，公共交通和其他现代社会和大量人口集中地区的基础公共设施。他们也建造私有设施，比如飞机场，铁路，管线，摩天大楼，以及其他设计用作工业，商业和住宅途径的大型结构。此外，土木工程师还规划设计及建造完整的城市和乡镇，并且最近一直在规划设计容纳设施齐全的社区的空间平台。 土木一词来源于拉丁文词“公民”。在1782年，英国人John Smeaton为了把他的非军事工程工作区别于当时占优势地位的军事工程师的工作而采用的名词。自从那时起，土木工程学被用于提及从事公共设施建设的工程师，尽管其包含的领域更为广阔。领域。因为包含范围太广，土木工程学又被细分为大量的技术专业。不同类型的工程需要多种不同土木工程专业技术。一个项目开始的时候，土木工程师要对场地进行测绘，定位有用的布置，如地下水水位，下水道，和电力线。岩土工程专家则进行土力学试验以确定土壤能否承受工程荷载。环境工程专家研究工程对当地的影响，包括对空气和地下水的可能污染，对当地动植物生活的影响，以及如何让工程设计满足政府针对环境保护的需要。交通工程专家确定必需的不同种类设施以减轻由整个工程造成的对当地公路和其他交通网络的负担。同时，结构工程专家利用初步数据对工程作详细规划，设计和说明。从项目开始到结束，对这些土木工程专家的工作进行监督和调配的则是施工管理专家。根据其他专家所提供的信息，施工管理专家计算材料和人工的数量和花费，所有工作的进度表，订购工作所需要的材料和设备，雇佣承包商和分包商，还要做些额外的监督工作以确保工程能按时按质完成。贯穿任何给定项目，土木工程师都需要大量使用计算机。计算机用于设计工程中使用的多数元件（即计算机辅助设计，或者CAD）并对其进行管理。计算机成为了现代土木工程师的必备品，因为它使得工程师能有效地掌控所需的大量数据从而确定建造一项工程的最佳方法。结构工程学。在这一专业领域，土木工程师规划设计各种类型的结构，包括桥梁，大坝，发电厂，设备支撑，海面上的特殊结构，美国太空计划，发射塔，庞大的天文和无线电望远镜，以及许多其他种类的项目。结构工程师应用计算机确定一个结构必须承受的力：自重，风荷载和飓风荷载，建筑材料温度变化引起的胀缩，以及地震荷载。他们也需确定不同种材料如钢筋，混凝土，塑料，石头，沥青，砖，铝或其他建筑材料等的复合作用。水利工程学。土木工程师在这一领域主要处理水的物理控制方面的种种问题。他们的项目用于帮助预防洪水灾害，提供城市用水和灌溉用水，管理控制河流和水流物，维护河滩及其他滨水设施。此外，他们设计和维护海港，运河与水闸，建造大型水利大坝与小型坝，以及各种类型的围堰，帮助设计海上结构并且确定结构的位置对航行影响。岩土工程学。专业于这个领域的土木工程师对支撑结构并影响结构行为的土壤和岩石的特性进行分析。他们计算建筑和其他结构由于自重压力可能引起的沉降，并采取措施使之减少到最小。他们也需计算并确定如何加强斜坡和填充物的稳定性以及如何保护结构免受地震和地下水的影响。环境工程学。在这一工程学分支中，土木工程师设计，建造并监视系统以提供安全的饮用水，同时预防和控制地表和地下水资源供给的污染。他们也设计，建造并监视工程以控制甚至消除对土地和空气的污染。他们建造供水和废水处理厂，设计空气净化器和其他设备以最小化甚至消除由工业加工、焚化及其他产烟生产活动引起的空气污染。他们也采用建造特殊倾倒地点或使用有毒有害物中和剂的措施来控制有毒有害废弃物。此外，工程师还对垃圾掩埋进行设计和管理以预防其对周围环境造成污染。交通工程学。从事这一专业领域的土木工程师建造可以确保人和货物安全高效运行的设施。他们专门研究各种类型运输设施的设计和维护，如公路和街道，公共交通系统，铁路和飞机场，港口和海港。交通工程师应用技术知识及考虑经济，政治和社会因素来设计每一个项目。他们的工作和城市规划者十分相似，因为交通运输系统的质量直接关系到社区的质量。渠道工程学。在土木工程学的这一支链中，土木工程师建造渠道和运送从煤泥浆(混合的煤和水)和半流体废污，到水、石油和多种类型的高度可燃和不可燃的气体中分离出来的液体，气体和固体的相关设备。工程师决定渠道的设计，项目所处地区必须考虑到的经济性和环境因素，以及所使用材料的类型——钢、混凝土、塑料、或多种材料的复合——的安装技术，测试渠道强度的方法，和控制所运送流体材料保持适当的压力和流速。当流体中携带危险材料时，安全性因素也需要被考虑。 建筑工程学。土木工程师在这个领域中从开始到结束监督项目的建筑。他们，有时被称为项目工程师，应
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范文一：Honda的直立行走机器人ASIMO简介想象一下未来的生活，在你家里帮你煮饭，帮你做家务，帮你打扫房间或者在你工作的时候递上一杯热热的咖啡？机器人已经能够代替人类做很多人类不想做的事情，甚至不能做的事情。在世界各地的很多现代化工厂中，机器人已经很早就代替工人组装汽车，尤其是那些重复性很高的工作。现在的商场里，也早已开始出售各种类型的清洁机器人，能够自动帮助你清洁家里的地面，虽然目前功能上单一了一点，但是毕竟也帮你做了不少工作。日本的本田公司（Honda）在1986年就开始类人机器人的研究工作，到了2006年为止已经整整20年了。在这20年中，他们在这个领域取得了举世瞩目的成绩，的研制成功让Honda公司成为目前这个领域最领先的公司。在这篇文章中，我们将详细了解一下ASIMO是如何工作的，基本的原理是什么。ASIMO的名称由来ASIMO, 代表 Advanced Step in Innovative Mobility。是日本本田公司开发的目前世界上最先进的步行机器人。也是目前世界上唯一能够爬楼梯，慢速奔跑的双足机器人。虽然其它公司也有类似的双足机器人，但是没有任何一家的产品能在步态仿真度上面能达到ASIMO的水准。除了ASIMO杰出的步行能力以外，ASIMO的智能也同样出色。语音识别功能以及人脸识别功能能够使用语音控制ASIMO以及使用手势来进行交流。不仅如此，ASIMO的手臂还能够开电灯，开门，拿东西，拖盘子，甚至还能推车。图1：ASIMOHonda眼中的ASIMOHonda希望开发出的机器人是能够帮助人类，尤其是老年人的人类助手，而不是一个高科技玩具。因此ASIMO被设计成1.2米的高度，正好能够和轮椅上的人平视。这让ASIMO看上去非常有亲和力，因为大尺寸的机器人会让人有威胁感，小孩子也不会喜欢一个太高大的家伙。同时，这个高度也正好让ASIMO能够拿取桌子上的物体，如图2所示。这个设计因素在ASIMO被创建之初就已经考虑到了，可见Honda工程师们的用心良苦。图2：1.2米的高度正好让ASIMO能够拿取屋内多数的物品ASIMO的结构：类似人类的身体结构Honda的工程师们在项目初始阶段花费了大量的时间研究了昆虫，哺乳动物的腿部移动，甚至登山运动员在爬山时的腿部运动方式。这些研究帮助工程师们更好的了解我们在行走过程中发生的一切，特别是关节处的运动。比如，我们在行走的时候会移动我们的重心，并且前后摆动双手来平衡我们的身体。这些构成了ASIMO行走的基础方式。在行走过程中，我们的脚趾也扮演了非常重要的角色，在平衡我们身体上起了很大的作用。在ASIMO的脚上也有类似的机理，而且还使用了吸震材料来吸收行走过程中产生的对关节的冲击力，就像人类的软组织一样。图3：ASIMO正面照ASIMO和人类一样，有髋关节，膝关节和足关节。机器人中的关节一般用“自由度”来表示。一个自由度表示一个运动可以或者向上，或者向下，或者向右，或者向左。ASIMO拥有26个自由度，分散在身体的不同部位。其中脖子有2个自由度，每条手臂有6个自由度，每条腿也有6个自由度。腿上自由度的数量是根据人类行走，上下楼梯所需要的关节数研究出来的。图4：ASIMO关节图ASIMO身上两个保证了ASIMO能够正常行走，它们是速度传感器和陀螺传感器。它们主要用来让ASIMO知道他身体目前前进的速度以及和地面所成的角度，并依次计算出平衡身体所需要调节量。这两个传感器起的作用和我们人类内耳相同。要进行平衡的调节，ASIMO还必须要有相应的关节传感器和6轴的力传感器，来感知肢体角度和受力情况。ASIMO的动作：类似人类的步行方式除非你很了解机器人学，否则你很难想象要让ASIMO象人类这样行走是多么的困难，而ASIMO又是如何令人难以置信的达到这个程度的。ASIMO的行走中最重要的部分就是它的调节能力。ASIMO除了能像人类一样正常的步行之外，它还能对行走过程中遇到的情况进行自我调节。比如在有一定斜度的平面上行走，甚至有可能在行走过程中被人推了一下，ASIMO都能快速对这些情况进行及时地处理，并进行相应的姿态调节，以确保能够正常的行走。为了实现这些，ASIMO的工程师们需要考虑ASIMO在行走中产生的惯性力。当机器人行走时，它将受到由地球引力，以及加速或减速行进所引起的惯性力的影响。这些力的总和被称之为总惯性力。当机器人的脚接触地面时，它将受到来自地面反作用力的影响，这个力称之为地面反作用力。所有这些力都必须要被平衡掉，而ASIMO的控制目标就是要找到一个姿势能够平衡掉所有的力。这称做"zero moment point" (ZMP)。当机器人保持最佳平衡状态的情况下行走时，轴向目标总惯性力与实际地面反作用力相等。相应地，目标ZMP与地面反作用力的中心点也重合。当机器人行走在不平坦的地面时，轴向目标总惯性力与实际的地面反作用力将会错位，因而会失去平衡，产生造成跌倒的力。跌倒力的大小与目标Z/article/直立行走机器人.htmMP和地面反作用力中心点的错位程度相对应。简而言之，目标ZMP和地面反作用力中心点的错位是造成失去平衡的主要原因。假若Honda机器人失去平衡有可能跌倒时，下述三个控制系统将起作用，以防止跌倒，并保持继续行走状态。 ? 地面反作用力控制：脚底要能够适应地面的不平整，同时还要能稳定的站住。? 目标ZMP控制：当由于种种原因造成ASIMO无法站立，并开始倾倒的时候，需要控制他的上肢反方向运动来控制即将产生的摔跤，同时还要加快步速来平衡身体。? 落脚点控制：当目标ZMP控制被激活的时候，ASIMO需要调节每步的间距来满足当时身体的位置，速度和步长之间的关系。图5：ASIMO的步态控制ASIMO的动作：稳步的行走ASIMO能够感应到即将摔倒的情况，并能够很快对此做出反应；但是ASIMO的工程师想要更多的功能。他们不但想让ASIMO能够行走的更顺畅，还想让ASIMO能够在不停止的情况下转身。目前绝大多数其它类人机器人无法做到这一点。图6：ASIMO的腿部特写当我们走到弯角处需要转身的时候，我们将我们身体的重心移到转身的位置。ASIMO使用了一种叫做 “动作预测控制”，也叫做“iWalk”技术来实现。ASIMO需要预测转身所需要的重心的移动的位置以及持续时间。由于这个技术是实时（Real Time）技术，因此ASIMO能够不需要停止就能够转身，实现边走边转身。图7：重心移动原理本质上，ASIMO每走一步，他就需要计算一次他的重心位置以及惯量，并预测在下一步移动后的位置，同时计算出所需要的重心移动距离。他主要通过调节以下4个因素：? 步长：每步行走的长度? 位姿：身体的位置? 速度：整体移动的速度? 行走方向：下一步移动的方向图8：ASIMO的控制流程ASIMO的动作：上下楼梯上下楼梯的动作如果只是靠事先的程序输入的话绝对不可能实现。即使是输入了阶梯的高度及前后的距离，如果多达29层的话，也会因误差累积而无法正常走下来。为此，Honda在ASIMO的每只脚上，都装了一个6轴力传感器，用来监测每一步的稳定程度。再结合陀螺仪和，ASIMO使用了独特的数学算法来让他上下楼梯，并能够上下斜坡而如履平地。Honda的工程通过使其脚内侧不紧贴地面、脚趾比台阶边缘向前探出少许这样的站立方式来探测出台阶的边缘。在这一状态下，如果通过脚底的压力传感器进行压力分布测量的话，可以预先测出边缘的位置。下楼梯时的着地点也可以同样进行预测。虽然操作人员向ASIMO输入了楼梯大致的高度，但是最终则是通过 ASIMO足底的传感器来确认楼梯位置的。不只是下楼梯，ASIMO还能够在斜坡上转弯。这时由于ASIMO的每一步都要变换姿势，并改变与ZMP的关系，较下楼梯难度更大。下楼梯与在斜坡转弯使用了相同的算法，因此不需要改变模式。
范文二：行走机器人：揭示人类直立行走奥秘上网时间: 日德国研究人员近日表示，一种可以适应不同物理位置的行走机器人将可以帮助科学家理解人类如何行走的奥秘，在将来的某一天，它甚至能提高针对脊髓和其它伤病的治疗水平。据它的发明者表示，这个名为RunBot的30厘米高机器人之前只能在平地上行走，遇到斜坡就会翻倒。但研究人员指出，自从采用了一个红外眼之后，这个机器人现在已经可以探测到前方的斜坡，并在4～5次尝试之后调整自己的步伐，通过斜坡。在学会直立行走之前，这个机器人总是不断跌倒，但它每秒可迈出3～4步长，比普通人类每秒1.5～2.5的步长要快。参与RunBot设计的德国哥廷根大学研究人员Florentin Woergoetter表示：“它还在试用过程中，不断从失败中吸取经验。”“它需要摔倒4～5次才能学会这样行走。”Woergoetter在《计算生物学》杂志上发表了自己的研究成果，并把RunBot这一学习过程比作一个小孩学习行走。和人类一样，RunBot在直立行走时会稍稍前倾，步伐会更短一些。这种机器人的关键部分在于其“大脑”，它的红外眼和控制电路相连，控制电路会在需要的时候引导它改变步法。之前的/article/直立行走机器人.htm研究显示，人体内的动力控制系统包含了多个层级，肌肉和脊髓之间的交互作用主要取决于其本身，直至需要大脑来进行更高级别的控制。Woergoetter表示，这一关系可以解释为什么有些瘫痪患者在踩脚踏车时腿可以动，却无法站立起来行走。这也是他们研究的核心之处。他还指出，通过研究机器人来进一步了解人体各个不同部分如何在行走时互相协作，对于改进人体卫生保健有着实质性的作用。它不仅能让人们设计出更好的假肢修补方法，还能帮助临床医学专家和病人齐心协力治疗病人的脊髓和其它重病，使之重新恢复运动能力。Woergoetter表示：“这一机器人就是人类直立行走的一个模型，将帮助我们进一步理解人类直立行走的奥秘，带来更好的治疗方法。”
范文三：直立行走机器人腿部平衡系统《工业控制计算机》2010年23卷第1期13直立行走机器人腿部平衡系统ErectionRunAboutsRobotLegDepartmentEquilibriumSystem汤德荣（安徽机电职业技术学院，安徽芜湖241000）摘要虽然机器人的研究、制作和使用已经有几十年的历史，但是双足直立行走的机器人世界上很少。主要因为稳定性控制及双足行走控制非常复杂，但为了研究出与人更加接近的机器人，这是必须克服的难关。主要是解决直立行走机器人腿部平衡的问题，包括硬件设计和软件的设计，侧重于对硬件的设计，即着重介绍直立行走机器人腿部平衡系统的相关知识、设计目的、设计思路、方案的确定、原理设计及分析、硬件调试。关键词：机器人，单片机，A／D，D／A，传感器AbstractThisdesignprimarilyisasolutiontheerectionrunabouttherobotlegthedepartmenttheproblemforequilibriumly．In-cludethehardwaredesignwiththesoftware＇sdesign,layemphasisindesignhardware,thenputgreatemphasisonthein-troductiontheerectiontorunabouttherobotlegthedepartmenttherelatedknowledgeforequilibriumsystem,designpur-pose,designthewayofthinking,projectreallysettle,principledesignandanalysis,thehardwareregulate．Keywords:robot,thesingle－chip,A／D,D／A,sensor本设计目的主要是研究机器人在重心发生偏移时，由腿部膝关节控制，使膝关节以上部分向前或者向后自动地倾斜，最终达到稳定的方法。本设计采用80C51系列单片机作为核心的控制元件，控制电机的转向、转速。并为电动机制作专门的驱动和转向电路，另一方面直立行走机器人腿部平衡系统对灵敏度也有很高的要求。本设计由于采用了灵敏系数比较高的压力传感器，来监测机器人重心的偏移。并由单片机控制执行机构，可以随时修正系统，以维持系统的稳定。1设计思想本次设计研究单腿结构的稳定部分的制作和控制方式，包图3方案2系统图括机械部分、电器控制部分和计算机控制程序。由机械结构、电器控制和计算机控制三部分共同完成对稳定的控制，其完整的控制传递函数如图1所示。在系统中，单片机的作用主要是根据采集的比较信号的不同，控制输出，以达到对电机转向，转速的控制。单片机是整个系统的核心部件，系统由它来实现智能化。如果直接用比较器的输出来控制电机。那么整个系统的调节只能用一个速度，系统的可控性大大降低。系统对于可能输入的各种情况，无能为力。相反采用单片机控制则可以考虑系统可能出现的各种情况。以上分析可知，第一种方案比后两种方案从总体上考虑的更为完善，本系统采用第一种方案。图1传递函数3工作原理及分析根据以上设计本系统包括机械部分、电器控制部分和计算2系统方案的确定第一种方案如图2所示。机控制程序。3．1机械结构部分立行走机器人的单下肢机械结构包括大腿、小腿、脚和膝关节，而膝关节弯曲部分是由电机和齿轮组构成的，整体结构如图4所示。（1）使用材料平面有机玻璃50×5×1000mm一块；角形有机玻璃一块，长1000mm，截面如图5所示。（2）整体制作图2方案1系统图基本设计思路是将角形的有机玻璃作为腿的支架，平面有机玻璃作为足底和足的侧面，并用于腿部支架的固定横板。第二种方案如图3所示。由图2、图3可以看出：第二种方案比第一种方案少了单片机。下面来分析不同部分实现的功能。1）将角形有机玻璃截为150mm×4（大、小腿支架各2块）27mm×2（电机固定）；14直立行走机器人腿部平衡系统图4单下肢机构结构图图5平面玻璃尺寸图8传感器减法电路图2）将平面有机玻璃截为15mm×27mm×2（大、小腿支架各一）45mm×75mm×1（足底）；3）足侧面采取特殊形状平面有机玻璃2块，其具体尺寸如图6所示。单位：毫米（mm）。计算后，得到补偿值，再通过D／A（DAC0832）转换器，转换为模拟量后输出到电机的驱动电路。这一部分主要由计算机实现。控制计算部分是整个直立行走机器人腿部平衡系统的核心部分。为了保证电路的可靠工作，整个计算采用数字信号进行。A／D转换器ADC0809就可以实现将模拟信号转换成数字信号。ADC0809是8位逐次逼近型A／D转换器，它的每一通道的转换时间大约100μs，满足可靠性和灵敏度的要求。单片机内部平衡状态的电压的设定是经多次测量平衡状态电压所得到的。机器人控制最终还需模拟信号。数字信号在计算完，得到补偿值图6足侧面尺寸图后，应当转换成模拟信号。DCA0832就可以实现将数字信号与模拟信号转换。DCA0832中有两级锁存器可以工作在双缓冲方式下，在输出模拟信号的同时可以采集下一数字量，这样能有效地提高转换速度。满足灵敏度的要求。（3）驱动电路下肢膝关节的变化是通过电机和齿轮实现的，所以平衡的控制最终是对电机的控制。电机控制分为转向控制电路和驱动电路。（3）电机传动部分齿轮的选择膝盖部分采用电机控制齿轮的方式，使膝关节能够发生转动。而电机的转速大约10000rpm，所以必须进行减速。我们选择3个齿轮组合，使得减速比为336：1，转速降为30rpm。3．2电器控制部分本结构主要通过电器控制部分对下肢膝关节进行控制，改变大腿和小腿之间的角度，使之保持平衡。其系统结构图如图7所示。整个系统结构由四部分组成：重心位置检测、控制计算、驱动电路和下肢反应方式。1）驱动电路，如图9所示，驱动电路实际上是一个利用反相信号求和实现减法运算的减法电路。它由两级运放电路组成。第一级为反相比例放大电路，调节电位器可以使输出电压为－VPOT．M。二级为反相加法电路。不难看出驱动电路的输出电压是两输入端的差值。反相输入结构的减法电路，由于出现虚地，放大电路没有共模信号，故允许两输入的共模范围大，且输入阻抗低。图7电器控制系统结构图（1）重心位置检测重心位置检测部分是指足底的四个压力传感器和计算电路。将贴在足底前方的两个传感器的信号和足底后方的两个传感器的信号相比，利用减法电路得到输出电压，输出电压与重心偏移成比例。此部分的传感器减法电路如图8所示。此电路是利用运算放大器组成的差分电路以实现减法运算。从电路的结构上来看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。在理想运放的情况下，电路存在虚短现象，如果选取电阻值合适的话，输出电压可简化为与Vi1，Vi2的电压差成正比。而输入电压Vi1和图9驱动电路图2）电机转向控制电路，如图10所示，此电路有两个输出端，它们极性的改变就能改变电机的转向。下面我们就来分析一下它的工作原理。两个运放构成两个独立的比较器，为后级提供信号。两个Vi2的值是由压力传感器的压力的大小决定的。在平衡位置时，输入电压Vi1和Vi2的大小相等，所以输出电压为0。机器人腿部平衡系统并不动作，机器人保持平衡。一旦机器人发生倾斜或失去平衡，两个压力传感器所受的压力就不相等了，输出电压NPN型三极管（D526）和两个PNP型三极管（D596）构成两组电路，它们的导通和截止决定了输出电压的正负，电机的正反转。稳压电源分别提供±5V电源。假设输入的信号为正时，通过比较器输出就为负值，此时，OUTPUT1输出为负极性，OUTPUT2输出为正极性，电机反转。相反的如果输入信号为负的话，OU/article/直立行走机器人.htmTPUT1输出为正极性，OUTPUT2输出为负极性，电机反转。Vgout就能反应它们的差值。为后面的电路提供输入信号。（2）控制计算重心位置检测电路的输出电压通过A／D转换器（ADC0809），将模拟量变为数字量后，传入单片机（AT89C51）由单片机的程序控制与平衡状态时的电压相减，算出误差，在通过变换系数的3．3计算机控制部分电机的转向、速度和以及起停都是由单片机控制的。计算机《工业控制计算机》2010年23卷第1期两输入电压的差。极性的正负与输入的电压的大小有关。将驱动电路的输出接到转向电路的输入。测量转向电路的输出Output1、Output2发现两端一正一负。改变输入端的极性，输出15Output1、Output2的极性也改变。驱动转向模块调试成功。3）单片机控制模块调试：在计算机上用单片机仿真软件调试。符合功能要求。4）系统调试：将各个功能模块连接起来组成系统。对整个机器人进行图10电机转向控制电路图调试。将机器人放在一个平面上，机器人处于平衡位置，所以系统并不动作。满足系统功能要求。将机器人放在一个斜面上，改变了机器人的平衡，电机转动，5s后恢复平衡。经测量机器人最大适应25度角。最快响应时间3s，满足指标要求。整个系统调试成功。参考文献［1］李朝青．PC机及单片机数据通信技术［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2000［2］邬宽明．单片机外围器件手册［M］．北京：北京航空航天大学出版社，图11程序流程图接收到经A／D转换后的足底电压差，在程序控制下进行比较计算，得到补偿值。再经过D／A转换，成为模拟量，输出到电机的转向和驱动控制回路。本系统的计算机程序主要由四部分组成，分别为A／D、D／A初始化程序、A／D转换程序、D／A转换程序、稳定控制程序。具体程序流程图如图11所示。4系统测试1）机器人模块调试：将电机通入直流电，电机转动。改变电机的极性，电机反转。说明机器人执行机构模块完好。改变机器人的平衡位置，测的足底两组传感器的电压不相等说明机器人测量机构模块完好。2）驱动转向模块调试：驱动电路的两输入端通入相同电压，测的输出端电压为0，输入端通入不等电压，输出端的电压值为1998［3］李广弟，朱月秀，王秀山．单片机基础［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2001［收稿日期：］!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第12页）数值报文部分：基础自动化PLC上传报文中，数值数据是以原始的二进制格式表示，数值有2字节整数型和4字节的浮点型，在提取数值数据时，首先需要进行字节码转换。同样，在中厚板轧制MES系统在将含有数值的报文发送到PLC中时，也需要进行字节码顺序的转换。信号报文部分：基础自动化PLC上传的报文中，事件或设备状态以字节中的二进制位(bit）表示，判断事件发生或设备状态发生变化需要将各状态位解析出来。在判断设备状态发生变化时，需要将当前状态和前一次的状态进行比较。解析出来的事件或设备状态变化需要被转换成事件报文，传送给中厚板轧制MES的核心程序。3．3远程过程调用与共享内存远程过程调用（RPC）是进程间通信技术之一，在ISO网络通信模式中RPC跨越了传输层和应用层。共享内存是指多个进程可以把一段内存映射到自己的进程空间，以此来实现数据共享和传输的一种机制。中厚板轧制MES系统的开发结合并利用了远程过程调用技术和共享内存机制的特点，大大提高了系统的开发效率和运行效率。图4钢坯温降数据曲线管理画面了良好的实际效果，图4为系统部分运行画面。参考文献［1］张景进．中厚板生产［M］．北京：冶金工业出版社，2005［2］陈瑛．中厚板生产自动化概述［J］．宽厚板，）［3］黄瑞贤．中厚板轧制的计算机生产过程控制［J］．科技资讯，2006（30）［4］何纯玉，吴迪，等．中厚板轧制过程计算机控制系统结构的研制［J］．东北大学学报，）［5］晁飞燕，李淑好．中厚板精轧机二级系统的优化改造［J］．山东冶金，4结束语中厚板的轧制是一个复杂的过程，开发中厚板轧制MES系统是一项复杂的任务，不仅要保证系统的控制精度、计算精度，同时要协调好基础自动化级、人机界面与过程控制系统之间的通讯关系。中厚板轧制MES系统提升了企业中厚板生产过程控制的自动化程度，大大提高了企业中厚板生产的精度和效率。本文设计完成的MES系统已经成功在天津某钢厂投入运行，取得2004（S1）［收稿日期：］
范文四：看到国外最新发布的直立行走机器人，网友感到了深深的担忧…上次做机器狗的著名的波士顿动力公司（Boston Dynamics）又回来了，几个小时前他们在油管上发布了上面这个视频，介绍新一代直立行走机器人 Atlas！·你萌壕，本宝宝就是Atlas·这机器人新卖点还挺多的，比如你别看在雪地里走得像尼古拉斯·赵四，但怎么都不倒。说明了它有强大的自动平衡能力。·本宝宝没醉，走得好着呢·作为双足人形机器人，如何在运动中保持稳定一直是个大难题，这种雪地换别的机器人早摔得爬不起来了。。此外 Atlas 还能完成复杂的全身协同任务，比如把一个 4.5 公斤重的箱子放到货架第二格。·听说你们最喜欢快递小哥了，为了你，我干了·后来，一个拿着棍棒的怪蜀黍研究人员出现，开始了 sm 的戏份…·本宝宝要送快递，你你你你捣什么乱·Atlas 平衡能力超强，一个 4.5 公斤重的东西掉了，重心还是很稳。但接下来的完虐是不是有点过分啊……·你信不信本宝宝还手，打得你娘不认识你·为了防止你好奇它到底受多大的力才会倒，研究人员特地拿大棒子给你演示了一下。·妈的…智障…·酝酿了一下，不屈的它又站起来了！·机器人宝宝心里苦，/article/直立行走机器人.htm宝宝出去静静·这里能看到的功能是激光定位、立体传感，能准确地知道门在哪里，以及怎么开。看到机器人宝宝甩门而去的背影，广大网友若有所思……“完了，这段视频将是之后人工智能反抗人类的导火索。。。”“我感觉这个男的会成为世界上第一个被人工智能杀死的人。”“黑科技啊我擦，机器人要保持平衡是很难的，更何况能反应得这么迅速，说真的，按照这个苗头，机器人有思维也不是梦，到时候这小哥应该会被抓去祭天”“想起了黑客帝国起源里，拥有了自我意识的机器人，因不堪被人类粗暴对待而杀死了对方的情节…”“以后机器人普遍了，估计就会是它们的天下了。。”“
范文五：机器人行走结构机器人行走结构的类型及特点一、 移动机器人行走机构概述机器人行走机构按照其运动轨迹可分为固定式轨迹和无固定式轨迹两种。固定式轨迹主要用于工业机器人，它是对人类手臂动作和功能的模拟和扩展；无固定轨迹就是指具有移动功能的移动机器人，它是对人类行走功能的模拟和扩展。移动机器人的行走结构形式主要有：车轮式移动结构；履带式移动结构；步行式移动结构。此外，还有步进式移动结构、蠕动式移动结构、混合式移动结构和蛇行式移动结构等，适合于各种特别的场合。从移动机器人所处环境看，可以分为结构环境和非结构环境两类。结构环境：移动环境是在轨道上（一维）和铺好的道路（二维）。在这种场合，就能利用车轮移动结构。非结构环境：陆上二维、三维环境；海上、海中环境；空中宇宙环境等原有的自然环境。陆上建筑物的阶梯、电梯、间隙沟等。在这样的非结构环境领域，可参考自然界动物的移动机构，也可以利用人们开发履带，驱动器。例如：2足、4足、6足及多足等步行结构。行走结构的设计对于移动机器人的工作效率有着至关重要的作用，选择适当、精巧的行走结构往往可以大大提高机器人的动作效率。这就需要我们熟悉和了解不同机器人行走结构的类型及特点。二、 三种常见的行走结构1) 车轮式移动结构两车轮：像自行车只有两个车轮的结构。两车轮的速度、倾斜等物理量精度不高，因此进行机器人化，所需便宜、简单、可靠性高的传感器难以获得。此外，两轮车制动时以及低速运行时也极不稳定。三轮车：三轮移动结构是车轮式机器人的基本移动结构，其结构是后轮用两轮独立驱动，前轮用小脚轮构成组合。这种结构的特点是结构组成简单，而且旋转半径可以从0到无限大，任意设定。但是他的旋转中心是在连接两驱动轴的连线上，所以旋转半径即使是0，旋转中心也与车体的中心不一致。四轮车：四轮车的驱动结构和运动基本上和三轮车相同。和汽车一样，适合于高速行走，稳定性也好。一般情况下，车轮式行走结构最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬楼梯。但现今也出现特殊的轮式结构。全方位移动车：在平面上移动的物体可以实现前后、左右和自转3 个自由度的运动.但如汽车等,可以前进、拐弯而不能横向移动就不是. 若具有完全的3 个自由度,则称为全方位移动机器人,它非常适合工作在空间狭窄有限、对机器人的机动性要求高的场合中.国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的上下台阶车轮式结构：将普通的车轮进行适当的改装后，能够实现在阶梯上移动。不平地移动的多车节车轮式机构：2) 履带式移动结构履带式结构称为无限轨道方式，其最大特点是将园环状的无限轨道履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接与路面接触。利用履带可以缓冲路面状态，因此可以在各种路面条件下行走。与车轮式移动结构相比，有如下特点：a) 支承面积大，接地比压小。适合松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能好；b) 越野机动性能好，爬坡、越沟等性能均优于车轮式移动结构c) 履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引性能好，有利于发挥较大的牵引力d) 结构复杂，重量大，运动惯性大，减震性能差，零件易损害这里介绍一种较特殊的履带结构形状可变履带结构：它是指履带的构形可以根据需要进行变化的结构。这种结构一般由两条形状可变的履带组成，分别由两个主电机驱动。当两个履带速度相同时，实现前进或后退移动，当速度不同时，整个机器实现转向移动。3) 步行式移动机构步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，不仅能在平地上，而且能在凹凸不平的地上步行，能跨越沟壑，上下台阶，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的/article/直立行走机器人.htm工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人，具有广泛的适应性。主要设计难点是机器人跨步时自动转移重心而保持平衡的问题。控制特点：使机器人的重心经常在接地的脚掌上，一边不断取得准静态平衡，一边稳定的步行。结构特点：为了能变换方向和上下台阶，一定要具备多自由度。的，具有很高的实用性。四足机器人步行时，一只脚抬起，三只脚支撑自重，这时有必要移动身体，让重心落在三只脚接地点组成的三角形内。 三、 其他行走结构爬壁机器人：近年来，由于工业生产对特殊功能机器人的需求越来越大，爬壁机器人的研究备受关注。有的可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达9m/min，适用各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。我国的哈尔滨工业大学已经成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带爬壁机器人。其中磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构，在履带一周上安装有数十个永磁吸附块，其中的一部分紧紧地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通过履带（由链条和永磁块组成）使机器人贴附在壁面上。机器人在壁面上的移动靠履带来完成，移动时，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，这样周而复始，就实现了机器人在壁面上的爬行。管道内外移动：如图，可以看出移动主要是靠两个轮子，但每个车轮两边还有一对撑架，用来帮助车轮在管道外移动时站立而不倒，并可以增加车轮与管道壁之间的摩擦，从而获得较大的移动力。这种结构可用于检修核管道和煤气主干道等一些容易引发危害的大型管道。四、 结论机器人的行走结构就是机器人的脚，选择一双好脚就能事半功倍，因此在选择机器人的行走结构时，我们一定要充分的考虑各个方面，不断的调试，最后才能到达理想的效果。参考资料：[1] 丁学恭.机器人控制研究.杭州：浙江大学出版社，2006.9[2] 周新伦，关绮玲.机器人.上海：复旦大学出版社，1994[3] 周 兰. 机器人机身及行走机构.ppt文件[4] 付文瀚.上下楼机器人设计
范文六：机器人行走机构可跳跃式移动机器人机构设计及实现姓 名： 丁龙指导教师： 修磊院 系： 信息工程学院专 业： 机械设计制造及其自动化学 号： 可跳跃式移动机器人机构设计及实现摘要：构建了一个具有跳跃能力的移动式机器人．机器人在较平坦地形下采用轮式移动方式前行；遇到障碍物或沟渠时，可以进行跳跃，从而扩大运动范围.介绍了机器人机械系统的总体结构，给出了机器人的本体结构及起跳姿态，并分析了机器人的运动过程.然后，详细分析了机器人的跳跃机构、跳跃参数调节机构、倾覆翻转机构等关键机构的工作原理，给出了机构设计方案.最后，根据总体设计要求选定了机器人的一些关键参数.关键词：移动机器人；机构设计；跳跃机构1 引言轮式或履带式移动机器人机构简单，运动时消耗能量不多，但是很难越过高度超过限制的障碍物.随着机器人形体的减小，地形对运动的限制作用越来越大.步行或爬行机器人翻越障碍物的能力稍强，但是机构复杂，自由度、关节、驱动部件较多，实际应用受到限制.跳跃式机器人可以跃过数倍于自身高度的障碍物或沟渠，对地形有较强的适应力。但是，跳跃运动首先需要克服自身重力影响，且腾空和触地阶段动力学方程复杂，平衡难以控制，在机器人的研制过程中，把多种运动方式集成到一种机器人身上，是扩展机器人运动范围、提高机器人适应能力的主要途径.日本的Yamanaka把滚动运动方式和跳跃运动方式结合起来，构建了可以进行跳跃运动的滚动式球形机器人 ，Birch等研制的机械蟋蟀，同时具有爬行运动方式和跳跃运动方 式 ，本文构建了一个具有跳跃能力的轮式移动机器人，给出了该机器人关键机构的设计及工作原理分析.该机器人把轮式运动和跳跃运动很好地结合起来：机器人在平坦地形下采用轮式行进方式，节约了能量；在碰到障碍物或沟渠时，机器人可以跳跃，从而扩大了运动范围．该机器人的所有姿态调节运动都在地面完成，避免了复杂的动力学方程分析.2 机器人总体结构若要具有轮式移动和跳跃两种运动方式，则机器人至少需要具有移动机构和跳跃机构.此外，如果机器人跳跃后落地时机体倾覆，必须有倾覆翻转机构来恢复正常的运行姿态.为了使机器人按照指定方向和角度起跳，机器人还必须有起跳方向和起跳角度调节机构.落地缓冲机构也是必不可少的，它保证了和地面的碰撞不至于损伤机载仪器.此外，还需要电机传动机构、底盘等其它辅助机构．图1是该机器人机械系统的组成依据此总体方案设计的机器人机构如图2所示，图2右下方是机器人以62°角起跳时的姿态图.一般情况下，机器人采用三轮方式行进.前两轮为主动轮，由直流电机驱动．码盘保证了机器人的直线行走和特定角度的转向.后轮为随动轮，主要起支撑平衡作用.机器人的跳跃机构采用六连杆弹簧蓄能.压缩释放电机及压缩、锁定、释放机构均位于车头，这样的布局有利于提高跳跃高度及距离.机器人起跳参数调节装置可以设置的参数包括起跳方向和起跳角度．起跳方向由两个前轮调节；起跳角度由专门的机构调节，动力源是起跳角度调节电机．机器人对障碍物或沟渠的识别、对路径的规划由视觉、规划和控制系统给出．本文主要研究机构部分的设计及原理分析3 运动过程机器人采用三轮行进时，六连杆蓄能机构处于压缩状态，前轮后轮处在行走位置，底板处于悬空状态.机器人靠两个独立的直流电机驱动，实现移动行走．当决策与控制系统判断出有需要跳跃才能越过的障碍物和沟渠时，发出指令让机器人跳跃.机器人的动作步骤依次为：起跳参数设置与起跳准备，跳跃，落地后可能倾覆的翻转，恢复行走姿态.两前轮精确调节机器人的起跳方向，跳跃角度调节机构精确调节起跳角度.角度调节过程为：后轮首先抬起至固定位置，然后车体前部逐渐抬起，底板完全落地.起跳角度调节范围为0°到9O°,起跳准备就绪后，压缩释放电机正转，触发锁定释放机构.锁定释放机构的突然释放使机器人实现跳跃，腾空阶段不对机器人姿态进行控制.如果落地后机器人身体倾覆，倾覆翻转机构负责把机器人恢复成前轮和底板着地姿态.姿态恢复过程为：起跳角度调节电机首先放下车体前部至行走位置，然后压缩释放电机反转拉动钢丝绳，同时实现后轮落地和蓄能机构的压缩.蓄能机构压缩到一定位置后，压缩电机停止转动，短接该电机正负极，依靠电机内部磁场阻力实现对蓄能机构的锁定.机器人恢复行走姿态，一个跳跃周期完毕.4 关键机构实现4．1 跳跃机构跳跃机构主要由两部分构成：六连杆式蓄能机构，压缩、锁定、释放机构.两部分间采用钢丝绳拉伸方式传递动力.这里主要分析压缩、锁定、释放机构的工作原理.压缩释放电机15与小齿轮16固联，小齿轮与大齿轮1无变位拟合，电机对六连杆蓄能机构的压缩释放动力通过钢丝13传递.大齿轮与轴5是间隙配合，大齿轮的轴套有凹缺，可以容纳钢珠11和卡销3，见图3的A-A视图．电机反转带动大齿轮正转，此时为压缩阶段，A-A视图是已经开始压缩时的状态.大齿轮的轴套带动钢珠正转，钢珠挤压顶销7，顶销卡住和绞轮1O固联的固定销9.绞轮开始缠绕钢丝，压缩六连杆机构，开始蓄能压缩、锁定、释放机构工作原理图六连杆蓄能机构压缩到指定程度后，短接压缩释放电机的正负极，依靠电机内部磁场阻力实现对蓄能机构的锁定.电机正转带动大齿轮反转，此时为释放阶段.大齿轮轴套反转带动钢珠反转.钢丝产生的巨大反向拉力会通过绞轮、固定销传递到顶销并让其去填补钢珠让出的空间．顶销和固定销的瞬时脱开实现六连杆机构的突然释放.棘爪4保证轴的单向旋转，卡销3防止离合器套2随大齿轮的反转而缓慢脱开，保证机构的突然释放,瞬时释放是实现跳跃的关键.4．2 起跳参数调节机构起跳参数包括起跳方向和起跳角度,装有码盘的两个前轮精确调节起跳方向，专门的角度调节机构调节起跳角度.图4左图为机器人行走时起跳角度调节机构的姿态，右图为其起跳时的姿态,机器人需要跳跃时，起跳角度调节电机正转带动与它固联的拨杆5顺时针转动，拨动尾轮杆2逆时针转动.当连线BE超过BD的位置时，尾轮杆会在弹簧3/article/直立行走机器人.htm的拉动下到达起跳位置，如图4右图所示．拨杆的继续转动会拨动六连杆底杆7，以这种方式抬起机器人机体前部，实现起跳角度0°到90°的调节． 起跳角度调节机构工作原理图跳跃落地后，在继续行走前需进行姿态恢复，即把3个轮子放置到行走位置.角度调节电机反转带动拨杆逆时针转动，把机器人前部逐渐放至行走位置.然后压缩释放电机转动，钢丝绳逐渐拉紧，在六连杆蓄能的同时把尾轮杆拉至行走位置．卡销8起定位作用．4．3 倾覆翻转机构机器人跳跃后触地时与地面的碰撞可能使机器人倾覆.随着跳跃高度和跳跃距离的增大，发生倾覆的可能性增大.设计时尽量使质量集中于头部且均匀地分布在机器人长度方向的两侧，这样有利于提高跳跃高度，保证触地时首先是前轮接触地面.此外两前轮间距达到243 mm，加上橡胶轮和支撑架的缓冲，有效预防了机器人落地后机体的倾覆.为减小跳跃式机器人中至关重要的质量，在设计中没有安装倾覆翻转机构，只为以后改进做了预留.预留的倾覆翻转机构称为侧翼式翻转机构，图5是其工作过程原理图.尽量安排机器人的质量分布和形状，使它从正面看起来近似于三角形，如图5(1)其中BC是底面，AB、AC是对称的两个侧面．正常落地姿态是底面落地，机器人不需做翻转+如果机器人落地发生倾覆，即侧面着地．由于机体的对称性，假定AC面触地，如图5(1)．让侧翼A c绕c点慢张开支撑地面，使机器人ABC姿态逐渐恢复，其过程可见图5(1)～(3)．当重心超过c点后，机器人姿态在重力作用下将自动复原，即过程(4)，然后侧翼A c收回．两侧翼同时起保护机体内仪器的作用倾覆翻转机构工作过程示意图侧翼翻转机构工作原理类似于人倒地后用手支撑逐渐站立.4．4 缓冲机构机器人的落地缓冲由橡胶轮和缓冲支撑架两层缓冲措施构成，基本上可以保证在跳跃高度为1M时机载仪器不受损伤.5 关键参数选择设计目标是使总质量为1．5 kg的机器人垂直跳跃高度达到1 m.考虑到机器人尺寸限度，把六连杆蓄能机构的侧杆长度定为110 mm，上下杆长度定为30mm.侧杆与机器人宽度方向夹角为60°时为六连杆机构的放松状态(弹簧仍保留一定的预紧力，以保持机器人为刚性机械系统)，此时六连杆机构在弹簧向的长度约为140 mm．夹角为20°时为锁定状态，此时六连杆机构弹簧方向长度约为237 mm．六连杆蓄能机构采用两根弹簧时，弹簧可选参数为：材料直径d=3．0 mm，弹簧中径D =20 mm，弹簧有效圈数n=31，单圈弹簧刚度k =90．7 N／mm．如果采用4根弹簧，弹簧参数为：材料直径d=2.0 mm，弹簧中径D =12 mm，弹簧有效圈数n=54，单圈弹簧刚度k`=90．7 N／mm．弹簧材料均为弹簧钢，六连杆机构 、Y方向长度及受力的关系为：联立两式得到：代入相关参数得到：采用两根弹簧时，钢丝绳最大拉力为Fy=360．1 N；采用4根弹簧时，Fy=380．9 N．最后选择24 V、30 r／min、型号为JM120．3540C的直流电机作为压缩释放电机.压缩释放电机和压缩释放机构间由减速比为4．44的齿轮组连接，缠绕钢丝绳的绞轮直径为19mm．完全压缩六连杆蓄能机构，绞轮需转1.93圈，压缩时间为17.2 S.6 结论在介绍可跳跃式移动机器人机械系统总体结构及运动过程的基础上，详细分析了机器人的跳跃机构、起跳参数调节机构、倾覆翻转机构等主要机构的工作原理及实现过程，并选定了关键参数，对跳跃式机器人机构设计有参考意义。参考文献:[1] 李保江，朱剑英．弹跳式机器人研究综述[J]．机械科学与技术[2] 李保江．弹跳机器人动力学分析[J]．南京航空航天大学学报，[3] 徐颢．机械设计手册(第4卷)[M]．北京：机械工业出版社，
范文七：行走的机器人荆楚理工学院课程设计成果学院:________________ _ 数理学院_______________ 班 级: 14级应用物理学1班 学生姓名:学 号: 3、7 设计地点（单位）____ __荆楚理工学院________ _ 题目:__________ 行走的机器人__ _____ 完成日期： 2016年 11月 11日指导教师评语: ______________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ __________ _成绩(五级记分制):_____ _ __________ 教师签名:__________ ______________ _行走的机器人摘要本文主要探讨的是56DZ-12型行走机器人的组装，对此，我们要达到的效果是机器人前进过程中发声、闪光，后退过程不发声、闪光。基于基本电学原理，我们设计相应的机器人电路原理图，通过控制正、负稳态电路来调节机器人前进和后退。我们知道二极管是一种单向传导电流的器件，那么我们利用二极管的特性来达到前进发声、闪光，后退不发声闪光的目的，从而完成对行走机器人的制作。关键词: 集成电路，机器人，二极管[3]一、 提出课题近年来，人们对机器人的热度日益提高，尤其是智能化时代的到来，人们对智能化机器人的研究极为迫切。那么将知识应用于对机器人的制造中是人们的基本思想，但是我们如果直接向智能化的方向发展是很困难的。所以，从简到难的原则方式指导我们从简单的机器人入手不失于为一种极佳的方法，基于这样的想法，我们只要组装成能自由行走的机器人就可以了。二、 课题分析我们知道机器人行走主要靠电路来实现，行走机器人对电路的要求不是很高，但是我们不仅仅是让机器人能够一直往前前进，还要求它在一段时间后往后退，这就是这次课题的目的。有了这样的思想，我们只需思考如何在使机器人后退，我们知道正、负稳态的作用可以控制机器人前进和后退，而机器人的运转问题可以通过电路来解决，那么行走机器人的问题就解决了。三、 模型原理图1.电路原理图（1）图2.电路原理图（2）本电路的集成块采用NE555时基电路，内部由比较器、RS触发器、放电管等部分组成，从图1可以看出, 6脚R端的正相输入端和7脚放电端连在一起为RS触发器翻转做了准备。2脚是S端的反向输入端。初始状态是RS触发器的Q端输出低电平放电管截止不放电，3脚输出高电平。此时W2、R13、C5构成正稳态的延时电路，电源通过W2、R13对C5充电（调节W2可以调节C5达到触发电平的时间）当C5端的电压达到2/3VCC时，R端比较器翻转输出高电平。此时S端电平基本不变从而RS触发器触发翻转进入另一个稳态，Q端输出高电平，放点管导通C5的电压瞬间被拉为低电平。因在正稳态势MT2端为高电平对C1充满了电，2脚一直处于高电平，当RS触发器触发翻转进入另一个稳态后MT2变为低电平，此时C1通过W1、R6、R14对地放电，调节W1可以调节放电的时间，当C1端的电压降到1/3VCC是S端比较器翻转致使RS触发器进入正稳态，依次循环，分别调节W2、W1可以控制正、负稳态电路的延时长短。3脚是正、负稳态的输出端，正、负稳态分别输出正、负电平。改电平加到电容C2上给C2充电使输出电平稳定，该电平就是后面驱动电路的控制信号。从图2可以看出，该控制信号经R5加到9013的基极，9013是NPN管，基极正电平时9013的C、E极导通，而9012截止，也即是正稳态时9013导通，9013集电极被拉为低电平，再经过R7加到VT3-VT2的基极VT3导通，从而VT5、VT7导通，电流通过MT2经过电机后流经MT1.电机正转机器人向前行走、发声，闪眼睛。W2控制电机正转的时间。当555处于负稳态输出低电平，通过R4加到VT2上，VT2、VT4、VT6、VT8导通。电流通过MT1经过电机后流经MT2。电机反转机器人后退，由于发声、闪灯电路经过一只二极管供电，正转时有电压，反转/article/直立行走机器人.htm时二极管截止，发声、闪灯电路无电压停止工作。[1][2]四、 模型制作1. 当拿到本套件后，请对照“元件清单”逐一将数量清点一遍，并用万用电表将各个元件测量一下，特别是瓷片电容，最好用数字万用表的电容测量，若没有数字表，只有用万用表初略估计测量一下，做到心中有数。 2. 在焊接时请按先焊小元件，再焊大元件，最后在焊集成块的原则进行操作，元件尽量贴着底板“对号入座”不得将元件插错，由于集成块NE555是采用双排8脚直插式结构，它的脚排列比较密集，焊接时请用尖烙铁铁头进行快速焊接，如果一次焊不成功，应等冷却后再进行下一次焊接，以免烫坏集成块，焊完后应反复检查有无虚、假、错焊，有无拖锡短路造成故障，只要按上述要求焊接组装，一通电即可正常工作。3. 功能电路板部分装配完成后再来焊接电机、电源部分的引线。打开机器人后盖将里面的电机线焊下把我们配的接线焊在电机上，同时把到头部分的红线焊下串接一只1N4148的二极管。再焊接电源线：一根焊接在电池片的负极，另一根焊接在开关的一段，电源和电机焊接焊好后从后背的孔引出。装上头和摇头杠杆后，盖上后盖即可。（注意要保证里面活动部分的空间以免卡住）。把电机线焊在功能电路板的MT1与MT2焊盘上（注意红线焊MT2，绿线焊MT1上，以免后退时发声、闪光）。电源线红的焊在GB+焊盘上，绿线焊在GB-焊盘上。焊好后装上三节5号电池，电路板装在电池外边，用拆电池盖的螺丝固定，一个能行动自如的行走机器人组装成功了。调节W2、W1可调节前进后退的时间。元件清单五、 模型的检验和评价行走机器人组装完毕后，在电池盒里装上3过1.5伏特的干电池。将机器人放在空旷的地面上，将开关打开，机器人将向前行走，并伴有发声、闪眼睛，当前进一段时间后，机器人会后退，此时，不发声、闪眼睛。说明此次机器人组装是成功的。优点：56DZ-12型机器人的教学套件，具有电路精简、实用、可学性强之外还具有趣味性强等特点，适合各类实训教学实用。六、 心得体会本次组装机器人的过程中，我们学会如何利用已学过的知识对电路进行分析和判断，对我们小组是一个很好的磨练的过程。尽管在途中遇到不少困难，例如：我们对电路的不熟悉，还有元器件的使用问题等等。不过，我们小组通过不断的尝试和同学们的帮助，使得问题一个个的解决，期间尤其困难的是使用电烙铁对电路的焊接过程，需要我们接触现实生活中的工具，这时就考验我们对工具的熟悉和使用，在这过程中，我们是小心翼翼，生怕弄错，不过我们还是在规定的时间内完成对电路的焊接。在完成组装后，我们小组看到机器人能够自由的行走，不仅代表我们已经完成了工作，更是表示我们对电路知识的理解进一步加深，我们的实践经验又更丰富，机器人只是走了一小步，而我们却又前进了一大步。七、参考文献：[1]梁灿兵. 电磁学（第三版）[M].北京:高等教育出版社.-113. [2]邱关源. 电路（第三版）[M].北京:高等教育出版社.2006.5.[3]童诗白. 模拟电子技术（第五版）[M].北京:高等教育出版社.2015.7.
范文八：两足行走机器人1 绪论两足步行机器人是指可以使用两只脚交替地抬起和放下，以适当的步伐运动的机 器人，可分为拟人机器人和桌面型两足机器人 (仿人机器人)大小和人相似，不仅具 有拟人的步行功能，而且通常还具有视觉、语音、触觉等一系列拟人的功能；桌面型 两足机器人通常指体积较小，只具有步行功能及其他少数特定功能的两足机器人，例 如具有步行功能和视觉功能的自主踢足球机器人。与拟人机器人相比，桌面型两足步 行机器人的成本较低，除了具有科研性外，还具有广泛地娱乐性，也可以应用在教学[1] 和比赛中。国内外的机器人大赛中，常常可以看到桌面型两足步行机器人的身影 。.1.1 课题的研究背景和意义于两足步行机器人的拟人性和对环境良好的适应性等特点，受到各国政府和研究 者的广泛重视，是当今世界的高新技术的代表之一。它在科研、教学、比赛和娱乐等 方面都很到了很好的应用。江苏省大学生机器人大赛和全国大学生机器人大赛中经常有两足步行机器人，它[10] 可以参加舞蹈机器人比赛、两足竞走机器人比赛、Robocop 类人组机器人踢足球 器人创新比赛、Robocop救援组比赛等。舞蹈机器人比赛时使用了日本“KONDO”两足步 行机器人，性能出众，发挥稳定，获得了舞蹈机器人比赛的冠军。但是该机器人是集 成度很高的商业产品， 它的控制系统不开放底层代码， 难以进行二次开发和步态研究。 所以本文基于机器人控制系统中常用的众多处理器和操作系统各自的特点，并结合 “KONDO”机器人机械结构的特性，选用了高性能、低功耗的 8 位 AVR(R) 微处理器内 核处理器 ATMega8P 来实现对机器人的控制来。设计的控制系统控制指令精简，控制 转角精度高，波特率可以实时更改，体积小，重量轻，其可作为类人型机器人、仿生 机器人、多自由度机械手的主控制器。随着中国机械产业的不断进步，各高校相继开 设机械类创新课程和比赛，学生可将其应用在各类机械创新作品中，优化控制系统参 加比赛。日本“KONDO”机器人如图1.1所示。图 1.1 日本“KONDO”跳舞机器人1.2 国内外研究现状步行是人与大多数动物所具有的移动方式，其中两足直立行走是人类特有的步行 方式，是所有步行方式中自动化程度最高，最为复杂的动态系统。最早从工程角度研 究双足机器人并获得成功的是早稻田大学的加藤一郎。1972 年，加藤实验室推出了 wL-5双足步行机器人，这是世界上第一台双足机器人。[2] 1996年11月本田((HONDA)公司展示了一个有两腿两臂的仿人 型机器人P2,能在平地上行走、转弯、上下楼梯和跨越障碍，并可提5公斤的重物和使用扳手等简单工 作;在此基础上，本田公司又连续开发了第二代仿人机器人 P3，第三代仿人机器人 Asimo, Asimo高120cm，行走质量很高，非常接近人类。Sony公司也推出了能歌善舞 的机器人Qrio，不但具有非常出色的步行稳定性，而且具有很强的自行辨认能力，甚 至能在狭隘道路上行走并绕过障碍物。这两个机器人代表了当前世界上两足步行机器 人研制的最高水平。Asimo和Qrio都是拟人机器人，它们除了具有两足步行功能之外，还具有非常强 大的视觉功能和语音功能，能辨认很多目标，并能和人进行很好的语言及肢体交流。 而桌面型的两足机器人也一直受到研究者的重视，研究的重点是两足步行功能。如图1.2所示。图 1.2 Asimo(左)和 Sony的 Qrio(右)2006年，日本神奈川大学设计的WABIAN-2LL 机器人，身高120cm，重40Kg,在步 行中通过膝关节改变腿长，通过腰关节的运动来减少腿部运动对身体重心的影响。 2007 年，大阪大学的 Koh Hosoda 等人研究了人类行走过程中的腿、腰、头、手臂等 各部分的协同作用，在两足机器人中引入了三维极限环协同理论，设计的机器人[6]，[7] Pneumat-BT 。随着集成电路的发展，小型机器人可以具有功能越来越强大的嵌入式计算系统， 甚至可以使用运算能力很强的图像处理和模式识别系统。这使得桌面型两足步行机器 人和拟人机器人之间并没有严格的区分标准。2007年，东京Denki大南京师范大学硕 士学位论文学的Hideto SHIMIZU等人设计了小型两足步行机器人HOAP-3， 身高60cm， 重8. 8Kg，共有28个自由度，有一个强大的视觉处理系统。如图1.3所示。图 1.3 WABIAN-2LL(左)、Pneumat-BT(中)和 HOAP-3(右)2006年，西班牙Politecnica de Valencia大学的Albero和Blanes等人设计了 具有高性能分布式控制系统的桌面型两足机器人 YABIRO，高 55cm，重 4Kg，共 27 个 自由度，具有独特的腰部三自由度结构，如图所示。该机器人使用了多个嵌入式系统， 主控制系统使用了嵌入式个人计算机和实时Linux操作系统，具有非常强大的数据处 理能力；主、从控制系统以及传感器之间使用dual-CAN总线通信。2006年，韩国国立釜山大学开发了脚底安装有力传感器的桌面型两足机器人，该 机器人身高28cm，重3.2Kg，如图所示。同年，韩国Sung KyunKwan大学也开发了一 个桌面型两足步行机器人，身高 45cm，重 4.3Kg，共 24 个自由度，如图所示。该机 器人使用了TI公司的DSP TMS320F2407作为控制器，使用直流无刷电机作为驱动器， 在两足步态设计中引入了遗传算法。如图1.4所示。图 1.4 YABIRO-2（左）、釜山大学机器人和 Sung Kuhn Kwan 大学机器人（右）[20，21] 我国从 80 年代中期才开始研究两足步行机器人 ，国防科技大学 1988 年研制成功我国第一台平面型六自由度的两足机器人，能实现前进、后退和上下楼梯；之 后又现了实验室环境中的全方位行走，1995年，实现了动态步行。2000 年 11 月，国防科技大学又研制出了我国第一台具有人类外观特征、可以模 拟人类行走与基本操作功能的拟人两足步行机器人Pioneero。2002年，清华大学精密仪器系、机械工程系和自动化系组成的研究小组开始研究 开发拟人机器人THBIP，共32个自由度，可以步行、上下楼梯、打太极拳等，并具有[3] 视觉及语音识别功能 。两足机器人的研制发展过程，是由少自由度到多自由度、由实现简单动作到复杂 动作、由静态步行到动态步行、由仅从简单功能到仿生功能的研制过程。1.3 本文的主要工作本文设计的主要内容是两足行走机器人的行走控制系统部分， 我选用8 位AVR 微 处理器内核处理器ATMega8P，设计了两足行走机器人的控制系统。主要工作包括：(1) 设计了两足步行机器人的硬件电路。选用高性能、低功耗的 8 位 AVR 微处 理器，指令执行时间为单个时钟周期，速度快，控制精度高、I/O 口驱动能力更强， 优于AT51、STC51系列单片机。(2) 选择设计了两足步行机器人的控制软件系统。在 AVR 微处理器中移植了 uC/OS-II 操作系统；在操作系统下设计了应用程序，实现了两足机器人控制系统的各[12]，[13] 项功能，搭建了完整的两足机器人控制系统软件框架 。(3) 搭建了17自由度机器人双腿的运动模式，通过17个舵机同时协调运作，以 实现机器人完成相应的动作。(4) 完成毕业设计的同时，提出本设计的不足，指出需要改进的地方。1.4 本文组织结构[26] 第一章介绍了两足步行机器人的国内外研究现状 ，由别人设计的机器人总结对自己的启发提出本设计的主要任务点。第二章介绍了控制系统中常用的处理器和操作系统、以及两足步行机器人的机械 结构，并说明了本文设计两足步行机器人控制系统的目的。使用 Prote199 设计了两 足步行机器人控制系统的硬件，包括核心电路图和PWM脉冲信号控制原理图。第三章介绍了使用实现机器人控制系统的具体软件，这里我们使用了 Servo Control Software,是实现伺服电机控制器通讯协议PC机上专用WINDOWS控制软件， 可以简便的实现复杂动作的操控。第四章建立两足步行机器人步行模式建立，对机器人的双腿运动进行了分析，对 10个微型伺服直流电机的转角角度进行了逐个分析。第五章对本文的工作进行了总结，并对今后的深入研究提出了建议。2 两足步行机器人控制系统硬件设计与实现在以比赛、娱乐、教学和研究为目的的两足步行机器人控制系统中，单板计算机作为控制系统虽然运算速度快，但体积大、成本高，而且功耗大；有此而选用高性能、 低功耗的 8 位AVR(R) 微处理器， 指令执行时间为单个时钟周期， 速度快， 控制精度高、 I/O 口驱动能力更强，优于 AT51、STC51 系列单片机，所以能够解决一些较为复杂的 控制指令。2.1 硬件系统的基本要求[15] 两足步行机器人是对人类的模仿 。但人类的结构极其复杂，对人类步行原理的研究至今仍有许多未解决的问题。所以在设计两足步行机器人机械结构时，会对人类 步行的结构进行减化，只会考虑基本的步行功能。人类的仅下肢就具有 62 对肌肉， 腰部8对肌肉，在设计两足步行机器人时，要控制具有这么多自由度的多变量系统几 乎是不可能的事情，所以两足步行机器人通常腿部只具有 8 至 12 个自由度，腰部具 有 0 至 3 个自由度。本课题设计的机器人共有 17 个自由度，驱动器为微型直流伺服 电机，简称舵机。其机械结构如图2.1所示。图 2.1 机器人机械实物该机器人的机械结构具有如下特点：(1) 该机器人的机械设计具有很高的稳定性，国外的一些类似机器人曾获得机器 人比赛冠军；(2) 该机器人踝关节和髋关节各具有两个自由度，这种机械结构设计可以使机器人在不平地面站立；(3) 该机器人膝关节具有一个自由度；(4) 该机器人肩关节具有两个自由度，肘关节具有一个自由度，可以实现简单的 摆臂功能，用以配合腿部的运动，抑制摆腿时产生的左右扭转趋势。(5) 该机器人的机械结构也具有一个缺点:没有腰部扭转自由度，使两足步行机 器人在行走中不能使用腰部关节进行姿态平衡，但这并不阻碍机器人在平地上的行 走。[9] 本文在“KONDO”机器人 机械结构的基础上，设计控制系统，用来替换其自带的控制系统。本文设计的控制系统在硬件上至少满足如下5个基本要求：(1) 产生不少于 17 路独立的高精度单边沿 PWM 信号，用来控制作为机器人关节 驱动器的17个直流伺服电机；(2) 具有调试接口；(3) 具有一个与PC机通信的接口；(4) 具有多路A/D转换电路，用来扩展传感器；(5) 具有独立而稳定的电源。我们设计的机器人所用的高精度直流伺服电机，控制信号为 0.5ms～2.5ms 高电 平的PWM信号，对应转角为0度到180度，电机精度为0.1度，则控制信号的精度应 该高于(2.5ms～0.5ms) /μs。2.2 硬件系统设计的技术路线和总体方案2.2.1 处理器选型二十年前，只有少数的几个科研机构在研究两足步行机器人，现在却不胜枚举，[24]，[25] 这其中很重要的一个原因就是嵌入式计算机的高速发展 。嵌入式计算机由于其体积小、功耗低、硬件资源丰富，非常适合应用在对体积和功耗都有较高要求的小型 机器人系统中。在机器人控制系统中常用的处理器有：TI C2000和C6000系列DSP、8051 和AVR 单片机、ARM7 和 ARM9 系列、PC104 和 PowerPC 单板计算机等。它们各自具有鲜明的 特点，通常都是为了特殊的应用而设计，如表2.1所示。表 2.1 机器人控制系统中常用处理器DSP 处理器在谱分析、FFT 变换、数字滤波等方面得到非常广泛地应用。TI 公司 的02000系列DSP主要用来进行运动控制，适合用于执行针对单个或少量电机的高级 控制算法。虽然C2000在桌面型两足机器人中也有应用，但C2000对操作系统的支持 能力有限， 一般不使用操作系统， 所以如果作为主控制器会带来软件设计上的局限性。C6000 系列具有很高的主频、丰富的硬件资源、特殊的系统结构，数字信号处理 能力非常强大，并且 TI 公司特地为 C6000(和 C5000)系列开发了专用 DSP/BIOS 操作 系统。 DSP/BIOS操作系统使C6000如虎添翼， 成为了高级视觉处理应用的主流处理器。 但使用C6000作为处理器时电路复杂，通常只在大型拟人机器人中作为高级的视觉处 理器，小型的机器人中应用很少。8051和AVR系列单片机通常在其内部集成了CPU、存储器、总线逻辑、看门狗、 I/0、以及其他接口，单片化的特性使其体积和功耗都大大减小，在两足步行机器人中得到了广泛使用。ARM7系列处理器是ARM处理器中使用很多的一款。ARM7处理器是典型的RISC处 理器，对操作系统的支持能力很强，适合运行多种操作系统。ARM9 系列处理器在 ARM7 的基础上进一步地提高了运算能力，增加了更多的硬件 资源。ARM9 对操作系统的支持能力同样地强大。ARM9 适合作为两足机器人控制系统 的主控制器，同时还可以作视觉处理、语音处理和模式识别。但 ARM9 系列处理器几 乎没有能实现单片化的，硬件设计较为复杂。单板计算机由通用计算机演化而来，常见的有PC104、PowerPC、MIPS、68000等。 单板计算机具有良好的通用性，对操作系统具有极强的支持能力。但其设计和开发比 较复杂，功耗较大，在拟人机器人等大型机器人中经常被用作主控制器。[19] 本文结合控制系统设计的基本要求和常用处理器 ，高性能、低功耗的 8 位AVR微处理器，指令执行时间为单个时钟周期，速度快，控制精度高、I/O 口驱动能力更 强，优于AT51、STC51系列单片机。2.2.2 直流伺服电机的控制特性直流伺服电机又称为舵机，是一种位置伺服驱动器，适用于角度不断变化并可以[22] 保持的控制系统 。 我们设计的两足行走机器人的直流伺服电机使用+7V至+12V电源，内部基准信号为周期为 20ms 的 PWM 周期信号，输入的控制信号也必须是周期为 20ms 的PWM周期信号，电压为+4V至+6V。电机输出转角与输入的控制信号的脉冲宽度有如 图2.2所示的线性关系。图 2.2 直流伺服电机输出转角与输入 PWM 信号宽度的关系本文中的两足步行机器人机械结构共有 17 个直流伺服电机，所以在设计控制系 统硬件电路时，除了需要提供9V 至12V的电源外，还必须提供至少17 路4V 至6V的 PWM信号。2.2.3 硬件设计总体方案对应于控制系统硬件设计的基本要求，作了如下的设计方案:[11] (1) 核心电路包括AVR 核心处理器、JTAG调试接口、串口驱动电路和A/D转换[19] 基准电压电路 ，原理如图2.3所示。图 2.3 核心电路原理图(2) 控制系统需要控制17个直流伺服电机，使两足步行机器人完成相应的动作。 控制直流伺服电机的PWM信号的周期为20ms，高电平持续时间为0. 5ms至2. 5ms， 占空比较小，最大仅为 1/8，所以可以进行多路分时复用。本文使用了 4 个三态锁存 器74HC595D PWM信号进行4路分时复用， 一共可以得到32路独立的单边沿PWM信号， 这样可以满足控制系统的要求。使用高性能电池供电，增加了机器人的灵活性.其舵 机PWM信号控制电路原理如图2.4所示。图 2.4 PWM信号控制原理图2.2.4电源设计为了增加机器人的灵活性，两足步行机器人使用高性能电池供电。直流伺服电机 的电源要求为 9V 至 12V，本文选用了电压为 9V 的高性能电池，直接作为直流伺服电 机的电源。由于基于AVR的处理器和外设均使用3. 3V电源电压，所以需要选用电源电压转 换器进行电压转换。我们使用了一个直流电压转换芯片 L78M05 将电池的直流电源转 换为相应的电流。2.2.5 舵机控制器PCB电路板的设计32路伺服电机控制器是一套最具性价比的伺服电机控制器。可以控制多达32个伺 服电机协调动作的软硬件结合系统，它不但能实现位置控制和速度控制，还具有时间 延时断点发送指令功能。其主要由上位机软件和伺服电机驱动控制器组成。通过PC机 操作上位机软件给控制器传递控制指令信号，即可实现多路伺服电机单独控制或同时 控制，控制指令精简，控制转角精度高，波特率可以实时更改，体积小，重量轻，其 可作为类人型机器人、仿生机器人、多自由度机械手的主控制器。此外还可以配合其 他功能模块实现无线控制、传感器反馈，构建闭环控制系统。随着国内外机械产业的[11] 不断进步，各大高校相继开设机械类创新课程和比赛 ，学生可将其应用在各类机械创新作品中，起到优化控制系统作用，其电路板界面如图2.5所示。图 2.5 两足行走机器人控制系统电路板2.3 舵机控制器的使用方法2.3.1 伺服电机控制板接口功能图2.6 控制电路板各部分标识舵机器控制器面板主要有电源接口、串口通讯接口、伺服电机借口、TIL通讯借 口以及上位机扩展口、电源开关等部分组成，各部分详细的位置分布如图2.6所示， 其中每个部分的详细说明如下：①DC5V直流电源接口此接口用于接插控制器控制部分供电电源，为了方便长时间调试，可以用套装中 为用户提供的USB取电线，直接插笔记本电脑或台式电脑USB接口。也可接插符合下面 要求的外置电源适配器（注意电源极性！）。②控制部分电源端子接口此接口用于接插控制器控制部分供电电源，为增大用户选择电源电压范围，特设 此接口。工作电压范围：＋7V～＋12V。注意端子接口正负标识符！正确接线，避免 损坏控制器。为用户调试方便提供9V电池扣接线一条，可接9V电池使用。③伺服电机供电电源端子接口此接口用于接插伺服电机供电电源（由于伺服电机在重负载的情况下，会将放大 器电压拉低，为防止影响控制器部分电压突变，应该将两部分分别供电），工作电压： ＋4V～＋6V （普通伺服电机）。 一般上， 伺服电机启动和满负载的时候耗电达1A～1.5A， 而没有负载时候只有约150mA耗电，所以请均衡考虑，根据同时运动的伺服电机数量， 来考虑电源的功率选择。为防止意外，请确保不要使用功率小于设计里面。一半数目 的电机满功率运行时功耗的电源。为用户调试方便提供的5号四节/4位电池盒一个， 装上电池可作为伺服电机调试电源使用。④外扩上位机系统供电接口此接口供电来源控制部分端子接口电源，可为自主开发的上位机（51系列、AVR 系列、DSP、ARM等）板供电。⑤串口通讯接头此端口使用标准RS232串口电平进行通讯，可以接插为用户提供的串口通讯线和 计算机进行通讯，接收实时控制指令。⑥TTL通讯接口若使用此功能请将跳线帽取下，此接口可用于伺服电机控制器与其他单片机开发 的上位机BS2(Basic Stamp 2)通讯。注意接口标识符，TX、RX左侧排针分别联接伺服 电机控制板微控器TXD、RXD引脚。⑦波特率设置拨码开关通过设置拨码开关，波特率可以在.4k 115.2k四种数值中转换。注 意：1代表ON，0代表OFF。控制器波特率默认设置为115200。每次更改波特率数值后， 都要给控制器重新上电启动，才会生效。⑧伺服电机通道接口和⑨标识符此接口可接插国际标准接口的伺服电机，包括模拟式和数字式两种。接口侧方有 1～32通道的标注符，表示伺服电机受哪一通道信号控制。每一行可以接插一个伺服 电机。整行接口上面有S/ + /-的标注，其中“-”表示接插伺服电机的地线（一般为 黑色）；“＋”表示接插伺服电机的电源线（一般为红色）；“S”表示signal（信 号）接插伺服电机的控制信号线（一般为黄色或白色）。支持的伺服电机：Futabaor Hitec 以及国产品牌（如辉盛）等。⑩电源开关此开关控制伺服电机和控制电路两部分电源通断。开关拨向标有ON一端为接通电 源；开关拨向OFF一端为切断整个系统供电。3 两足步行机器人控制系统软件设计AVR系列单片机通常在其内部集成了CPU、存储器、总线逻辑、看门狗、I/0、以 及其他接口，单片化的特性使其体积和功耗都大大减小，在两足步行机器人中得到了 广泛使用，现在在操作系统下设计并实现了两足步行机器人控制系统的多个应用软 件，构成了一个完整的控制系统软件框架；最后改进了常见的多路PWM产生方法，具有很高的PWM信号的精度和系统的实时性，并对两足步行机器人进行了关节调试。3.1 软件系统的基本要求根据机器人控制系统的功能需求和硬件电路的特点，软件系统至少需要满足以下 5个要求：(1) 软件模块化，具有很好的可维护和可扩展性。(2) 实现PWM信号的分时复用，并要保证PWM 信号的高精度。并且通过软件，能 够及时地改变PWM的输出。(3) 通过RS232接口能和PC机通信。(4) 通过I℃接口记录关键的信息到E2PROM存储器。(5) 通过3路10位A/D转换器读取传感器的值并预处理。3.2 软件设计的技术路线与总体方案在机器人控制系统中常见的操作系统有:TI的 DSP/BIOS, Microsoft的WinCE, u C/OS-II, Wind River 的VxWorks, uC-Linux 和RT-Linux等，它们各自的特点和应用 如下所述：[23] (1) DSP/BIOS操作系统不但具有很好的实时性 ，而且与DSP外围的数据库兼容并且内建于 DSP 专用的交互式集成开发环境 CCS。但 DSP/BIOS 操作系统只适合在 TI 的C6000和C5000 DSP处理器上使用。(2) WinCE 操作系统由 Windows95 精简而成，不开放源码，实时性不好。但从内 核到GUI的整个体系比较完善，并且Microsoft公司具有强大的软件研发和技术支持 能力。WinCE 适合在功能复杂但对内核体积的实时性都没有太高要求的大型机器人主 控制系统中使用，或者在图像监控系统中使用。(3) uC/OS-II 由世界著名的嵌入式专家 Jean J. Lacrosse 编写，它具有源码开 放、体积小、可移植性强、可剪裁、可靠性高等特点，但GUI部分不完善。它非常适 合在高实时性小型嵌入式系统中使用，经常应用在小型机器人控制系统中。(4) VxWorks由美国Wind River公司开发，具有极高的可靠性和实时性，但是它 不开放源码，而且价格非常昂贵，通常应用在军用机器人和航天机器人中。(5) uC-Linux和RT-Linux都是由Linux演化而来，继承了Linux的一系列优点， 比如高可靠性和具有完善的网络功能。它们结构复杂，对开发人员的技术要求较高， 通常应用在比较复杂的机器人控制系统中。本文根据控制系统硬件的特点和机器人的功能需要，选用了以C语言为基础编写而成的操作系统“Servo Control Software”。其软件的操作界面如图3.1所示。图3.1 Servo Control Software操作界面Servo Control Software是实现伺服电机控制器通讯协议PC机上的专用WINDOWS 控制软件，本软件操作控制简便，该软件有以下功能：(1) 速度控制设定功能 可以调试出任意速度，多路电机不同速度运行稳定，实 时性好，速度精准，加速减速任意设。(2) 循环控制功能 让您不必费心点击鼠标啦，反复调试更加易用，可作为小型 工业机械手主控板，功能循环执行，提供作业效率。(3) 指令保存功能 可以将您调试好的指令集保存，自动生成指令文档，日期时 /article/直立行走机器人.htm间准确，例如robotcode0, 您也可以个性化自命名，避免读取指令文档 错误或者重新编辑。(4) 指令读取功能 只要轻松点击“打开指令”按键，会进入指令集文档，选择 您要读取的以往指令文档，恢复当前功能设置。(5) 控制动作完成时间功能 只要发送指令时间大于动作完成时间，您就可以任 意设置动作的完成时间，软件备有自动调整功能，可将电机转动平滑过渡，避免了机 器人定格控制缺陷。3.3 伺服电机控制软件操作方法3.3.1 串口设置在熟悉了该软件后，我们开始调试软件。首先我们要做好前提工作，把舵机接线 按照要求插在控制板上，再把串口接线插到电脑上，开通电源，打开操作软件，点击 软件操作界面里的串口设置，选择合适的波特率，然后点确定，其操作方法如图3.2、图3.3、图3.4所示：图 3.2串口设置第一步图 3.3串口设置第二步图3.4 串口设置第三步3.3.2 控制通道设置控制通道序号与控制板上的序号一一对应，根据设计需要可选择多路调控，伺服电机接线一定要与控制软件通道对应，避免出现控制无效现象。将硬件设备接好，如图3.5所示。图 3.5 控制板接线示意图单击鼠标左键软件与硬件连接,如图3.6所示。图3.6 串口连接设置图当串口设置完成后,开始设置控制通道,单击鼠标左键以激活控制通道,本设计中 的机器人一共17个自由度,其中腿部10个,也就是一共17个直流伺服电机,在调试过程 中,我们一共要激活17个通道,从1～17通道, 按照图3.7所示。图3.7 控制通道设置示意图3.3.3 操作设置在控制软件的操作设置区域有“添加指令”、“指令修改”、“删除指令”、行指令”等按钮，分别实现不同的功能，具体实现功能如图3.8所示。图3.8 操作设置功能图3.3.4 控制指令回显区调整好合适指令点击添加后，将会出现在回显区中。如图3.9所示。“运图3.9 指令回显区3.3.5 发送指令时间设置拉动指令间隔时间滑杆可以调节发送指令间隔时间,以实现各舵机的协调工作,来完成复杂的动作,如图3.10所示。图 3.10 发送指令间隔时间控制区3.4 微型伺服电机（舵机）的选择微型的伺服电机在无线电业余爱好者的航模活动中使用已有很长一段历史，而且 应用最为广泛，国内亦称之为“舵机”，含义为：“掌舵人操纵的机器”。舵机是一 种位置伺服的驱动器。它是机器人、机电系统和航模的重要执行机构。它接收一定的 控制信号，输出一定的角度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。 标准的舵机有3条导线：电源线（红）、地线（黑或灰）、控制线（白或橙黄）。控 制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号（PWM），方波脉冲信号的周期为 20 ms（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 变化与脉冲宽度的变化成正比，也就是利用占空比的变化来改变舵机的位置。可见， 其主要用作运动方向的控制部件。因此，机器人模型中也常用到它作为可控的运动关 节，这些活动关节在机械原理中常称它为自由度。3.4.1 舵机的选型本设计选用的舵机为“辉盛”MG945 12公斤全金属齿大扭力舵机，其图和参数如图3.11和表3.1所示。图3.11 “辉盛”MG945舵机表3.1 “辉盛”MG945舵机参数3.4.2 辉盛MG945舵机的控制特性“辉盛”MG945 12公斤全金属齿大扭力舵机全转角为180度，它的对应的控制关系 如表3.2所示。表3.2 PWM波脉宽与舵机转角关系4 两足步行机器人步行模式的建立有的机器人行走时质心在地面上的投影始终在脚的支撑多边形内，这种步行方式被称为静态步行；在人的日常行走中，质心在地面上的投影经常会超越支撑多边形的 范围，这种步行方式被称为动态步行。静态步行模式在设计步态时需要计算机器人的 重心位置，以防止重心在地面上的投影超出了支撑多边形范围。静态步行通常是在行 走前离线设计好各个步行中的姿态和姿态切换的方法，在行走的过程中不能改变，一 般只能在平地上行走。4.1 本章任务本设计中的机器人的机械结构， 它具有17个自由度， 驱动器为微型直流伺服电机。 该机械结构左右对称，每条腿具有5个自由度，分别为踝2个、膝l个、髋2个；每个手 臂具有3个自由度，分别为肩2个、肘1个；颈部具有一个自由度。而我的主要任务是 分析双腿的运动模式，研究10个舵机的转动角度以及相互的协调工作的关系，建立一个完整的运动模型。首先要把机器人组装起来，其腿部图片如图4.1所示。图4.1 单腿的实物图片在正确的把整个机器人完整的组装起来后，我们要把机器人腿部的每个舵机都标 注起来，以便后来的调试，腿部10个舵机的分布如图4.2所示。图4.2 腿部舵机的分布4.2 静态步行模式设计与实现[4][5] 两足步行机器人控制系统中使用了静态步行模式 线设计。静态步行模式分为10个静态姿势及其切换顺序如图4.2所示。图4.2 两足机器人行走步行模式其中直立是初始状态；起步是为步行做准备，重心移到右脚；抬后脚(左)、迈步 (左)和前脚着地(左)都是右腿支撑左腿摆动的姿态；重心前移(左)是两腿支撑，将重 心从后面的右脚转移到前面的左脚；抬后脚(右)、迈步(右)和前脚着地(右)都是左腿 支撑右腿摆动的姿态；重心前移(右)是两腿支撑，将重心从后面由左脚再次转移到前 面的右脚。重心在左右脚之间反复转移，左右脚的前后关系也反复转换，实现两足机 器人的步行。4.3 姿态运动的软件实现机器人的以上 10 个姿态按图 4.2 所示切换，就可以让机器人在平地上步行。根 据腿部运动的模式，我们根据腿步各关节完成的角度可以计算输入给每个舵机的 PWM 脉宽值，再反馈到舵机控制软件 Servo Control Software 中，点击“添加指令”按 钮，其控制回显区出现指令如下：T1000#0P0#2P0#4P0#6P0#8P0 T1000#0P0#2P0#4P0#6P0#8P0 T1000#0P0#2P0#4P0#6P3#8P0 T1000#0P0#2P0#4P0#6P3#8P0 T1000#0P0#2P0#4P0#6P0#8P0 T1000#0P0#2P0#4P0#6P0#8P0 T1000#0P0#2P0#4P0#6P0#8P0 T1000#0P0#2P0#4P0#6P7#8P0 T1000#0P0#2P0#4P0#6P7#8P0 T1000#0P0#2P0#4P0#6P0#8P0上述完成机器人腿部运动的一个循环，既从直立到抬左腿起步再到抬右腿起步， 然后我们再点击如图4.3中的“激活循环控制”就可以完成两足行走机器人两腿间持续左右脚交替行走的动作了。图4.3 激活循环控制结 束 语两足步行机器人是个广泛应用在教学、科研、比赛和娱乐等方面的机器人，集机 械学、电子学、控制科学、计算机、数学等于一体。本文根据当前两足步行机器人控 制系统中常用的处理器和操作系统各自的特点，选用8 位AVR微处理器，指令执行时 间为单个时钟周期，速度快，控制精度高、I/O 口驱动能力更强，优于 AT51、STC51 系列单片机。并对两足步行机器人进行了运动学分析和静态步行设计，实现在机器人 在平面上的稳定行走。在本设计课题中，我及我们小组，基本完成了两足行走机器人的结构设计，也理 论上完成了机器人的控制系统，但是由于选择的较为有难度的 17 自由度机器人，所 以对于机器人结构的选用材料、平衡力学处理、控制系统处理器等客观条件有了更高 的要求。在本课题中，由于条件有限，我们没有使机器人在地面上实现两腿交替运动。 在我负责的控制系统这一块中，我理论设计了一套控制方案，我使用的是核心为8位 的 AVR 微处理器控制器，在设计过程中就发现的它的缺陷，由于我们设计的 17 自由 度机器人，也就是有17个微型直流伺服电机，相应的要同时提供17路的PWM脉冲信 号，这就对处理器有了比较高的要求，而这时8位处理器则达不到使用要求。所以该 课题在以后还有很多要进一步改进和研究的地方：(1) 机器人使用更为先进的处理器，如表 2.1 中的 ARM 系列处理器和 PC104, PowerPC等单板计算机。(2) 机器人脚底安装力传感器，用来感知机器人脚和地面接触时的受力情况，使 用ZMP理论对机器人进行步态控制。(3) 机器人增加视觉系统，使机器人可以识别简单的目标。桌面型的两足机器人 由于受到体积和成本的限制，大多不具备视觉系统或只有很简单的视觉系统。但随着 技术的进步，桌面型的两足机器人也会具有复杂的视觉系统。这在足球机器人中尤其 重要。致 谢本文的研究工作是在刘艳老师的精心指导下完成的。在整个课题研究过程中，老 师在各方面给予了我无尽的关心、帮助和教诲，使本论文的研究工作得以顺利完成。 老师学识渊博，经验丰富，思维敏捷，时时给我热情的鼓励和不倦的教诲，在研究思 想和研究方法上给了我诸多启示，解答了许多难题，从课程学习、论文选题、课题研 究到论文撰写无不凝聚着老师们的心血和汗水。老师待人诚恳，心胸宽大，精深的知 识令我受益匪浅。在此向刘艳表示无尽的感谢，同时此课题能够顺利完成也离不开同 学给我的帮助和指导，在此也特别向他们表示深深的谢意！参 考 文 献[1] 包志军，马培荪. 两足机器人到仿人型机器人的研究历史及其问题[J].机器人, 2-319.[2] 龟田秀司. 仿人机器人[M]. 管贻生译. 北京:清华大学出版社, 2007.[3] 徐凯. 仿人机器人步态规划算法及其实现研究[D]. 北京:清华大学工学硕士学位论文, 2006.[4] 胡凌云，孙增沂. 双足机器人步态控制研究方法综述[J]. 计算机研究与发展，2005.[5] 石宗英，徐文立，冯元馄等. 仿人型机器人动态步行控制方法[J]. 机器人,2001.[6] 胡洪志. 仿人步行机器人的运动规划方法研究[D]. 国防科技大学研究生院学位论文, 2002.[7] 王勇. 基于被动动力式的两足机器人研究现状[J]. 机械工程师，2005.[8] 付成龙，陈恳. 双足机器人稳定性与控制策略研究进展[J]. 高技术通讯,2006.[9] 刘森，慕春棣，赵明国. 基于AVR式系统的拟人机器人控制器的设计[J].北京:清华大学学报(自然科学版),2008.[10] 杨晶东，黄庆成，洪炳铭. 双足足球机器人实时避障导航系统研究[J].机器人, 2005.[11] 江海波. 深入浅出AVR单片机[M]. 北京:中国电力出版社，2008[12] 徐亮，徐中伟. u C/OS-II 实时系统任务调度优}