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类人型教学机器人控制系统设计 　　[关键词]类人型机器人；传感器；自由度 　　类人型教学机器人不仅融合了当今世界在机械电子、自动化技术、传感器技术和计算机控制技术等多个学科领域的尖端技术，还给人们带来了欢乐和享受，因此，广受世界各国普遍关注以及重视。 　　本文在分析国内外仿人机器人研究现状的基础上，完成了10自由度的类人型教学机器人的结构设计和控制系统的方案设计。根据人体结构以及运动机理，确定了类人型教学机器人关节自由度的分配、运动范围的确定和驱动源的选择。 　　一、课题背景和研究意义 　　机器人学涉及多个学科领域，是高度融合电子技术、机械学、自动控制工程技术、计算机控制技术、仿生学、人工智能原理等多个领域的高度交叉的综合学科，是目前科学研究最活跃的领域之一。类人型机器人是机器人领域的最高研究成果的代表。 　　随着人们生活水平??不断提高，社会老龄化程度不断加深，科学技术的不断发展，类人型机器人应用于康复医学、老人的护理以及普通的家政服务等方面。类人型机器人与一般工业机器人不同点是可以灵活的行走，不需要固定在某一指定位置上，是一种高度的自动化运动，可随时移动到需要它的地方，具有很强的适应环境的能力，可以在具有辐射、粉尘等恶劣的环境中工作，与轮式、蠕动式以及履带式等移动方式而言，具有更广阔的应用前景。 　　二、动力源的选择和结构设计 　　1.动力源的选择 　　本设计选用的是性能价格比较高的伺服电动机——舵机。在航空模型中，通过调节发动机和各个控制舵面可以实现飞行机的飞行姿态调整。以满足舵机对动静态指标的要求。舵机控制器一般需要采用PID控制。伺服功率放大器的两部分组成一般是由脉冲宽度调制器和开关控制电路；直流伺服电机的执行元件是电动舵机；减速器部分一般采用蜗轮蜗杆机构。 　　因为舵机是一种位置伺服驱动器，所以比较适合应用在需要角度不断变化并需要保持住的控制系统中。其具体的工作原理是：信号调制芯片接收由接收机的通道进入的控制信号，同时获得直流偏置电压的数值。通过内部的基准电路，产生周期一个为20ms、宽度为1.5ms的基准信号。通过比较获得直流偏置电压数值与电位器的电压差，同时输出电压差。最后，电机驱动芯片接收信号判断电压差的正负输出并以此来决定电机的正反转。当电机转速固定时，电机基于级联减速齿轮带动电位器进行旋转，直到电压差为0为止，电机停止转动。 　　2.机械结构与自由度配置设计 　　步行方式中自动化程度最高、最为复杂的、控制难度最大的动态系统是双足步行。与其他足式机器人相比，双足机器人的特点是支撑面积小、支撑面的形状随时间变化较大、质心的相对位置高。但由于双足机器人有更高的灵活性，具有其他足式机器人所没有的优势，尤其适合与人类协同工作，因此为了满足机器人的性能要求，机器人的机械结构应具有稳定性、灵活性和高强度的特点。 　　设计双足步行机器人最重要的工作是双足步行机器人的机构设计，必须能够实现机器人前后左右移动的基本功能，因此自由度的配置必须合理。以机器人前行为例，分析一下机器人的前向运动过程和行走时序：重心右移、抬起左腿、左腿放下、移重心到双腿中间、左移重心、右腿抬起、右腿放下、移重心到双腿间，主要是8个阶段。从机器人步行过程可以看出，机器人向前迈步或向后迈步时，必须各自为髋关节与踝关节配置一个俯仰自由度以平衡实现支撑腿和上躯体的移动；髋关节和踝关节的偏转自由度与重心转移是密不可分的。为了调整摆动腿的着地高度，使抬腿成为可能，膝关节处必然要配置一个俯仰自由度。因此可知，髋关节需要配置2个自由度：俯仰运动和偏转运动自由度。配置一个俯仰自由度给膝关节，踝关节需要有俯仰和偏转两个自由度。这样，每条腿就配置了5个自由度。在纵向平面内的直线行走功能可以通过髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度的共同协调动作完成。在横向平面内的重心转移功能可以通过髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作实现。 　　为了使设计的机器人在步行等功能上更能贴近于人，根据人体比例，设计机器人小腿∶大腿=1∶1，其足部末端执行器，要求在灵活性能尽可能好的前提下，选择速度特性、工作空间、运动幅度和力的特性都比较好的尺寸。大腿部质量与小腿部的比率，与双足机器人的动力学行为直接相关，所以机器人的质量分配大致设计为脚部占总质量的10%，小腿40%，大腿和髋关节50%，腰部因为机械结构原因所占比例比人体相应值偏大。 　　三、控制系统硬件设计 　　1.避障传感器和无线通讯模块选择 　　作为一种非接触式的检测方式，超声测距与其他检测方法相比，它不受外界光线强弱变化、被测对象颜色等对其检测效果的影响也较小，甚至是被测物处于较为黑暗、有灰尘、浓烟雾、强电磁干扰等极其恶劣的环境下都有较强的适应能力，因此广泛应用于车辆自主导航、不透明甚至是透明物体识别等方面