测控技术与仪器专业论文41538.doc

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1、学生毕业设计（论文）题 目人形机器千手观音动作实现研究摘 要人形机器人一直是国内外专业和非专业机器人爱好者重点研究的项目。随科技飞速发展，机器人已不是单单的在工业领域完成使命，更多的机器人将走进娱乐。文化殿堂，更接近生活。让我们的生活变得更加的丰富多彩。本次设计采将用SHR-8S人形机器人，首先对国内外研究现状进行调查，确定研究方案，找到相关视频，进行动作截图，近一步用绘图软件绘制动简图，并计算出相应的动作角度，其次介绍PWM（脉冲宽度调制）控制指令算法。控制芯片用STC12C5A60S2单片机进行控制，做出程序流程图，依据程序流程图在KeilC软件里进行程序编写，最后通过STC_ISP_V4

2、.80软件进行程序烧写，最终将在实验室完成验证人形机器人实现千手观音的舞蹈动作。通过验证，本次设计能够让SHR-8S人形机器人完成千手观音动作，设计切实可行。关键词：SHR-8S人形机器人、STC12C5A60S2单片机、动作设计、千手观音舞蹈。ABSTRACTThe humanoid robot has been a key research project of the professional and non-robot enthusiasts at home and abroad. With the rapid development of technology, the robot

3、has been not just in the industrial field mission, the more robots into the entertainment. Cultural hall, closer to life. Make our lives more colorful.The design adopted will SHR-8S humanoid robot, first find the relevant video action screenshots, step forward with mapping software to draw Activity

4、diagrams, and calculate the appropriate action point of view, the control chip microcontroller STC12C5A60S2 control using PWM instruction algorithm for robot motion control, but complete robot better the the Avalokitesvara action in KEILC software programming according to the angle value. Program ST

5、C_ISP_V4.80 software programming will eventually be completed in the laboratory verify that the humanoid robot dance Avalokitesvara.Validated, this design allows the SHR-8S humanoid robot to complete the Avalokitesvara action design practical.Keywords: SHR-8S humanoid robot, STC12C5A60S2 microcontro

6、ller Thousand-hand Bodhisattva dance.目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1设计的意义11.2国内外研究状况11.3本设计的主要研究内容及方案21.3.1 研究内容21.3.2 研究方案21.4SHR-8s人形机器人介绍22 机器人PWM信号的控制42.1控制端口的定义42.1.1机器人坐标平面的划分42.1.2机器人舵机的分布与端口定义42.2 PWM信号介绍52.3 PWM控制精度63千手观音动作设计73.1千手观音舞蹈简介73.2动作简图73.3动作流程图103.4程序流程图114实验验证144.1调试程序144.2机器人演示175设计结论

7、19参考文献20致谢21附录221 绪论1.1设计的意义由于近年来计算机的迅速发展，机器人也随着计算机的发展逐渐成熟起来。近年来我国迅速开展起来的一种高技术对抗活动机器人大赛。参加中国机器人大赛也是众多机器人爱好者的一大乐趣。能够以设计人形机器人实现千首手观音动作华丽的亮相中国机器人大赛，着实让人眼前一亮。本次设计旨在为中国机器人大赛尽自己的一份力量，服务于中国机器人大赛，为中国机器人大赛添色。也是为我国机器人大赛所作的一点小小贡献。相信设计能够带动更多的机器人共同爱好者来研究开发机器人。此次设计不仅是对所学知识的应运，更是对自己的挑战和锻炼。从理论到实践的必要性。如何完整合理的安排每一项任务

8、，顺利的完成此次设计将是自己人生一笔宝贵的财富。1.2 国内外研究状况由于国外对于机器人的研究起步早，所以其发展也成成熟，现以日本、美国、德国、法国等国家为首。足式机器人始于美国通用电气公司的Rig机器人1。但具有代表性的是美国bostondynamics实验室研究的bigdog2。其反应能力和机动性都很强。在日本开展双足步行机器人研究已有30多年的历史，研制出了许多可以静态、动态稳定行走的双足步行机器人。在我国研究足式机器人的有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学3。并取得了一定成果。在人形机器人研究方面国外的技术比较成熟，其在足式机器人之上继续发展。早在1998日本就推出人形机器人计划。

9、日本本田公司的p系列机器人，索尼公司的SDR-3X的舞蹈机器人，其技术以相当成熟。在日本还有松下、日立等公司研究开发人形机器人。法国有其BIP2000计划研究的多自由度机器人。美国也有其的SD-1双足步行机器人。这些技术已相当成熟。我国在人形机器人方面做了大量研究，并取得了很多成果。比如长沙国防科技大学研制成了双足步行机器人，北京航空航天大学研制成了多指灵巧手，哈尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面都做了大量深入的工作。在人形机器人过渡来的舞蹈机器人相对来说要比其他机器人设计简单。在这方面国内外技术相当，只是国内技术创新太少。总体里来看我国机器人研究起步晚，发展慢，经过30多年的发展，我国机器

10、人的研究在一些方面已经达到了世界先进水平，但是，还存在着一些问题。一方面，我国机器人教育领域与国际上有着一定的差距；另一方面，我国机器人研究多是借鉴外国先进技术，进行二次开发的多，纯自身技术创新较少，我国机器人研究仍然任重而道远。1.3 本设计的主要研究内容及方案1.3.1 研究内容在舞蹈机器人比赛中，舞步编排，动作复杂、协调程度，技术难度等是重要的评分标准。课题通过对舞蹈机器人的单舵机拖动及调速算法、舵机联动PWM 指令算法进行研究，设计PWM波控制舵机运转程序，完成舞蹈机器人整套舞步，从而顺利完成比赛任务。1.3.2 研究方案（1）对课题相关资料进行查找总结。（2）单舵机拖动及调速算法。（

11、3）舵机联动PWM 指令算法。（4）依据民族舞蹈“千手观音”，找到千手观音的相关视频进行舞蹈，进行截图，用画图工具进行动作简图的绘制。然后给动作标注名字，做出流程图。（5）实验验证。依据现有动作及角度值，使用C语言在keil C软件里面进行程序编制调试程序，使用STC_IS软件下载程序到机器人。最后进行实验验证，反复调试程序。1.4 SHR-8s人形机器人介绍本次设计所采用的机器人为SHR-8s人形机器人（图1-1）。该人形机器人采用标准的“加藤一郎”宽约束结构，该机器人共有17个自由度，故机器人全身共有17个伺服电机。每个舵机扭矩为 14kg.cm。机器人身高：360mm；肩宽：165mm；

12、胸厚：115mm；质量：1.5kg；其控制板采用的是STC12C5A60S2单片机，易编程。大部分元器件采用全表贴工艺并且扩展了 STC12C5A60S2系列的外接端口。采用串口连接编程，可编程万次以上。该机器人可以完成许多特殊的仿人动作如舞蹈、体操、太极等。综上，此机器人能够实现千手观音的动作。 图1-1SHR-8s人形机器人2 机器人PWM信号的控制本次设计的机器人控制采用PWM指令进行控制，所以必须要对其指令算法进行研究和解释。2.1控制端口的定义由于由于要与计算机相连，就存在端口协议。故必须有端口定义。2.1.1机器人坐标平面的划分此机器人属于加藤一郎宽约束结构，所以按其定义，机器人可

13、划分为3个坐标平面，即（图1-2）、（图1-3）和（图1-4）。 图2-1 X平面 图2-1Y平面图2-3 Z平面2.1.2机器人舵机的分布与端口定义如下图2-4为各舵机的控制分布，图2-5为各坐标平面舵机的划分，其中图2-4的pn就是程序中的 positionn。对应表2-1可得舵机控制端口及电路板接口。 图2-4 舵机的分布 图2-5舵机的分布 表2-1接口命名与舵机分布程序中命名定义接口平面命名电路板接口所属轴面position0P0.0x1 舵机J0x 轴position1P0.1X2 舵机J1position2P0.2X3 舵机J2position3P0.3X4 舵机J3positi

14、on4P0.4X5 舵机J4position5P0.5X6 舵机J5position6P0.6X7 舵机J6position7P0.7X8 舵机J7position8P2.0Y1 舵机J16y 轴position9P2.1Y2 舵机J17position10P2.2Y3 舵机J18position11P2.3Y4 舵机J19position12P2.4Y5 舵机J20position13P2.5Y6 舵机J21position14P2.6Y7 舵机J22position15P2.7Y8 舵机J23position16P1.0Z1 舵机J8z轴2.2 PWM信号介绍此次机器人的控制将采用PWM信

15、号控制，采用PWM控制，虽然控制难度比较大，但是由于已经产业化成本低，且旋转角度大。控制方法就是利用其占空比（上升沿与下降沿的时间宽度）进行舵机的控制(图2-6)。图2-6 控制波形图其控制要求为：上升沿至少为0.5ms，一般在0.5ms-2.5ms。SH0680为塑料齿轮模拟舵机要求连续供应PWM信号。可以输入一个周期为1ms的方波，此时表现出来的跟随性很好很紧密。2.3 PWM控制精度此次控制采用8位STC12C5A60S2CPU，其分辨率为28=256。经过舵机的极限参数实验，得到应该将其划分为250份。其脉冲宽度为2.5ms-0.5ms=2ms=2000us，所以PWM控制精度为200

16、0ms/250=8us。所以我们将采取8us为控制舵机转动的最小单位。舵机可转最大角度为185度，可得舵机控制精度为185度250=0.74度，将每一个0.74度定义为一个位置每个位置叫1DWT。也就是说，舵机可最小一次转动0.74度。则180/250=0.74/DWTPWM上升沿函数:0.5ms+NDWT 0usNDWT2ms0.5ms0.5ms+ NDWT2.5ms可以得到所采用的PWM控制精度已经相当的高了，单从控制精度的角度来讲其完全可以满机器人千手观音足舞蹈动作。在附录的程序中有 “PWM_24()” 程序，这里指的就是用PWM控制中的初始化。“delay500ms(1);” 程序指

17、的是在完成部分动作后进行延时。3千手观音动作设计3.1千手观音舞蹈简介千手观音又称千手千眼观世音、千眼千臂观世音等，是我国民间信仰的四大菩萨之一。在2005春节联欢晚会上有21个平均年龄21岁的聋哑演员将千手观音用舞蹈的形式演绎得天衣无缝、美轮美奂。舞动时，犹如千手观音降临人世。动作唯美，让观众目不暇接赞叹不已，用他们“至善”、“至美”、“至纯”的表演感染了无数观众。3.2动作简图找到相关视频，进行截图。用画图工具画出动作简图，标注出动作的角度值，要使其动作连贯。并进行相关动作解释，这样就能一目了然。有部分动作可能和截图有所出入，是因为机器人的自由度有限以及机器人自身的限制，在绘制简图的过程中

18、略有改动，以便机器人实现。绘制简图如下： 1双手呈什 2 单手呈什两臂与身体成45度角，小臂抬起，手臂与胳膊成74度，两臂同时向下右臂90度，左臂120度。 3右臂出掌 4 左臂出掌右臂向外出掌手臂成120度，左手向外出掌右手收回成单手呈什，手臂成90度。双臂向上，与身体成45度。 5无畏手 6孔雀开屏两小臂伸直，胳膊与身体正面成30度夹角，两臂同时从侧面举起与肩平，成一字。 7持日手 8孔雀开屏继续从侧面举起，与肩成90度角，两手合并与肩74度夹角。 9蒲桃手 10红莲花手两臂侧面向下收回，与身体正面30度夹角，再次从侧面举起至肩平，成一字。 11 持月手 12五色云手两手合并，臂与肩成74

19、度角，两臂从侧面向下，与肩平成一字。 13孔雀收屏 14有凤来仪双臂收回，成直立状态，两臂向前与身体侧面成20度角，两小臂收回与左胳膊成90度角，与有胳膊成120度角。 15孔雀收屏 16天女散花两臂从侧面收回，与身体贴紧，小臂向上举起与胳膊成150度夹角，继续收回，至与胳膊成60度角。 17 右千手 18右千手右小臂伸直，右臂抬起至与身体正面成30度角，有小臂收回与胳膊成30度角。右臂侧面抬起与肩正面成90度夹角。 19葡桃手 20红莲花手右臂从侧面收回，与身体贴紧有下笔收回与胳膊成60度角，左臂伸直，侧面抬起与身体正面成60度角，左臂从侧面升起至与肩成90度角。 21天女散花 22左臂出掌

20、左臂从侧面收回至贴身，有小臂收回与胳膊成60度角。 左臂向外成掌。 23五色云手 24右臂千手右臂从侧面升起，与圣体正面成30度角，继续升起至与肩平。 25天女散花 26百鸟朝凤两臂从侧面收回与身体贴紧，两小臂收回与胳膊成60度夹角。胳膊向上抬起与身体侧面成30度角。 27百鸟朝凤 28百鸟朝凤两臂向下至与身体侧面成20度夹角，两小臂向下，左臂与胳膊成90度夹角，右小臂与胳膊成120度夹角。3.3动作流程图根据上面所绘制的简图，做出相应的动作流程图，并且为每一个动作起一个相应的名字，流程图如下： 天女散花蒲桃手孔雀收屏持日手双手呈什 单手呈什百鸟朝凤f红莲花手有凤来仪孔雀开屏右臂出掌百鸟朝凤孔

21、雀收屏天女散花蒲桃手 百鸟朝凤左臂出掌天女散花红莲花手左臂出掌五色云手右千手五色云手无畏手右臂千手右千手持月手孔雀开屏3.4程序流程图由于设计的编程需要，绘制出流程图是很有必要的，千手观音用机器人来实现动作，相对舵机使用的较少，但是动作较多，重复的动作比较多，有部分动作合并到一段程序里了，其角度值依照循环次数进行计算。用绘制流程图软件visio绘制程序流程图，这样做出的流程图简洁易懂，流程图如下： 在程序流程出中可由表2-1得出查出舵机控制机器人的哪个部位的自由度，在程序中主要用循环语句来控制机器人的动作，每一次循环可完成一个或多个动作，判断循环完成可进入下一动作，直至完成全套舞蹈。具体程序见

22、附录。4实验验证实验验证是作为对设计的可行性的验证，有重要意义。本次验证时通过在KeilC软件里对程序进行检查，用STC_ISP_V4.80软件进行程序烧写，最后进行机器人舞蹈演示。4.1调试程序本次设计编程所用的是KeilC软件进行编程。首先安装KeilC软件，在project菜单下选择new project。根据提示保存名称为qianshou.c。设置好文件名和目录后根据提示选择芯片类型，在选项卡里选择Intel8052AH即可。点击确定。把写好的c程序添加到新的工程中去，点击确定。在project选项下选择Options for TargetTarget 1并在工程属性对话框第3项选项卡

23、 OUT PUT 的Create HEX选项框打勾。在Open File选项卡中选择qianshou.c,将编写好的程序复制到其中，开始运行调试。根据错误提示修改程序，进一步调试，知道无错误提示。用STC_ISP_V4.80软件进行程序烧写具体步骤为：根据上图数字提示选择芯片类型及要烧写的HEX文件。设置串口波特率为115200，选择晶振为RESET上电复位增加复位延时选项选YES， 振荡器范大增益选项卡选择High 与下载无关选择NO。 P4.6/RESET2脚低于1.33V复位选YES。单机下载按钮打开单片机的电源，进入自动下载状态。通过提示直到下载完成。4.2机器人演示程序以下载到机器人

24、中后，让机器人开始演示，并对照千手观音视屏进行审核，纠正出错误，修改程序，继续重新烧写并演示，知道机器人动作与视屏完全吻合。并拍照截图。实验验证如下：在实验验证过程中，第一次由于机器人的初始位置没有调试好，请教老师，完成调试，机器人的动作与视频有所出入的部分将检查修改程序，部分动作由于机器人自身原因无法完成的，将采用修改动作简图用相似动作来代替。最终完成整个舞蹈。5设计结论本设计已完成了： 对国内外研究现状的调查；对PWM指令算法进行了研究；完成了程序编写编程及烧写；进行了实验验证。对实验验证得到的动作与原视频及截图对比，基本完全吻合，可得次设计切实可行。通过设计发现存在问题，如机器人的自由度

25、有限，肘关节处一个舵机控制其只有一个自由度，部分动作无法实现。由于机器人不能掌握平衡而无法完成部分动作，从中我也认识到了自身的不足，对于很多软件短时间内不能熟练地掌握，同时也认识到了实践的重要性。对于机器人自身的不足，可以对其进行改进，在机器人未来的发展里，将会有更多的机器人爱好者参与进来，促进我国机器人事业，让未来的机器人更加人性化，更加完美。参考文献1 2011年中国机器人大赛舞蹈机器人组比赛规则Z.2011.4:1-3.2 The Most Advanced Quadruped Robot on EarthEBOL3 王吉岱，卢坤媛，徐淑芬等.云四足步行机器人研究现状及展望J.制造业自动

26、化，20094 郭志攀. 小型双足机器人设计及运动规划研究D. 哈尔滨工业大学, 2007:27-40.5 张博, 杜志江, 孙立宁等.双足步行机器人步态规划方法研究J. 机械与电子, 2008,(04):52-55.6 杨东辉, 徐嘉隆, 陈海东. 高自由度舞蹈机器人的设计和实现J. 机械工程与自 化, 2008,(05):123-125.7 陆光, 刘海晨, 彭时林等. 多自由度舞蹈机器人的设计与实现J. 建设机械技术 管理, 2006,(06):93-98.8 刘志远.两足机器人的动态行走研究D哈尔滨工业大学,1991.9 马忠梅.单片机的C 语言应用程序设计M .北京:北京航空航天大学

27、出版社, 1997.10 蔡自兴. 机器人学的发展趋势和发展战略.N 中南工业大学学报:机器人学大会论文专辑, 2000, 31: 1- 9致谢此次设计能够顺利的完成首先得感谢我的导师王雄，从最初的选题及设计过程中得到王雄老师的悉心指导。王老师曾多次询问设计的进程，王老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，加之诙谐幽默的性格让有亲近感，他不仅授我以文，而且教我做人，对王老师的感激之情是无法用言语表达的。在做设计的过程中王老师曾多次的在实验室亲自指导我做设计，发现问题及时让我们纠正，并为我细心指导，帮助我开拓设计思路，精心点拨、热忱鼓励。再次衷心的说声谢谢您王老师！感谢我的父母，是他

28、们一直默默的付出，让我有机会在大学的课堂上学习，是他们背后的支持，我才有今天毕业的微笑。你们辛苦了。还要感谢大学四年教我们的老师，是他们让我学到了很多知识及做人的道理，你们是我的榜样！谢谢你们!附录void qianshou_1() uchar j; for(j=0;j27;j+) position12-=1; position14+=1; PWM_24(); low_level_500u(25); PWM_24(); delay500ms(1); for(j=0;j143;j+) position13+=1; position15-=1; PWM_24(); low_level_500u(2

29、5); delay500ms(1); void qianshou_2()Uchar i;for(i=0;i11;i+) position15-=2;position13+=7; PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_3()Uchar i, j;for(i=0;i10;i+) position14+=6; position7+=3; position15-=4; PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_4()Uchar j;for(j=0;

30、j7;j+) position12+=5; position14-=5;position13+=6;PWM_24();low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_5()Uchar j;for(j=0;j27;j+) position6+=1; position7-=1;PWM_24(); low_level_500u(25); for(j=0;j41;j+) position12-=1; position14+=1;position13+=4; position15-=4; PWM_24();low_level_500u(25); dela

31、y500ms(1); void qianshou_6()Uchar j;for(j=0;j200;j+) position12-=1; position14+=1;PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_7()Uchar j;for(j=0;j200;j+) position12+=1; position14-=1;PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_8()Uchar j;for(j=0;j200;j+) position12-=1;

32、position14+=1;PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_9()Uchar j;for(j=0;j200;j+) position12+=1; position14-=1;PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_10() Uchar j;for(j=0;j41;j+) position7-=1; position6+=1; position13+=2;position15-=3; low_level_500u(25); delay

33、500ms(1); void qianshou_11()Uchar j;for(j=0;j41;j+) position7+=1; position6-=1;position13-=2;position15+=3;PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_12()Uchar j;for(j=0;j122;j+) position15+=1;position13-=1;PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_13()Uchar j;for(j=

34、0;j41;j+) position15-=4;position13+=2;PWM_24(); position14+=1;PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_14()Uchar j;for(j=0;j100;j+) position14+=2;PWM_24();low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_15()Uchar j;for(j=0;j41;j+) position14-=5; position15+=4;position13+=4;PWM_24(

35、); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_16()Uchar j;for(j=0;j122;j+) position12-=2;PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_17()Uchar j;for(j=0;j81;j+) position13-=2;position12+=3;PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_18()Uchar j;for(j=0;j41;j+) pos

36、ition13+=1;position12+=1;PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_19()Uchar j;for(j=0;j41;j+) position15-=4;position14+=1;PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1) ;void qianshou_20()Uchar j;for(j=0;j41;j+) position14+=2;PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_

37、21()Uchar j;for(j=0;j41;j+) position14-=3;position15+=4;position13-=1; PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_22()Uchar j;for(j=0;j41;j+) position13+=1; position15-=1; position12-=2; position14+=2; position6-=1; position7+=1; PWM_24(); low_level_500u(25); delay500ms(1); void qianshou_23()Uchar j;for(j=0;j14;j+) position6-=1; position7+=1;PWM_24();low_level_500u(25); for(j=0;j41;j+) position12+=2;