摘要
人形机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表，是多学科交叉的综合高新技术领域，它预示着机器人技术未来的发展方向。它涉及到机械电子、计算机、自动控制、无线通讯和仿生材料等众多子学科的相关研究与综合应用。我国积极举办各类机器人大赛，普及机器人知识，以促进机器人技术的发展。
本课题以2015年华北五省大学生机器人大赛为背景，自主开发和研究参赛的人形机器人，文中介绍了本届机器人比赛的规则、方案研究等相关内容。重点对人形机器人的机械、电控系统、运动学分析和动作设计等关键技术进行研究。
论文第一章主要说明课题来源以及本届人形机器人大赛情况，同时阐明本课题的背景及意义。第二章重点介绍了人形机器人及其相关技术，和国内外人形机器人的发展概况，并结合本课题说明了人形机器人的发展趋势。第三章在分析本届比赛特点的基础上制定参赛方案，研究战术策略，以此确定人形机器人的主要功能及技术要求。第四章首先对机器人各个关节自由度进行了合理配置，共设置了16个自由度。并详细说明其机械结构的设计以及制作过程，最后选择合适的材料进行加工、装配，完成人形机器人的机械系统的搭建，并进行了可靠性分析。第五章阐述了人形机器人的电控系统，包括人形机器人舵机型号、舵机控制板和电池的选取，之后介绍了上位机控制软件及其编程要求，最后说明了用PS2手柄无线控制机器人动作的相关操作。第六章对机器人进行了运动学分析，基于ZMP点对人形机器人行走步态进行了分析，确保进行运动时机器人的稳定性。第七章着重介绍了人形机器人的动作实验，记录了拳击、舞蹈和静态步行的相关动作。
本课题的研究为人形机器人的一些仿人动作提供了一个可行的技术参考，形成了一套实用的设计方案和实验方法，可作为人形机器人制作的技术参考。
关键词：人形机器人；舞蹈机器人；动作编程；步态规划；舵机控制
The design and development of humanoid robot
Abstract
The humanoid robot is representative of robot research in the field of the highest achievements, is a multidisciplinary comprehensive high-tech fields. It indicates that the robotics in the future direction of development. It involves the related research and integrated application of mechanical and electronic, computer, automatic control, wireless communication and bionic materials and many sub disciplines. In order to promote the development of robotics, different kinds of robot competition have been organized all over the country to popularize robot knowledge.
This paper, based on five provinces of North China University Robot Contest 2015, mainly focuses on developing humanoid robot for the competition. The paper describes the strategy and the key technologies of humanoid robot, mechanical control system, kinematics analysis and motion design etc. in this competition.
The paper focuses on the contemporary situation and development of humanoid robot in the first two chapters. It also introduces the significance of this subject based on the competition. Chapters III mainly analyzes the rules of the competition and develops strategies according to the characteristics of the rules. Chapters IV focuses on the research of humanoid robot’s mechenical structure and explain the progress of design, manufacture, experiment and improvement in details. The fifth part of this paper simply explains the control system of the humanoid robot and its basic control principle.Finally,describing the related operation of PS2 handle wireless control of robot. In order to ensure the stability of the robot's motion,Chapters VI focuses on the research of humanoid robot’s kinematics analysis , and based on ZMP point of humanoid robot walking gait analysis. The last chapter focuses on the robot's experiments, recording the movements of boxing, dance and static walking.
This article emphasizes on the humanoid robots’ manufacture, which can be referred as the material of the technology of the humanoid robots.
Key Words：humanoid robot；dance robot;action programming；gait analysis; Servo
目录
摘要 ................................................................................................................................... I 引言 . (1)
1绪论 (2)
1.1课题来源及背景分析 (2)
1.1.1课题来源 (2)
1.1.2课题背景分析 (2)
1.2课题研究意义 (3)
1.3本章小结 (4)
2文献综述 (5)
2.1人形机器人及其技术概述 (5)
2.1.1人形机器人的定义 (5)
2.1.2人形机器人的组成 (5)
2.1.3人形机器人的应用 (7)
2.2人形机器人的发展概况 (7)
2.2.1国外人形机器人的发展概况 (8)
2.2.2国内人形机器人的发展概况 (10)
2.3人形机器人的发展趋势 (14)
2.4本章小结 (14)
3方案研究与策略分析 (15)
3.1比赛方案研究 (15)
3.1.1比赛规则分析 (15)
3.1.2比赛胜负判定 (16)
3.2比赛策略研究 (16)
4人形机器人机械系统设计 (27)
4.1人形机器人的设计要求 (27)
4.2自由度分配 (23)
4.2.1头部自由度分配 (24)
4.2.2上肢自由度分配 (24)
4.2.3躯干自由度分配 (25)
4.2.4下肢自由度分配 (25)
4.3机器人的材料选择 (27)
4.3.1机器人材料选择原则 (27)
4.3.2市场可供选择材料分析 (28)
4.4机械结构设计 (29)
4.4.1整体尺寸确定 (22)
4.4.2头部设计 (31)
4.4.3手臂设计 (31)
4.4.4躯干设计 (33)
4.4.5大腿间距 (34)
4.4.6腿部设计 (34)
4.4.7足部设计 (35)
4.4.8虚轴设计 (30)
4.5本章小结 (37)
5人形机器人电控系统设计 (41)
5.1机器人驱动元件选择 (16)
5.1.1驱动形式选择 (16)
5.1.2舵机概述 (17)
5.1.3舵机具体型号选择+舵机速度 (19)
5.2机器人舵机控制板选择 (41)
5.2.1舵机控制板对比 (41)
5.2.2torobot 32路舵机控制板概述 (42)
5.3上位机控制软件 (44)
5.3.1 软件界面 (44)
5.3.2 编程要求 (45)
5.3.3 脱机工作 (45)
5.4电池选择 (43)
5.5 PS2手柄 (46)
5.6本章小结 (47)
6人形机器人的运动学分析 (48)
6.1腿部动作分析 (37)
6.2人形机器人的手臂动作分析 (38)
6.3步态分析 ................................................................................. 错误！未定义书签。
6.3.1人形机器人的坐标系建立 (48)
6.3.2运动学方程建立 (50)
6.3.3人形机器人的零力矩点 (53)
6.3.4人形机器人的前向运动 (55)
7人形机器人实验与调试 (57)
7.1人形机器人仿真实验 (57)
7.2人形机器人静态步行实验 (58)
7.3人形机器人拳击动作实验 (60)
7.4人形机器人舞蹈动作实验 (61)
7.5本章小结 (62)
结论 (63)
参考文献 (64)
附录...................................................................................................... 错误！未定义书签。在学取得成果.. (66)
致谢 (68)
引言
作为一种娱乐机器人，人形机器人具有很强的观赏性和趣味性，涉及到机械、电子控、通讯、人工智能、机器人学和仿生材料等多个领域。人们在智能化方面进行了各种各样的探索，但是要进一步提高智能水平以向人类看齐，却仍然是一个巨大的挑战。本课题以“2015年华北五省大学生机器人大赛”为背景，自主开发和研究参赛的人形机器人，文中介绍了本届机器人比赛的规则、方案研究等相关内容。重点对人形机器人的机械、电控系统、运动学分析和动作设计等关键技术进行研究。
日本走在人形机器人研发的前沿，应用水平较高，如日本产业技术研究所开发的名为HRP-2的舞蹈机器人。研究人员利用特殊摄像机将艺术家跳舞的画面输入电脑，然后将解析后的数据输入给机器人，利用这些数据控制机器人手的动作和脚步，实现了机器人的舞蹈动作。本田公司推出的人形机器人ASIMO，将人形机器人的研究提升到了一个新的高度。ASIMO具有26个自由度，可以通过便携式控制器或个人电脑控制它的前进方向和上肢及腿部的动作可以自动识别人的动作、声音和面容，实现自主行走、上下楼梯等动作，可以说具有划时代的意义。
国内由于整体水平的限制，研究相对落后，动作设计和实现方面的相关研究还比较少。本文根据比赛的相关要求，详细的介绍了人形机器人的机械系统、电控系统的设计和制作过程，并进行运动学分析，取得了较为理想的成果，机器人可以完成编排好的拳击、舞蹈动作。
1绪论
1.1课题来源及背景分析
1.1.1课题来源
人形机器人通常由多个关节组成，是一个高阶、非线性的多自由度系统，这为机器人的运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个较为理想的实验平台。华北五省大学生机器人大赛中专门设有针对人形机器人的拳击和舞蹈比赛，本课题就是以此为平台对人形机器人的机械结构和电子控制系统等进行研究。华北五省机器人大赛，是由华北五省（市、自治区）教育主管部门共同举办的大学生学科竞赛活动，比赛以智能机器人为研究对象，是面向大学生的一种具有探索性工程实践活动和科技竞赛。大赛每年举办一次，并且在2012年正式将人形机器人比赛加入其中，增加了比赛的观赏性和趣味性。
1.1.2课题背景分析
本课题研制的人形机器人主要是参加华北五省大学生机器人大赛中人形机器人组的拳击和舞蹈项目的比赛。
拳击比赛是考验一个机器人能否猛烈地击打对方使对方倒地或在对方的猛烈打击条件下能否抵挡住或保持平衡能力的对抗赛，往届比赛如图1-1。拳击主要表现机器人如何产生爆发力，并且打中对方的要害部分使机器人被打倒。
图1-1机器人拳击比赛图1-2机器人舞蹈比赛
舞蹈比赛是展现机器人动作与音乐结合的协调性，考验参赛选手的编程编曲能力。本次比赛的场地为1.37m×1.52m的平坦区域，地面铺有绿色薄地毯，地毯厚为2mm～3mm，舞蹈机器人必须在该范围内运动，往届比赛如图1-2。机器人舞蹈时间应不少于
两分钟但不能超过五分钟。机器人舞蹈动作必须是完全自主的，开机启动可用遥控等方式，但表演开始后不得有人为干扰或引导机器人。机器人动作由参赛队伍自行设计控制，可以伴随音乐自行跳舞，表演，机器人服饰根据表演风格自行设计。根据机器人动作的连贯性，观赏性，稳定性以及与音乐的适配性进行打分，按得分由高到低的顺序排序，角逐出冠军。
人形机器人设计难点：
（1）人形机器人进行步行动作的时候，其重心位置会实时改变，保证机器人平稳工作存在较大困难；
（2）在平衡机器人身高、体重、臂展等条件时，需要考虑的问题较多；
（3）为了提高对机器人动作的仿人程度，人形机器人需要设置较多的自由度数，要实现对各个关节的准确控制有一定难度；
（4）舞蹈动作较为复杂，让机器人按编好的程序连续工作2～5分钟，前期编程需要的工作量较大；
（5）机器人拳击比赛对机器人动作稳定性、出拳的力度以及抗击打能力要求较高，要多方面考虑。
1.2课题研究意义
人形机器人的研发与制作过程是对大学四年所学专业基础知识的一次重要演练和应用，对于培养一个工程人员应具备的工程素养，提高机械专业的设计创新能力、动手能力、分析解决问题能力都具有十分积极的意义。
具体来说，在人形机器人的开发与设计过程中，每一组零件的装配过程乃至每一个零件的设计过程都是对自身专业水平的一次检验和提高。所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，大学所学的专业基础知识大多只是一些理论，而对于工科专业的学生来说，必须要经过工程训练，在工程项目中实践所学内容，才能做到理论联系实际，切实掌握所学内容。在机械方面，需要考虑机器人整体外观，机械结构以及选取材料等问题，对作图能力以及设计能力有着较高的要求。在电控方面，为了控制人形机器人模仿人类的动作，无论是蓝牙无线控制还是有线控制，必须用到通信技术，在机器人与上位
机之间建立通信关系。而在对机器人动作进行编排时，通过上位机控制软件控制舵机转动角度和持续时间来实现机器人的动作，这也在考验电控知识。对于电控知识相对薄弱的机械专业学生来说，机器人的制作过程是一个很好的学习过程，可以学到很多单片机原理、通信、传感器应用和自动控制方面的知识，尝试一些电路制作与单片机控制。在人形机器人的制作过程中，可以感受到从图纸到实物成形、从冰冷的零部件到实现人类动作的快乐，每一次成功的喜悦、每一次失败的教训都必将成为人生中一笔宝贵的财富。
参加华北五省大学生机器人大赛，有利于激发大学生开发与研制高科技产品的兴趣和学生的想象力；有利于培养学生的科学创新精神，激励学生探索创新思维；有利于提高学生理论联系实际的水平，使学生能在实践中检验和修正自己的设计理论。
1.3本章小结
本章主要介绍了华北五省大学生机器人大赛的背景，叙述了本课题研究的主要工作，以及本届机器人大赛中拳击比赛和舞蹈比赛的主要规则，针对本届比赛的要求，制订出了本课题研究的主要任务。
2文献综述
2.1人形机器人及其技术概述
2.1.1人形机器人的定义
人形机器人，又称仿人机器人，是具有与人相类似身体结构的机器人。1886年法国作家利尔·亚当在他的小说《未来夏娃》中，将外表看起来像人的机器起名为“安德罗丁”（android），就是一种人形机器人。虽然是文学作品里的定义，但已经概括出了人形机器人的雏形。按照利尔·亚当的描述，人形机器人由4部分组成：生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）；造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）；肌肉[1]（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态）；人造皮肤（含有肤色、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。
机器人学是一门高度交叉的综合学科[2]，而人形机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表，是多学科交叉和结合的综合高新技术领域，它预示着机器人技术未来的发展方向。人类是地球上最富有智慧的生物，对人类行为进行模仿的机器人则是对高级智能形式的探索。它涉及到机械电子、计算机、传感、自动控制、无线通讯、精密机械和仿生材料等众多子学科的前沿研究与综合集成。
2.1.2人形机器人的组成
人形机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、传感器、控制系统和驱动器等四部分组成[3]。机械本体是机器人实施动作的执行机构。为对机械本体进行精确控制，传感器应提供机器人本体或其所处环境的相关信息，控制系统依据控制程序产生指令信号，通过控制各关节运动坐标的驱动元件，使各臂杆端点按照要求的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态到达空间指定的位置。驱动器将控制系统输出的信号变换成大功率的信号，以驱动机械本体工作。
（1）机械本体
机器人的本体由机械手和移动装置两部分组成。机械手由手臂和末端执行器组成。手臂通过各个关节的运动使末端执行器进行预定的运动或到达预定的位置。末端执行器
直接作用于任务对象，它是手部、抓持机构、手爪及固定于手臂末端的工具的总称。机器人的移动装置有轮式、双足式及特殊机构等类型。人形机器人出于对仿人程度的考虑，通常都选择双足式移动机构。
（2）控制系统
控制系统是机器人的指挥中心[4]，相当于人的大脑功能，负责对作业指令信息、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节按所需的顺序、沿确定的位置或轨迹运动，完成特定的作业，其流程图如图2-1所示。
图2-1 机器人控制系统图
（3）传感器
传感器是机器人的感测系统，相当于人的感觉器官，是机器人系统的重要组成部分，包括外部传感器和内部传感器两大类[5]。外部传感器用来感知机器人所处的工作环境或工作状况信息，又可分成环境传感器和末端执行器传感器两种类型；前者用于识别物体和检测物体与机器人的距离等信息，后者安装在末端执行器上，检测处理精巧作业的感觉信息。常见的外部传感器有触觉传感器、力传感器、视觉传感器等。而内部传感
器主要用来检测机器人本身的状态，为机器人的运动控制提供必要的本体状态信息，如速度传感器、位置传感器等。
（4）驱动器
驱动器是机器人的动力系统，相当于人的心血管系统，一般由驱动装置和传动机构两部分组成。因驱动方式的不同，驱动装置可以分成电动、液动和气动三种类型。驱动装置中的电动机、舵机、液压缸、气缸可以与操作机直接相连，也可以通过传动机构与执行机构相连。传动机构通常有齿轮传动、链传动、带传动、蜗轮蜗杆传动等几种类型。
2.1.3人形机器人的应用
人形机器人具有人类相似度很高的外观，可以适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，并可以在很多方面扩展人类的能力，在服务，医疗，教育，娱乐等多个领域得到广泛应用[6]。
在服务领域，21世纪人类将进入老龄化社会，发展人形机器人能弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务，医疗等社会问题。人形机器人可以与人友好相处，能够很好地担任陪伴，照顾，护理老人和病人的角色，以及从事日常生活中的服务工作，因此家庭服务行业的人形机器人应用必将形成新的产业和新的市场。
在医疗领域，人形机器人可以用于假肢和器官移植，用人形机器人技术可以做成动力型假肢，协助瘫痪病人实现行走的梦想。
在教育领域，人形机器人在教育领域主要有两种应用：学生通过制作人形机器人来学习机械结构和复杂控制软件模块的设计；学生用仿人机器人进行实验来增强动手能力和解决实际问题的能力。
在娱乐领域，人形机器人可以用来在展览会上做广告，因为它在外形上更接近人类，所以更能引起人的兴趣。另外，它还可以用于家庭娱乐。
2.2人形机器人的发展概况
关于人形机器人的研究开始于20世纪60年代末，至今已有40多年的历史。国内外的许多学者都在从事人形机器人的研究与开发，如今人形机器人已经成为机器人技术
领域里的主要研究方向之一。由于人形机器人代表了机器人技术的尖端水平，因此各个国家在人形机器人技术上都不遗余力地投入人力、财力、物力进行相关研究，其机械结构、电子控制系统、动作平稳性、步态规划等都是现在机器人研究领域的热门项目[7]。
2.2.1国外人形机器人的发展概况
早在1968年，英国的R.Mosher制造出了第一台双足步行机器人[8]，名为“Rig”，正式拉开了人形机器人研究的序幕，但该机器人只有踝关节和髋关节，操作者根据力反馈来保持机器人的平衡。同年，日本早稻田大学的加藤一郎教授也开始着手展开双足人形机器人的研制工作[9]。
南斯拉夫的M.vukobratovic于1969年提出了ZMP(Zero Moment Point)理论，较好地解决了动态步行稳定性判断问题，并且成功地研制出了全世界第一台具有人类基本特征的双足人形机器人。此后，各国科学家在此理论的基础上进行了更深入的研究，并且取得了一系列优秀的成果。美籍华人郑元芳研制的双足步行机器人[10-12]，其中SD-2机器人具有8个自由度，能在平地上完成前、后、左、右行走的动作，并且还能够走斜坡[13，14]。法国国立信息与自动化研究所INRIA和Poitiers大学力学实验室共同研发制造出了一种具有15个自由度的双足步行机器人BIP2000[15]，已经初步具备人的一些特征关节，能完成站立、上下楼梯、行走和爬坡等动作。
从1986年开始，本田公司[16]着手研制双足人形机器人，其中P系列的多款人形机器人都算得上是同时代的翘楚。2011年11月20日，本田公司推出了人形机器人ASIMO，将人形机器人的研究提升到了一个新的高度。ASIMO机器人身高1.2m，体重43kg，具有26个自由度，可以通过便携式控制器或个人电脑控制它的前进方向和上肢及腿部的动作[17]。ASIMO的眼睛是一台摄像机，在锁定并计算好行进路线后，“陀螺仪”负责惯性导航，修正行走线路的偏差；“六轴向力传感器”用于测量台阶的级数，使ASIMO能够连续通过较长的楼梯而不会失足；“关节角度传感器”用于测量地面是否平整，以便使ASIMO可以聪明地躲过沟沟坎坎；“速度传感器”则保证ASIMO 不会因
为超速而摔倒[18]。正是由于这些技术的应用，使得ASIMO可以自动识别人的动作、声音和面容，实现自主行走、上下楼梯等动作，可以说具有划时代的意义。
2000年11月21日，索尼公司推出了娱乐型人形机器人“Sony Dream Robot-3x”，简称为SDR-3X（如图2-2）。其身高为50cm，重量为5kg，共计24个自由度。SDR-3X机器人具有实时自适应运动控制系统，可以通过传感器实时检测外部路况，使得它可以在任意地形的路况进行稳定行走。SDR-3X主要靠上身动作表演,下身仅仅适从跟随。由于在腰关节特设了两个自由度 ,因此她能表演展臂、劈叉、踢球、倾倒后自主站立、优美舞姿等[19]。SDR-3X安装ISA系列的三种体积小、重量轻、精度高、内藏减速器和ASIC驱动控制电路板的专用AC伺服电机,真正实现了电机集成技术，该系列自制电机的重量仅是同类传统电机的1/5～1/4，SDR-3X采用的控制系统软件为OPEN-R。由于索尼的SDR-3X人形机器人定位都是娱乐型的机器人，其机构也是按串联[20-21]设计制造的，所以虽然它的承载能力低，但是其结构更加灵活，容易做各种动作。
图2-2 SDR-3X 图2-3 QRIO 图2-4 KONDO
2003年12月18日，索尼公司通过对控制系统和ISA-Intelligent Servo Actuator的改进，推出了世界上第一款实现跑步功能的双足人形机器人[22]QRIO。QRIO （如图2-3）身高58cm，体重7kg，全身共计38个自由度。它具有非常强大的运动、思考、辨别能力，依靠3颗64位的RISC处理器，能够实现正常的对话和运动等功能。头部有7个话筒,两个CCD 摄像机,能够感知周围的环境,自动搜寻声音或物品来源,并