科学生毕业文
机器运动控制
作 者
院（系） 物理电气工程学院
专 业 电气工程动化
年 级
学 号
指导教师
日 期
学生诚信承诺书
郑重承诺：呈交文导师指导进行研究工作取研究成果知文中特加标注致谢方外文中包含已发表撰写研究成果包含获安阳师范学院教育机构学位证书材料工作志研究做贡献均已文中作明确说明表示谢意
签名： 日期：
文授权说明
完全解安阳师范学院关保留学位文规定：学校权保留送交文复印件允许文查阅阅学校公布文全部部分容采影印缩印复制手段保存文
签名： 导师签名： 日期：
机器运动控制
摘 ：形机器直机器领域研究热点集中机械工程电子工程计算机工程信息工程动控制工程工智仿生学等种学科新科研成果代表机电体化高成目前科技发展活跃领域课题Bioloid机器实践着重分析机器构成工作原理控制机器运动状态机器定简单解
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关键词：Bioloid机器构成工作原理控制
1 引言
11课题意义 形机器机器技术中高点代表机器技术发展现状类球富智慧种动物类进行仿制机器高级智形式探索形机器代类完成危险繁重工作毒体害高温危险工作环境中形机器代类完成工作重复性繁重工作形机器完全代类保质保量完成工作[l]形机器服务业方面具广阔前景形机器做成导游礼仪机器够进行简单话宾馆接客现国家开发进行表演机器型游乐园增加娱乐性机器够说话唱歌表演进行交流形机器残疾士福音电影阿达里面种操仿机器坐机器里面操机器行走做种样动作果种机器够走进现实疑会残疾士带希残疾突破身缺陷重新获然形机器类益处远止会类科技社会济文化伦理等方面带深远影响形机器代表机器技术高水成国家机器技术努力争取制高点国遗余力投入财力物力进行形机器技术研究机械结构控制系统步态规划等成机器研究热门领域[2]形机器工程少高阶非线性非完整约束度系统[3]机器运动学动力学控制理研究提供非常理想实验台中国机器赛中专门设针形机器舞蹈赛项目台形机器机械结构控制系统等进行研究希利全国机器赛样台高校企业进行交流相互学进步
12国外发展 年形机器研究开发引起日欧美等许国家科学家企业家极热情国家政府纷纷耗资组织相应发展战略计划许著名学公司成立资助研究开发形机器目标研究机构日早进行形机器研究国家国外形机器研究中尤日研究中突出代表着世界研究形机器高水早出现形机器应该首推1973年早稻田学加藤郎研究室开发认叭BO1加藤郎教授等WL5型二足步行机器基础配置机械手工视觉听觉等装置组成认叭BO丫1型式机器技术成熟认钱BOT1通视觉识物体通听觉语音进行交流触觉双手物体进行操作双足行走具备形机器功组成素早稻田学研究室开发演奏钢琴形机器认叭BOT2形机器新纪元田19年推出P2掀开田技研 1986年开始实施项形机器研发秘密计划终 1996年推出身高 182cm体重210kg形机器P2P2身搭载计算机电池具线遥控技术P2通重力感应器面信息传机器电脑机器电脑进行判断进实现身体衡稳步前进P2世界首台双足稳定步行形机器田公司形机器领域里处世界绝领先位田 1997年发布高160cm重130kgP3[4]田公司2000年n月推出高度仅120cm重量仅43kgAsIMo[5]型化迈进田公司目前先进行走技术i Walk(hitelligentRealtimeFlexiblewalking智型时弹性行走)运机器
国形机器方面研究发达国家相总体定差距国学者懈努力取丰硕成果国家863计划国家然科学基金湖南省支持长沙国防科技学首次1988年2月研制成功六关节面运动型双足步行机器1990年先研制成功十关节十二关节空间运动型机器系统实现前进退左右侧行左右转弯台阶斜坡跨越障碍等类具备基行走功期十二关节空间运动机构实现秒钟两步前进左右动态行走等功十年攻关国防科技学研制成功国第台仿型机器—先行者 实现机器技术重突破先行者样身躯头颅眼睛双臂双足定语言功动态步行2005年北京理工学牵头单位参加历三年攻关造双足形机器汇童研制成功图13b示汇童GDSC仿机器应国成继日第二仿机器走出实验室投入实际应国家国形机器研究起步较晚基础理突破重点集中机构控制系统步态机器具智性学力研究刚刚起步
2 Bioloid机器基构成工作原理
21 基构成
图21 Biolod机器
CM510作机器CPU等脑电压65V15V (充电111V)电流损耗较工作温度：5℃70℃部IO设置包括钮：2（Reset 1Star 1）麦克（声音感知）1温度传感器1电压传感器1外部IO设置含OLLO周边配件5P IO接口 6AX系列3P接口5
图22 CM—5
Ø 控制设备PC 编写程序串口载CM5
Ø 控制28伺服电机10传感器模块
Ø 输入输出钮
Ø 遥控接口
Ø 置电池
Ø CM5钮输入装置两CM5分作遥控发送接收设备
Ø 操作模式 理模式（Manage） 编程模式（Program） 运行模式（Play）
Ø 状态LED灯4种（POWER TXD RXD AUX）
Ø 输入命令键4种（U D L R）
AX12+ 数字伺服电机般RC微伺服电机（舵机）PWM（脉宽度调制）控制需CM5 Dynamites AX12+伺服电机专控制器控制做关节电机时旋转0～300°作轮子驱动时选择360°连续旋转模式更重AX12+提供高达16kg·cm扭矩般数字舵机2倍动力十足款真正意义机器专伺服电机AX12+规格参数
1齿轮减速：1254
2扭矩：12kg·cm（7V）165kg·cm（10V）
3速度：0269秒60度(7V)0196秒60度(10V)
4分辨率：035°
5运行角度：300°（位置控制）360°连续旋转（位置控制）
6电压：7V~10V （推荐供电：96V）
7电流：900mA
8工作温度：5 ~ +85℃
9控制信号：数字信号
10通讯协议：半双工异步串行通信
11通讯设置：（数位8停止位1奇偶效验）
12Link 方式TTL－Daisy总线
13ID数：254ID (0~253)
14通讯速率：7343bps ~ 1 Mbps
15反馈：位置温度负载电压
16报警功：部温度扭矩供电电压超额定范围时电机动反馈实时情况种紧急状况电机会闪动LED指示灯停止输出扭矩
图23 AX12+ (舵机接口)
Bioloid AXS1麻雀五脏俱全 包含功AXS1感测模块(距离感测 声音感测等) 远程遥控玩具 Bioloid机器套件组 者开发智型程控机器
AXS1包含传感器
<1>红外距离探测器
<1>红外遥控器
<2>声音探测传感器
<3>光度探测传感器（ 3方）
<4>温度检测传感器
<5>红外线传输Bioloid中红外线传输透「Behavior control」编写程序控制
图24 AXS1 (传感器模块)
组成单元：
<1> 专专伺服电机：专家版含21电机综合套件18初级4
<2>控制器CM5专家版含2综合套件1初级1
<3>联结件：综合套件中215机械结构件1000联结件
<4>导线外接电源1
<5>串口线干CD 1
专伺服电机：
专家版含21电机
综合套件18
初级4
联结件：
综合套件中215机械结构件1000联结件
控制器CM5
专家版含2
综合套件1
初级1
外接电源1
串口线干
导线
CD 1
图25 部分单元器件实物图
22全身机械结构原理 类研究体结构前花费量时间研究昆虫哺乳动物腿部移动甚登山运动员爬山时腿部运动方式研究帮助更解行走程中发生切特关节处运动行走时候会移动重心前摆动双手衡身体构成形机器行走基础方式形机器类样髋关节膝关节足关节机器中关节般度表示度表示运动者者者右者左分散身体部位骨骼结构生般形机器身装两传感器辅助水行走加速度传感器陀螺传感器机器知道身体目前前进速度面成角度次计算出衡身体需调节量两传感器起作类耳相进行衡调节机器必须相应关节传感器6 轴力传感器感知肢体角度受力情况机器行走中重部分调节力需检测行走中产生惯性力机器行走时受球引力加速减速行进引起惯性力影响力总称总惯性力机器脚接触面时受面反作力影响力称面反作力力必须衡掉机器控制目标找姿势够衡掉力称做zeromoment point (ZMP)
图26 机械结构
机器保持佳衡状态情况行走时轴目标总惯性力实际面反作力相等相应目标ZMP 面反作力中心点重合机器行走坦面时轴目标总惯性力实际面反作力会错位会失衡产生造成跌倒力跌倒力目标ZMP 面反作力中心点错位程度相应简言目标ZMP 面反作力中心点错位造成失衡原假机器失衡跌倒时述三控制系统起作防止跌倒保持继续行走状态
（1）面反作力控制：脚底够适应面整时稳定站住
（2）目标ZMP 控制：种种原造成机器法站立开始倾倒时候需制肢反方运动控制产生摔跤时加快步速衡身体
（3）落脚点控制：目标ZMP 控制激活时候机器需调节步间距满足时身体位置速度步长间关系
23机器驱动机构
231 驱动机
常机器驱动机液压气压电动驱动机
液压驱动机优点产生非常力（280×105 牛顿／米工作压力2 厘米直径液压缸产生8000 牛顿力）力矩重量值较高体积重量轻驱动器提供较驱动力刚度缺点：需液压动力源设备部漏油油温影响驱动特性理维修技术求高次性投资较高等目前液压执行机构型机器驱动气压驱动机优点：成低性高维修理容易污染会失火缺点：难准确控制速度位置出力噪声易锈蚀等般控制求高出力求场合电动驱动机指电机优点：便控制实现快速精确位置速度控制信号处理方便配线容易较清洁缺点：力矩重量值较低低速力矩需减速器减速器存齿隙引起控制问题常电机步进电机直流伺服电机交流伺服电机三种中直流伺服电机应广直流伺服电机机械特性控制特性调速范围宽起动力矩效率高等着电子技术发展年出现采电子换技术直流刷电机避免机械换带火花问题交流伺服电机电源提供简单控制相复杂步进电机直接脉数字信号控制控制简单位置控制准确般效率较低长期工作丢步问题般型普型机器特殊驱动方式气囊驱动：英国Shadow计划研制双足步行机器传动结构采气囊肌肉方式进行驱动具重量轻输出力柔性等优点记忆合金驱动器（SMA）：功率重量驱动电压低噪音污染等优点压电驱动器：体积精度高响应快输出力微动机器
关节驱动方式直接驱动方式间接驱动方式两种
直接驱动方式驱动器输出轴机器手臂关节轴直接相连种方式优点驱动器关节间机械系统较少够减少摩擦间隙等非线性素影响做控制性较然方面直接驱动手臂关节驱动器输出力矩必须外必须考虑手臂动力学问题间接驱动方式驱动器力通减速器等传递关节部分机器关节间接驱动种间接驱动通常驱动器输出力矩驱动关节需力矩必须减速器
232 减速机构
减速机构目电动机输出高转速力矩运动变换成低转速力矩关节旋转运动变换成低速驱动力关节直线运动描述减速机构基参数传动称减速
传动传动效率
定义21 传动 i ：输入转速输出转速
定义22 传动效率η ：输出功率输入功率
忽略传动机构功耗情况输出转速输入转速1 i 输出力矩输入力矩i 倍
常减速机构两类旋转减速机构移减速机构
旋转减速机构：般输入轴电机带动作高速旋转运动输出轴作低转速运动齿轮减速机构蜗轮－蜗杆减速机构行星齿轮减速机构谐波减速机构等
齿轮减速机构
输入轴输出轴行垂直相交转速输出齿轮齿数输入齿轮齿数级齿轮减速较齿隙获减速通常需级
蜗轮－蜗杆减速机构
交错轴间传递运动力轴交角通常90 度较转速锁功（外力作行保持关节位置）机械效率低(＜60)齿隙
行星减速机构
太阳轮S行星齿轮P行星轮支架（转臂）C 齿轮A 组成太阳轮位行星减速机构太阳系中心外齿中心轮中心轮指行星齿轮相啮合轴线固定齿轮行星齿轮转臂带动围绕太阳轮做行星运动行星齿轮公转转齿轮位行星减速机构外侧具齿中心轮Z 表示齿数ω 表示转速ZS 表示太阳轮齿数 ZA 表示齿轮齿数表示组件间运动关系传动表示 aibc 中标a 表示固定件标 b 表示动件 c 表示动件太炎传动正表示动件动件转相传动负表示动件动件转相反
(1)转臂固定太阳轮输入轴相连齿轮输出轴相连时太阳轮时针旋转周带动行星轮逆时针转ZS 齿带动齿轮转ZS 齿ZS ZA 周转臂固定件时采转臂固定法计算传动转臂固定法基思想：根相运动原理果整行星机构加转臂C 角速度C ω相等方相反公角速度−ωC 行星机构中构件间相运动关系然保持变
(2)齿轮固定太阳轮输入轴相连转臂输出轴相连时行星减速机构特点机械效率高具中等程度减速齿隙
谐波减速机构
谐波减速机构般波形发生器H柔轮A 刚轮B 三基构件组成波形发生器(Wave Generator)椭圆形凸轮通常波形发生器装电机轴柔轮(称Flex Spline)弹性金属制成具外齿 刚轮(称Circular Spline)齿圆形刚体构件齿柔轮外齿相齿数柔轮外齿谐波齿轮传动谐波发生器H 作迫柔轮 A 产生弹性变形刚轮B 相互啮合实现传递运动动力目特征：H 作柔轮A 点次刚轮啮合时柔轮A 点径位移转角变化基称简谐波该机构称谐波减速机构原传动计算：
(1)刚轮B 固定波形发生器H 输入轴相连柔轮A 输出轴相连时凸轮转周时柔轮相反方转ZBZA 齿相(ZBZA)ZA 转
(2)柔轮固定凸轮输入轴相连刚轮输出轴相连时凸轮转周时刚轮相方转ZBZA 齿
谐波减速机构具特点：(1) 结构简单体积重量轻体积构造简单减速(2)传动传动范围宽(3)传动精度高(4)齿面磨损均匀(5) 传动效率高(6)间隙（空回量）甚实现间隙传动(7)运动稳击(8)轴性局限性：(1) 传动限值较高(2)柔轮波发生器制造较复杂制造成较高(3)般做成相交轴交错轴传动机构移减速机构：旋转运动转换移运动输入高速旋转电机轴相连输出滑动关节相连常齿轮齿条机构滚珠丝杠等
外减轻关节驱动器负载解决安装空间限制实现机器臂重力衡机器驱动机构常常直接安装关节带动臂运动安装适位置（基座）通转递机构实现力力矩传输采链条等间接驱动机构
24 工作原理
CM5 AX12+ AX12+ AXS1
图27 控制原理接线图
工作程：机器种够做种动作装置然根情况做机器行应该程序指导机器行行控制程序决定行机器模式首先部分制作形机器求进行组装进行调试CM5通Daisy 总线控制AX12+(舵机)AXS1传感器模块协作完成系列程序制定动作程
3 机器行运动控制
31完整步行程 双足机器完整步行程包括五种步态：启动步态加速步态正常行走步态减速步态停止步态
启动步态：双腿立静止状态变化前行走状态
加速步态：衔接起动阶段正常步行阶段渡步态
正常行走步态：两条腿交前跨出关节周期性运动
减速步态：衔接正常步行阶段停止阶段渡步态
停止步态：前行走状态回双腿立静止状态
机器步行速度较慢时静步态规划时五种步态简化包含起动步态正常行走步态停止步态三种步态步行程
32 行控制编程
Ø 基C语言开发
Ø 传感器交互
Ø 认知现状判断现状
Ø 产生行动
行
图31 行控制编程界面
通该编程软件步进求进行指令编程然PC机程序载CM5控制器中进行调试观察否求执行步进动作致正确运行根提示软件硬件作出系统检查果应程序进行重新编程调试直达预期止表列出常编程指令：
类型
命令
功
操作
START
表示控制程序开始
END
表示程序控制结束
LOAD
输入种数
COMPUTE
进行四运算
状态
IF
条件真时执行命令
ELSE IF
出现IFIF真ELSE假执行
ELSE IF 指令
ELSE
出现IFELSE IF 两者假时执行ELSE 命令
CONI IF
IF 句需IF时第区开
分支
JUMP
跳转目标命令
CALL
调目标命令
RETURN
完成CALL命令返回执行CALL命令行
表31 行控制语法
4 总结展 Bioloid Robot完整套件组组合出18关节(18 DOF度)双足机器 犬型机器恐龙机器电铲家机器蜘蛛侠蛇形机器等Bioloid机器「AX12(智型伺服马达)」具位置控制讯号回馈功设计者手动制定出动作量Motion Editor 记忆仿真省繁复位置控制通Behavior control建构完整机器动作便通Behavior Control Programer机器编排出套完整动作Bioloid积木玩具样制作出者想造型万机器套装Bioloid仅做出者想结构实现者想动作Bioloid传感器关节读取种信息利信息实现全动运动例：制作机器狗听见声拍手声时站起听两声拍手声时坐者制作机器时鞠躬做机器车躲避障碍物捡起物体通遥装置控制机器种动作利提供动作编辑软件行编译软件没机器知识背景容易编辑机器实现机器种动作高级者C语言编辑机器种运动算法实现更加复杂控制通次机器实验包括前理学动手实践操作学许机器基础理知识机器结构组成系统初步解学会机器配套软件基操作
参考文献
[1] 徐国华移动机器发展现状趋势电子工业出版社20013～5
[2] 谭民机器技术应北京：中国工业出版社2001 7～14
[3] 张学军Robotis Bioloid 中文手册 採智科技股份限公司20077～18
[4] 陈学利微机总线接口设计 电子科技学出版社1998(6)
[5]金世俊智车传感器数融合现代电子技术出版社 2005（33）
[6] 康光华电子技术基础 机械工业出版社）2008(7)
[7] 张洪润传感器原理应 清华学出版社2007（10～12）
[8]谭浩强C程序设计清华学出版社200812（46～47）
[9] 马培荪曹曦赵群飞两足机器步态综合研究进展[J] 西南交通学学报 2006(04)
[10] 陈刘国海 MOTOMANUPJ型机械手运动学改进算法研究[J] 机械传动 2006(06)
[11] 赵晓军黄强彭琴张利格李科杰基体运动仿型机器动作运动学匹配[J] 机器 2005(04)
[12] 汪光黄强李科杰 基仿机器身约束条件行调节步行控制[J] 探测控制学报 2003(S1)
[13] 窦瑞军马培荪 基ZMP点两足机器步态优化[J] 机械科学技术 2003(01)
[14] 谢涛徐建峰张永学强文义仿机器研究历史现状展[J] 机器 2002(04)
[15] 李剑心基单片机红外线发射器 科技信息出版社2009(13)
Motion and control of robots
Abstract The humanoid robot has been a research focus in the field of robot it focuses on the latest research results of various disciplines of mechanical engineering electronic engineering computer engineering information engineering automatic control engineering and artificial intelligence and bionics represents the highest achievements of electromechanical integration is one of the most active areas in the development of science and technology The Bioloid robot as practice focuses on the analysis of the robot pose and its working principle motion and control of the robot let us have a simple understanding of some of the robot
Key Words Bioloid robot Constitution working principle control
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科学生毕业文
机器运动控制
作 者
院（系） 物理电气工程学院
专 业 电气工程动化
年 级
学 号
指导教师
日 期
学生诚信承诺书
郑重承诺：呈交文导师指导进行研究工作取研究成果知文中特加标注致谢方外文中包含已发表撰写研究成果包含获安阳师范学院教育机构学位证书材料工作志研究做贡献均已文中作明确说明表示谢意
签名： 日期：
文授权说明
完全解安阳师范学院关保留学位文规定：学校权保留送交文复印件允许文查阅阅学校公布文全部部分容采影印缩印复制手段保存文
签名： 导师签名： 日期：
机器运动控制
摘 ：形机器直机器领域研究热点集中机械工程电子工程计算机工程信息工程动控制工程工智仿生学等种学科新科研成果代表机电体化高成目前科技发展活跃领域课题Bioloid机器实践着重分析机器构成工作原理控制机器运动状态机器定简单解
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关键词：Bioloid机器构成工作原理控制
1 引言
11课题意义 形机器机器技术中高点代表机器技术发展现状类球富智慧种动物类进行仿制机器高级智形式探索形机器代类完成危险繁重工作毒体害高温危险工作环境中形机器代类完成工作重复性繁重工作形机器完全代类保质保量完成工作[l]形机器服务业方面具广阔前景形机器做成导游礼仪机器够进行简单话宾馆接客现国家开发进行表演机器型游乐园增加娱乐性机器够说话唱歌表演进行交流形机器残疾士福音电影阿达里面种操仿机器坐机器里面操机器行走做种样动作果种机器够走进现实疑会残疾士带希残疾突破身缺陷重新获然形机器类益处远止会类科技社会济文化伦理等方面带深远影响形机器代表机器技术高水成国家机器技术努力争取制高点国遗余力投入财力物力进行形机器技术研究机械结构控制系统步态规划等成机器研究热门领域[2]形机器工程少高阶非线性非完整约束度系统[3]机器运动学动力学控制理研究提供非常理想实验台中国机器赛中专门设针形机器舞蹈赛项目台形机器机械结构控制系统等进行研究希利全国机器赛样台高校企业进行交流相互学进步
12国外发展 年形机器研究开发引起日欧美等许国家科学家企业家极热情国家政府纷纷耗资组织相应发展战略计划许著名学公司成立资助研究开发形机器目标研究机构日早进行形机器研究国家国外形机器研究中尤日研究中突出代表着世界研究形机器高水早出现形机器应该首推1973年早稻田学加藤郎研究室开发认叭BO1加藤郎教授等WL5型二足步行机器基础配置机械手工视觉听觉等装置组成认叭BO丫1型式机器技术成熟认钱BOT1通视觉识物体通听觉语音进行交流触觉双手物体进行操作双足行走具备形机器功组成素早稻田学研究室开发演奏钢琴形机器认叭BOT2形机器新纪元田19年推出P2掀开田技研 1986年开始实施项形机器研发秘密计划终 1996年推出身高 182cm体重210kg形机器P2P2身搭载计算机电池具线遥控技术P2通重力感应器面信息传机器电脑机器电脑进行判断进实现身体衡稳步前进P2世界首台双足稳定步行形机器田公司形机器领域里处世界绝领先位田 1997年发布高160cm重130kgP3[4]田公司2000年n月推出高度仅120cm重量仅43kgAsIMo[5]型化迈进田公司目前先进行走技术i Walk(hitelligentRealtimeFlexiblewalking智型时弹性行走)运机器
国形机器方面研究发达国家相总体定差距国学者懈努力取丰硕成果国家863计划国家然科学基金湖南省支持长沙国防科技学首次1988年2月研制成功六关节面运动型双足步行机器1990年先研制成功十关节十二关节空间运动型机器系统实现前进退左右侧行左右转弯台阶斜坡跨越障碍等类具备基行走功期十二关节空间运动机构实现秒钟两步前进左右动态行走等功十年攻关国防科技学研制成功国第台仿型机器—先行者 实现机器技术重突破先行者样身躯头颅眼睛双臂双足定语言功动态步行2005年北京理工学牵头单位参加历三年攻关造双足形机器汇童研制成功图13b示汇童GDSC仿机器应国成继日第二仿机器走出实验室投入实际应国家国形机器研究起步较晚基础理突破重点集中机构控制系统步态机器具智性学力研究刚刚起步
2 Bioloid机器基构成工作原理
21 基构成
图21 Biolod机器
CM510作机器CPU等脑电压65V15V (充电111V)电流损耗较工作温度：5℃70℃部IO设置包括钮：2（Reset 1Star 1）麦克（声音感知）1温度传感器1电压传感器1外部IO设置含OLLO周边配件5P IO接口 6AX系列3P接口5
图22 CM—5
Ø 控制设备PC 编写程序串口载CM5
Ø 控制28伺服电机10传感器模块
Ø 输入输出钮
Ø 遥控接口
Ø 置电池
Ø CM5钮输入装置两CM5分作遥控发送接收设备
Ø 操作模式 理模式（Manage） 编程模式（Program） 运行模式（Play）
Ø 状态LED灯4种（POWER TXD RXD AUX）
Ø 输入命令键4种（U D L R）
AX12+ 数字伺服电机般RC微伺服电机（舵机）PWM（脉宽度调制）控制需CM5 Dynamites AX12+伺服电机专控制器控制做关节电机时旋转0～300°作轮子驱动时选择360°连续旋转模式更重AX12+提供高达16kg·cm扭矩般数字舵机2倍动力十足款真正意义机器专伺服电机AX12+规格参数
1齿轮减速：1254
2扭矩：12kg·cm（7V）165kg·cm（10V）
3速度：0269秒60度(7V)0196秒60度(10V)
4分辨率：035°
5运行角度：300°（位置控制）360°连续旋转（位置控制）
6电压：7V~10V （推荐供电：96V）
7电流：900mA
8工作温度：5 ~ +85℃
9控制信号：数字信号
10通讯协议：半双工异步串行通信
11通讯设置：（数位8停止位1奇偶效验）
12Link 方式TTL－Daisy总线
13ID数：254ID (0~253)
14通讯速率：7343bps ~ 1 Mbps
15反馈：位置温度负载电压
16报警功：部温度扭矩供电电压超额定范围时电机动反馈实时情况种紧急状况电机会闪动LED指示灯停止输出扭矩
图23 AX12+ (舵机接口)
Bioloid AXS1麻雀五脏俱全 包含功AXS1感测模块(距离感测 声音感测等) 远程遥控玩具 Bioloid机器套件组 者开发智型程控机器
AXS1包含传感器
<1>红外距离探测器
<1>红外遥控器
<2>声音探测传感器
<3>光度探测传感器（ 3方）
<4>温度检测传感器
<5>红外线传输Bioloid中红外线传输透「Behavior control」编写程序控制
图24 AXS1 (传感器模块)
组成单元：
<1> 专专伺服电机：专家版含21电机综合套件18初级4
<2>控制器CM5专家版含2综合套件1初级1
<3>联结件：综合套件中215机械结构件1000联结件
<4>导线外接电源1
<5>串口线干CD 1
专伺服电机：
专家版含21电机
综合套件18
初级4
联结件：
综合套件中215机械结构件1000联结件
控制器CM5
专家版含2
综合套件1
初级1
外接电源1
串口线干
导线
CD 1
图25 部分单元器件实物图
22全身机械结构原理 类研究体结构前花费量时间研究昆虫哺乳动物腿部移动甚登山运动员爬山时腿部运动方式研究帮助更解行走程中发生切特关节处运动行走时候会移动重心前摆动双手衡身体构成形机器行走基础方式形机器类样髋关节膝关节足关节机器中关节般度表示度表示运动者者者右者左分散身体部位骨骼结构生般形机器身装两传感器辅助水行走加速度传感器陀螺传感器机器知道身体目前前进速度面成角度次计算出衡身体需调节量两传感器起作类耳相进行衡调节机器必须相应关节传感器6 轴力传感器感知肢体角度受力情况机器行走中重部分调节力需检测行走中产生惯性力机器行走时受球引力加速减速行进引起惯性力影响力总称总惯性力机器脚接触面时受面反作力影响力称面反作力力必须衡掉机器控制目标找姿势够衡掉力称做zeromoment point (ZMP)
图26 机械结构
机器保持佳衡状态情况行走时轴目标总惯性力实际面反作力相等相应目标ZMP 面反作力中心点重合机器行走坦面时轴目标总惯性力实际面反作力会错位会失衡产生造成跌倒力跌倒力目标ZMP 面反作力中心点错位程度相应简言目标ZMP 面反作力中心点错位造成失衡原假机器失衡跌倒时述三控制系统起作防止跌倒保持继续行走状态
（1）面反作力控制：脚底够适应面整时稳定站住
（2）目标ZMP 控制：种种原造成机器法站立开始倾倒时候需制肢反方运动控制产生摔跤时加快步速衡身体
（3）落脚点控制：目标ZMP 控制激活时候机器需调节步间距满足时身体位置速度步长间关系
23机器驱动机构
231 驱动机
常机器驱动机液压气压电动驱动机
液压驱动机优点产生非常力（280×105 牛顿／米工作压力2 厘米直径液压缸产生8000 牛顿力）力矩重量值较高体积重量轻驱动器提供较驱动力刚度缺点：需液压动力源设备部漏油油温影响驱动特性理维修技术求高次性投资较高等目前液压执行机构型机器驱动气压驱动机优点：成低性高维修理容易污染会失火缺点：难准确控制速度位置出力噪声易锈蚀等般控制求高出力求场合电动驱动机指电机优点：便控制实现快速精确位置速度控制信号处理方便配线容易较清洁缺点：力矩重量值较低低速力矩需减速器减速器存齿隙引起控制问题常电机步进电机直流伺服电机交流伺服电机三种中直流伺服电机应广直流伺服电机机械特性控制特性调速范围宽起动力矩效率高等着电子技术发展年出现采电子换技术直流刷电机避免机械换带火花问题交流伺服电机电源提供简单控制相复杂步进电机直接脉数字信号控制控制简单位置控制准确般效率较低长期工作丢步问题般型普型机器特殊驱动方式气囊驱动：英国Shadow计划研制双足步行机器传动结构采气囊肌肉方式进行驱动具重量轻输出力柔性等优点记忆合金驱动器（SMA）：功率重量驱动电压低噪音污染等优点压电驱动器：体积精度高响应快输出力微动机器
关节驱动方式直接驱动方式间接驱动方式两种
直接驱动方式驱动器输出轴机器手臂关节轴直接相连种方式优点驱动器关节间机械系统较少够减少摩擦间隙等非线性素影响做控制性较然方面直接驱动手臂关节驱动器输出力矩必须外必须考虑手臂动力学问题间接驱动方式驱动器力通减速器等传递关节部分机器关节间接驱动种间接驱动通常驱动器输出力矩驱动关节需力矩必须减速器
232 减速机构
减速机构目电动机输出高转速力矩运动变换成低转速力矩关节旋转运动变换成低速驱动力关节直线运动描述减速机构基参数传动称减速
传动传动效率
定义21 传动 i ：输入转速输出转速
定义22 传动效率η ：输出功率输入功率
忽略传动机构功耗情况输出转速输入转速1 i 输出力矩输入力矩i 倍
常减速机构两类旋转减速机构移减速机构
旋转减速机构：般输入轴电机带动作高速旋转运动输出轴作低转速运动齿轮减速机构蜗轮－蜗杆减速机构行星齿轮减速机构谐波减速机构等
齿轮减速机构
输入轴输出轴行垂直相交转速输出齿轮齿数输入齿轮齿数级齿轮减速较齿隙获减速通常需级
蜗轮－蜗杆减速机构
交错轴间传递运动力轴交角通常90 度较转速锁功（外力作行保持关节位置）机械效率低(＜60)齿隙
行星减速机构
太阳轮S行星齿轮P行星轮支架（转臂）C 齿轮A 组成太阳轮位行星减速机构太阳系中心外齿中心轮中心轮指行星齿轮相啮合轴线固定齿轮行星齿轮转臂带动围绕太阳轮做行星运动行星齿轮公转转齿轮位行星减速机构外侧具齿中心轮Z 表示齿数ω 表示转速ZS 表示太阳轮齿数 ZA 表示齿轮齿数表示组件间运动关系传动表示 aibc 中标a 表示固定件标 b 表示动件 c 表示动件太炎传动正表示动件动件转相传动负表示动件动件转相反
(1)转臂固定太阳轮输入轴相连齿轮输出轴相连时太阳轮时针旋转周带动行星轮逆时针转ZS 齿带动齿轮转ZS 齿ZS ZA 周转臂固定件时采转臂固定法计算传动转臂固定法基思想：根相运动原理果整行星机构加转臂C 角速度C ω相等方相反公角速度−ωC 行星机构中构件间相运动关系然保持变
(2)齿轮固定太阳轮输入轴相连转臂输出轴相连时行星减速机构特点机械效率高具中等程度减速齿隙
谐波减速机构
谐波减速机构般波形发生器H柔轮A 刚轮B 三基构件组成波形发生器(Wave Generator)椭圆形凸轮通常波形发生器装电机轴柔轮(称Flex Spline)弹性金属制成具外齿 刚轮(称Circular Spline)齿圆形刚体构件齿柔轮外齿相齿数柔轮外齿谐波齿轮传动谐波发生器H 作迫柔轮 A 产生弹性变形刚轮B 相互啮合实现传递运动动力目特征：H 作柔轮A 点次刚轮啮合时柔轮A 点径位移转角变化基称简谐波该机构称谐波减速机构原传动计算：
(1)刚轮B 固定波形发生器H 输入轴相连柔轮A 输出轴相连时凸轮转周时柔轮相反方转ZBZA 齿相(ZBZA)ZA 转
(2)柔轮固定凸轮输入轴相连刚轮输出轴相连时凸轮转周时刚轮相方转ZBZA 齿
谐波减速机构具特点：(1) 结构简单体积重量轻体积构造简单减速(2)传动传动范围宽(3)传动精度高(4)齿面磨损均匀(5) 传动效率高(6)间隙（空回量）甚实现间隙传动(7)运动稳击(8)轴性局限性：(1) 传动限值较高(2)柔轮波发生器制造较复杂制造成较高(3)般做成相交轴交错轴传动机构移减速机构：旋转运动转换移运动输入高速旋转电机轴相连输出滑动关节相连常齿轮齿条机构滚珠丝杠等
外减轻关节驱动器负载解决安装空间限制实现机器臂重力衡机器驱动机构常常直接安装关节带动臂运动安装适位置（基座）通转递机构实现力力矩传输采链条等间接驱动机构
24 工作原理
CM5 AX12+ AX12+ AXS1
图27 控制原理接线图
工作程：机器种够做种动作装置然根情况做机器行应该程序指导机器行行控制程序决定行机器模式首先部分制作形机器求进行组装进行调试CM5通Daisy 总线控制AX12+(舵机)AXS1传感器模块协作完成系列程序制定动作程
3 机器行运动控制
31完整步行程 双足机器完整步行程包括五种步态：启动步态加速步态正常行走步态减速步态停止步态
启动步态：双腿立静止状态变化前行走状态
加速步态：衔接起动阶段正常步行阶段渡步态
正常行走步态：两条腿交前跨出关节周期性运动
减速步态：衔接正常步行阶段停止阶段渡步态
停止步态：前行走状态回双腿立静止状态
机器步行速度较慢时静步态规划时五种步态简化包含起动步态正常行走步态停止步态三种步态步行程
32 行控制编程
Ø 基C语言开发
Ø 传感器交互
Ø 认知现状判断现状
Ø 产生行动
行
图31 行控制编程界面
通该编程软件步进求进行指令编程然PC机程序载CM5控制器中进行调试观察否求执行步进动作致正确运行根提示软件硬件作出系统检查果应程序进行重新编程调试直达预期止表列出常编程指令：
类型
命令
功
操作
START
表示控制程序开始
END
表示程序控制结束
LOAD
输入种数
COMPUTE
进行四运算
状态
IF
条件真时执行命令
ELSE IF
出现IFIF真ELSE假执行
ELSE IF 指令
ELSE
出现IFELSE IF 两者假时执行ELSE 命令
CONI IF
IF 句需IF时第区开
分支
JUMP
跳转目标命令
CALL
调目标命令
RETURN
完成CALL命令返回执行CALL命令行
表31 行控制语法
4 总结展 Bioloid Robot完整套件组组合出18关节(18 DOF度)双足机器 犬型机器恐龙机器电铲家机器蜘蛛侠蛇形机器等Bioloid机器「AX12(智型伺服马达)」具位置控制讯号回馈功设计者手动制定出动作量Motion Editor 记忆仿真省繁复位置控制通Behavior control建构完整机器动作便通Behavior Control Programer机器编排出套完整动作Bioloid积木玩具样制作出者想造型万机器套装Bioloid仅做出者想结构实现者想动作Bioloid传感器关节读取种信息利信息实现全动运动例：制作机器狗听见声拍手声时站起听两声拍手声时坐者制作机器时鞠躬做机器车躲避障碍物捡起物体通遥装置控制机器种动作利提供动作编辑软件行编译软件没机器知识背景容易编辑机器实现机器种动作高级者C语言编辑机器种运动算法实现更加复杂控制通次机器实验包括前理学动手实践操作学许机器基础理知识机器结构组成系统初步解学会机器配套软件基操作
参考文献
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Motion and control of robots
Abstract The humanoid robot has been a research focus in the field of robot it focuses on the latest research results of various disciplines of mechanical engineering electronic engineering computer engineering information engineering automatic control engineering and artificial intelligence and bionics represents the highest achievements of electromechanical integration is one of the most active areas in the development of science and technology The Bioloid robot as practice focuses on the analysis of the robot pose and its working principle motion and control of the robot let us have a simple understanding of some of the robot
Key Words Bioloid robot Constitution working principle control
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