小型雙足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及其控制電路設(shè)計(jì)

1、小型雙足機(jī)器人兩足步行是步行方式中自動化程度最高、最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動力學(xué)特性，對步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在 非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對環(huán)境有很好的適應(yīng)性。與其它足式機(jī)器人相比， 雙足機(jī)器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時(shí)間變化較大，質(zhì)心的相對位置高 的特點(diǎn)。是其中最復(fù)雜，控制難度最大的動態(tài)系統(tǒng)。但由于雙足機(jī)器人比其它足 式機(jī)器人具有更高的靈活性，因此具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢，更適合在人類的生活或 工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對這些環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。例如代替危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境中(如核電站內(nèi))的工作人員，在不平整地面上搬運(yùn)貨物等 等。此外將來社

2、會環(huán)境的變化使得雙足機(jī)器人在護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及一般家 務(wù)處理等方面也有很大的潛力。雙足步行機(jī)器人自由度的確定兩足步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)是所有部件的載體，也是設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人最基本 的和首要的工作1。它必須能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的前后左右以及爬斜坡和上樓梯等 的基本功能，因此自由度的配置必須合理：首先分析一下步行機(jī)器人的運(yùn)動過程 (前向)和行走步驟：重心右移(先右腿支撐)、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙 腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個(gè)階段。從機(jī)器人步行過程可以看出：機(jī)器人向前邁步時(shí)，髓關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)必須各自配置有 一個(gè)俯仰自由度以配合實(shí)現(xiàn)支撐腿和上軀體的移動 ；要實(shí)現(xiàn)重心轉(zhuǎn)

3、移，髖關(guān)節(jié)和 踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度是必不可少的；機(jī)器人要達(dá)到目標(biāo)位置，有時(shí)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)彎， 所以需要有髖關(guān)節(jié)上的轉(zhuǎn)體自由度。另外膝關(guān)節(jié)處配置一個(gè)俯仰自由度能夠調(diào)整 擺動腿的著地高度，使上下臺階成為可能，還能實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)。這樣最終決定 髖關(guān)節(jié)配置3個(gè)自由度，包括轉(zhuǎn)體(roll)、俯仰(pitch)和偏轉(zhuǎn)(yaw)自由度，膝 關(guān)節(jié)配置一個(gè)俯仰自由度，踝關(guān)節(jié)配置有俯仰和偏轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度。 這樣，每條腿 配置6個(gè)自由度，兩條腿共12個(gè)自由度。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的俯仰自由 度共同協(xié)調(diào)動作可完成機(jī)器人的在縱向平面(前進(jìn)方向)內(nèi)的直線行走功能；髖關(guān) 節(jié)的轉(zhuǎn)體自由度可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎功能； 髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏

4、轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動 作可實(shí)現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能。機(jī)器人的轉(zhuǎn)體(roll)、俯仰(pitch)和偏轉(zhuǎn)(yaw)定義如圖1所示2?？v向半面圖1步行機(jī)器人方向示意圖其中，定義y軸方向?yàn)榍斑M(jìn)方向，z軸方向?yàn)闄C(jī)器人的身高方向 機(jī)器人的自由度總體配置如圖2所示。k.nee (1O)圖2自由度總體配置圖動力源的選擇目前市場上，有很多種電動機(jī)向機(jī)器人提供能源：直流電機(jī)、交流電機(jī)、步 進(jìn)電機(jī)、伺服電動機(jī)。由于雙足步行機(jī)器人要求的精度要求比較高，而交直流電機(jī)通電就轉(zhuǎn)，斷電就停，比較難進(jìn)行機(jī)器人的位置控制； 步進(jìn)電機(jī)雖能按一定的 精度工作，但它本身是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，精度達(dá)不到要求。因此，本文選擇使用伺 服電動機(jī)。

5、在本文中使用的是價(jià)格比較便宜的伺服電動機(jī)一舵機(jī)。 舵機(jī)最早出現(xiàn)在航模 運(yùn)動中。在航空模型中，飛行機(jī)的飛行姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)和各個(gè)控制舵面來 實(shí)現(xiàn)的。電動舵機(jī)的工作原理如圖3所示。其中，舵機(jī)控制器一般采用PID控制, 以滿足舵機(jī)動靜態(tài)指標(biāo)要求；伺服功率放大器一般由脈沖寬度調(diào)制器(PWM和開關(guān)控制電路組成；直流伺服電機(jī)是電動舵機(jī)的執(zhí)行元件， 可采用有刷或無刷直流 電機(jī)；減速機(jī)構(gòu)一般采用蝸輪蝸桿或絲缸減速機(jī)構(gòu)。由于本研究制作的機(jī)器人是桌上型的重量很輕的作實(shí)驗(yàn)用的小型雙足步行 機(jī)器人。因此機(jī)器人的各關(guān)節(jié)是選擇使用舵機(jī)驅(qū)動。圖3電動舵機(jī)工作原理方框圖附表 RC伺服電機(jī)的參數(shù)型號足寸（cm釘電壓HG4D

6、6 * 19.8 - 3?.BI cmft. las./'feO'1 宀此類電機(jī)的特點(diǎn)就是體積小、重量輕且控制簡單，另外價(jià)格也較便宜。附表示出了電機(jī)的參數(shù)。步行機(jī)器人每條腿的自由度為6。各關(guān)節(jié)的驅(qū)動使用的是北京漢庫科技有限 公司的HG14-M的大力矩舵機(jī)。機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)根據(jù)本課題的要求，本文設(shè)計(jì)了機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，其主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：布置對稱性步行運(yùn)動中普遍存在結(jié)構(gòu)對稱性。Goldberg3等人研究了步行運(yùn)動中的對 稱性，發(fā)現(xiàn)機(jī)身運(yùn)動的對稱性和腿機(jī)構(gòu)的對稱性之間存在相互關(guān)系。在單足支撐階段如圖4,對稱性的機(jī)身運(yùn)動要求腿部機(jī)構(gòu)也是對稱的；在雙足支撐階段如圖5,機(jī)身對稱性運(yùn)動未必需要腿部

7、機(jī)構(gòu)的對稱性，除非有額外的約束條件。根據(jù)這點(diǎn)，筆者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也采用對稱性布置4?？蚣艿脑O(shè)計(jì)有效的利用了 RC伺服電機(jī)的尺寸大小，并使電機(jī)的活動范圍能 盡量符合各關(guān)節(jié)的活動范圍。采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)平地前后行、平地側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺 階、爬斜坡等功能。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用1mm勺鋁合金（LY12）鈑金材料，這種材料重量輕、硬度高、強(qiáng) 度雖不如鋼，但卻大大高于普通鋁合金。且這種材料具有彈性模量、密度比高的 特點(diǎn)。由于機(jī)器人的各關(guān)節(jié)是用 RC伺服電機(jī)驅(qū)動，為了減小機(jī)器人的體積、減輕 重量，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)做成是框架型的?？蚣艿脑O(shè)計(jì)有效的利用了RC伺服電機(jī)的尺寸大小，并使電機(jī)的活動范圍能盡量符合各關(guān)

8、節(jié)的活動范圍?？刂葡到y(tǒng)方案構(gòu)思由于本機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用了 12個(gè)舵機(jī)，本控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)能同時(shí)驅(qū)動這12個(gè)舵機(jī)的功能。由前面的敘述知道，舵機(jī)的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM信號，其中脈沖寬度從0.5ms 2.5ms,相對應(yīng)舵盤的位置為 0180°, 呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個(gè) 相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信 號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。圖4單腿模型圖圖5兩足步行機(jī)器人雙腿模型圖傳統(tǒng)產(chǎn)生PWM波的方法是通過大量的分立元件來實(shí)現(xiàn)的,所產(chǎn)生的脈沖頻率 和寬度往往不是很準(zhǔn)確，很難做到對舵機(jī)

9、的精確控制。目前，產(chǎn)生PWM波的方法 有很多種：最直接的方法就是用單片機(jī)本身所帶的 PWMR產(chǎn)生波形，但該方法受 MCI內(nèi)部資源的限制，僅能實(shí)現(xiàn) 24路PWM波的輸出，對于需要多路舵機(jī)的場 合顯然是不夠的。另一種方法就是利用分時(shí)復(fù)用的思想利用單片機(jī)一個(gè)中斷產(chǎn)生 7路控制futaba舵機(jī)用PW波的方法。該方法雖然實(shí)現(xiàn)了 7路舵機(jī)的控制，但 也僅能實(shí)現(xiàn)7路舵機(jī)的控制，并且僅針對特定舵機(jī)的控制，控制精度也不高，在 一些重要場合的應(yīng)用受到了限制；還有一種方法就是利用單片機(jī)純軟件的循環(huán)計(jì) 數(shù)的方法或者，利用硬件定時(shí)，軟件計(jì)數(shù)相結(jié)合的方法，在不增加任何硬件接口 的前提下，實(shí)現(xiàn)了多路PWM波的輸出，然而此方

10、法大量占用 MCU!算時(shí)間， 基本不能再處理其它的事務(wù)，并且精度不高。另外，目前一些數(shù)字信號處理芯片片內(nèi)就集成了 PW波形產(chǎn)生的功能，只需 要進(jìn)行寄存器參數(shù)的設(shè)置就可得到 PWM勺輸出。但在一些只需要簡單電機(jī)控制的 場合，從成本考慮不需要較為昂貴的數(shù)字信號處理芯片。本文采用一片51的單片機(jī)和一片復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）實(shí)現(xiàn)了 PW啲 產(chǎn)生。由于CPLD具有他特有的并行處理能力和大量的10接口，可以同時(shí)控制幾 十甚至上百個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作，可以為后續(xù)的工作留出一定的空間，但由于 CPLD 不具備事務(wù)處理能力，實(shí)際應(yīng)用中還需要 MCI協(xié)同工作，本文使用51系列的單 片機(jī)和CPLD協(xié)同控制舵機(jī)，另

11、外，使用了單片機(jī)，還可以為后續(xù)的傳感器反饋 處理留出空間。圖6控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)所圖6所示，選用“上位機(jī)+串口 +下位機(jī)”的控制系統(tǒng)解決方案。 上位機(jī)控制軟件的主要功能是對預(yù)定的機(jī)器人動作進(jìn)行規(guī)劃和位置插補(bǔ)，再按照一定時(shí)間間隔和次序進(jìn)行發(fā)送給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)位置和近似的速度控制 下位機(jī)主要功能是接收上位機(jī)發(fā)送的位置信號，根據(jù)信號要求產(chǎn)生PWM波,控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)運(yùn)動，使機(jī)器人按動作規(guī)劃完成溜冰動作。 相應(yīng)的，下位機(jī) 主要由完成串口通信、數(shù)據(jù)的調(diào)度和 12個(gè)舵機(jī)驅(qū)動模塊構(gòu)成7。圖7 CPLD的 12路舵機(jī)驅(qū)動原理圖圖7為CPLD勺12路舵機(jī)驅(qū)動原理圖，CPLD通過一個(gè)簡單的接口與

12、51單片 機(jī)進(jìn)行通信，把要驅(qū)動的12個(gè)舵機(jī)的PWM信號數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)存儲區(qū)，從而通 過數(shù)字PWM生成器驅(qū)動12個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)到需要的角度，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換到下一個(gè)角度時(shí)， 通過與51單片機(jī)的接口，從51單片機(jī)中傳送新的PWM&號數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲區(qū)中 進(jìn)行更新，這樣數(shù)字PWM生成器就會驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)新的角度。硬件設(shè)計(jì) 電源為了避免舵機(jī)的供電電源產(chǎn)生的電壓波動對控制電路的干擾， 控制電路與舵 機(jī)的電源要進(jìn)行隔離，即分開供電?？刂齐娐冯娫词褂玫氖且粋€(gè) 9V輸出的AC-DC 變壓電源經(jīng)7805芯片后提供的5V電源，而舵機(jī)的電源提供了一個(gè)接口，外接一 個(gè)6V的直流電源?？刂菩酒刂菩酒K包括單片機(jī)、 時(shí)鐘

13、電路、 復(fù)位電路、 外部程序存儲芯片擴(kuò)展以 及大規(guī)模CPLD芯片。單片機(jī)采用Atmel公司的AT89S52它是8位的高性能嵌 入式控制器,其內(nèi)部集成了 8k的可在線編程的Flash存儲器;256字節(jié)的RAM可 尋址 64 字節(jié)，具有 32 根 I/O 口、3 個(gè)可編程定時(shí)器、 8 個(gè)中斷源、 6 個(gè)中斷矢 量、1 個(gè)看門狗定時(shí)器。 時(shí)鐘電路給系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn) , 設(shè)計(jì)時(shí)采用 11.05296MHz 晶振。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還擴(kuò)展了一片 8kX8位的外部存儲芯片2864。CPLD芯片采 用的是ALTERA公司的EPM7128 串行通信串行通信模塊主要用于AT89S52單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通信。由于PC 機(jī)的COM口符合RS-232標(biāo)準(zhǔn),AT89S52單片機(jī)上的串行接口是 CMO電平，在 RS-232與CMO電平通信時(shí)，需要電平轉(zhuǎn)換，因此，設(shè)計(jì)時(shí)利用 MAX232芯片來作 電平轉(zhuǎn)換。舵機(jī)的驅(qū)動控制12路舵機(jī)的控制信號來自 CPLD芯片的I/O 口（引腳30、31、33、34、35、 36、 37、 39、 40、 41、 44、 45）。為了防止干擾， 13 路舵機(jī)控制信號和驅(qū)動電路 應(yīng)經(jīng)過TLP-521光電隔離，通過隔離出來的控制信號，還必須接入LM324比較器， 以消除毛刺， 增加信號的穩(wěn)定性， 提高信號的輸出電流， 以便舵機(jī)能夠正確工作 不至于產(chǎn)生不必要的抖動。圖