雙足步行機器人

1、雙足步行機器人吳俊1（重慶理工大學汽車學院，重慶市）摘 要：雙足步行機器人是機器人研究領域的熱點，它集機械、電子、計算機、仿生學、自動控制、多傳感器及人工智能等多門學科于一體。課題旨在設計一種結構簡單的小型雙足步行機器人，在此基礎上對雙足步行機器人的步行機理、步行參數(shù)及運動控制進行研究，為設計自主智能雙足步行機器人打下基礎。論文結合人類下肢關節(jié)的結構特點，并對其進行簡化，采用加藤一郎結構，為雙足步行機器人下肢配置了 10 個自由度，經(jīng)過驅(qū)動元件性能的比較與機器人所需轉(zhuǎn)矩的初步估算，選擇了轉(zhuǎn)矩為 13kgcm 的舵機MG995作驅(qū)動，它有體積小、高力矩、高精度、穩(wěn)定性好、控制簡單、低價格等優(yōu)點。

2、然后在 UG 平臺上設計了機器人各關節(jié)及其他零部件，并對虛擬模型進行測量，測得機器人總體高為 323.5mm，寬為 152.5mm。關鍵詞：雙足步行機器人、舵機、步態(tài)設計、運動控制Biped walking robotWuJun1（Chongqing university of technology，Chongqing）Abstract：Biped walking robot research in the field of robot is hot, Which combines mechanical, electronic, computer, bionics, automation, a

3、rtificial intelligence and multi-sensor, and other subjects in one. This subject is to design a simple structure of small biped walking robot, On this basis to study the biped walking robot walking mechanism, walking parameters and motion control and lay the foundation for the design of autonomous i

4、ntelligent biped walking robot.With human characteristics of the structure of lower limb joints and simplify them, Adopt kato ichiro structure，10 degrees of freedom was equipped with for the lower extremities of biped walking robot. After the drive components performance comparison and preliminary e

5、stimates to the torque required for the robot, the servo whose torque is 13 kgcm was chosen. The measured overall high of Robot is 323.5mm and width is 152.5mm.Key words: biped walking robot; gait design; motion simulation; principle prototype; motion control0 引言仿人雙足步行是生物界難度最高的步行動作，但其步行性能卻是其它步行結構所無法

6、比擬的。雙足步行機器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)1。這對機器人的運動學、動力學及控制理論的研究提供了一個非常理想的實驗平臺。另外，雙足步行機器人的研究還可以推動仿生學、人工智能、計算機圖形、通信等相關學科的發(fā)展。研究雙足步行機器人的另一重要意義就是為了更好的了解人類和其他動物的行走機理，并為下肢癱瘓者提供較理想的假肢。再者，動物行走機理的研究和步行機器人的開發(fā)是雙向互惠的。一旦對動物行走機理有了正確的理解，可以反過來更有效地指導步行機器人的研究和開發(fā)。因此，雙足步行機器人的研制具有十分重大的價值和意義。要設計一個小型雙足機器人系統(tǒng)，需將整個工程劃分為三大部分：機械實體

7、部分、硬件電路部分、軟件程序部分2，這三部分相互獨立又是相互聯(lián)系統(tǒng)一的。這三部分的設計需要考慮整個機器人系統(tǒng)的性能綜合整體設計，每部分獨立設計測試，然后組合完成機器人系統(tǒng)。但機器人的各個功能的運行還需要一步步的調(diào)試，最終使得機器人能獨立的運行。為了設計制作出來的機器人能夠完成向前行走的功能，需要完成以下的任務：1) 設計機器人機械各部位的機械零件；2) 設計雙足機器人的機械結構及控制電路系統(tǒng)；3）設計調(diào)試機器人的PC上位機程序；機器人調(diào)試控制系統(tǒng)選用“上位機+串口+下位機”的控制系統(tǒng)解決方案。上位機控制軟件的主要功能是對機器人動作進行實時單步動作調(diào)試,實現(xiàn)機器人各關節(jié)運動角度和速度的控制；下位

8、機主要功能是接收上位機發(fā)送的角度信號,根據(jù)信號產(chǎn)生PWM波,控制機器人各個關節(jié)舵機運動,使機器人按動作規(guī)劃完成步行動作及其他所有功能。相應的,下位機主要由完成串口通信、數(shù)據(jù)的處理和10個舵機驅(qū)動。串口實時控制系統(tǒng)結構圖如圖1-1所示。圖1-1 串口實時控制系統(tǒng)結構圖1 雙足行走機器人的下肢機構設計1.1 雙足步行機構的自由度配置由于本文的雙足步行機器人僅實現(xiàn)直線行走、靜態(tài)轉(zhuǎn)彎及上下樓梯運動，最終決定髖關節(jié)配置 2 個自由度，包括俯仰（pitch）和偏轉(zhuǎn)（yaw）自由度，膝關節(jié)配置 1 個俯仰自由度，踝關節(jié)配置有俯仰和偏轉(zhuǎn) 2 個自由度，如表 1-2 所示，每條腿配置 5 個自由度，兩條腿共 1

9、0 個自由度。圖 1-2 自由度分配表髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動作可完成機器人的在徑向平面內(nèi)的直線行走功能；髖關節(jié)和踝關節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動作可實現(xiàn)在側(cè)向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能；上述關節(jié)的自由度共同協(xié)調(diào)可實現(xiàn)機器人的靜態(tài)轉(zhuǎn)彎功能。機器人的自由度配置如圖 1-3 所示。圖 1-3 機器人的自由度配置1.2 雙足步行機構的動力源舵機是一種最早應用在航模與車模運動中的動力裝置，它的控制信號是一個脈寬調(diào)制信號（PWM），所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進行接口。舵機的輸入線共有三條，紅色的是電源線，黑色的是地線，這兩根線給舵機提供最基本的能源保證，主要是電機的轉(zhuǎn)動消耗，電源電壓為 4.8V7.4V

10、。另外一根線是控制信號線3。舵機的控制信號是周期最長為 20ms 的脈寬調(diào)制信號（PWM），PWM 波一個周期分為 PWM 寬和延時等待（WT ）兩個階段4。舵機電路支持的 PWM 信號為0.5mS2.5mS，相對應舵盤的位置為 0180 度，分為 n=250 小份，呈線性變化，PWM 的控制精度 PCP=2mS÷250=8uS，舵機的控制精度 ECP=180 度÷250=0.72 度，所以舵機轉(zhuǎn)角函數(shù) = 0.72×n，PWM 上升沿時間函數(shù) t = 0.5+n×PCP，只要控制 n值就可使舵機達到旋轉(zhuǎn)目標值。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就

11、會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。舵機內(nèi)部有一個基準電路，有一個比較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機的轉(zhuǎn)動信號5。由此可見，舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍不能超過 180 度，適用于需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動當中，如機器人的關節(jié)、飛機的舵面等。圖 1-4 表示出一個典型的 20ms 周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達的輸出臂特定位置的關系：圖 1-4 機控制原理圖MG995舵機的內(nèi)部電路圖（圖1-5）：PWM信號由接收通道進入信號解調(diào)電路BA6688的12腳進行

12、解調(diào)，獲得一個直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差由BA6688的3腳輸出。該輸出送入電機驅(qū)動集成電路BAL6686，以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)動時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器Rw1旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。圖 1-5 脫機內(nèi)部電路圖1.3 控制元件的選擇和機械結構圖本文控制端采用基于ATMEL® ATMEGA16微控制器的Arduino® MEGA控制板，通過串行通信完成10路舵機控制，軟件模擬方式輸出PWM波，采用單電源供電方式為機器人供電?？傃b圖，如圖 1-5圖 1-5 雙足行走機構2 雙足機器人的控制系統(tǒng)2.1 控制原理與控制電路6-

13、9本文是要求控制 10 個自由度，也就是說要求分別控制 10 個舵機?？刂葡到y(tǒng)結構如圖2-1 所示。選用“上位機+串口+下位機”的控制系統(tǒng)解決方案。上位機控制軟件的主要功能是對預定的機器人動作進行規(guī)劃和位置插補，再按照一定時間和次序發(fā)送給下位機,實現(xiàn)機器人關節(jié)位置和速度控制；下位機主要功能是接收上位機發(fā)送的位置信號，根據(jù)信號要求產(chǎn)生 PWM 波，控制機器人各個關節(jié)舵機運動，使機器人按動作規(guī)劃完成動作。相應的，下位機主要由串口通信部分、電源、時鐘部分、CPU 及接口部分、復位信號五部分組成。圖 2-1 控制系統(tǒng)結構串口通信電路如圖 2-2 所示，采用 MAX232 串口芯片，CON1 為接口部分

14、，3 根信號線，RXD/TXD/GND。時鐘電路和信號復位電路如圖 2-3 所示，時鐘電路部分，11.0592M 晶振提供時鐘給 ATMEGA16。復位信號電路部分如圖所示，給 RST 提供信號，引腳4 口上電則復位。圖 2-4 所示的是總電路圖，采用Protell 99se 軟件繪制，在電路原理圖的基礎上，我們可以進行PCB板的繪制。圖 2-2 串口通信電路圖 2-3 時鐘電路和信號復位電路圖 2-4 總電路圖2.2 串行通信上、下位機間通過串行通信接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，而就串行通信來看，數(shù)據(jù)交換的雙方利用傳輸線的電壓改變來達到數(shù)據(jù)交換的目的10。PC 機（上位機）的COM口符合RS232標準

15、,與ATMEGA16單片機上的串行接口電平不一致,設計時利用 MAX232 芯片作電平轉(zhuǎn)換。本通信協(xié)議的設計思想是基于幀傳輸方式11，即進行通信時，數(shù)據(jù)是一幀一幀發(fā)送或接收，一幀所包含的數(shù)據(jù)長度不等，須通過判斷接收到的數(shù)據(jù)幀的類型字節(jié)值（用 1 個字節(jié)表示）來確定數(shù)據(jù)的長度。2.3 通信流程設計當下位機接收數(shù)據(jù)時，采用中斷方式進行接收，以保證通信的實時性，而下位機發(fā)送數(shù)據(jù)時，則通過調(diào)用發(fā)送函數(shù)完成發(fā)送功能。在接收數(shù)據(jù)時，須先接收第一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，以確定該數(shù)據(jù)幀占用的字節(jié)數(shù)，確定數(shù)據(jù)長度后，將關閉串行通信中斷，采用查詢方式接收數(shù)據(jù)，直至接收完該數(shù)據(jù)幀為止。下位機數(shù)據(jù)接收中斷服務程序的流程如圖 2-5 所示:圖 2-5 下位機數(shù)據(jù)接收中斷服務程序流參考文獻：1 包志軍, 馬培蓀, 姜山等從兩足機器人到仿人型機器人的研究歷史及其問題J機器人，1999。2 馬劼, 雙足行走機器人, 北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院 北京航空航天大學第二十屆“馮如杯”學生課外學術科技作品競賽項目論文。3 費守勇，呂恬生，宋立博等雙足溜冰機器人控制系統(tǒng)設計J機械與電子，2006。4 時瑋.利用單片機 PWM 信號進行舵機控制J.今日電子.2005。5 劉歌群,盧京潮等.用單片機產(chǎn)生 7 路舵