雙足競走機器人設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上雙足競走機器人設計國家級大學生創(chuàng)新訓練項目 項目編號：201210449116孫亞軍1，王志1，尤在勇2（1.濱州學院自動化系，山東 濱州，256600；2.四川大學機械工程學院，四川 成都，610000）摘要：對雙足機器人的機械結構、控制系統(tǒng)、人機交流界面進行了大膽的設計。利用UG NX 6.0進行實體建模，生成零件圖，然后人工加工得到零件，將各部分加工零件進行裝配，不一樣的零件組合成實現(xiàn)不同功能的機器人，最后應用C語言編程控制機器人完成各項功能，形成實體的多功能雙足競走機器人。關鍵詞：雙足競走機器人；實體建模；C語言；PWM中圖分類號： TN710 文獻標識碼：A

2、Abstract：For biped robot mechanical structure, control system, man-machine communication interface for a bold design. The use of UG NX 6.0 for solid modeling, generate parts diagram, and then manually processed to obtain parts, each part will be machined parts for assembly, not the same parts combin

3、ed into different functions of the robot, the last application of the C programming language to control the robot to complete various functions , the formation of multipurpose bipedal walking robot entity.專心-專注-專業(yè)0引言雙足機器人是機器家族中最重要的成員之一，它涉及仿生學、人工智能、機械創(chuàng)新、計算機仿真學、通訊等相關學科，在科研、生產、生活方面的價值都十分突出。雙足機器人具有傳統(tǒng)的輪式

4、、履帶式機器人的無法比擬的優(yōu)越性，傳統(tǒng)的輪式、履帶式機器人在不平坦的地面工作時，會大增加其能耗，而在松軟地面或者嚴重崎嶇不平的地形上行進時，它們就舉步維艱了，雙足機器人在該地形的推進有獨特的優(yōu)越性能。雙足機人對環(huán)境的適應能力強，不僅可以在狹窄的空間中工作，還能夠跨越障礙、上下臺階、甚至不平整地面上運動，這些優(yōu)勢使其具有更廣闊的應用前景。本設計中的競走機器人就是雙足機器人中的一種，它沒有上身，是雙足機器人研究的理想平臺，同時也是全國機器人大賽的指定比賽項目，通過本設計所搭建的平臺，可以進行雙足機器人的機械結構、控制及步態(tài)等方面的研究。1 雙足機器人機械結構設計1.1機械結構的設計要求本課題主是要

5、求競走機器人完成模仿人類行走、翻跟斗和自己設計的動作。在進行雙足競走機器人機械結構設計時，應該充分考慮機械結構所需要完成的功能，因此，雙足競走機器人的機械結構的設計需要滿足如下要求：(1) 機械結構的對稱性，步行運動中普遍存在結構對稱性；(2) 機械結構采用關節(jié)結構，才能靈活的完成前后行走，翻跟斗等運動；(3) 在不多于6個伺服馬達的驅動下完成任務；(4) 機械結構簡單、精巧、勻稱，最大重量不超過1公斤；(5) 易于制造，盡量采用通用零件，以降低其成本；1.2 機械構架的材料選擇根據(jù)機械結構的上述要求中的第(4)、(6)條，要求所選用材料具有硬度高、質量小、彈性模量大、密度比高等特點，以便得到

6、重量不高于1Kg的機器人，而且易于加工、造型，才能得到機械結構中某些比較復雜的形狀。經(jīng)過上述分析和借鑒比較成熟的機器人的結構的材料的選擇情況，市面上比較常見的2mm的硬質鋁板是比較理想的選擇，硬質鋁板具有重量輕、彈性大，硬度高等符合本設計的特點，因此本設計選用該材料。1.3 傳感器安裝位置的選擇因為機器人要有越障的功能，所以需要安裝傳感器來檢測障礙物，綜合考慮下將傳感器的安裝高度選為20cm。材質選擇方面選擇了重量比較輕且硬度比較高的碳纖維桿。1.4主控制器的位置選擇主控制器的位置選擇主要考慮的是讓其與各模塊的連接形式最簡潔，最可靠，最終選擇放置在頭頂中間的上面，這樣的安裝形式能夠方便地調試，

7、實際運行過程中同樣能夠方便地取下來，減小了機器人調試的難度。1.5 雙足競走機器人的自由度的配置在雙足競走機器人的自由度的配置的過程中，既要求自由度盡量少，也要求完成的基本運動盡量多，同時機器人運動要求盡量自然美觀。機器人按照設計要求，該機器人要完成直線行走及向前、向后的翻跟斗等動作，因此只需要在每條腿配置3個自由度。雙足競走機器人模型如圖1所示。圖1 雙足競走機器人模型人體的髖關節(jié)雖然有3個自由度，本設計只需要控制前向運動的自由度，所以髖關節(jié)簡化為一個前向運動的自由度；膝關節(jié)按照運動的要求配置一個前向運動的自由度；踝關節(jié)只需要完成側向運動，因而配置一個控制側向運動的自由度，保證機器人行走過程

8、中的平衡。根據(jù)以上理論分析，然后把零件裝配成實體，如圖2所示。圖2- 雙足競走機器人的實體圖2 雙足競走機器人硬件系統(tǒng)設計2.1 電源電路的設計機器人由兩節(jié)3.7V鋰電池串聯(lián)供電，總電壓為7.4V。ATmega16單片機工作電壓為5V，光電開關工作電壓為6V，舵機需要6V電壓。所以電源管理部分需要將電池電壓轉換成5V以及6V為各個模塊供電。本系統(tǒng)中采用的是線性三端穩(wěn)壓芯片LM7805以及DC-DC，最大的優(yōu)點是可調電壓廣，缺點是功耗較高，本系統(tǒng)最大的功耗來來自驅動舵機，控制器以及傳感器部分所需功率較小，采用線性穩(wěn)壓芯片非常適合。電路如圖3所示。圖3 LM7805電路原理圖2.3 舵機工作電路設

9、計本設計中雙足機器人動力供給采用的是舵機，該舵機只需供電源和一根信號線，通過單片機發(fā)送信號完成調速以及控制其完成各種動作。電路如圖4所示。圖43 雙足競走機器人軟件系統(tǒng)設計雙足競走機器人控制主要是對6個舵機的驅動，故軟件設計主要為舵機驅動部分。3.1舵機及其控制介紹舵機最早應用于航模中，用于調整飛機的飛行姿態(tài)。其工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。其控制原理是通過輸入周期為20m(其

10、中高電平為0.5ms-2.5ms)的脈舵機精度轉動0°-180°之間相應角度，因為其控制方法具有簡單、精度高、成本低、體積小等特點，在機器人雙足機器人中得到廣泛的應用。3.2 分時成組法驅動程序設計根據(jù)舵機的控制原理，單片機需要產生周期為20ms，脈寬為0.5-2.5ms的PWM，具體的設計過程為將20ms分成200段，每段時間為0.1ms，比如要得到脈寬2ms的PWM，只需要在200段時間中，有連續(xù)的20段為高電平就能夠實現(xiàn)了。具體作法：用ATmega16單片機定時0.1ms，總共定時200次，連續(xù)20次將對應的I/O置成高電平，其余180次置成低電平，反復這樣操作就形成了所需要的PWM。產生PWM信號的流程圖如圖5所示。圖5 PWM信號的產生流程圖4 結束語整個系統(tǒng)的設計涵蓋機械、電子等方面知識，只有將各模塊設計好，組成一個整體才能更好完成設計。設計各個模塊的時候應該注意細節(jié)設計以及與其它模塊之間的聯(lián)系和配合，很