1、雙足步行機(jī)器人吳俊1（重慶理工大學(xué)汽車學(xué)院，重慶市）摘 要：雙足步行機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，它集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、仿生學(xué)、自動控制、多傳感器及人工智能等多門學(xué)科于一體。課題旨在設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單的小型雙足步行機(jī)器人，在此基礎(chǔ)上對雙足步行機(jī)器人的步行機(jī)理、步行參數(shù)及運(yùn)動控制進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)自主智能雙足步行機(jī)器人打下基礎(chǔ)。論文結(jié)合人類下肢關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對其進(jìn)行簡化，采用加藤一郎結(jié)構(gòu)，為雙足步行機(jī)器人下肢配置了 10 個(gè)自由度，經(jīng)過驅(qū)動元件性能的比較與機(jī)器人所需轉(zhuǎn)矩的初步估算，選擇了轉(zhuǎn)矩為 13kgcm 的舵機(jī)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(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。

2、然后在 UG 平臺上設(shè)計(jì)了機(jī)器人各關(guān)節(jié)及其他零部件，并對虛擬模型進(jìn)行測量，測得機(jī)器人總體高為 323.5mm，寬為 152.5mm。關(guān)鍵詞：雙足步行機(jī)器人、舵機(jī)、步態(tài)設(shè)計(jì)、運(yùn)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(jié)構(gòu)所無法

6、比擬的。雙足步行機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)及控制理論的研究提供了一個(gè)非常理想的實(shí)驗(yàn)平臺。另外，雙足步行機(jī)器人的研究還可以推動仿生學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)圖形、通信等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。研究雙足步行機(jī)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(jī)理，并為下肢癱瘓者提供較理想的假肢。再者，動物行走機(jī)理的研究和步行機(jī)器人的開發(fā)是雙向互惠的。一旦對動物行走機(jī)理有了正確的理解，可以反過來更有效地指導(dǎo)步行機(jī)器人的研究和開發(fā)。因此，雙足步行機(jī)器人的研制具有十分重大的價(jià)值和意義。要設(shè)計(jì)一個(gè)小型雙足機(jī)器人系統(tǒng)，需將整個(gè)工程劃分為三大部分：機(jī)械實(shí)體

7、部分、硬件電路部分、軟件程序部分2，這三部分相互獨(dú)立又是相互聯(lián)系統(tǒng)一的。這三部分的設(shè)計(jì)需要考慮整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的性能綜合整體設(shè)計(jì)，每部分獨(dú)立設(shè)計(jì)測試，然后組合完成機(jī)器人系統(tǒng)。但機(jī)器人的各個(gè)功能的運(yùn)行還需要一步步的調(diào)試，最終使得機(jī)器人能獨(dú)立的運(yùn)行。為了設(shè)計(jì)制作出來的機(jī)器人能夠完成向前行走的功能，需要完成以下的任務(wù)：1) 設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)械各部位的機(jī)械零件；2) 設(shè)計(jì)雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制電路系統(tǒng)；3）設(shè)計(jì)調(diào)試機(jī)器人的PC上位機(jī)程序；機(jī)器人調(diào)試控制系統(tǒng)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機(jī)器人動作進(jìn)行實(shí)時(shí)單步動作調(diào)試,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動角度和速度的控制；下位

8、機(jī)主要功能是接收上位機(jī)發(fā)送的角度信號,根據(jù)信號產(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)劃完成步行動作及其他所有功能。相應(yīng)的,下位機(jī)主要由完成串口通信、數(shù)據(jù)的處理和10個(gè)舵機(jī)驅(qū)動。串口實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。圖1-1 串口實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1 雙足行走機(jī)器人的下肢機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1 雙足步行機(jī)構(gòu)的自由度配置由于本文的雙足步行機(jī)器人僅實(shí)現(xiàn)直線行走、靜態(tài)轉(zhuǎn)彎及上下樓梯運(yùn)動，最終決定髖關(guān)節(jié)配置 2 個(gè)自由度，包括俯仰（pitch）和偏轉(zhuǎn)（yaw）自由度，膝關(guān)節(jié)配置 1 個(gè)俯仰自由度，踝關(guān)節(jié)配置有俯仰和偏轉(zhuǎn) 2 個(gè)自由度，如表 1-2 所示，每條腿配置 5 個(gè)自由度，兩條腿共 1

9、0 個(gè)自由度。圖 1-2 自由度分配表髖關(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)器人的在徑向平面內(nèi)的直線行走功能；髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動作可實(shí)現(xiàn)在側(cè)向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能；上述關(guān)節(jié)的自由度共同協(xié)調(diào)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的靜態(tài)轉(zhuǎn)彎功能。機(jī)器人的自由度配置如圖 1-3 所示。圖 1-3 機(jī)器人的自由度配置1.2 雙足步行機(jī)構(gòu)的動力源舵機(jī)是一種最早應(yīng)用在航模與車模運(yùn)動中的動力裝置，它的控制信號是一個(gè)脈寬調(diào)制信號（PWM），所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。舵機(jī)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(jī)提供最基本的能源保證，主要是電機(jī)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(jī)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(gè)周期分為 PWM 寬和延時(shí)等待（WT ）兩個(gè)階段4。舵機(jī)電路支持的 PWM 信號為0.5mS2.5mS，相對應(yīng)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(jī)的控制精度 ECP=180 度÷250=0.72 度，所以舵機(jī)轉(zhuǎn)角函數(shù) = 0.72×n，PWM 上升沿時(shí)間函數(shù) t = 0.5+n×PCP，只要控制 n值就可使舵機(jī)達(dá)到旋轉(zhuǎn)目標(biāo)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(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。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，有一個(gè)比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號5。由此可見，舵機(jī)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(dāng)中，如機(jī)器人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面等。圖 1-4 表示出一個(gè)典型的 20ms 周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達(dá)的輸出臂特定位置的關(guān)系：圖 1-4 機(jī)控制原理圖MG995舵機(jī)的內(nèi)部電路圖（圖1-5）：PWM信號由接收通道進(jìn)入信號解調(diào)電路BA6688的12腳進(jìn)行

12、解調(diào)，獲得一個(gè)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(jī)驅(qū)動集成電路BAL6686，以驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，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(jī)停止轉(zhuǎn)動。圖 1-5 脫機(jī)內(nèi)部電路圖1.3 控制元件的選擇和機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)控制，軟件模擬方式輸出PWM波，采用單電源供電方式為機(jī)器人供電?？傃b圖，如圖 1-5圖 1-5 雙足行走機(jī)構(gòu)2 雙足機(jī)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(gè)自由度，也就是說要求分別控制 10 個(gè)舵機(jī)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1 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)間和次序發(fā)送給下位機(jī),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)位置和速度控制；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)劃完成動作。相應(yīng)的，下位機(jī)主要由串口通信部分、電源、時(shí)鐘部分、CPU 及接口部分、復(fù)位信號五部分組成。圖 2-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shí)鐘電路和信號復(fù)位電路如圖 2-3 所示，時(shí)鐘電路部分，11.0592M 晶振提供時(shí)鐘給 ATMEGA16。復(fù)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(fù)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(chǔ)上，我們可以進(jìn)行PCB板的繪制。圖 2-2 串口通信電路圖 2-3 時(shí)鐘電路和信號復(fù)位電路圖 2-4 總電路圖2.2 串行通信上、下位機(jī)間通過串行通信接口實(shí)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(dá)到數(shù)據(jù)交換的目的10。PC 機(jī)（上位機(jī)）的COM口符合RS232標(biāo)準(zhǔn)

15、,與ATMEGA16單片機(jī)上的串行接口電平不一致,設(shè)計(jì)時(shí)利用 MAX232 芯片作電平轉(zhuǎn)換。本通信協(xié)議的設(shè)計(jì)思想是基于幀傳輸方式11，即進(jìn)行通信時(shí)，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(gè)字節(jié)表示）來確定數(shù)據(jù)的長度。2.3 通信流程設(shè)計(jì)當(dāng)下位機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，采用中斷方式進(jìn)行接收，以保證通信的實(shí)時(shí)性，而下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)，須先接收第一個(gè)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(guān)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(jī)數(shù)據(jù)接收中斷服務(wù)程序的流程如圖 2-5 所示:圖 2-5 下位機(jī)數(shù)據(jù)接收中斷服務(wù)程序流參考文獻(xiàn)：1 包志軍, 馬培蓀, 姜山等從兩足機(jī)器人到仿人型機(jī)器人的研究歷史及其問題J機(jī)器人，1999。2 馬劼, 雙足行走機(jī)器人, 北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院 北京航空航天大學(xué)第二十屆“馮如杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽項(xiàng)目論文。3 費(fèi)守勇，呂恬生，宋立博等雙足溜冰機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J機(jī)械與電子，2006。4 時(shí)瑋.利用單片機(jī) PWM 信號進(jìn)行舵機(jī)控制J.今日電子.2005。5 劉歌群,盧京潮等.用單片機(jī)產(chǎn)生 7 路舵