王功 孫亞軍 黃愛芹 王志 尤在勇

（1.濱州學(xué)院自動(dòng)化系，山東濱州，256600；2.四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都，610000）

雙足競走機(jī)器人設(shè)計(jì)

王功1孫亞軍1黃愛芹1王志1尤在勇2

（1.濱州學(xué)院自動(dòng)化系，山東濱州，256600；2.四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都，610000）

0 引言

雙足機(jī)器人是機(jī)器人家族中最重要的成員之一，它涉及仿生學(xué)、人工智能、機(jī)械創(chuàng)新、計(jì)算機(jī)仿真學(xué)、通信等相關(guān)學(xué)科，在科研、生產(chǎn)、生活方面的價(jià)值都十分突出。雙足機(jī)器人具有傳統(tǒng)的輪式、履帶式機(jī)器人無法比擬的優(yōu)越性：傳統(tǒng)的輪式、履帶式機(jī)器人在不平坦的地面工作時(shí)，會(huì)大大增加能耗，而在松軟地面或者嚴(yán)重崎嶇不平的地形上行進(jìn)時(shí)，它們又舉步維艱，而雙足機(jī)器人在該類地形上的行走推進(jìn)有獨(dú)特的優(yōu)越性能；雙足機(jī)器人對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，不僅可以在狹窄的空間中工作，還能夠跨越障礙、上下臺(tái)階、甚至在不平整地面上運(yùn)動(dòng)：這些優(yōu)勢使其具有廣闊的應(yīng)用前景。

本設(shè)計(jì)中的競走機(jī)器人是雙足機(jī)器人中的一種，它沒有上身，是雙足機(jī)器人研究的理想平臺(tái)，同時(shí)也是全國機(jī)器人大賽中的一項(xiàng)指定比賽項(xiàng)目，通過本設(shè)計(jì)所搭建的平臺(tái)，可以進(jìn)行雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制及步態(tài)等方面的研究。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

本課題要求競走機(jī)器人完成模仿人類行走、翻跟斗和自己設(shè)計(jì)的動(dòng)作。在進(jìn)行雙足競走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)所需要完成的功能，因此，雙足競走機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要滿足如下要求：

1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)的對稱性，步行運(yùn)動(dòng)中普遍存在結(jié)構(gòu)對

本文對雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、人機(jī)交流界面進(jìn)行了大膽的設(shè)計(jì)。利用UG NX 6.0進(jìn)行實(shí)體建模，生成零件圖，根據(jù)零件圖人工加工得到零件，將各部分加工零件進(jìn)行裝配，不一樣的零件組合實(shí)現(xiàn)不同功能的機(jī)器人，最后應(yīng)用C語言編程控制機(jī)器人完成各項(xiàng)功能，形成實(shí)體的多功能雙足競走機(jī)器人。

機(jī)器人，雙足競走，實(shí)體建模，C語言，PWM稱性；

2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)采用關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，能靈活完成前后行走、翻跟斗等運(yùn)動(dòng)；

3) 在不多于6個(gè)伺服馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下完成任務(wù)；

4) 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、精巧、勻稱，最大重量不超過1kg；

5) 易于制造，盡量采用通用零件可以降低其成本。

1.2 機(jī)械構(gòu)架的材料選擇

根據(jù)上述要求，設(shè)計(jì)機(jī)器人所選用的材料應(yīng)該具有硬度高、質(zhì)量小、彈性模量大、密度比高等特點(diǎn)，使機(jī)器人的重量不大于1kg，而且材料要易于加工、造型，以便可以加工出機(jī)械結(jié)構(gòu)要求比較復(fù)雜的形狀。

經(jīng)過分析和借鑒比較成熟的機(jī)器人對結(jié)構(gòu)材料的選擇現(xiàn)況，最終我們確定市面上比較常見的2mm硬質(zhì)鋁板是比較理想的。硬質(zhì)鋁板具有重量輕、彈性大、硬度高等特點(diǎn)，符合本設(shè)計(jì)的要求，因此選用該材料制作機(jī)器人。

1.3 傳感器安裝位置的選擇

因?yàn)闄C(jī)器人要求有越障的功能，所以需要安裝傳感器來檢測障礙物。綜合考慮各方因素，傳感器的安裝高度最終選定為20cm；材質(zhì)選擇了重量較輕且硬度較高的碳纖維桿。

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要使主控制器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，這樣的安裝形式能夠方便調(diào)試，實(shí)際運(yùn)行過程中同樣能夠方便取下來，減小了機(jī)器人調(diào)試的難度。

圖1 雙足競走機(jī)器人模型

圖2 雙足競走機(jī)器人的實(shí)體圖

1.5 自由度的配置

在雙足競走機(jī)器人自由度的配置過程中，主要考慮的因素是：既要求自由度盡量少，也要求完成的基本運(yùn)動(dòng)盡量多；同時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)要求盡量自然美觀。按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人要完成直線行走及向前、向后翻跟斗等動(dòng)作，因此需要在每條腿上配置3個(gè)自由度。

雙足競走機(jī)器人模型如圖1所示。

對照人的行走，人體的髖關(guān)節(jié)雖然有3個(gè)自由度，但是本設(shè)計(jì)只需要控制前向運(yùn)動(dòng)，所以髖關(guān)節(jié)簡化為一個(gè)前向運(yùn)動(dòng)的自由度；膝關(guān)節(jié)按照運(yùn)動(dòng)的要求配置一個(gè)前向運(yùn)動(dòng)的自由度；踝關(guān)節(jié)只需要完成側(cè)向運(yùn)動(dòng)，因而配置一個(gè)控制側(cè)向運(yùn)動(dòng)的自由度，保證機(jī)器人行走過程中的平衡。

根據(jù)以上理論分析，零件裝配成實(shí)體后如圖2所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

機(jī)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(jī)工作電壓為5V，光電開關(guān)工作電壓為6V，舵機(jī)需要6V電壓。所以，電源管理部分需要將電池電壓轉(zhuǎn)換成5V以及6V，為各個(gè)模塊供電。

本系統(tǒng)采用線性三端穩(wěn)壓芯片LM7805以及DC-DC，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可調(diào)電壓范圍廣，缺點(diǎn)是功耗較高。本系統(tǒng)最大的功耗來自驅(qū)動(dòng)舵機(jī)；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。電路原理圖如圖3所示。

圖3 LM7805電路原理圖

本設(shè)計(jì)中，雙足機(jī)器人動(dòng)力供給采用的是舵機(jī)。該舵機(jī)只需供電源和一根信號線，通過單片機(jī)發(fā)送信號完成調(diào)速以及控制機(jī)器人完成各種動(dòng)作。電路原理圖如圖4所示。

圖4 舵機(jī)工作電路原理圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙足競走機(jī)器人的控制主要是實(shí)現(xiàn)對6個(gè)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)，故軟件設(shè)計(jì)主要針對舵機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。

3.1 舵機(jī)及其控制介紹

舵機(jī)最早應(yīng)用于航模中，用于調(diào)整飛機(jī)的飛行姿態(tài)。其工作原理是：控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms、寬度為1.5ms的基準(zhǔn)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。

電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。其控制原理是：通過輸入周期為20ms(其中高電平為0.5-2.5ms)的脈沖，舵機(jī)精度在0°-180°之間轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度。該控制方法具有簡單、精度高、成本低、體積小等特點(diǎn)，目前在雙足機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。

3.2 分時(shí)成組法驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)舵機(jī)的控制原理，單片機(jī)需要產(chǎn)生周期為20ms、脈寬為0.5-2.5ms的PWM，具體的設(shè)計(jì)過程為：將20ms分成200段，每段時(shí)間為0.1ms，如果要得到脈寬2ms的PWM，只需要在200段時(shí)間中，有連續(xù)的20段為高電平就能夠?qū)崿F(xiàn)。具體做法是：用ATmega16單片機(jī)定時(shí)0.1ms，總共定時(shí)200次，連續(xù)20次將對應(yīng)的I/O置成高電平，其余180次置成低電平；反復(fù)這樣操作就形成了所需要的PWM信號。

產(chǎn)生PWM信號的流程圖如圖5所示。

4 結(jié)束語

雙足機(jī)器人整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涵蓋機(jī)械、電子等方面知識，只有將各模塊設(shè)計(jì)好，并將各模塊組成一個(gè)整體，才能完成設(shè)計(jì)工作。

在設(shè)計(jì)各個(gè)模塊的時(shí)候，應(yīng)該注意細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)以及模塊之間的聯(lián)系和配合。很多設(shè)計(jì)之間是存在矛盾的，例如，電池位置和整個(gè)系統(tǒng)重心高度就是一對矛盾，這就需要在整個(gè)系統(tǒng)中對之進(jìn)行權(quán)衡。

本次項(xiàng)目是國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：201210449116。