濱州學(xué)院電氣工程系 張公永 周宣征

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)中，機(jī)器人可以完成高危險(xiǎn)、重復(fù)的工作[1-2]。雙足機(jī)器人應(yīng)用范圍廣泛，對(duì)地面具有良好的適應(yīng)性，在一些輪式機(jī)器無法前進(jìn)的地形中，雙足機(jī)器人卻能如履平地，這使得雙足機(jī)器人發(fā)展速度非常快[3-5]。國(guó)外早在20世紀(jì)60年代就開始了雙足機(jī)器人的研究，最早是由美國(guó)通用公司的R.Smosher研制的一款名叫“Rig”的操縱型雙足步行機(jī)器人。1969年日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授研制出WAP-1（Waseda Auicmatic Pedipulator）平面自由度步行機(jī)，此機(jī)器人每條腿有髖、膝、踝三個(gè)關(guān)節(jié)，具有六個(gè)自由度[6-8]。進(jìn)入21世紀(jì)，機(jī)器人的研究更是發(fā)展迅速，很多國(guó)家對(duì)機(jī)器人的控制、步態(tài)研究做出了巨大的突破[9]。國(guó)內(nèi)相關(guān)方向研究較晚，但是發(fā)展迅速，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制開發(fā)的“HIT”系列雙足步行機(jī)器人可以靜步態(tài)和動(dòng)步態(tài)步行，并且能夠完成前后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作[10-11]。雙足機(jī)器人隨著社會(huì)的發(fā)展也越來越被關(guān)注及應(yīng)用。

省內(nèi)外高校的機(jī)器人專業(yè)中機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)要么缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，要么價(jià)格較為昂貴；電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)的單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、傳感器技術(shù)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)也多在實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)箱上開展，學(xué)生的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)必須依賴實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱的硬件，且多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，極大的束縛了學(xué)生創(chuàng)造性思維的開發(fā)和能力的提升?；陔p足競(jìng)走機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是完成機(jī)器人的行走動(dòng)作，學(xué)生可以自主編程，發(fā)揮其創(chuàng)新性思維，循序漸進(jìn)地完成雙足機(jī)器人步態(tài)控制，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，使學(xué)生在實(shí)際操作中能夠真正深刻理解并掌握所學(xué)知識(shí)。

1 雙足競(jìng)走機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)

雙足競(jìng)走機(jī)器人平臺(tái)主要由機(jī)械部分和控制部分組成。設(shè)計(jì)圍繞以上兩部分展開，設(shè)計(jì)完成后，平臺(tái)實(shí)物如圖1所示。

1.1 機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）機(jī)械材料選擇 市場(chǎng)上的舵機(jī)支架尺寸適合以上兩種型號(hào)舵機(jī)，且是以沖壓硬鋁板折成，不易變形，重量輕，購(gòu)買方便，價(jià)格低，適合大量使用，所以選用U型舵機(jī)支架連接舵機(jī)作為機(jī)器人雙腿，機(jī)器人頭部與腳部同樣使用硬鋁板材料制作。

（2）自由度選擇 雙足競(jìng)走機(jī)器人作為教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開發(fā)，需要做出模仿人類腿部簡(jiǎn)單活動(dòng)、直立行走、翻跟頭等動(dòng)作。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)時(shí)需要盡量與人類雙腿結(jié)構(gòu)類似。人體腿部主要有三大關(guān)節(jié)：髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)[12]，這三個(gè)關(guān)節(jié)使人可以完成行走、奔跑、下蹲等各種復(fù)雜動(dòng)作。在設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的同時(shí)，需要遵循結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單越好、可以完成動(dòng)作越多越好的原則，所以在這三個(gè)關(guān)節(jié)各設(shè)立一個(gè)自由度，基于以上考慮，整體結(jié)構(gòu)只需要六個(gè)自由度。

圖1 雙足競(jìng)走機(jī)器人平臺(tái)實(shí)物

（3）舵機(jī)選擇 舵機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小、易于安裝，并且扭力大、角度控制方便，采用舵機(jī)控制既精確又方便，在機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，所以選用舵機(jī)為機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)能力。在設(shè)計(jì)機(jī)器人動(dòng)作時(shí)，機(jī)器人需要完成翻跟頭的動(dòng)作，因此髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)處舵機(jī)最大擺動(dòng)角度會(huì)超出180°。HX6018D為180°舵機(jī)，HX6027D為270°舵機(jī)。這兩種型號(hào)舵機(jī)供電電壓范圍大，自帶保護(hù)，耐高壓、耐燒，使用PWM信號(hào)控制，方便使用，適合教學(xué)與實(shí)驗(yàn)開發(fā)使用。選用HX6018D、HX6027D兩種型號(hào)舵機(jī)適合項(xiàng)目需求。

（4）舵機(jī)位置選擇 假設(shè)機(jī)器人左右方向?yàn)閤軸，前后方向?yàn)閥軸。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)主要為機(jī)器人行走時(shí)前進(jìn)提供驅(qū)動(dòng)能力，因此此處舵機(jī)應(yīng)該按照繞x軸旋轉(zhuǎn)方向擺放，踝關(guān)節(jié)處舵機(jī)主要控制機(jī)器人重心左右移動(dòng)以及抬腳落腳，所以此處舵機(jī)按照繞y軸旋轉(zhuǎn)方向擺放。

（5）尺寸與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為方便使用，且考慮舵機(jī)力量可以滿足需求，機(jī)器人整體不能太大。機(jī)器人的腳部與地面接觸面積直接影響機(jī)器人在行走過程的穩(wěn)定性，腳部尺寸為13.5cm*3.5cm，既增強(qiáng)穩(wěn)定性又不因體積過大增加重量，減輕了舵機(jī)負(fù)荷；機(jī)器人頭部是連接兩條腿的橋梁，頭部變形會(huì)直接影響機(jī)器人的穩(wěn)定，材料選用4mm硬鋁板，不易變形，重量輕，尺寸設(shè)計(jì)為20cm*5cm，在頭部?jī)啥擞勉~柱架起肩部結(jié)構(gòu)，尺寸為12cm*2cm，翻跟頭過程中使支撐點(diǎn)外移，增強(qiáng)穩(wěn)定性；兩條腿間距不宜過大，防止腳步支撐力量不足引起無法將腿抬起，機(jī)器人雙腿是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，將左右腿的舵機(jī)使用支架對(duì)稱安裝，然后將雙腿安裝在架起雙肩的頭部上，最后將腳部安裝在踝關(guān)節(jié)舵機(jī)上；在機(jī)器人頭部安裝控制系統(tǒng)，可以方便調(diào)試程序與檢查線路，將電池放置于頭部下方兩腿之間，與放置在雙肩位置相比降低了重心，增強(qiáng)穩(wěn)定性，至此機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作完成。

1.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)主要功能是驅(qū)動(dòng)舵機(jī)完成相關(guān)動(dòng)作。系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖2 機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

（1）主控芯片選擇 平臺(tái)主控芯片選用16位的MC9S12XS128，它包括2個(gè)異步串行通信接口、一個(gè)8通道輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器模塊、1個(gè)串行外設(shè)接口、16通道12位A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)8通道脈沖寬度調(diào)制模塊，方便控制舵機(jī)[13]。

（2）舵機(jī)控制 市場(chǎng)常見舵機(jī)是由一個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)（PWM）控制的。脈寬調(diào)制信號(hào)周期是20ms，有效信號(hào)在0.5-2.5ms之間[14]。在舵機(jī)的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電平為1.5ms的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，這個(gè)脈沖與由控制系統(tǒng)輸入舵機(jī)的脈寬調(diào)制脈沖相比較，產(chǎn)生一個(gè)差值，如果差值不為零則舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)的電位器同樣跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，電位器的轉(zhuǎn)動(dòng)改變這個(gè)差值直到為零則舵機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)則是由差值的正反控制的，差值為正則正向轉(zhuǎn)動(dòng)，若為負(fù)，則反向轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與控制信號(hào)是線性變化，脈沖信號(hào)越寬，轉(zhuǎn)動(dòng)角度越大。每一個(gè)寬度的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)著一個(gè)角度，如脈沖信號(hào)為0.5ms時(shí)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到0°位置停止不動(dòng)，脈沖信號(hào)為2.5ms時(shí)為則舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到180°或者270°。

（3）電源電路設(shè)計(jì) MC9S12XS128芯片采用5V供電，LM2940芯片可以輸出5V固定電壓，內(nèi)部含有電流限制、電源反接保護(hù)、過熱保護(hù)電路，電路簡(jiǎn)單，電壓穩(wěn)定，適合給主控芯片供電。輸入端電容47μf,輸出端電容22μf。舵機(jī)是系統(tǒng)耗電最大的器件，最高可使用11V電壓供電，且電壓越高舵機(jī)扭矩越大。電池為11V鋰電池，可以直接給舵機(jī)供電。舵機(jī)工作時(shí)電流大于750毫安，遠(yuǎn)大于主控芯片工作電流，芯片PWM信號(hào)輸出引腳與舵機(jī)控制端直接連接會(huì)形成反饋電流燒毀主控芯片，解決方法是在舵機(jī)與主控芯片信號(hào)輸出引腳間串聯(lián)一個(gè)10kΩ的電阻保護(hù)芯片，原理圖見圖2。

2 基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開發(fā)

2.1 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開發(fā)流程

借助雙足競(jìng)走機(jī)器人平臺(tái)，機(jī)器人動(dòng)作遵循由易到難，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的思路設(shè)計(jì)，可以開發(fā)多個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)利用CodeWarrior IDE進(jìn)行程序編寫，搭配USBDM仿真器，完成程序的在線調(diào)試與下載，最后給出不同控制信號(hào)時(shí)機(jī)器人動(dòng)作的效果圖及實(shí)驗(yàn)分析。

2.2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

（1）單個(gè)舵機(jī)的角度控制實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^軟件編程并下載到控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度目的。

實(shí)驗(yàn)步驟：首先用CodeWarrior IDE建立一個(gè)工程文件，設(shè)置選項(xiàng)，對(duì)單片機(jī)脈沖寬度調(diào)制模塊、時(shí)鐘設(shè)置等進(jìn)行初始化，設(shè)置一個(gè)引腳輸出PWM信號(hào)，編寫程序（見圖3），控制PWM信號(hào)變化來實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；在調(diào)試過程中，使用USBDM的在線調(diào)試功能（見圖4），可以大大減少程序下載次數(shù)，使調(diào)試過程更加方便。通過USBDM將程序下載到單片機(jī)中，觀察舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與PWM信號(hào)變化的關(guān)系。

圖4 USBDM的在線調(diào)試界面

實(shí)驗(yàn)效果：通過改變PWM的占空比信號(hào)，可直觀看到單個(gè)舵機(jī)的角度變化。實(shí)驗(yàn)效果見圖5。

圖5 占空比信號(hào)1500時(shí)1號(hào)舵機(jī)角度變化圖

實(shí)驗(yàn)分析：學(xué)習(xí)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，了解機(jī)器人基本關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，可以加深對(duì)機(jī)器人平臺(tái)的了解，并且在此過程中能夠使用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與單片機(jī)原理及應(yīng)用課程中的知識(shí)，鞏固課堂所學(xué)。

（2）機(jī)器人單腿擺動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^軟件編程并下載到控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人單腿擺動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)步驟：利用實(shí)驗(yàn)一中建立的工程文件，對(duì)程序中各部分初始化進(jìn)行修改，使單片機(jī)通過三個(gè)引腳同時(shí)輸出三個(gè)不同的PWM信號(hào)，用這三個(gè)信號(hào)控制機(jī)器人一條腿上的三個(gè)舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)舵機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。通過修改子程序中PWM信號(hào)的寬度，可以改變腿運(yùn)動(dòng)的情況。圖6可以看到，三個(gè)舵機(jī)PWM占空比信號(hào)分別為1240、1320、1720時(shí)的實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)分析：同時(shí)控制三個(gè)舵機(jī)，可以使學(xué)生更加深刻的學(xué)習(xí)到PWM脈寬調(diào)制模塊的工作原理，并為控制整個(gè)機(jī)器人平臺(tái)作基礎(chǔ)，使實(shí)驗(yàn)有層次性的進(jìn)行更有利于學(xué)生的理解與掌握。

圖6 機(jī)器人單腿擺動(dòng)效果圖

（3）機(jī)器人步伐控制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模壕帉懗绦蚩刂茩C(jī)器人完成模仿人類步伐的動(dòng)作，使機(jī)器人可以前行。

實(shí)驗(yàn)步驟：建立一個(gè)新工程，對(duì)各模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，輸出六個(gè)信號(hào)控制機(jī)器人雙腿做出前行動(dòng)作并前進(jìn)一段路。由圖7可以看到本次實(shí)驗(yàn)效果。

圖7 機(jī)器人步伐控制實(shí)驗(yàn)效果圖

實(shí)驗(yàn)分析：精確控制舵機(jī)需要對(duì)脈沖寬度調(diào)制模塊進(jìn)行級(jí)聯(lián)設(shè)置，但是設(shè)置后輸出四個(gè)不同PWM信號(hào)，精確控制六個(gè)舵機(jī)可以同時(shí)使用定時(shí)器模塊，使用定時(shí)器輸出模擬PWM信號(hào)控制舵機(jī)，完全可以實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人六個(gè)舵機(jī)的目的，同時(shí)使學(xué)生加深對(duì)定時(shí)器模塊的理解。

（4）機(jī)器人翻跟頭動(dòng)作控制實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模嚎刂茩C(jī)器人模仿人類翻跟頭動(dòng)作。

實(shí)驗(yàn)步驟：在實(shí)驗(yàn)三中建立的工程中修改舵機(jī)控制程序，使機(jī)器人完成翻跟頭的動(dòng)作。圖8為機(jī)器人翻跟頭動(dòng)作控制實(shí)驗(yàn)效果圖。

圖8 機(jī)器人翻跟頭實(shí)驗(yàn)效果圖

實(shí)驗(yàn)分析：首先分析機(jī)器人結(jié)構(gòu)，是由三個(gè)關(guān)節(jié)組成，完成翻跟頭，則需要髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)則不需改變。第一步是髖關(guān)節(jié)的兩個(gè)舵機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，然后是膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)器人完成前臥的一個(gè)狀態(tài)；第二步使髖關(guān)節(jié)先轉(zhuǎn)膝關(guān)節(jié)后轉(zhuǎn)，此時(shí)機(jī)器人處在倒立狀態(tài)；第三步膝關(guān)節(jié)先轉(zhuǎn)動(dòng)90°，髖關(guān)節(jié)隨后轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)腳掌頭部同時(shí)落地；最后一步膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)使頭部離地，髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)將頭部直立起來，四個(gè)步驟完成翻跟頭動(dòng)作。此實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生深刻理解雙足競(jìng)走機(jī)器人的控制策略，對(duì)機(jī)器人技術(shù)有更深入的了解。

2.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目拓展

獨(dú)立完成上述實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)更高難度的動(dòng)作并實(shí)際操作加以實(shí)現(xiàn)。例如如果需要雙足競(jìng)走機(jī)器人走直線，則可借助超聲波傳感器、紅外測(cè)距傳感器、灰度傳感器等檢測(cè)周圍環(huán)境輔助機(jī)器人達(dá)到上述要求[15]，學(xué)生對(duì)傳感器的使用可以學(xué)習(xí)單片機(jī)中模數(shù)轉(zhuǎn)換、串行口模塊，全面開拓自身創(chuàng)造性思維。

3 效果評(píng)價(jià)

通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣，較為深刻理解了機(jī)器人的控制策略，提高自己的編程能力，部分同學(xué)以此為基礎(chǔ)參加中國(guó)機(jī)器人大賽和山東省機(jī)器人大賽，收獲了較為可喜的成績(jī)。表1和表2為獲獎(jiǎng)情況統(tǒng)計(jì)。

表1 中國(guó)機(jī)器人中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽獲獎(jiǎng)情況統(tǒng)計(jì)（2013-2016）

表2 山東省機(jī)器人大賽獲獎(jiǎng)情況統(tǒng)計(jì)（2013-2016）

4 結(jié)語(yǔ)

借助雙足競(jìng)走機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可較為有效地解決相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、驗(yàn)證演示實(shí)驗(yàn)較多、學(xué)生自主創(chuàng)新能力差的問題，為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供出新的思路。

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