黃曉霞

摘要：雙足步行是步行方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。與其它足式機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時(shí)間變化較大，質(zhì)心的相對(duì)位置高的特點(diǎn)。雙足機(jī)器具有更高的靈活性，更適合在人類的生活或工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對(duì)這些環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。未來社會(huì)環(huán)境的變化使得雙足機(jī)器人在護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及一般家務(wù)處理等方面也有很大的潛力。文章主要闡述了雙足步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程，論述了雙足步行機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)，完成簡(jiǎn)易雙足步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作。

關(guān)鍵詞：雙足機(jī)器人;舵機(jī);控制系統(tǒng)

一、雙足步行機(jī)器人自由度

雙足步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)是所有部件的載體，也是設(shè)計(jì)雙足步行機(jī)器人首要的工作。它必須能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的前后左右以及爬斜坡和上樓梯等的基本功能，所以自由度的配置必須合理。首先確定雙足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程和行走步驟：重心右移（先右腿支撐）、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個(gè)階段。雙足機(jī)器人向前邁步時(shí)，髓關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)必須各自配置有一個(gè)俯仰自由度以配合實(shí)現(xiàn)支撐腿和上軀體的移動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)重心轉(zhuǎn)移，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度是必不可少的。機(jī)器人要達(dá)到目標(biāo)位置，需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，所以需要有髖關(guān)節(jié)上的轉(zhuǎn)體自由度。膝關(guān)節(jié)處配置一個(gè)俯仰自由度能夠調(diào)整擺動(dòng)腿的著地高度，使上下臺(tái)階成為可能，還能實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)。這樣最終決定髖關(guān)節(jié)配置3個(gè)自由度，包括轉(zhuǎn)體、俯仰和偏轉(zhuǎn)自由度，膝關(guān)節(jié)配置一個(gè)俯仰自由度，踝關(guān)節(jié)配置有俯仰和偏轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度。這就共需要配置12個(gè)自由度。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(dòng)作可完成機(jī)器人的在縱向平面（前進(jìn)方向）內(nèi)的直線行走功能，髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)體自由度可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎功能，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能。

二、確定雙足機(jī)器人的動(dòng)力源

雙足步行機(jī)器人要求的精度比較高，交直流電機(jī)通電就轉(zhuǎn)，斷電就停，很難進(jìn)行機(jī)器人的位置控制，步進(jìn)電機(jī)雖能按一定的精度工作，因其是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，精度達(dá)不到要求。因此，本文選擇采用伺服電動(dòng)機(jī)。

本次設(shè)計(jì)考慮成本問題使用伺服電動(dòng)機(jī)一舵機(jī)。舵機(jī)最早出現(xiàn)在航模運(yùn)動(dòng)中。在航空模型中，通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和各個(gè)控制舵面來控制飛行機(jī)的飛行姿態(tài)。電動(dòng)舵機(jī)控制器一般采用PID控制，以滿足舵機(jī)動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)要求，伺服功率放大器一般由脈沖寬度調(diào)制器和開關(guān)控制電路組成，直流伺服電機(jī)是電動(dòng)舵機(jī)的執(zhí)行元件，可采用有刷或無(wú)刷直流電機(jī)，減速機(jī)構(gòu)一般采用蝸輪蝸桿或絲缸減速機(jī)構(gòu)。

本次設(shè)計(jì)的雙足機(jī)器人是重量很輕的作用實(shí)驗(yàn)的小型雙足步行機(jī)器人，因此選擇使用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)。

本設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)的特點(diǎn)就是體積小、重量輕且控制簡(jiǎn)單，另外價(jià)格也較便宜。雙足步行機(jī)器人每條腿的自由度為6，各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)使用的是北京漢庫(kù)科技有限公司的HG14-M的大力矩舵機(jī)。

三、確定雙足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)

根據(jù)設(shè)日要求本文設(shè)計(jì)了機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，具有以下特點(diǎn)：

1.設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易雙足機(jī)器人布置具有對(duì)稱性。

步行運(yùn)動(dòng)中普遍存在結(jié)構(gòu)對(duì)稱性。研究人員研究了步行運(yùn)動(dòng)中的對(duì)稱性，發(fā)現(xiàn)機(jī)身運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性和腿機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性之間存在相互關(guān)系。在單足支撐階段對(duì)稱性的機(jī)身運(yùn)動(dòng)要求腿部機(jī)構(gòu)也是對(duì)稱的，在雙足支撐階段機(jī)身對(duì)稱性運(yùn)動(dòng)未必需要腿部機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性，除非有額外的約束條件。根據(jù)RC伺服電機(jī)的尺寸大小確定框架，使電機(jī)的活動(dòng)范圍能盡量符合各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。

2.設(shè)計(jì)的雙足機(jī)器人采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。

行走機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)平地前后行、平地側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階、爬斜坡等功能。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用1mm的鋁合金鈑金材料，這種材料重量輕、硬度高、強(qiáng)度雖不如鋼，但卻大大高于普通鋁合金，具有彈性模量、密度比高的特點(diǎn)。

3.設(shè)計(jì)的雙足機(jī)器人是框架型結(jié)構(gòu)。便于機(jī)器人的各關(guān)節(jié)間采用RC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可減小機(jī)器人的體積、減輕重量?？蚣艿脑O(shè)計(jì)有效的利用了RC伺服電機(jī)的尺寸大小，并使電機(jī)的活動(dòng)范圍能盡量符合各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。

四、確定雙足機(jī)器人的控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的雙足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用了12個(gè)舵機(jī)，要求控制系統(tǒng)能實(shí)能同時(shí)驅(qū)動(dòng)12個(gè)舵機(jī)的功能。舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0-180°，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)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(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)位置上。

傳統(tǒng)產(chǎn)生PWM波的方法是通過大量的分A元件來實(shí)現(xiàn)的，所產(chǎn)生的脈沖頻率和寬度往往不準(zhǔn)確，不能做到對(duì)舵機(jī)的精確控制。本設(shè)計(jì)中采用一片51的單片機(jī)和一片復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）實(shí)現(xiàn)了PWM的產(chǎn)生。由于CPLD具有他特有的并行處理能力和大量的10接口，可以同時(shí)控制幾十甚至上百個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作，可以為后續(xù)的工作留出一定的空間，但由于CPLD不具備事務(wù)處理能力，實(shí)際應(yīng)用中還需要MCU協(xié)同工作，本設(shè)計(jì)中采用51系列的單片機(jī)和CPLD協(xié)同控制舵機(jī)，同時(shí)使用單片機(jī)為后續(xù)的傳感器反饋處理留出空間。

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(duì)預(yù)定的機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃和位置插補(bǔ)，再按照一定時(shí)間間隔和次序進(jìn)行發(fā)送給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)位置和近似的速度控制，下位機(jī)主要功能是接收上位機(jī)發(fā)送的位置信號(hào)，根據(jù)信號(hào)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(dòng)，使機(jī)器人按動(dòng)作規(guī)劃完成相應(yīng)動(dòng)作。與此同時(shí)，下位機(jī)主要由完成串口通信、數(shù)據(jù)的調(diào)度和12個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。

CPLD的12路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理是CPLD通過一個(gè)簡(jiǎn)單的接口與51單片機(jī)進(jìn)行通信，把要驅(qū)動(dòng)的12個(gè)舵機(jī)的PWM信號(hào)數(shù)據(jù)存人到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，通過數(shù)字PWM生成器驅(qū)動(dòng)12個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)到需要的角度，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換到下一個(gè)角度時(shí)，通過與51單片機(jī)的接口，從51單片機(jī)中傳送新的PWM信號(hào)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中進(jìn)行更新，數(shù)字PWM生成器就會(huì)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)新的角度。

五、雙足機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

1.電源。為了避免舵機(jī)的供電電源產(chǎn)生的電壓波動(dòng)對(duì)控制電路的干擾，控制電路與舵機(jī)的電源要進(jìn)行隔離，即分開供電?？刂齐娐冯娫词褂玫氖且粋€(gè)9V輸出的AC-DC變壓電源經(jīng)7805芯片后提供的5V電源，而舵機(jī)的電源提供了一個(gè)接口，外接一個(gè)6V的直流電源。

2.控制芯片?？刂菩酒K包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外部程序存儲(chǔ)芯片擴(kuò)展以及大規(guī)模CPLD芯片。單片機(jī)采用Atme公司的AT89S52，它是8位的高性能嵌人式控制器，其內(nèi)部集成了8k的可在線編程的Flash存儲(chǔ)器;256字節(jié)的RAM，可尋址64字節(jié)，具有32根I/O口、3個(gè)可編程定時(shí)器、8個(gè)中斷源、6個(gè)中斷矢量、1個(gè)看門狗定時(shí)器。時(shí)鐘電路給系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)采用11.05296MHz晶振。同時(shí)，設(shè)計(jì)還擴(kuò)展了一片8k×8位的外部存儲(chǔ)芯片2864。CPLD芯片采用的是ALTERA公司的EPM7128。

3.串行通信。串行通信模塊主要用于AT89S52單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通信。由于PC機(jī)的COM口符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)，AT89S52單片機(jī)上的串行接口是CMOS電平，在RS-232與CMOS電平通信時(shí)，需要電平轉(zhuǎn)換，因此，設(shè)訓(xùn)時(shí)利用MAX232芯片來作電平轉(zhuǎn)換。

4.舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。12路舵機(jī)的控制信號(hào)來自CPLD芯片的I/O口。為了防止干擾，12路舵機(jī)控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)經(jīng)過TLP-521光電隔離，通過隔離出來的控制信號(hào)，還必須接人LM324比較器，以消除毛刺，增加信號(hào)的穩(wěn)定性，提高信號(hào)的輸出電流，以便舵機(jī)能夠正確工作不至于產(chǎn)生不必要的抖動(dòng)。

六、結(jié)語(yǔ)

論文論述了雙足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)，完成了能通過伺服電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)的一種簡(jiǎn)易型雙足步行機(jī)器人設(shè)計(jì)任務(wù)，但存在不足，對(duì)雙足步行機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)僅停留在小實(shí)驗(yàn)上，不能較好運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理以實(shí)現(xiàn)雙足步行機(jī)器人的實(shí)際行走過程，并實(shí)際運(yùn)用到人們生活中。

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