鄧三星，楊蒙蒙，張 凱，劉越奇，劉 通

（黃河交通學(xué)院 河南省智能制造技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河南 焦作 454950）

0 引 言

雙足競步機器人是一種模仿人步態(tài)行走的機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)雙足行走和其他相關(guān)動作，其在直立行走過程中，有著良好的自由度，動作靈活、自如、穩(wěn)定。雙足競步機器人包含豐富的動力學(xué)特性，具有廣闊的發(fā)展前景，經(jīng)過技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，未來它可以在多種場景中廣泛應(yīng)用，如物品搬運、救災(zāi)搶險等。

目前市場上的小型雙足競步機器人大致可分為使用傳感器及彈性連接件和不使用傳感器及彈性連接件兩類。使用攝像頭、激光雷達(dá)等傳感器增加了機器人的功耗和成本。本文使用單片機、雙軸舵機等，設(shè)計了一種小型雙足競步機器人。此機器人在不使用傳感器及彈性連接件的情況下，在6 m的距離內(nèi)能夠穩(wěn)定、快速地實現(xiàn)直線行走。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

此次設(shè)計的雙足競步機器人主要由機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動模塊、傳感模塊和控制模塊等組成。機器人控制系統(tǒng)是機器人的“心臟”，它根據(jù)編程指令及傳感信號控制機器人完成規(guī)定動作。作為機器人的核心，機器人控制系統(tǒng)決定著機器人的性能表現(xiàn)，很大程度上影響著機器人的發(fā)展方向。本文設(shè)計的機器人系統(tǒng)選用STM32單片機作為雙足競步機器人控制系統(tǒng)。

機器人技術(shù)的實現(xiàn)與其優(yōu)良的機械結(jié)構(gòu)和智能控制系統(tǒng)有關(guān)，控制系統(tǒng)要做到工作穩(wěn)定、精度可靠等，就需要設(shè)計高級的控制算法。近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究人員提出了多種控制算法，以及實現(xiàn)相關(guān)算法的控制器，但目前相關(guān)技術(shù)還處在實驗階段，一些高級控制方法在實測過程中不夠穩(wěn)定，因此機器人智能控制系統(tǒng)仍是當(dāng)前的研究熱點。本文設(shè)計并制作了一種雙足競步機器人，它可以按照設(shè)定的動作，通過指令程序的編程控制實現(xiàn)如前、后滾翻，前進(jìn)、后退等動作，并可以快速、穩(wěn)定地直線行走。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)參數(shù)

雙足競步機器人的機械結(jié)構(gòu)類似于人形，通過雙足結(jié)構(gòu)實現(xiàn)行走。為實現(xiàn)對機器人的步態(tài)設(shè)計控制，在進(jìn)行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通過雙軸舵機模擬人類腿部膝關(guān)節(jié)。機械結(jié)構(gòu)通過舵機控制芯片控制機器人腿部各關(guān)節(jié)的動作，對每一步的大小、快慢、幅度實現(xiàn)了精確控制。此機器人選用亞克力板材料制作，成品機器人身高約25 cm，長度約20 cm，寬度約11 cm。

2.2 機器人模型建模

通過大量研究人體腿部運動的圖片、視頻、相關(guān)數(shù)據(jù)，確定了機器人的結(jié)構(gòu)尺寸。并通過大量仿真與實驗，最終確定了機器人的原始模型，根據(jù)比例縮放后得到最終的機械結(jié)構(gòu)。借助Solidworks三維繪圖軟件繪制三維模型，如圖1所示。

圖1 機器人三維模型

2.3 機器人實物制作

制作夾件、卡件和連接件時，依照圖紙參數(shù)通過3D打印機加工完成。然后進(jìn)行打孔、螺絲裝配等精加工操作，最終完成機器人機械機構(gòu)的制作和裝配。機器人能夠獨立完成行走或其他任務(wù)。設(shè)計的雙足競步機器人依靠多關(guān)節(jié)配合行走，其兩條腿的關(guān)節(jié)通過6個舵機模擬人的行走動作。在進(jìn)行腿部的框架設(shè)計時，充分參考了雙軸舵機的尺寸參數(shù)，使電機的活動范圍盡可能匹配腿部各關(guān)節(jié)的活動范圍。通過采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)平地前、后以及側(cè)面行走，左、右方向的轉(zhuǎn)彎，攀爬臺階、斜坡等功能。機器人實物如圖2所示。

圖2 機器人實物

3 硬件設(shè)計

3.1 控制電路設(shè)計

雙足競步機器人控制部分采用的核心處理器為STM32F103RCT6型單片機。圖3為單片機工作的最小系統(tǒng)，它主要由STM32F103RCT6單片機、晶振與復(fù)位電路組成，其中，晶振為32.768 kHz。

圖3 STM32F103RCT6最小系統(tǒng)

舵機控制電路主要由PCA9685PW芯片組成，通過時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA與STM32單片機通信。舵機控制電路如圖4所示。

圖4 舵機控制電路

舵機控制電路的P0～P6口分別與6個舵機的PWM信號線相連，以不斷輸出PWM波形，控制6個舵機的旋轉(zhuǎn)角度，最終實現(xiàn)雙足競步機器人姿態(tài)的控制。舵機控制接口電路如圖5所示。

圖5 舵機控制接口電路

3.2 電源設(shè)計

通常出于安全和續(xù)航等因素考慮，機器人的工作電源采用7.4 V鋰電池，它可以向控制系統(tǒng)和舵機提供7.4 V工作電壓。而控制系統(tǒng)與舵機的電源要分開供電，避免舵機供電電源產(chǎn)生的電壓波動對控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾?？刂葡到y(tǒng)將鋰電池提供的7.4 V電源經(jīng)LM2940芯片穩(wěn)壓后輸出5 V電源作為工作電源，而舵機可以直接使用鋰電池提供的7.4 V電源。電源轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6 電源轉(zhuǎn)換電路

3.3 舵機的使用及參數(shù)

本文設(shè)計的雙足競步機器人重量輕、體積小，腿部各關(guān)節(jié)通過舵機驅(qū)動實現(xiàn)精確的步態(tài)控制。舵機最早應(yīng)用于航模運動中，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機和各控制舵機以控制飛行器的飛行姿態(tài)。

舵機分為單軸舵機和雙軸舵機，型號分別為DS3115MG和RDS3115MG。單軸舵機在智能小車、機械臂等設(shè)備上使用較為廣泛，而雙軸舵機與單軸舵機的不同之處在于它有一個虛軸，因此常用于人形機器人，如雙足競步機器人。雙軸舵機外觀如圖7（a）所示，單軸外觀如圖7（b）所示。

圖7 舵機實物

舵機各參數(shù)是決定機器人性能的重要指標(biāo)。本次設(shè)計使用的舵機的額定工作電壓為6 V，額定扭矩為15 N·m。它提供180°內(nèi)可控制正反轉(zhuǎn)、270°內(nèi)可控制正反轉(zhuǎn)、360°內(nèi)可定圈連續(xù)旋轉(zhuǎn)及正反轉(zhuǎn)、360°內(nèi)定時連續(xù)旋轉(zhuǎn)及正反轉(zhuǎn)等8種角度工作模式，用戶可自由切換。舵機采用單總線通信，其波特率為115 200，通過總線串聯(lián)各舵機。本設(shè)計中的6個舵機有專屬ID號，舵機默認(rèn)ID為0，可通過命令改變舵機ID，255代表廣播地址?？苫刈x角度參數(shù)，讀取舵機當(dāng)前實時位置。

4 軟件設(shè)計

4.1 機器人系統(tǒng)控制原理

上位機編程軟件和STM32舵機控制器之間進(jìn)行實時雙向通信傳輸，STM32舵機控制器發(fā)送控制指令給串行總線舵機并實現(xiàn)舵機姿態(tài)的角度回讀。STM32單片機也可將編寫好的程序下載到芯片中脫機運行。機器人控制流程如圖8所示。

圖8 機器人控制流程

4.2 串行總線舵機通信原理

本文設(shè)計的機器人控制系統(tǒng)采用單總線通信方式，這種方式的優(yōu)點是舵機之間可串聯(lián)，最多可級聯(lián)255個舵機。同時它可以進(jìn)行角度回讀，并進(jìn)行多角度模式切換。舵機內(nèi)部只帶有一塊主控芯片，且其內(nèi)部已完成PWM控制，因此用戶只需編寫一條簡單命令即可實現(xiàn)舵機的控制，操作簡單、快捷。串行總線舵機通信流程如圖9所示。

圖9 舵機通信流程

4.3 STM32舵機控制器控制算法

雙足競步機器人STM32舵機控制器的控制算法，可實現(xiàn)LED燈亮滅及閃爍功能，實現(xiàn)蜂鳴器鳴叫與多個舵機聯(lián)動控制，并做一些組合動作。如下所示為啟動代碼，用于完成時鐘配置。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 雙足競步機器人自由度的確定

設(shè)計雙足競步機器人最重要的工作是確定自由度的合理配置。首先，結(jié)構(gòu)重心右移，此時右腿支撐地面，左腿輕微抬起，然后左腿平穩(wěn)放下，重心轉(zhuǎn)移到雙腿中間，接著結(jié)構(gòu)重心左移，此時左腿支撐地面，右腿輕微抬起，然后右腿平穩(wěn)放下，最后重心再次轉(zhuǎn)移到雙腿間。機器人每條腿獲得3個自由度，故2條腿共有6個自由度。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的俯仰自由度協(xié)作配合，使機器人在前進(jìn)方向上實現(xiàn)直線行走；髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)體自由度可控制機器人轉(zhuǎn)彎功能的實現(xiàn)；髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)作配合，可實現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移。

5.2 控制板簡介

舵機控制模塊采用STM32舵機控制板，其主要由STM32F103RCT6單片機芯片、舵機控制電路、USB調(diào)試接口、藍(lán)牙接口、無線串口、電源接口、蜂鳴器、舵機接口組成。STM32舵機控制板如圖10所示。

圖10 STM32舵機控制板

5.3 調(diào)試界面

控制板使用上位機軟件控制，可直接使用USB接口，藍(lán)牙模塊和無線串口進(jìn)行調(diào)試或下載編程。系統(tǒng)既可實現(xiàn)機器人開機狀態(tài)的設(shè)置，直接使用在線運行模式控制機器人的運動，也可以將程序燒錄到STM32單片機中實現(xiàn)脫機運行。通過重啟控制器可以清除控制器中燒錄的程序，實現(xiàn)機器人復(fù)位。在調(diào)試過程中還可以實現(xiàn)多個機器人協(xié)同運行，做出統(tǒng)一動作。調(diào)試界面如圖11所示。

圖11 調(diào)試界面

5.4 調(diào)試結(jié)果

先將控制程序燒錄到STM32控制器中，機器人通過自動脫機運行程序，逐步完成設(shè)計動作。經(jīng)過硬件調(diào)試，本文設(shè)計的雙足競步機器人可以實現(xiàn)前后方向走步、前后方向翻跟斗、向左及向右轉(zhuǎn)動等功能。如圖12所示，機器人正在跑道上進(jìn)行翻滾動作，此時機器人頭部朝下，腳部朝上。

圖12 調(diào)試結(jié)果

6 結(jié) 語

本文采用STM32F103RCT6單片機作為控制器，開發(fā)設(shè)計了雙足競步機器人系統(tǒng)。首先確定了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和組成，然后對雙足競步機器人的機械結(jié)構(gòu)、舵機控制系統(tǒng)和上位機編程軟件進(jìn)行了設(shè)計與測試。在不使用彈性連接件、傳感器的情況下，經(jīng)過調(diào)試，機器人能夠滿足前行、后退、轉(zhuǎn)彎、翻跟斗等基本動作要求。該機器人結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性高，動作轉(zhuǎn)變協(xié)調(diào)性好，運行效果良好。