双足机器人设计

小型双足步行机器人的结构及其控制电路设计

两足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。两足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。与其它足式机器人相比，双足机器人具有支撑面积小，支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点。是其中最复杂，控制难度最大的动态系统。但由于双足机器人比其它足式机器人具有更高的灵活性，因此具有自身独特的优势，更适合在人类的生活或工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对这些环境进行大规模改造。例如代替危险作业环境中(如核电站内)的工作人员，在不平整地面上搬运货物等等。此外将来社会环境的变化使得双足机器人在护理老人、康复医学以及一般家务处理等方面也有很大的潜力。

双足步行机器人自由度的确定

两足步行机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足步行机器人最基本的和首要的工作[1]。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理:首先分析一下步行机器人的运动过程(前向)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髓关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动;要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的;机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。另外膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下台阶成为可能，还能实现不同的步态。这样最终决定髋关节配置3个自由度，包括转体(roll)、俯仰(pitch)和偏转(yaw)自由度，膝关节配置一个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。这样，每条腿配置6个自由度，两条腿共12个自由度。髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向)内的直线行走功能；髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能；髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。

机器人的转体(roll)、俯仰(pitch)和偏转(yaw)定义如图1所示[2]。

蜗轮蜗杆或丝缸减速机构。

由于本研究制作的机器人是桌上型的重量很轻的作实验用的小型双足步行机器人。因此机器人的各关节是选择使用舵机驱动。

图3电动舵机工作原理方框图

附表RC伺服电机的参数

此类电机的特点就是体积小、重量轻且控制简单，另外价格也较便宜。附表示出了电机的参数。

步行机器人每条腿的自由度为6。各关节的驱动使用的是北京汉库科技有限公司的HG14-M的大力矩舵机。

机构的设计

根据本课题的要求，本文设计了机器人的机构，其主要特点有以下几点:

布置对称性

步行运动中普遍存在结构对称性。Goldberg[3]等人研究了步行运动中的对称性，发现机身运动的对称性和腿机构的对称性之间存在相互关系。在单足支撑阶段如图４，对称性的机身运动要求腿部机构也是对称的;在双足支撑阶段如图５，机身对称性运动未必需要腿部机构的对称性，除非有额外的约束条件。根据这点，笔者在结构设计时也采用对称性布置[4]。

框架的设计有效的利用了RC伺服电机的尺寸大小，并使电机的活动范围能尽量符合各关节的活动范围。

采用多关节型结构。行走机构能实现平地前后行、平地侧行、转弯、上下台阶、爬斜坡等功能。

整个结构采用1mm的铝合金(LY12)钣金材料，这种材料重量轻、硬度高、强度虽不如钢，但却大大高于普通铝合金。且这种材料具有弹性模量、密度比高的特点。

由于机器人的各关节是用RC伺服电机驱动，为了减小机器人的体积、减轻重量，机器人的结构做成是框架型的。框架的设计有效的利用了RC伺服电机的尺寸大小，并使电机的活动范围能尽量符合各关节的活动范围。

控制系统

方案构思

由于本机器人机构采用了12个舵机，本控制系统就是要实现能同时驱动这12个舵机的功能。由前面的

叙述知道，舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制(PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5ms－2.5ms，相对应舵盘的位置为0～180°，呈线性变化[5]。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。

图4单腿模型图

图5两足步行机器人双腿模型图

图8机器人控制器线路图

结语

在本文中，探讨了舵机的安装方法，框架的设计以及制作了能通过伺服电机控制运动的一种经济型的双足步行机器人。另外，实现了用单片机与CPLD控制12个ＲＣ伺服电机的设想。

今后，将研讨运用逆运动学的原理，通过预先给定机器人各个部位的运动轨迹，通过运算确定好各关节的旋转角度然后通过控制系统得控制算法，以实现机器人的实际行走过程。