双足步行机器人

双足步行机器人
吴俊1
（重庆理工大学汽车学院，重庆市）
摘要：双足步行机器人是机器人研究领域的热点，它集机械、电子、计算机、仿生学、自动控制、多传感器及人工智能等多门学科于一体。

课题旨在设计一种结构简单的小型双足步行机器人，在此基础上对双足步行机器人的步行机理、步行参数及运动控制进行研究，为设计自主智能双足步行机器人打下基础。

论文结合人类下肢关节的结构特点，并对其进行简化，采用加藤一郎结构，为双足步行机器人下肢配置了 10 个自由度，经过驱动元件性能的比较与机器人所需转矩的初步估算，选择了转矩为 13kg•cm 的舵机MG995作驱动，它有体积小、高力矩、高精度、稳定性好、控制简单、低价格等优点。

然后在 UG 平台上设计了机器人各关节及其他零部件，并对虚拟模型进行测量，测得机器人总体高为 323.5mm，宽为 152.5mm。

关键词：双足步行机器人、舵机、步态设计、运动控制
Biped walking robot
WuJun1
（Chongqing university of technology，Chongqing）
Abstract：Biped walking robot research in the field of robot is hot, Which combines mechanical, electronic, computer, bionics, automation, artificial intelligence and multi-sensor, and other subjects in one. This subject is to design a simple structure of small biped walking robot, On this basis to study the biped walking robot walking mechanism, walking parameters and motion control and lay the foundation for the design of autonomous intelligent biped walking robot.With human characteristics of the structure of lower limb joints and simplify them, Adopt kato ichiro structure，10 degrees of freedom was equipped with for the lower extremities of biped walking robot. After the drive components performance comparison and preliminary estimates to the torque required for the robot, the servo whose torque i s 13 kg•cm was chosen. The measured overall high of Robot is 323.5mm and width is 152.5mm.
Key words: biped walking robot; gait design; motion simulation; principle prototype; motion control
0 引言
仿人双足步行是生物界难度最高的步行动作，但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。

双足步行机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统[1]。

这对机器人的运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的实验平台。

另外，双足步行机器人的研究还可以推动仿生学、人工智能、计算机图形、通信等相关学科的发展。

研究双足步行机器人的另一重要意义就是为了更好的了解人类和其他动物的行走机理，并为下肢瘫痪者提供较理想的假肢。

再者，动物行走机理的研究和步行机器人的开发是双向
互惠的。

一旦对动物行走机理有了正确的理解，可以反过来更有效地指导步行机器人的研究和开发。

因此，双足步行机器人的研制具有十分重大的价值和意义。

要设计一个小型双足机器人系统，需将整个工程划分为三大部分：机械实体部分、硬件电路部分、软件程序部分[2]，这三部分相互独立又是相互联系统一的。

这三部分的设计需要考虑整个机器人系统的性能综合整体设计，每部分独立设计测试，然后组合完成机器人系统。

但机器人的各个功能的运行还需要一步步的调试，最终使得机器人能独立的运行。

为了设计制作出来的机器人能够完成向前行走的功能，需要完成以下的任务：
1) 设计机器人机械各部位的机械零件；
2) 设计双足机器人的机械结构及控制电路系统；
3）设计调试机器人的PC上位机程序；
机器人调试控制系统选用“上位机+串口+下位机”的控制系统解决方案。

上位机控制软件的主要功能是对机器人动作进行实时单步动作调试,实现机器人各关节运动角度和速度的控制；下位机主要功能是接收上位机发送的角度信号,根据信号产生PWM波,控制机器人各个关节舵机运动,使机器人按动作规划完成步行动作及其他所有功能。

相应的,下位机主要由完成串口通信、数据的处理和10个舵机驱动。

串口实时控制系统结构图如图1-1所示。

图1-1 串口实时控制系统结构图
1 双足行走机器人的下肢机构设计
1.1 双足步行机构的自由度配置
由于本文的双足步行机器人仅实现直线行走、静态转弯及上下楼梯运动，最终决定髋关节配置2 个自由度，包括俯仰（pitch）和偏转（yaw）自由度，膝关节配置1 个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转 2 个自由度，如表1-2 所示，每条腿配置 5 个自由度，两条腿共10 个自由度。

图 1-2 自由度分配表
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径向平面内的直线行走功能；髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作可实现在侧向平面内的重心转移功能；上述关节的自由度共同协调可实现机器人的静态转弯功能。

机器人的自由度配置如图1-3 所示。

图 1-3 机器人的自由度配置
1.2 双足步行机构的动力源
舵机是一种最早应用在航模与车模运动中的动力装置，它的控制信号是一个脉宽调制信号（PWM），所以很方便和数字系统进行接口。

舵机的输入线共有三条，红色的是电源线，黑色的是地线，这两根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗，电源电压为4.8V～7.4V。

另外一根线是控制信号线[3]。

舵机的控制信号是周期最长为20ms 的脉宽调制信号（PWM），PWM 波一个周期分为PWM 宽和延时等待（WT ）两个阶段[4]。

舵机电路支持的PWM 信号为0.5mS—2.5mS，相对应舵盘的位置为0－180 度，分为n=250 小份，呈线性变化，PWM 的控制精度PCP=2mS÷250=8uS，舵机的控制精度ECP=180 度÷250=0.72 度，所以舵机转角函数φ= 0.72×n，PWM 上升沿时间函数t = 0.5+n×PCP，只要控制n值就可使舵机达到旋转目标值。

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。

舵机内部有一个基准电路，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号[5]。

由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180 度，适用于需要角度不断变化并可以保持的驱动当中，如机器人的关节、飞机的舵面等。

图1-4 表示出一个典型的20ms 周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂特定位置的关系：
图1-4 机控制原理图
MG995舵机的内部电路图（图1-5）：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。

该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6688的3脚输出。

该输出送入电机驱动集成电路BAL6686，以驱动电机正反转。

当电机转动时，通过级联减速齿轮带动电位器Rw1旋转，直到电压差为0，电机停止转动。

图1-5 脱机内部电路图
1.3 控制元件的选择和机械结构图
本文控制端采用基于A TMEL® ATMEGA16微控制器的Arduino® MEGA控制板，通过
串行通信完成10路舵机控制，软件模拟方式输出PWM波，采用单电源供电方式为机器人供电。

总装图，如图1-5
图1-5 双足行走机构
2双足机器人的控制系统
2.1 控制原理与控制电路[6-9]
本文是要求控制10 个自由度，也就是说要求分别控制10 个舵机。

控制系统结构如图2-1 所示。

选用“上位机+串口+下位机”的控制系统解决方案。

上位机控制软件的主要功能是对预定的机器人动作进行规划和位置插补，再按照一定时间和次序发送给下位机,实现机器人关节位置和速度控制；下位机主要功能是接收上位机发送的位置信号，根据信号要求产生PWM 波，控制机器人各个关节舵机运动，使机器人按动作规划完成动作。

相应的，下位机主要由串口通信部分、电源、时钟部分、CPU 及接口部分、复位信号五部分组成。

图 2-1 控制系统结构
串口通信电路如图2-2 所示，采用MAX232 串口芯片，CON1 为接口部分，3 根信号线，RXD/TXD/GND。

时钟电路和信号复位电路如图2-3 所示，时钟电路部分，11.0592M 晶振提供时钟给A TMEGA16。

复位信号电路部分如图所示，给RST 提供信号，引脚4 口上电则复位。

图 2-4 所示的是总电路图，采用Protell 99se 软件绘制，在电路原理图的基础上，我们可以进行PCB板的绘制。

图 2-2 串口通信电路
图 2-3 时钟电路和信号复位电路图 2-4 总电路图
2.2 串行通信
上、下位机间通过串行通信接口实现数据的发送，而就串行通信来看，数据交换的双方利用传输线的电压改变来达到数据交换的目的[10]。

PC 机（上位机）的COM口符合RS232标准,与ATMEGA16单片机上的串行接口电平不一致,设计时利用MAX232 芯片作电平转换。

本通信协议的设计思想是基于帧传输方式[11]，即进行通信时，数据是一帧一帧发送或接收，一帧所包含的数据长度不等，须通过判断接收到的数据帧的类型字节值（用1 个字节表示）来确定数据的长度。

2.3 通信流程设计
当下位机接收数据时，采用中断方式进行接收，以保证通信的实时性，而下位机发送数据时，则通过调用发送函数完成发送功能。

在接收数据时，须先接收第一个字节的数据，以确定该数据帧占用的字节数，确定数据长度后，将关闭串行通信中断，采用查询方式接收数据，直至接收完该数据帧为止。

下位机数据接收中断服务程序的流程如图2-5 所示:
图2-5 下位机数据接收中断服务程序流
参考文献：
[1] 包志军, 马培荪, 姜山等．从两足机器人到仿人型机器人的研究历史及其问题[J]．机器人，1999。

[2] 马劼, 双足行走机器人, 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京航空航天大学第二十届
“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛项目论文。

[3] 费守勇，吕恬生，宋立博等．双足溜冰机器人控制系统设计[J]．机械与电子，2006。

[4] 时玮.利用单片机 PWM 信号进行舵机控制[J].今日电子.2005。

[5] 刘歌群,卢京潮等.用单片机产生 7 路舵机控制 PWM 波的方法[J].机械与电子。

[6] 王划一．自动控制原理 [M]．北京: 国防工业出版社, 2001。

[7] 王耀南.机器人智能控制工程[M].北京:科学出版社,2004。

[8] 丁学恭.机器人控制技术[M].浙江:浙江大学出版社,2006。

[9] 康华光．电子技术基础（第四版） [M]．北京: 高等教育出版社, 2002。

[10] 范逸之.Visual Basic 与 RS-232 串行通信控制（最新版）[M].北京:清华大学出版社,2002。

[11] 石东海.单片机数据通信技术从入门到精通[M].西安:西安电子科技大学出版社,200。