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