四足机器人设计报告

四足机器人设计报告

摘要：本文介绍了四足机器人（walking dog）的设计过程，其中包括控制系统软硬件的设计、传感器的应用以及机器人步态的规划。

一、本体设计：

walking dog的单腿设置髋关节和踝关节两自由度，能在一个平面内自由运动（见图1.1）。采用舵机作为机器人的关节驱动器，其单腿结构图见（图1.2）。为了便于步态规划，设计上下肢L1、L2长均为65mm。四肢间用铝合金框架连接，完成后照片见（图1.3）。walking dog 的每只脚底均有一个光电传感器，能有效检测脚底环境的变化。walking dog的头部为一个舵机，携带光电反射式传感器，能探测前方180度75cm内的障碍物。

图1.1 四足机器人模型图1.2 单腿结构

图1.3：完成后照片

二、控制系统设计

为了使机器人能灵活地搭载各种传感器以及实现不同的步态，将底层驱动单元与上层步态算法平台分开。因为walking dog的各关节均为舵机，特设计了16路舵机驱动器作为底层驱动单元，用来驱动机器人全身各关节。并设计了上层算法平台，将各关节参数通过UART 实时地发送到底层驱动单元。图2.1为系统框图。

图2.1：系统框图

1、底层驱动单元设计

图2.2给出了舵机的工作原理框图，电动机驱动减速齿轮组,并带动一个线性的电位器作位置检测,控制电路将反馈电压与输入的控制脉冲信号作比较,产生偏差并驱动直流电动机正向或反向转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符。

图2.2：舵机工作原理框图

针对舵机这一特性，设计底层驱动器的系统结构图见图2.3。Mage8的16位定时器分时产生16次定时中断，中断子程序产生移位脉冲，通过4N25光偶隔离输入到移位寄存器，实现各路PWM信号高电平部分的分时产生。图2.4为定时产生脉冲的中断处理流程，图2.5例举了产生4路PWM信号的波形图。实际电路原理图见附录1。

图2.3：16路舵机驱动器结构图

图2.4：定时中断服务流程 图2.5：产生4路PWM 的波形信号

2、算法平台的设计

步态机器人要求对各个关节实施快速准确的位置控制，因此对控制系统提出了比较高的要求：

1、具有大量数据存储能力用来存储大量的步态数据。

2、实时地采集、处理传感器的数据，以便在控制系统的信号综合中使用。

3、具有良好的控制结构和接口，便于高层控制软件的开发。

4、有一定的预留接口、良好的兼容性和扩展性，以便进行功能扩展和二次开发

根据以上要求，采用ATmega16作为控制核心，将规划好的步态参数存入单片机，单片机根据定时器产生的时钟将相应关节数据发送到底层驱动单元。同时单片机通过传感器返回的信号感知周围环境，并及时对运动状态进行调整。

三、步态参数化设计

1、离线轨迹规划

为了使机器人行走平缓，要求足底轨迹有二阶光滑度，即有二阶连续导数。数学上的三次样条插值曲线即可满足上述条件。

设步长λ=40，摆动腿离地最高H=20，可求得：踝关节的轨迹函数()x y f =

323()220(2608*10)8*10

x f x x =−+− [20,0]x ∈− 323()220(2608*10)8*10

x f x x =−−+− [0,20]x ∈ 由踝关节的轨迹函数可得踝关节关于时间的函数：

()()()*,()2

t t t t x y f x T λλ=−= 其中：λ为步长 髋关节关于时间的函数：

2()2,2t x t y Hk T λ

== Hk 为髋关节离地高度，取122.6

用MATLAB 仿真得到：

图3.1：踝关节轨迹坐标

图3.2：踝关节一阶导数

图3.3：踝关节二阶导数

由以上仿真结果可知，在行走过程中机器人的踝关节轨迹、踝关节轨迹的一阶导数和踝关节轨迹的二阶导数都是连续的。而且摆动腿着地时的速度为零，大大减小了冲击，保证了机器人行走的稳定性。 根据上述髋关节和踝关节关于时间的轨迹函数，可求得各关节角度关于时间的函数：

1θ=

θ=

2、步序规划

目前主要有两类步态机器人的稳定性：静态稳定性和动态稳定性。静态稳定性忽略机器人的动态性能，采用重心(COG)作为稳定性标准，适用于移动较慢的机器人。而动态稳定性一般采用零力矩点(ZMP)作为稳定性判定标准，即考虑重力、惯性力及地面反力三者合力矢的延长线与地面的交点。在对角小跑（Trot）、溜蹄（Pace）、跳跃（bounding）等有较多应用。由于舵机性能及机械加工精度等方面的限制，WALKING DOG采用静态稳定性作为约束步态的条件。

静态稳定性约束的步态任一时刻至少应有3条腿与地面接触支撑机体，且机体的中心必须落在3足支撑点构成的三角形区域内，据此设计步态图如下：

图3.4：四足一周期内的步态图

实验结果表明这种步序能使机器人连续稳定地行走。

四、结论

采用模块化设计的方法设计了四足机器人，使其控制简便灵活，可升级性强。并用步态规划的方法使机器人能稳定连续地行走，并对环境作出简单的感知与反应。通过实验发现机器人实际行走轨迹与规划的轨迹有较大差别，这对行走的稳定性和速度都造成了较大影响。