摘 要： 采用自主設(shè)計(jì)的PCB板和CDS5401舵機(jī)設(shè)計(jì)了一種雙足競(jìng)步機(jī)器人,，開發(fā)了基于ATmega88的機(jī)器人控制系統(tǒng),，基于仿生學(xué)原理的步態(tài)規(guī)劃確定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)序列。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)不僅操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠,，而且人機(jī)交互界面友好,，再擴(kuò)展性強(qiáng),。最后,，將所開發(fā)的機(jī)器人運(yùn)用于中國(guó)機(jī)器人大賽雙足競(jìng)步機(jī)器人比賽，取得了優(yōu)異成績(jī),。

　　關(guān)鍵詞： 雙足競(jìng)步機(jī)器人,；PCB板；ATmega88,；CDS5401舵機(jī),；Delphi

　　0 引言

　　雙足步行機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題[1-2]。其不僅質(zhì)量輕,、能耗小,、動(dòng)作靈活，而且具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,，相對(duì)于輪式,、履帶式機(jī)器人具有更大的優(yōu)勢(shì)，如可以進(jìn)入狹隘的空間進(jìn)行工作,，也可以跨越障礙,、上下臺(tái)階、斜坡及在不平整地面上工作[3],。

　　雙足機(jī)器人是一個(gè)自由度多,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耦合性強(qiáng)的非線性系統(tǒng),，因此,，實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定的步行控制是雙足機(jī)器人研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前,，穩(wěn)定步行控制的方法主要有基于ZMP的步行控制,、基于裸關(guān)節(jié)力矩的步行控制、基于傳感器補(bǔ)償?shù)牟叫锌刂?、基于改變落腳點(diǎn)的步行控制等,。而人類雙足步行是在生物進(jìn)化史中得出的最高效的移動(dòng)方法，自動(dòng)化程度最高,，也最為復(fù)雜,，因此基于仿生學(xué)原理的步行控制具有穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點(diǎn),。本文基于仿生學(xué)原理進(jìn)行機(jī)器人的步行控制,，在控制器和機(jī)械結(jié)構(gòu)方面提出了許多新穎、獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法使所設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有很好的穩(wěn)定性，且系統(tǒng)可靠,、易于調(diào)試,。特別地，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人在2013年中國(guó)機(jī)器人大賽雙足競(jìng)步機(jī)器人比賽項(xiàng)目中獲得了全國(guó)一等獎(jiǎng)的好成績(jī),，充分體現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的先進(jìn)性,。

　　本文的主要目的是以中國(guó)機(jī)器人大賽雙足競(jìng)步機(jī)器人項(xiàng)目為背景，自主設(shè)計(jì)一款6自由度的雙足競(jìng)步機(jī)器人,，研究雙足競(jìng)步機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu),、控制系統(tǒng)、步態(tài)規(guī)劃以及控制程序的編寫和調(diào)試,，最終實(shí)現(xiàn)雙足競(jìng)步機(jī)器人的穩(wěn)定行走和向前向后翻跟斗的功能,。該機(jī)器人控制系統(tǒng)采用自主設(shè)計(jì)的PCB板和CDS5401舵機(jī)為機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要材料，控制系統(tǒng)以ATmega88為控制核心,，輸出6路PWM波驅(qū)動(dòng)CDS5401舵機(jī),，基于仿生學(xué)原理進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，并使用Delphi設(shè)計(jì)了人機(jī)界面,，實(shí)現(xiàn)了雙足競(jìng)步機(jī)器人比賽要求的規(guī)定動(dòng)作及更高難度的動(dòng)作,。該系統(tǒng)控制精度高、便于調(diào)試,、抗干擾性強(qiáng),，而且可擴(kuò)展為控制多舵機(jī)的模塊系統(tǒng)，可應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械臂,、服務(wù)機(jī)器人,、娛樂機(jī)器人以及相關(guān)領(lǐng)域的控制。

1 機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)材料的選擇

　　根據(jù)中國(guó)機(jī)器人大賽的要求,，機(jī)器人的總重量不超過(guò)1 kg,，所需的材料需要滿足密度小、剛度高,、便于加工等特點(diǎn)[4],。鑒于PCB板具有硬度高、質(zhì)量輕,、可塑性好等特點(diǎn),，本文選擇PCB板作為雙足競(jìng)步機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)材料。與其他選擇鋼板或鋁板作為機(jī)械材料的機(jī)器人,，其優(yōu)勢(shì)如下：

　　(1) 可以將控制系統(tǒng)嵌入到PCB板中,，避免了在機(jī)械結(jié)構(gòu)上外加控制系統(tǒng)而導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定、累贅,，影響雙足競(jìng)步機(jī)器人行走或翻跟斗動(dòng)作的流暢度等缺點(diǎn),。

　　(2) 直接用焊錫就可以將各個(gè)關(guān)節(jié)連接,，省去了螺母、連接桿等器件,，既簡(jiǎn)化了雙足競(jìng)步機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu),，也減輕了雙足競(jìng)步機(jī)器人的質(zhì)量。

　　(3) PCB板便于加工,，價(jià)格便宜,。

　　1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　本文將雙足競(jìng)步機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)分成軀干部、胯部,、膝部,、腳部四部分,。

　　(1) 腳部機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人腳板長(zhǎng)寬為149 mm×59 mm,，比參賽要求的最大值分別小1 mm。同時(shí),，在保證腳板剛度和強(qiáng)度的情況下,，將腳板鏤空，以降低腳部機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量,。為了保證機(jī)器人具有足夠大的驅(qū)動(dòng)力矩,，本文設(shè)計(jì)的雙足競(jìng)步機(jī)器人將舵機(jī)和腳板以垂直的方式進(jìn)行連接。

　　(2) 膝部機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　膝關(guān)節(jié)在機(jī)器人行走的過(guò)程中負(fù)責(zé)向前跨步和輔助調(diào)節(jié)機(jī)器人重心的位置,，為了避免膝關(guān)節(jié)部分的舵機(jī)成為多余的負(fù)載,，本文將舵機(jī)的安裝位置上移，膝部的舵機(jī)與機(jī)器人軀干串聯(lián)[5],。同時(shí),，為了減輕雙足競(jìng)步機(jī)器人的質(zhì)量，在保證機(jī)器人強(qiáng)度和剛性的情況下,，也將其關(guān)節(jié)的連接板塊進(jìn)行鏤空處理,。

　　(3) 胯部機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　胯部機(jī)械結(jié)構(gòu)是髖關(guān)節(jié)自由度的載體，在機(jī)器人行走時(shí)負(fù)責(zé)保持上體直立和輔助平衡,。為了防止機(jī)器人行走和翻跟斗時(shí)兩腿之間發(fā)生碰撞,，其胯部舵機(jī)不直接與軀干部的舵機(jī)相連接，以一塊結(jié)構(gòu)板隔開,，舵機(jī)串聯(lián)在結(jié)構(gòu)板上,。

　　(4) 軀干部機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　本文將軀干部的側(cè)向控制板設(shè)計(jì)成雙直板結(jié)構(gòu)，以保證雙足機(jī)器人進(jìn)行前翻滾和后翻滾時(shí)不發(fā)生偏轉(zhuǎn),。

　　1.3 自由度的配置

　　雙足競(jìng)步機(jī)器人只能依靠電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),，而且比賽要求最多只能用6個(gè)舵機(jī)，所以本文將雙足競(jìng)步機(jī)器人的6個(gè)自由度配置為每條腿3個(gè),，每條腿的3個(gè)自由度配置為：髖關(guān)節(jié)1個(gè)自由度,，膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度。

　　髖關(guān)節(jié)處的自由度是一個(gè)控制前向運(yùn)動(dòng)的自由度,，在雙足競(jìng)步機(jī)器人的步行中起到使機(jī)器人保持直立和輔助平衡的作用,。

　　膝關(guān)節(jié)的自由度也是一個(gè)控制前向運(yùn)動(dòng)的自由度，主要用來(lái)調(diào)節(jié)雙足競(jìng)步機(jī)器人向前走動(dòng)并且使得雙足競(jìng)步機(jī)器人的步態(tài)不生硬,。

　　踝關(guān)節(jié)的自由度是控制側(cè)向運(yùn)動(dòng)的自由度,，用來(lái)控制雙足競(jìng)步機(jī)器人的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，調(diào)整機(jī)器人的重心位置,，以保持雙足競(jìng)步機(jī)器人的穩(wěn)定行走,。

　　本文設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1~圖3所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 原器件選型

　　CDS5401舵機(jī)是專業(yè)的小型伺服電機(jī),，扭矩大,，速度快，運(yùn)行的環(huán)境溫度和工作范圍廣,，適合作為雙足競(jìng)步機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī),，因此本文選擇CDS5401舵機(jī)作為控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。

　　ATmega88 單片機(jī)不僅速度快,、主頻高,，而且片上外設(shè)非常豐富，使得單片機(jī)的外圍電路變得簡(jiǎn)潔,，因此選擇ATmega88單片機(jī)作為控制芯片[6],。另一方面，ATmega88的工作電壓為5 V,，可以直接輸出5 V的PWM波來(lái)驅(qū)動(dòng)舵機(jī),，省去了舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高,。

　　2.2 控制方案設(shè)計(jì)

　　本文運(yùn)用8位AVR單片機(jī)ATmega88作為控制器,，具體的控制方案如下：

　　(1) 在下位機(jī)軟件應(yīng)用分時(shí)成組法，利用ATmega88內(nèi)部的定時(shí)器結(jié)合中斷功能產(chǎn)生6路PWM波來(lái)控制6個(gè)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng),；

　　(2) 基于仿生學(xué)原理進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃,，根據(jù)各關(guān)節(jié)的步態(tài)軌跡建立行為數(shù)據(jù)庫(kù)；

　　(3) 用Delphi編寫6路PWM的上位機(jī)程序,，得到雙足競(jìng)步機(jī)器人的人機(jī)交互界面,；

　　(4) 根據(jù)步態(tài)規(guī)劃得到的行為數(shù)據(jù)庫(kù)，在上位機(jī)界面上調(diào)試出雙足競(jìng)步機(jī)器人的動(dòng)作序列,，實(shí)現(xiàn)雙足競(jìng)步機(jī)器人行走和翻跟斗的功能,。

　　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　基于仿生學(xué)原理,，將運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的方法得到雙足競(jìng)步機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)序列,。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),，獲得不同實(shí)驗(yàn)者的步態(tài)，然后進(jìn)行分析整理,，得到最穩(wěn)定合理的步態(tài),。然后將其制作成人類行走的慢速動(dòng)畫，動(dòng)畫的每一幀圖片就是雙足競(jìng)步機(jī)器人的動(dòng)作序列,。動(dòng)畫模擬雙足競(jìng)步機(jī)器人的動(dòng)作序列可分為兩部分：

　　(1) 右定左動(dòng)行走：當(dāng)右腳為支撐腳,，左腳為擺動(dòng)腳時(shí)，邁左腳行走動(dòng)作的序列,。

　　(2) 左定右動(dòng)行走：當(dāng)左腳為支撐腳,，右腳為擺動(dòng)腳時(shí)，邁右腳行走的動(dòng)作序列,。

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn),，可以建立出雙足競(jìng)步機(jī)器人的行為數(shù)據(jù)庫(kù)（即行走時(shí)的動(dòng)作序列），其行走可以看作單腳支撐期和雙腳支撐期的交替,。

　　根據(jù)以上考慮,，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步競(jìng)走(左腿先起步),，規(guī)劃雙足競(jìng)步機(jī)器人行走時(shí)的行為數(shù)據(jù)庫(kù)（動(dòng)作序列）為：重心右移(先是右腿支撐),、左腿抬起、左腿放下,、重心移到雙腿中間,、重心左移、右腿抬起,、右腿放下,、重心移到雙腿間8個(gè)階段。

　　本文設(shè)計(jì)的雙足競(jìng)步機(jī)器人可滿足中國(guó)機(jī)器人大賽要求,，完成大賽指定的向前/向后行走,、翻跟斗等功能。根據(jù)仿生學(xué)原理建立的行為數(shù)據(jù)庫(kù),，可得出雙足機(jī)器人實(shí)際行走的序列,。

　　(1) 行走的動(dòng)作序列

　　雙足競(jìng)步機(jī)器人的行走可分為右定左動(dòng)邁步動(dòng)作和左定右動(dòng)邁步動(dòng)作。行走動(dòng)作序列可細(xì)分直立,、右傾,、抬左腿、左腿落地,、左傾調(diào)整,、左傾、抬右腿,、右腿落地,。

　　(2) 前滾翻動(dòng)作

　　前滾翻動(dòng)作的動(dòng)作序列可細(xì)分為直立,、下彎、臥倒,、抬右腿,、右腿落地、抬左腿,、左腿落地,、直立。

　　(3) 后滾翻動(dòng)作

　　后滾翻的動(dòng)作序列可細(xì)分為直立,、后彎,、后臥倒、抬右腿,、右腿落地,、抬左腿、左腿落地,、直立,。

4 控制程序?qū)崿F(xiàn)

　　4.1 下位機(jī)程序

　　本文選擇2.5 ms為一個(gè)時(shí)間片，將20 ms的PWM周期進(jìn)行等分,，分成8等份,，最多可以同時(shí)輸出8路PWM波。由于本文設(shè)計(jì)的雙足競(jìng)步機(jī)器人只有6個(gè)舵機(jī),，只需6路PWM波,，因此為方便雙足競(jìng)步機(jī)器人動(dòng)作序列的載入，最后兩個(gè)時(shí)間片段空運(yùn)行,?？刂葡到y(tǒng)的總流程如圖5所示。

　　4.2 上位機(jī)程序

　　本系統(tǒng)的人機(jī)交互界面如圖6所示,，其主要功能如下：

　　(1) 可設(shè)置雙足競(jìng)步機(jī)器人左上,、左中、左下,、右上,、右中、右下6個(gè)舵機(jī)角度,。

　　(2) 可設(shè)置機(jī)器人行走的速度,。

　　(3) 可添加、插入,、刪除單個(gè)動(dòng)作元素,，動(dòng)作元素可自行名字。

　　(4) 可以自行組合和命名動(dòng)作序列,。

　　(5) 可在彈出窗口中放置窗口控制功能鍵,，使彈出窗口可以最小(大)化,，及任意移動(dòng)窗口。

　　(6) 可直接通過(guò)數(shù)據(jù)的接收區(qū)和發(fā)送區(qū)觀測(cè)到數(shù)據(jù)收發(fā)狀況,。

　　(7) 可通過(guò)設(shè)置“即時(shí)更新”和“自動(dòng)行走”執(zhí)行單個(gè)動(dòng)作元素,、一組或多組動(dòng)作序列。

5 結(jié)論

　　本文提出采用PCB板作為主要材料的雙足競(jìng)步機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),，并設(shè)計(jì)了基于ATmega88和 Delphi的多舵機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)了雙足競(jìng)步機(jī)器人行走、向前向后翻跟斗以及倒立等功能,。該系統(tǒng)不僅穩(wěn)定,、精確、便于調(diào)試,、抗干擾性強(qiáng),，而且具有很好的人機(jī)交互界面和再擴(kuò)展功能，可推廣到工業(yè)機(jī)械臂,、服務(wù)機(jī)器人,、娛樂機(jī)器人以及相關(guān)領(lǐng)域的多舵機(jī)協(xié)調(diào)控制。

　　本文所設(shè)計(jì)的雙足競(jìng)步機(jī)器人成功參加了2013年中國(guó)機(jī)器人大賽,，并取得了優(yōu)異成績(jī),。

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