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)牟叫锌刂啤⒒诟淖兟淠_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(lè)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。控制系統(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(lè)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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