摘  要： 采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一個(gè)可靠的低價(jià)格雙足機(jī)器人平臺。首先簡化機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)和受力，通過分析和求解，得到與機(jī)器人平衡相關(guān)的各個(gè)關(guān)節(jié)的位移、角度等變量的關(guān)系；用C語言在CodeVsionAVR編譯器下開發(fā)程序，選用1片ATmega128單片機(jī)來實(shí)時(shí)控制20個(gè)伺服舵機(jī)，并達(dá)到微秒級的控制精度。最終實(shí)現(xiàn)了兩足仿人機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

　　關(guān)鍵詞： 兩足仿人機(jī)器人；模塊化；單片機(jī)；控制精度

0 引言

　　機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬[1]。雙足仿人機(jī)器人具有仿人的外形和步行方式，行走系統(tǒng)占地面積小，活動(dòng)范圍大[2]，移動(dòng)“盲區(qū)”小，對步行環(huán)境要求低且具有一定的逾越障礙的能力，這些特點(diǎn)受到了各方的廣泛關(guān)注，成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。兩足仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的行走和對機(jī)器人的控制是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。雙足步行是生物界難度最大的步行動(dòng)作，但其步行性能卻是其他步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的，因此雙足步行是雙足仿人機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。穩(wěn)定的步行是雙足仿人機(jī)器人區(qū)別于其他機(jī)器人的主要標(biāo)志。本文研制了一種雙足仿人機(jī)器人，通過對機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，使其能夠在平地上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。

1 整體設(shè)計(jì)思想

　　雙足機(jī)器人在行走過程中，其運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性受重力、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性、軟硬件設(shè)計(jì)等綜合因素的影響。為提高其穩(wěn)定性，簡化設(shè)計(jì)思路，雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法[3]。雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)模塊：結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模塊、硬件電路模塊、軟件程序設(shè)計(jì)模塊。整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

2 雙足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與人類的運(yùn)動(dòng)方式類似，是通過腳與地面接觸來推動(dòng)機(jī)體移動(dòng)。一個(gè)步行周期基本上可以分為4個(gè)狀態(tài)，如圖2所示。

　　（1）兩腳著地，機(jī)器人的重量平分在兩條腿上。

　　（2）兩腳著地，機(jī)器人的重心往一條腿上偏移，重量集中在一條腿上。

　　（3）單腳著地，機(jī)器人的一條腿空起，準(zhǔn)備跨步。

　　（4）雙腳落地，機(jī)器人的重心從一條腿偏移到兩條腿中間，兩條腿受力均勻。

　　式（1）和式（2）中，m1、m2、m3分別為L1、L2、L3的質(zhì)量，L1、L2、L3、L4為已知條件，需要求出的關(guān)系。由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中存在慣性，使計(jì)算復(fù)雜，需要依據(jù)以上理論關(guān)系結(jié)合實(shí)驗(yàn)，用軟件進(jìn)行調(diào)試。

　　左腿把重心前移的情況如圖4所示。

　　LsinC1+2LcosB1=H（3）

　　A1=B1（4）

　　S1=2LsinA1（5）

　　其中，H和L已知，S1為重心前移的距離，由式（3）、式（4）、式（5）可以求出：

　　B1=A1（6）

　　C1=arccos（H-2LcosB1）×180°/π（7）

　　機(jī)器人右腿運(yùn)動(dòng)情況與左腿運(yùn)動(dòng)類似。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　機(jī)器人采用ATmega128單片機(jī)[4]作為主控制芯片。ATmega128有64個(gè)引腳，53個(gè)可編程I/O口，具有處理速度快、功能齊全的特點(diǎn)。各執(zhí)行部件采用伺服舵機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有體積緊湊、輸出力矩大、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。其控制原理圖如圖5所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

　　在機(jī)器人動(dòng)作的過程中，最為關(guān)鍵的是保持重心的位置。為保持機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的平衡，采用HENG1[60]、HENG2[100]、HENG3[60]、HENG4[60]、HENG5[20]、HENG6[20] 6個(gè)一維數(shù)組調(diào)整機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中的重心位置，控制程序的流程圖如圖6所示。

　　伺服舵機(jī)I/O控制口為PA口、PD口和PC口的低四位口，程序設(shè)計(jì)如下：

　　Void robot_duoji（unsigned char label，unsigned char anglex）

　　{switch（label）

　　{case 11：angle11=anglex；break；

　　case 12：angle12=anglex；break；

　　case 13：angle13=anglex；break；

　　…

　　}

　　}

　　通過ATmega128單片機(jī)的定時(shí)器1實(shí)時(shí)精確產(chǎn)生20個(gè)伺服舵機(jī)的10 s PWM波，單片機(jī)每10 s中斷一次，每中斷一次angle自加1，加到255后又從0開始自加1，如此循環(huán)。angle完成一次自加的周期是2.55 ms。用angle與angle（x）比較，如果angle<angle（x），則對應(yīng)端口輸出高電平，否則輸出低電平。程序設(shè)計(jì)如下：

　　interrupt[TIM1_OVF]void timer1（void）

　　{

　　TCNT1H=0xff；

　　TCNT1L=0xec；

　　angle++；

　　if（angle<angle11）

　　PORTA|=0x01；

　　else

　　PORTA&=0xfe；

　　…

　　}

5 結(jié)束語

　　通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與電路的仿真設(shè)計(jì)，完成了雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)。采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，以及合理的程序結(jié)構(gòu)和機(jī)械部件，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且具有較好的穩(wěn)定性、可靠性，較好地實(shí)現(xiàn)了雙足機(jī)器人的直線行走動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

　　[2] 毛勇，王家廞，莊新彥，等.基于氣動(dòng)人工肌肉的雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32（3）：78-80.

　　[3] 董存輝，擺玉龍，柴乾隆.基于模糊控制的自主尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（5）：139-141.

　　[4] 劉蘭香，張秋生.ATmega128單片機(jī)應(yīng)用與開發(fā)實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.