模块化双足竞走机器人实验教学平台设计

孙亚军++潘楠++和婷++番绍生

摘要：为了使学生能够更好地掌握机器人相关的机械结构设计、通信、单片机、C语言编程等方面的知识和技能，同时针对现有常规机器人教学设备只能开展演示性实验等问题，设计一套模块化双足竞走机器人实验教学平台，文章首先介绍了模块化双足竞走机器人实验教学平台整体设计思想，接着介绍了模块化双足竞走机器人实验教学平台的下位机硬件系统和上位机人机交互界面的设计以及具体实现细节，最后通过实验证明了该设计的可行性。

Abstract： In order to make the students master the knowledge and skills of mechanical structure design， communication， single-chip microcomputer and C language programming related to robot better， and in view of the fact that the existing conventional teaching equipment can only carry out demonstrative experiment， a modularized biped race walking robot experimental platform is designed. This paper first introduces the whole design idea of the modularized biped race walking robot experiment teaching platform， and then introduces the design of the interface and the implementation details of the hardware of the lower position machine of the modularized biped race walking robot experiment teaching platform. Finally， the feasibility of the design is proved through experiments.

关键词：模块化；机器人；教学平台

Key words： modularized；robot；teaching platform

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）05-0170-04

0 引言

机器人是一门新兴的综合性学科，涉及机械、电子、计算机、材料、控制等众多学科，体现了一个国家的智能化和自动化研究水平。双足机器人是一种没有上身的机器人集科学性、学术性、趣味性于一体，是培养学生创新实践能力的理想平台，已成为全国机器人大赛的指定项目之一。本设计以机器人大赛作品为基础，开发一套适合高校的模块化双足竞走机器人实验教学平台，根据需要完成的动作选择不同模块拼接成机器人，利用上位机发送控制命令给下位机机器人，控制机器人完成竞走、越障、翻跟头、原地自转、磕头、鞠躬等动作。以实现综合性、设计性、创新性实验项目的开设，培养学生创新和实践能力。

1 整体设计思想

通过分析人体腿部关节自由度分布情况，对双足竞走机器人运动自由度进行合理的配置，对机器人的脚部、膝部、胯部的机械结构进行设计。利用UG NX 6.0进行实体建模，最后生成零件图，经过加工得到模块化零件，根据需要完成的动作选择不同模块拼接成机器人。选用ATmega128单片机作为主控芯片，利用C语言在ICCAVR编译器下进行控制程序的设计，利用Visual C++2008进行教学平台的人机交互界面的设计[1]。学生可在此平台上进一步通过编程、参数设置进行调试或控制机器人[2]。

2 机器人硬件系统设计

2.1 人体腿部各关节自由度的分布情况

人体腿部的关节由髋关节、膝关节、踝关节三个关节组成，通过分析可以知道人体的髋关节是典型的3个自由度的结构，能够实现屈伸、收展、旋转等运动，如图1所示；膝关节属于滑车关节类型，能够实现屈伸运动，因此只有1个自由度，如图2所示；踝关节由胫骨的下关节面、内踝关节面、腓骨的外踝关节面共同形成的关节，能够做左右方向的翻转运动和竖直方向的旋转运动，所以踝关节具有2个自由度，踝关节如图3所示。

2.2 机器人模块化零件设计

在机器人的自由度在配置过程中，既要求自由度尽量少，也要求完成的基本动作尽量多，同时要求机器人运动尽量自然美观。机器人按照设计要求，通过胯部舵机、膝部舵机和脚部舵机来模拟人体的髋关节、膝关节和踝关节，并将人体髋关节、膝关节和踝关节的运动简化为一个自由度，完成竞走、越障、翻跟头、原地自转、磕头、鞠躬等动作。同时使得机器人的结构得到简化，制作成本低，运动控制简单。采用模块化结构，每个零部件都设计有固定螺孔，根据需要完成的动作选择不同模块拼接成机器人[3]。

首先使用UG NX 6.0进行实体建模，然后生成零件图，最后經过加工得到模块化零部件。模块化零部件如图4所示。

2.3 机器人的自由度的配置及组装方案

组装方案一：机器人要完成直线行走、向前翻跟斗、向后翻跟斗等动作，不需要完成旋转等复杂动作，因此只需要在每条腿配置3个自由度即可。人体的髋关节虽然有3个自由度，本设计只需要控制前向运动的自由度，所以髋关节简化为一个前向运动的自由度；膝关节按照运动的要求配置一个前向运动的自由度；踝关节只需要完成侧向运动，因而配置一个控制侧向运动的自由度，保证机器人行走过程中的平衡。因此机器人的髋关节、膝关节、踝关节各配置一个自由度，自由度配置如图5所示，机器人3D设计如图6所示，机器人实物组装如图7所示。

组装方案二：机器人要完成直线行走、旋转等动作，不需要其他复杂动作，因此只需要在每条腿配置2个自由度即可。人体的髋关节虽然有3个自由度，本设计只需要控制旋转运动的自由度，所以髋关节简化为一个旋转运动的自由度；踝关节只需要完成侧向运动，因而配置一个控制侧向运动的自由度，保证机器人行走过程中的平衡。因此双足竞走机器人自由度的配置为髋关节和踝关节各一个自由度，自由度配置如图8所示，机器人3D设计如图9所示，机器人组装如图10所示。

组装方案三：机器人要完成直线行走、向前、向后的翻跟斗及旋转等动作，不需要其他复杂动作，因此只需要在每条腿配置3个自由度即可。人体的髋关节虽然有3个自由度，本设计只需要控制旋转运动的自由度，所以髋关节简化为一个旋转运动的自由度；膝关节按照运动的要求配置一个前向运动的自由度；踝关节只需要完成向前运动，因而配置一个控制向前运动的自由度，保证机器人行走过程中的平衡。因此双足竞走机器人自由度的配置为髋关节、膝关节、踝关节各一个自由度，自由度配置如图11所示，机器人3D设计如图12所示，机器人组装如图13所示。

本设计模块化双足竞走机器人实验教学平台不限于以上三种组装方案，模块化零部件设计有固定螺孔，学生可要完成的动作选择不同模块拼接成机器人，以实现综合性、设计性、创新性实验项目的开设，学生在组装调试机器人的同时，培养其创新和实践能力。

2.4 机器人驱动方案设计

结合本设计中的机器人完成动作的要求，选择了适合进行位置精确控制的舵机。其控制原理是通过输入周期为20ms（高电平为0.5ms-2.5ms）的脉冲，不同的脉宽使舵机在0°-180°之间转动相应的角度，因为其控制方法具有简单、精度高、成本低、体积小等特点，在机器人中得到广泛的应用。

通过上述内容可知，舵机的控制由不同脉宽的PWM来控制的。PWM（Pulse Width Modulation）即脉冲宽度调制，简称脉宽调制，具有控制简单、灵活和动态响应好等优点，通过单片机I/O口进行模拟PWM进行输出，控制灵活、价格低廉，精度足以满足本设计的要求。

选用ATmega128单片机作为主控芯片，产生周期为20ms，脉宽为0.5-2.5ms的PWM[4]，具体的设计过程为将20ms分成200段，每个分段时间为0.1ms，比如要得到脉宽为2mms的PWM，只需要在200段时间中，有连续的20段为高电平就能够实现了。具体作法：用ATmega128单片机定时0.1ms，总共定时200次，连续20次将对应的I/O置成高电平，其余180次置成低电平，反复这样操作就形成了所需要的PWM。产生PWM信号的流程图如图14所示。

3 上位机调试控制软件设计

3.1 上位机与下位机通信设计

为实现机器人与上位机之间的数据及控制命令的交换，需要单片机与上位机界面之间进行通讯，本系统采用的是基于RS-232协议的异步串口通讯，通过串口通讯上位机能够得到双足竞走机器人的运动状态，机器人能够接收到上位机教学平台所发送的数据和命令。

下位机使用ATmega128单片机自带UART异步串行口，它是一个标准的异步全双工通信，用10位表示一个字节信息，1位起始位、1位停止位、和8位数据位信息。数据由ATmega128单片机的RX接收，TX发送。在起动UART接口时，必须先配置波特率，配置接收、发送使能寄存器，最后配置中断寄存器，单片机就进入了收发就位状态，等待发送和接收的指令。机器人根据接收到的动作指令完成相应的动作。

3.2 上位机方案设计

上位机界面是用户与机器人进行交流的平台[5]，通过这个界面机器人能够收到用户发出的指令及数据，同时用户还能获悉机器人的状态，便于更好的进行控制。此外，本设计给使用者提供了一个了解机器人开发和研究的载体。整体的界面如图15所示。

本系统设计有三种不同的控制模式，分别是自主运行控制模式、Host控制模式和单语句控制模式。模式选择如图16所示。

①自主运行模式是指双足竞走机器人自动运行程序，而不需要使用者在使用过程中进行干扰，使用者只需要完成指令编辑，发送给机器人即可。②Host模式是指使用者点击相应动作的按键，机器人就会自动完成相应的包括前进、后退、向前翻跟斗和向后翻跟斗等动作。③单句命令控制模式是指机器人一次只执行一条语句，完成之后等待下一条命令，这种模式下可以确定在机器人运动时，各关节处舵机转动的角度。

4 实验

为了验证该设计的可行性，我们按照上述设计方法制作了一台机器人并且进行了演示。机器人处于立正状态，如图17所示，机器人接收到向前翻转指令后，右腿胯部舵机输出轴顺时针旋转90度同时左腿胯部舵机输出轴逆时针旋转90度完成动作一，如图18所示，右腿膝部舵机输出轴逆时针旋转90度同时左腿膝部舵机输出轴顺时针旋转90度完成动作二，如图19所示，右腿胯部舵机输出轴逆时针旋转180度同时右腿膝部舵机12输出轴顺时针旋转180度完成动作三，如图20所示，左腿胯部舵机输出轴顺时针旋转180度同时左腿膝部舵机输出轴逆时针旋转180度完成动作四，如图21所示，右腿膝部舵机输出轴逆时针旋转90度同时左腿膝部舵机输出轴顺时针旋转90度完成动作五，如图22所示，右腿胯部舵机输出轴顺时针旋转90度同时左腿胯部舵机输出轴逆时针旋转90度完成动作六，如图23所示，依次循环执行动作一，二，三，四，五，六完成机器人向前翻转动作。其他动作实现的控制精度、方法等与上述实验相同在此不再赘述。

5 结论

本设计以机器人大赛作品为基础，开发一套适合高校的模块化双足竞走机器人实验教学平台，根据需要完成的动作选择不同模块拼接成机器人，利用上位机发送控制命令给下位机机器人，控制机器人完成竞走、翻跟头、原地自转、磕头、鞠躬等动作。以实现综合性、設计性、创新性实验项目的开设，培养学生创新和实践能力，是培养学生创新实践能力的理想平台。

参考文献：

[1]孙鹏亮.智能机器人系统分析与设计[D].武汉：中国地质大学，2010.

[2]孙光伟.仿人机器人控制系统设计与稳定性研究[D].成都：西华大学，2010.

[3]郭清.助行训练机器人系统设计及步态控制实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[4]任玉才，李富超.电动机控制中的PWM和测频在C8051中的实现汇[J].船电技术，2004（6）：20-23.

[5]胡小江，董飞垚，雷虎民，李刚.基于虚拟仪器的舵机半实物仿真系统研究[J].测控技术，2011（1）：6-8.