浅谈简易双足步行机器人的设计

黄晓霞

摘要：双足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。与其它足式机器人相比，双足机器人具有支撑面积小，支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点。双足机器具有更高的灵活性，更适合在人类的生活或工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对这些环境进行大规模改造。未来社会环境的变化使得双足机器人在护理老人、康复医学以及一般家务处理等方面也有很大的潜力。文章主要阐述了双足步行机器人的设计过程，论述了双足步行机器人的硬件设计，完成简易双足步行机器人的设计工作。

关键词：双足机器人;舵机;控制系统

一、双足步行机器人自由度

双足步行机器人的机构是所有部件的载体，也是设计双足步行机器人首要的工作。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，所以自由度的配置必须合理。首先确定双足步行机器人的运动过程和行走步骤：重心右移（先右腿支撑）、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。双足机器人向前迈步时，髓关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动，要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的。机器人要达到目标位置，需要转弯时，所以需要有髋关节上的转体自由度。膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下台阶成为可能，还能实现不同的步态。这样最终决定髋关节配置3个自由度，包括转体、俯仰和偏转自由度，膝关节配置一个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。这就共需要配置12个自由度。髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面（前进方向）内的直线行走功能，髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能，髋关节和踝關节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。

二、确定双足机器人的动力源

双足步行机器人要求的精度比较高，交直流电机通电就转，断电就停，很难进行机器人的位置控制，步进电机虽能按一定的精度工作，因其是一个开环系统，精度达不到要求。因此，本文选择采用伺服电动机。

本次设计考虑成本问题使用伺服电动机一舵机。舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中，通过调节发动机和各个控制舵面来控制飞行机的飞行姿态。电动舵机控制器一般采用PID控制，以满足舵机动静态指标要求，伺服功率放大器一般由脉冲宽度调制器和开关控制电路组成，直流伺服电机是电动舵机的执行元件，可采用有刷或无刷直流电机，减速机构一般采用蜗轮蜗杆或丝缸减速机构。

本次设计的双足机器人是重量很轻的作用实验的小型双足步行机器人，因此选择使用舵机驱动机器人的各关节。

本设计中选择电机的特点就是体积小、重量轻且控制简单，另外价格也较便宜。双足步行机器人每条腿的自由度为6，各关节的驱动使用的是北京汉库科技有限公司的HG14-M的大力矩舵机。

三、确定双足机器人的机构

根据设日要求本文设计了机器人的机构，具有以下特点：

1.设计的简易双足机器人布置具有对称性。

步行运动中普遍存在结构对称性。研究人员研究了步行运动中的对称性，发现机身运动的对称性和腿机构的对称性之间存在相互关系。在单足支撑阶段对称性的机身运动要求腿部机构也是对称的，在双足支撑阶段机身对称性运动未必需要腿部机构的对称性，除非有额外的约束条件。根据RC伺服电机的尺寸大小确定框架，使电机的活动范围能尽量符合各关节的活动范围。

2.设计的双足机器人采用多关节型结构。

行走机构能实现平地前后行、平地侧行、转弯、上下台阶、爬斜坡等功能。整个结构采用1mm的铝合金钣金材料，这种材料重量轻、硬度高、强度虽不如钢，但却大大高于普通铝合金，具有弹性模量、密度比高的特点。

3.设计的双足机器人是框架型结构。便于机器人的各关节间采用RC伺服电机驱动，可减小机器人的体积、减轻重量。框架的设计有效的利用了RC伺服电机的尺寸大小，并使电机的活动范围能尽量符合各关节的活动范围。

四、确定双足机器人的控制系统

设计的双足步行机器人机构采用了12个舵机，要求控制系统能实能同时驱动12个舵机的功能。舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0-180°，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上。

传统产生PWM波的方法是通过大量的分A元件来实现的，所产生的脉冲频率和宽度往往不准确，不能做到对舵机的精确控制。本设计中采用一片51的单片机和一片复杂可编程逻辑器件（CPLD）实现了PWM的产生。由于CPLD具有他特有的并行处理能力和大量的10接口，可以同时控制几十甚至上百个舵机同时工作，可以为后续的工作留出一定的空间，但由于CPLD不具备事务处理能力，实际应用中还需要MCU协同工作，本设计中采用51系列的单片机和CPLD协同控制舵机，同时使用单片机为后续的传感器反馈处理留出空间。

选用“上位机+串口+下位机”的控制系统解决方案。上位机控制软件的主要功能是对预定的机器人动作进行规划和位置插补，再按照一定时间间隔和次序进行发送给下位机，实现机器人关节位置和近似的速度控制，下位机主要功能是接收上位机发送的位置信号，根据信号要求产生PWM波，控制机器人各个关节舵机运动，使机器人按动作规划完成相应动作。与此同时，下位机主要由完成串口通信、数据的调度和12个舵机驱动模块构成。

CPLD的12路舵机驱动原理是CPLD通过一个简单的接口与51单片机进行通信，把要驱动的12个舵机的PWM信号数据存人到数据存储区，通过数字PWM生成器驱动12个舵机转到需要的角度，当需要转换到下一个角度时，通过与51单片机的接口，从51单片机中传送新的PWM信号数据到数据存储区中进行更新，数字PWM生成器就会驱动舵机转过一个新的角度。

五、双足机器人的硬件设计

1.电源。为了避免舵机的供电电源产生的电压波动对控制电路的干扰，控制电路与舵机的电源要进行隔离，即分开供电。控制电路电源使用的是一个9V输出的AC-DC变压电源经7805芯片后提供的5V电源，而舵机的电源提供了一个接口，外接一个6V的直流电源。

2.控制芯片。控制芯片模块包括单片机、时钟电路、复位电路、外部程序存储芯片扩展以及大规模CPLD芯片。单片机采用Atme公司的AT89S52，它是8位的高性能嵌人式控制器，其内部集成了8k的可在线编程的Flash存储器;256字节的RAM，可寻址64字节，具有32根I/O口、3個可编程定时器、8个中断源、6个中断矢量、1个看门狗定时器。时钟电路给系统提供时间基准，设计时采用11.05296MHz晶振。同时，设计还扩展了一片8k×8位的外部存储芯片2864。CPLD芯片采用的是ALTERA公司的EPM7128。

3.串行通信。串行通信模块主要用于AT89S52单片机与PC机之间的串行通信。由于PC机的COM口符合RS-232标准，AT89S52单片机上的串行接口是CMOS电平，在RS-232与CMOS电平通信时，需要电平转换，因此，设训时利用MAX232芯片来作电平转换。

4.舵机的驱动控制。12路舵机的控制信号来自CPLD芯片的I/O口。为了防止干扰，12路舵机控制信号和驱动电路应经过TLP-521光电隔离，通过隔离出来的控制信号，还必须接人LM324比较器，以消除毛刺，增加信号的稳定性，提高信号的输出电流，以便舵机能够正确工作不至于产生不必要的抖动。

六、结语

论文论述了双足机器人的结构框架的设计，完成了能通过伺服电机控制运动的一种简易型双足步行机器人设计任务，但存在不足，对双足步行机器人的研究与设计仅停留在小实验上，不能较好运用运动学原理以实现双足步行机器人的实际行走过程，并实际运用到人们生活中。

参考文献：

[1]郭巧.现代机器人学：仿生系统的运动与感知与控制.北京理工大学出版..1997.

[2]俞志伟.双足机器人仿生机构设计与运动仿真.哈尔滨工程大学硕士论文.2006.

[3]杨壮来.人体结构学.北京：高等教育出版社.2004.