畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）雙足智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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1、 1 引言 機(jī)器人是作為現(xiàn)代高新技術(shù)的重要象征和發(fā)展結(jié)果，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，并正在給人類傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式帶來(lái)革命性的變化，影響著人們生活的方方面面。對(duì)于步行機(jī)器人來(lái)說(shuō)，它只需要模仿人在特殊情況下(平地或己知障礙物)完成步行動(dòng)作，這個(gè)條件雖然可以使機(jī)器人的骨骼機(jī)構(gòu)大大降低和簡(jiǎn)化，但也不是說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)就不復(fù)雜了，其步行動(dòng)作一樣是高度自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，需要控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜而巧妙地協(xié)調(diào)各個(gè)關(guān)節(jié)上的動(dòng)作。 雙足機(jī)器人的研究工作開(kāi)始于上世紀(jì)60年代末，只有三十多年的歷史，然而成績(jī)斐然。如今已成為機(jī)器人領(lǐng)域主要研究方向之一。最早在1968年，英國(guó)的Mosher．R試制了一臺(tái)名為“Rig”的操縱

2、型雙足步行機(jī)器人[1]，揭開(kāi)了雙足機(jī)器人研究的序幕。該機(jī)器人只有踝和髖兩個(gè)關(guān)節(jié)，操縱者靠力反饋感覺(jué)來(lái)保持機(jī)器人平衡。1968~1969年間，南斯拉夫的M.Vukobratovic提出了一種重要的研究雙足機(jī)器人的理論方法，并研制出全世界第一臺(tái)真正的雙足機(jī)器人。雙足機(jī)器人的研制成功，促進(jìn)了康復(fù)機(jī)器人的研制。隨后，牛津大學(xué)的Witt等人也制造了一個(gè)雙足步行機(jī)器人，當(dāng)時(shí)他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設(shè)計(jì)使用的輔助行走裝置。這款機(jī)器人在平地上走得很好，步速達(dá)0.23米/秒。日本加藤一郎教授于1986年研制出WL－12型雙足機(jī)器人。該機(jī)器人通過(guò)軀體運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動(dòng),在軀體的平衡作用下，實(shí)現(xiàn)了

3、步行周期1.3秒，步幅30厘米的平地動(dòng)態(tài)步行。 法國(guó)Poitiers大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)立信息與自動(dòng)化研究所INRIA機(jī)構(gòu)共同開(kāi)發(fā)了一種具有15個(gè)自由度的雙足步行機(jī)器人BIP2000，其目的是建立一整套具有適應(yīng)未知條件行走的雙足機(jī)器人系統(tǒng)。它們采用分層遞解控制結(jié)構(gòu)，使雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)站立、行走、爬坡和上下樓梯等。此外，英國(guó)、蘇聯(lián)、南斯拉夫、加拿大、意大利、德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家，許多學(xué)者在行走機(jī)器人方面也做出了許多工作。 國(guó)內(nèi)雙足機(jī)器人的研制工作起步較晚。1985年以來(lái)，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1985年開(kāi)始研制雙足步行機(jī)器人，迄今為止已經(jīng)完

4、成了三個(gè)型號(hào)的研制工作。其中HIT－Ⅲ為12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行，能夠完成前／后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作。目前，該校正致力于功能齊全的雙足機(jī)器人HIT－Ⅳ的研制工作，新機(jī)器人包括行走機(jī)構(gòu)、上身及髖部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，初步設(shè)定32個(gè)自由度。國(guó)防科技大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究。在1989年研制成功了一臺(tái)雙足行走機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人具有10個(gè)自由度，能完成靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行。國(guó)防科技大學(xué)還將工業(yè)機(jī)器人的軌跡示教方法用到了兩足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃中，形成了步行機(jī)器人的步態(tài)示教規(guī)劃技術(shù)。 值得一提的是，北京理工大學(xué)研制成功我國(guó)首例擬人機(jī)器人BRH-01，該機(jī)器人身高1.58米，體重76

5、公斤，具有32個(gè)自由度，每小時(shí)能夠行走1公里，步幅0.33米。除了能打太極拳，這個(gè)機(jī)器人還會(huì)騰空行走，并能根據(jù)自身的平衡狀態(tài)和地面高度變化，實(shí)現(xiàn)未知路面的穩(wěn)定行走。它在系統(tǒng)集成、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)了重大突破，標(biāo)志著我國(guó)雙足機(jī)器人研究已經(jīng)跨入世界先進(jìn)行列。 國(guó)內(nèi)其它院校如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高等院校也在近幾年投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力，進(jìn)行智能雙足機(jī)器人的研制工作。我校也開(kāi)始了這方面的研究工作，不過(guò)我們的工作處于研究的初級(jí)階段。 為了促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展，全國(guó)各地尤其是部分高校舉辦了各種類型的機(jī)器人大賽。中國(guó)機(jī)器人大賽是由中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)機(jī)器人競(jìng)賽工作委員會(huì)和

6、科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心主辦的一個(gè)全國(guó)性的賽事。其中最為引人矚目的舞蹈機(jī)器人項(xiàng)目，足球機(jī)器人項(xiàng)目就是為了促進(jìn)雙足步行機(jī)器人的發(fā)展而設(shè)立的。由于步行機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)目前還存在很多技術(shù)難題，前幾屆全國(guó)機(jī)器人大賽基本上是以輪式機(jī)器人為主，步行機(jī)器人參賽才被列入議程不久。由此可見(jiàn)，雙足步行機(jī)器人的發(fā)展還有一段很長(zhǎng)的路要走。研制雙足步行機(jī)器人的重要內(nèi)容是對(duì)其進(jìn)行建模分析、步態(tài)規(guī)劃、控制分析等?；谏鲜鲈?，本課題擬進(jìn)行雙足步行機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)與研究，研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機(jī)器人平臺(tái)，為研究得后續(xù)工作和進(jìn)一步的擬人機(jī)器人研制奠定基礎(chǔ)，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人以ATmega1280單片機(jī)微控制器為核心技術(shù)芯片，完成

7、行走、下蹲、倒地、起身、前滾翻、后滾翻等簡(jiǎn)單動(dòng)作，同時(shí)通過(guò)一些必要的傳感器組件完成其對(duì)前方道路情況的探測(cè)和判斷,以達(dá)到避障效果。 2 雙足智能機(jī)器人總體分析 要設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一個(gè)步行機(jī)器人，首先應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行總體分析和設(shè)計(jì)，確定步行機(jī)器人的功能、基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置等。 2.1 功能定位 這款機(jī)器人不僅能夠滿足實(shí)驗(yàn)室科研的需要，而且應(yīng)該是一款很適合學(xué)生參與、研究、學(xué)習(xí)的機(jī)器人，能夠滿足互相學(xué)習(xí)的需要?，F(xiàn)在希望制作出一個(gè)成本相對(duì)較低的機(jī)器人，研制雙足步行機(jī)器人能夠滿足這方面的要求。 基于上面幾點(diǎn)的考慮，決定開(kāi)發(fā)一款雙足智能機(jī)器人，首先使其能

8、夠完成一些基本動(dòng)作，既開(kāi)始時(shí)先走3步、立正、然后臥下（身體向前）、向前翻跟斗3次，再起立、向前走3步、立正、然后臥下（身體向后）、再向后翻跟斗2次、再起立、然后以輕快步履走向終點(diǎn)、要在指定5分鐘或少于指定時(shí)間內(nèi)完成所有動(dòng)作，及要走到終點(diǎn)，同時(shí)要求其對(duì)前方道路情況的探測(cè)和判斷，用以避障。 2.2 自由度的配置 機(jī)器人可以有很多不同類型的關(guān)節(jié)，有線性的、旋轉(zhuǎn)的、滑動(dòng)的或球鉸鏈型的。人體的髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)類似小運(yùn)動(dòng)范圍的球關(guān)節(jié)，能夠使人靈活行走，實(shí)現(xiàn)前后左右拐彎等行走動(dòng)作，方向靈活，但需要控制的自由度多、難度大，所以在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中不常用。但是單純用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)多自由度的設(shè)計(jì)勢(shì)必給空間布置和安裝增

9、加了難度，而且同時(shí)又考慮到關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)件驅(qū)動(dòng)能力、運(yùn)動(dòng)效率和設(shè)計(jì)成本，以及設(shè)計(jì)審美性等因素。該雙足智能機(jī)器人設(shè)計(jì)的目的是要實(shí)現(xiàn)擬人下肢多自由度得平穩(wěn)行走，在實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的前提下為降低設(shè)計(jì)的難度，我們按照目前世界上各研究機(jī)構(gòu)普通采用的下肢10個(gè)自由度的關(guān)節(jié)配置形式，來(lái)實(shí)現(xiàn)行走功能所必須的各關(guān)節(jié)自由度分布，具體自由度配置為單腿髖關(guān)節(jié)2個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)2個(gè)。髖關(guān)節(jié)用于擺動(dòng)腿，實(shí)現(xiàn)邁步，并起到了輔助平衡作用。膝關(guān)節(jié)主要用來(lái)調(diào)節(jié)重心的高度，及改變擺動(dòng)腿的著地高度，使之與地形相適應(yīng)。踝關(guān)節(jié)用來(lái)和髖關(guān)節(jié)相配合實(shí)現(xiàn)支撐腿的移動(dòng)，以及調(diào)整與地面的接觸狀態(tài)。 基于鄭元芳博士的理論，來(lái)規(guī)劃自己所要設(shè)計(jì)的雙足機(jī)器

10、人的自由度。為了實(shí)現(xiàn)這款雙足步行機(jī)器人的穩(wěn)步行走，可以規(guī)劃其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，假設(shè)機(jī)器人行走步驟：先走3步，立正，然后臥下，向前翻跟斗3次，再起立，向前走3步，立正，然后臥下（身體向后），再向后翻跟斗2次，再起立，然后走向終點(diǎn),遇到障礙物，能向左拐。則從機(jī)器人步行步驟可以看出：機(jī)器人向前邁步，髖關(guān)節(jié)的前向旋轉(zhuǎn)自由度起作用，同時(shí)配合踝關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)支撐腿的移動(dòng)；這樣，所設(shè)計(jì)的雙足步行機(jī)器人有10個(gè)個(gè)自由度，每條腿5個(gè)自由度，即踝關(guān)節(jié)有2個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)有1個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)有2個(gè)自由度，包括前向、后向自由度。其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)下圖1。 圖1自由度的分配 踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)采用十字交叉結(jié)構(gòu)。十字交叉關(guān)節(jié)又叫萬(wàn)向聯(lián)軸

11、節(jié)，常用于汽車方向盤底盤轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)互相垂直方向的兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)構(gòu)可以減少關(guān)節(jié)耦合程度和非線性。 研究表明：至少要有髖、膝、踝這三個(gè)關(guān)節(jié)，雙足穩(wěn)定行走才能成為可能。髖、膝、踝關(guān)節(jié)對(duì)于穩(wěn)定有效的行走來(lái)說(shuō)是不可少的。髖關(guān)節(jié)用于擺動(dòng)腿，實(shí)現(xiàn)邁步并使上軀體前傾或者后仰，使之在步行過(guò)程中起輔助平衡作用。膝關(guān)節(jié)主要用來(lái)調(diào)整重心的高度、并用來(lái)調(diào)整擺動(dòng)腿的著地高度，使之與地形相適應(yīng)。踝關(guān)節(jié)和步行功能有關(guān)，它用來(lái)和髖關(guān)節(jié)相配合實(shí)現(xiàn)支撐腿和上軀體的移動(dòng)，而且還可以調(diào)整腳掌與地面的接觸狀態(tài)。如果踝關(guān)節(jié)被固定，將會(huì)缺乏與地面觸覺(jué)感知的能力，前后向穩(wěn)定性很差。 2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)確定的自由度配

12、置方案以及選用的微型伺服馬達(dá)、傳感器、控制板，設(shè)計(jì)機(jī)器人的零件。本著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、盡量采用通用零件、外形美觀等原則，對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)及外觀進(jìn)行優(yōu)化。 2.3.1 布置對(duì)稱性 本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人機(jī)構(gòu),其主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)： (1) 步行運(yùn)動(dòng)中普遍存在結(jié)構(gòu)對(duì)稱性。Goldberg[3]等人研究了步行運(yùn)動(dòng)中的對(duì)稱性，發(fā)現(xiàn)機(jī)身運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性和腿機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性之間存在相互關(guān)系。在單足支撐階段，對(duì)稱性的機(jī)身運(yùn)動(dòng)要求腿部機(jī)構(gòu)也是對(duì)稱的；在雙足支撐階段，機(jī)身對(duì)稱性運(yùn)動(dòng)未必需要腿部機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性，除非有額外的約束條件。根據(jù)這一點(diǎn)，我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也采用對(duì)稱性布置。 (2) 框架的設(shè)計(jì)有效地利用了舵機(jī)的尺寸大小，并使舵

13、機(jī)的活動(dòng)范圍能盡量符合各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。 (3) 采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)平地前后、平地側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階等功能。 (4) 整個(gè)結(jié)構(gòu)采用1mm的鋁合金(LY12)鈑金材料。 (5) 由于機(jī)器人的各關(guān)節(jié)是用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)為了減小機(jī)器人的體積、減輕重量,機(jī)器人的結(jié)構(gòu)做成是框架型的?？蚣艿脑O(shè)計(jì)有效地利用了舵機(jī)的尺寸大小,并使舵機(jī)的活動(dòng)范圍能盡量符合各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。 實(shí)物圖見(jiàn)下圖2所示 。 圖2 狹窄足雙足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.3.2 驅(qū)動(dòng)方案的選擇 實(shí)現(xiàn)行走的基本問(wèn)題是對(duì)機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度的伺服控制和協(xié)調(diào)控制。如果把連桿以及關(guān)節(jié)想象為機(jī)器人的骨骼，那么驅(qū)動(dòng)器就

14、起到肌肉的作用，它通過(guò)移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)連桿來(lái)改變機(jī)器人的構(gòu)型。驅(qū)動(dòng)器必須有足夠的功率對(duì)負(fù)載加速或者減速。同時(shí)，啟動(dòng)器本身要精確、靈敏、輕便、經(jīng)濟(jì)、使用方便可靠且易于維護(hù)。 目前機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種方式。液壓驅(qū)動(dòng)方式雖然具有驅(qū)動(dòng)力矩大、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，但是成本高、重量大、工藝復(fù)雜，且有發(fā)熱問(wèn)題。氣壓驅(qū)動(dòng)易于高速控制，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的制造精度要求沒(méi)有液壓元件高、無(wú)污染，但是位置和速度控制困難，并且其工作穩(wěn)定性差，壓縮空氣需要除水。液壓驅(qū)動(dòng)與氣壓驅(qū)動(dòng)不能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)自帶能源的目標(biāo)，直接決定了這兩種驅(qū)動(dòng)方式難于應(yīng)用到雙足機(jī)器人系統(tǒng)中。電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有成本低、精度高、可靠且維修方

15、便等特點(diǎn)，容易和計(jì)算控制系統(tǒng)相連接，目前的雙足機(jī)器人大都采用這種方式。 舵機(jī)是一種最早應(yīng)用在航模運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力裝置，是一種微型伺服馬達(dá)，它的控制信號(hào)是一個(gè)寬度可調(diào)的方波脈沖信號(hào)，所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。只要能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)的數(shù)字設(shè)備都可以用來(lái)控制舵機(jī)，比如PLC、單片機(jī)和DSP等。而且舵機(jī)體積緊湊、便于安裝、輸出力矩大、穩(wěn)定性好、控制簡(jiǎn)單。根據(jù)所需的驅(qū)動(dòng)力矩要求和性價(jià)比方面的考慮，我們決定選用輝盛公司生產(chǎn)的12公斤大扭力全金屬齒輪舵機(jī)。該類型舵機(jī)價(jià)格適中且規(guī)格參數(shù)能夠滿足雙足機(jī)器人的各項(xiàng)性能要求。因此在綜合了開(kāi)銷，性能等一系列因素后我們選擇了MG945。經(jīng)過(guò)嘗試，我們得出了舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角

16、度與脈沖的對(duì)應(yīng)關(guān)系：90度對(duì)應(yīng)的差不多是1.6ms的脈沖，也就是說(shuō)一個(gè)1.6ms的脈沖MG945就轉(zhuǎn)到90度，而0度對(duì)應(yīng)的是0.8ms脈沖，180度對(duì)應(yīng)的是2.1ms脈沖。 2.3.3 避障傳感器原理 智能關(guān)節(jié)機(jī)器人為了能在未知或時(shí)變環(huán)境下自主地工作.應(yīng)具有感受作業(yè)環(huán)境和規(guī)劃自身動(dòng)作的能力。為此.必須提高機(jī)器人對(duì)當(dāng)前感知環(huán)境的快速理解識(shí)別及實(shí)時(shí)避障的能力。實(shí)時(shí)避障是實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)器人自主工作能力的關(guān)鍵技術(shù).也是國(guó)內(nèi)外智能機(jī)器人近期發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn).其顯著特征是具有傳感器信息反饋.可以實(shí)現(xiàn)很好的智能行為。 紅外傳感器是一種比較有效的接近覺(jué)傳感器，經(jīng)常被國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用在多關(guān)節(jié)機(jī)器人避障系統(tǒng)中，用

17、來(lái)構(gòu)成大面積機(jī)器人“敏感皮膚”，覆蓋在機(jī)器人手臂表面，可以檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的各種物體。傳感器發(fā)出的光的波長(zhǎng)大約在幾百納米范圍內(nèi)，是短波長(zhǎng)的電磁波。紅外傳感器具有以下特點(diǎn)：不受電磁波的干擾、非噪聲源、可實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量。另外，紅外線（指中、遠(yuǎn)紅外線）不受周圍可見(jiàn)光的影響，故可在晝夜進(jìn)行測(cè)量。 同聲納傳感器相似，紅外線傳感器工作處于發(fā)射/接收狀態(tài)。這種傳感器由同一發(fā)射源發(fā)射紅外線，并用兩個(gè)光檢測(cè)器測(cè)量反射回來(lái)的光量。由于這些儀器測(cè)量光的差異，它們受環(huán)境的影響非常大，物體的顏色、方向、周圍的光線都能導(dǎo)致測(cè)量誤差。但由于發(fā)射光線是光而不是聲音，可以希望在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)獲得較多的紅外線傳感器測(cè)量值

18、。測(cè)距范圍較近，大致為30cm以內(nèi)。 3 雙足智能機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃 步態(tài)規(guī)劃是雙足智能機(jī)器人研究中的一項(xiàng)重要工作，步態(tài)規(guī)劃的好壞將直接影響機(jī)器人行走過(guò)程中的穩(wěn)定性、所需驅(qū)動(dòng)力矩的大小以及姿態(tài)的美觀性等多個(gè)方面，同它也直接影響到控制方法及其實(shí)現(xiàn)的難易程度。 3.1步態(tài)規(guī)劃的基本原則 步態(tài)規(guī)劃[4]工作既可以在關(guān)節(jié)空間內(nèi)也可以在直角坐標(biāo)空間內(nèi)進(jìn)行，無(wú)論在哪個(gè)空都有很多不同的規(guī)劃方法。事實(shí)上，許多方法可以在兩種空間內(nèi)通用。直角坐標(biāo)空間的軌跡規(guī)劃比較實(shí)用和直觀，可以得到一條可控且可預(yù)知的路徑，人們很容易看到機(jī)人末端執(zhí)行器的軌跡，但計(jì)算復(fù)雜不易規(guī)劃。而且，難以確保不存在奇異點(diǎn)(發(fā)生機(jī)器軌跡穿入自身

19、，及軌跡到達(dá)工作空間之外等)。顯然，對(duì)于指定的像直線運(yùn)動(dòng)那樣的徑，必須在直角坐標(biāo)空間內(nèi)進(jìn)行規(guī)劃，才能生成直線。如果不要求機(jī)器人跟蹤指定的徑，那么關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃更容易計(jì)算從而產(chǎn)生出實(shí)際的運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，所有用于節(jié)空間軌跡規(guī)劃的方法都可用于直角坐標(biāo)空間的規(guī)劃。最根本的差別在于，直角坐標(biāo)間軌跡規(guī)劃必須反復(fù)求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程來(lái)計(jì)算關(guān)節(jié)角。對(duì)于關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃，規(guī)劃數(shù)生成的值就是關(guān)節(jié)量，而直角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃函數(shù)生成的值是機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿，它們需要通過(guò)求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程才能轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)量。雙足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃，是指機(jī)器人行走過(guò)程中其各組成部分運(yùn)動(dòng)軌跡的劃，比如說(shuō)，腳掌何時(shí)離開(kāi)地面、擺動(dòng)相中整個(gè)腳掌在

20、空中的軌跡、何時(shí)落地等。關(guān)鍵之就在于所規(guī)劃的軌跡必須滿足零力矩點(diǎn)（ZMP）穩(wěn)定條件，否則，機(jī)器人不能穩(wěn)定步行步態(tài)規(guī)劃要解決的問(wèn)題主要有: 1. 保證機(jī)器人本體不和環(huán)境或者自身發(fā)生干涉,從而導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的軌跡。 2. 保證機(jī)器人的穩(wěn)定性。機(jī)器人的穩(wěn)定性問(wèn)題一直是困擾兩足步行機(jī)器人發(fā)展的重要問(wèn)題，由于各個(gè)關(guān)節(jié)間的藕合作用，很難設(shè)計(jì)出理想的ZMP軌跡[5]。現(xiàn)在使用的步態(tài)規(guī)劃方法主要有如下幾種: (1) 基于實(shí)驗(yàn)的規(guī)劃方法 這種規(guī)劃方法基于力學(xué)的相似原理，基本過(guò)程如下:讓人模仿機(jī)器人行走(如果機(jī)器人有幾個(gè)自由度，那么人在模仿行走的時(shí)候也盡量只動(dòng)相應(yīng)的關(guān)節(jié))，同時(shí)對(duì)此人的行走過(guò)程進(jìn)行正面和

21、側(cè)面的錄像，然后對(duì)這些錄像進(jìn)行分析，得到此人在步行過(guò)程各個(gè)主要關(guān)節(jié)的角度變化與時(shí)間的函數(shù)，然后根據(jù)力學(xué)相似原理把這些函數(shù)相似地推廣到機(jī)器人的關(guān)節(jié)變化上。 (2) 基于能量原理的規(guī)劃方法 這種方法來(lái)源于一個(gè)生物學(xué)假設(shè):人經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年的進(jìn)化，其行走方式是能量消耗最低的，而且還能保持步行的穩(wěn)定性。如果機(jī)器人也能滿足這個(gè)假設(shè)，則其行走方式將與人一樣或很接近。根據(jù)能耗最小原則可以建立一個(gè)變分方程，并最終得到機(jī)器人的軌跡方程。 (3) 基于力學(xué)穩(wěn)定性的規(guī)劃方法 在機(jī)器人行走過(guò)程中，其ZMP點(diǎn)必須落在某個(gè)區(qū)域范圍之內(nèi)，只有這樣才能保證步行機(jī)器人穩(wěn)定地行走。實(shí)現(xiàn)方法有兩種: a. 計(jì)算出理想的ZMP

22、軌跡，然后推導(dǎo)出各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)以實(shí)現(xiàn)理想行走。 b. 先大致規(guī)劃出雙足和軀干的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后進(jìn)行ZMP計(jì)算，最后選出穩(wěn)定性最好的結(jié)果作為控制方程。 相比前一種方法，后一種可以較快地得到規(guī)劃結(jié)果。在保證了機(jī)器人基本性能的前提下，盡量減少控制的工作量，降低成本。所以本文將采用第二種方法，結(jié)合三次樣條插值和機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃進(jìn)行機(jī)器人步態(tài)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。 3.2步態(tài)規(guī)劃的具體方法 合適的步態(tài)設(shè)計(jì)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)行走的關(guān)鍵。在計(jì)算各關(guān)節(jié)軌跡之前，首先要建立機(jī)器人所在的空間坐標(biāo)系。 坐標(biāo)系的 x軸指向機(jī)器人的正面,y軸由右側(cè)指向左側(cè),z軸垂直向上，原點(diǎn)0位于后腳完全落地時(shí)踝關(guān)節(jié)在地面上的

23、垂直投影處。當(dāng)機(jī)器人沿著直線往前走時(shí)，由于只考慮前向運(yùn)動(dòng)，雙腳和 腰部在側(cè)方向( y軸)上的位置是不變的，因?yàn)樵O(shè)定條件為機(jī)器人在水平地面行走，且腳面抬起高度為0，所以z軸位置不變。因此，僅僅討論在 x平面內(nèi)的軌跡。機(jī)器人所在的空間坐標(biāo)系如圖3 所示 。 圖3 機(jī)器人的空間坐標(biāo)系 雙足機(jī)器人完整的步行過(guò)程包括三個(gè)階段[6] (1) 起步階段:由初始的雙腿并立靜止?fàn)顟B(tài)變化到行走狀態(tài)，一條腿向前跨出了半步距離，髖部速度從零上升到恒定值； (2) 整步階段：兩條腿交替地向前跨出一步距離，髖部速率保持不變； (3) 落步階段：后腿向前跨出半步，落在與另一條腿并行的部位，髖部速度減

24、少到零，恢復(fù)成雙腿并立靜止?fàn)顟B(tài)。 主要討論整步的軌跡計(jì)算。前向運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃步驟如下： (1) 確定步速和步長(zhǎng)； (2) 設(shè)定初始參數(shù)，計(jì)算踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)軌跡 ； (3) 根據(jù)踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)軌跡計(jì)算膝關(guān)節(jié)軌跡； (4) 計(jì)算ZMP軌跡； (5) 改變參數(shù)值，返回第 2步； (6) 選取具有最大穩(wěn)定性的軌跡。 步態(tài)規(guī)劃的流程圖如圖4所示。 圖4 雙足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃流程圖 雙足步行機(jī)器人行走控制的關(guān)鍵是根據(jù)踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡確定膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡。在腳面抬起高度為0的情況下，膝關(guān)節(jié)的軌跡由步幅唯一決定，而步幅和步速則可唯一確定出髖關(guān)節(jié)的軌跡，其

25、步態(tài)周期圖如圖5所示。 圖5 步態(tài)周期圖 因?yàn)閱沃魏碗p支撐是一個(gè)交替的過(guò)程，雙腿支撐需要有一定時(shí)間來(lái)保證ZMP點(diǎn)由后腳移動(dòng)到前腳，所以我們?nèi)‰p支撐的時(shí)間間隔為20%個(gè)周期。 從上圖可以看出在一個(gè)完整的步態(tài)周期里包括了兩個(gè)雙支撐和兩個(gè)單支撐時(shí)間段，雙支撐占20%個(gè)周期，單支撐占80%個(gè)周期。對(duì)于單腿來(lái)說(shuō)整個(gè)周期里只有一個(gè)擺動(dòng)周期，占40%個(gè)周期，支撐周期由一個(gè)單支撐和兩個(gè)雙支撐組成，占60%個(gè)周期。 根據(jù)機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在行走時(shí)采用“平行步態(tài)[7]”，如圖所示。機(jī)器人采用這種步態(tài)行走時(shí)，兩腳的落腳痕跡是相互平行的，實(shí)現(xiàn)這種步態(tài)行走的機(jī)器人對(duì)其自由度要求較少，但對(duì)穩(wěn)定平衡提出了較

26、高的要求。 4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4.1 主控制板 主板選用南陽(yáng)理工學(xué)院自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室自行開(kāi)發(fā)的Arduino MEGA控制板，該主板是以ATmega1280單片機(jī)微控制器為核心,包括電源模塊、USB下載模塊、ISP下載模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、外部晶振以及各種I/O接口。主板如圖6所示。 圖6 主控制板 為了滿足對(duì)機(jī)器人主控制平臺(tái)的需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于Arduino開(kāi)發(fā)平臺(tái)的機(jī)器人主控制板。機(jī)器人主控制板的原理圖如附錄1所示。進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)的技巧和方法如下： (1) 傳輸線拐角要采用45角，以降低回?fù)p。 (2) 要采用絕緣常數(shù)值按層次嚴(yán)格受控的高性能絕緣電路板。這種方

27、法有利于對(duì)絕緣材料與鄰近布線之間的電磁場(chǎng)進(jìn)行有效管理。 (3) 要完善有關(guān)高精度蝕刻的PCB設(shè)計(jì)規(guī)范。要考慮規(guī)定線寬總誤差為+/-0.0007英寸、對(duì)布線形狀的下切(undercut)和橫斷面進(jìn)行管理并指定布線側(cè)壁電鍍條件。對(duì)布線(導(dǎo)線)幾何形狀和涂層表面進(jìn)行總體管理，對(duì)解決與微波頻率相關(guān)的趨膚效應(yīng)問(wèn)題及實(shí)現(xiàn)這些規(guī)范相當(dāng)重要。 (4) 突出引線存在抽頭電感，要避免使用有引線的組件。高頻環(huán)境下，最好使用表面安裝組件。 (5) 對(duì)信號(hào)過(guò)孔而言，要避免在敏感板上使用過(guò)孔加工(pth)工藝，因?yàn)樵摴に嚂?huì)導(dǎo)致過(guò)孔處產(chǎn)生引線電感。如一個(gè)20層板上的一個(gè)過(guò)孔用于連接1至3層時(shí)，引線電感可影響4到

28、19層。 (6) 要提供豐富的接地層。要采用模壓孔將這些接地層連接起來(lái)防止3維電磁場(chǎng)對(duì)電路板的影響。 (7) 要選擇非電解鍍鎳或浸鍍金工藝，不要采用HASL法進(jìn)行電鍍。這種電鍍表面能為高頻電流提供更好的趨膚效應(yīng)此外，這種高可焊涂層所需引線較少，有助于減少環(huán)境污染。 (8) 阻焊層可防止焊錫膏的流動(dòng)。但是，由于厚度不確定性和絕緣性能的未知性，整個(gè)板表面都覆蓋阻焊材料將會(huì)導(dǎo)致微帶設(shè)計(jì)中的電磁能量的較大變化。一般采用焊壩(solder dam)來(lái)作阻焊層。 4.2硬件電路總體結(jié)構(gòu) (1) 主芯片 Arduino MEGA控制板采用的是Atmega1280 [9]AVR芯片（如圖7所示

29、）， 圖7 Atmega1280內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 該芯片具有如下特點(diǎn)： 128字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有在寫的過(guò)程中還可以讀的能力，即RWW)、 4K字節(jié)的EEPROM、8K字節(jié)的SRAM。 54個(gè)通用I/O口、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC。 6個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T/C）。 4個(gè)USART、面向字節(jié)的兩線接口TW、SPI串行端口I。 16通道10位ADC（具有可選的可編程增益）。 具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器。 與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測(cè)試接口（此接口同時(shí)還可以用于片上調(diào)試） 六種可以

30、通過(guò)軟件選擇的省電模式?？臻e模式時(shí)CPU停止工作，而SRAM、 T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時(shí)異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，以允許用戶維持時(shí)間基準(zhǔn)，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)； ADC噪聲抑制模式時(shí)PU和所有的I/O模塊停止運(yùn)行，而異步定時(shí)器和AD繼 續(xù)工作，以減少ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲。 Standby模式時(shí)振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí) 具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby模式則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。 器件是以Atmel的高密度非易

31、失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash可以通過(guò)SPI接口、通用編程器或引導(dǎo)程序多次編程。引導(dǎo)程序可以使用任何接口來(lái)下載應(yīng)用程序到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)器。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)器時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)RWW操作。通過(guò)8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega1280為多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。下圖8為ATmega1280實(shí)物圖。 圖8 ATmega1280芯片 上述這些特點(diǎn)使采用AVR單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)不僅具有運(yùn)行速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，而且具有高可靠性和良好的經(jīng)濟(jì)型。Arduino軟件可以直接進(jìn)行C/C++

32、語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)，繞開(kāi)了復(fù)雜難懂的匯編，從而可以進(jìn)行更有效率的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。 (2) 外部晶振 Arduino MEGA控制板采用外部16MHZ晶振。通過(guò)MXTAL1和MXTAL2與主芯片相連接。晶振兩端分別使用22pF電容與GND連接。 (3) ISP下載模塊 ISP(in-system programming，在線系統(tǒng)編程)，是指電路板上的空白器件可以編程寫入最終用戶代碼，而不需要從電路板上取下器件，已經(jīng)編程的器件也可以用ISP方式擦除或再編程。 其優(yōu)點(diǎn)在于，不需要編程器就可以進(jìn)行單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)，單片機(jī)芯片可以直接焊接到電路板上，只要留出和上位機(jī)接口的這個(gè)串口，就可以實(shí)現(xiàn)芯片

33、內(nèi)部存儲(chǔ)器的改寫，而無(wú)需再取下芯片。ISP是Flash存儲(chǔ)器的固有特性（通常無(wú)需額外的電路），F(xiàn)lash幾乎都采用這種方式編程。因此通過(guò)ISP可以對(duì)芯片進(jìn)行熔絲位的配置及Flash編程,EPROM的燒錄等操作。 (4) USB下載模塊 Arduino MEGA控制板采用USB下載方式，通過(guò)FT232RL芯片與主芯片進(jìn)行通信連接及程序的下載，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能。 硬件接口電路如下圖9所示。 圖9 USB下載接口電路 (5) 各種I/O接口 Arduino MEGA控制板包括數(shù)字I/O接口，ADC模擬量接口，PWM接口，通信接口。其I/O口有：端口A(PA7..PA0) 、端口

34、B(PB7..PB0) 、端口C(PC7..PC0) 、端口D(PD7..PD0)、端口E(PE7..PE0) 、端口F(PF7..PF0) 、端口G(PG4..PG0) 。 除端口G之外其余端口為8 位雙向I/O 口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電 路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口為三態(tài)。端口也可以用做其他不同的特殊功能。 (6) 電源模塊 Arduino MEGA控制板采用電池供電，一路通過(guò)LM2576-5.0進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓為5.0V，供主芯片以及各種傳感器使用，另外一

35、路直接從電源引出到直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以供電機(jī)工作。 LM2576的特點(diǎn)： 最大輸出電流：3A; 最大輸入電壓：LM2576為40V的，LM2576HV至60V; 輸出電壓：3.3V，5V或12V的，15V和形容詞（可調(diào)），可選; 振東頻率：52kHz; 轉(zhuǎn)換效率：75％?88％（即不同的輸出電壓差的效率）; 控制方式：脈寬調(diào)制; 工作溫度范圍：-40℃+125℃ 工作模式：低功耗/正常模式，可以是外部的控制; 工作模式控制：TTL電平兼容; 所需外部元件：僅四個(gè)（不可調(diào)）或六個(gè)（可調(diào)）; 保護(hù)裝置：熱停機(jī)和電流限制; 包裝：為了- 220或TO

36、- 263。 電池供電電壓理論上為7-40V DC，但由于電源模塊采用的電容耐壓值均為25V，所以盡量使用25V以下電池進(jìn)行，電路圖如圖10所示。 圖10 電源電路 (7) 整體電路結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。 硬件系統(tǒng)以ATmega1280為控制核心，通過(guò)在PC上把編程軟件編譯好的程序經(jīng)過(guò)FT232下載到ATmega1280上。主芯片通過(guò)10路PWM控制雙足共10個(gè)伺服舵機(jī)完成行走和前后翻動(dòng)作，并利用紅外避障傳感器實(shí)現(xiàn)避障功能。最終實(shí)現(xiàn)需要完成的各項(xiàng)動(dòng)作。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。 圖11 硬件結(jié)構(gòu)圖 4.3避障傳感器設(shè)計(jì) 紅外傳感器主要是為了機(jī)器人避障用，具體工作過(guò)程：LM567的中

37、心頻率為38kHz，為紅外發(fā)射管提供38kHz的脈沖信號(hào)，使紅外發(fā)射管發(fā)出38kHz的光波；當(dāng)有障礙物時(shí)，紅外接收管輸出38kHz頻率的壓值變化信號(hào)（無(wú)障礙物時(shí)輸出高電平），由LM741電壓放大后輸入LM567，當(dāng)LM567接收到38kHz頻率的數(shù)據(jù)時(shí)，輸出低電平，從而判斷出前方的障礙物，如下圖12所示。 圖12紅外傳感器檢測(cè)過(guò)程 如下圖13所示，CKr是單片機(jī)輸出的38KHz的方波（使用其硬件PWM），通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)感知障礙物距離的功能。U2是紅外線接收頭，使用紅外線接收頭具有相當(dāng)?shù)撵`敏度，可以檢測(cè)到200mm以外的物體，確保機(jī)器人不會(huì)撞向障礙物。 圖13

38、 紅外避障傳感器 4.4 舵機(jī)選型 本設(shè)計(jì)所選舵機(jī)為輝盛公司生產(chǎn)的12公斤大扭力全金屬齒輪舵機(jī)。該類型舵機(jī)價(jià)格適中且規(guī)格參數(shù)能夠滿足雙足機(jī)器人的各項(xiàng)性能要求。因此在綜合了開(kāi)銷，性能等一系列因素后我們選擇了MG945。經(jīng)過(guò)嘗試，我們得出了舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與脈沖的對(duì)應(yīng)關(guān)系：90度對(duì)應(yīng)的差不多是1.6ms的脈沖，也就是說(shuō)一個(gè)1.6ms的脈沖MG945就轉(zhuǎn)到90度，而0度對(duì)應(yīng)的是0.8ms脈沖，180度對(duì)應(yīng)的是2.1ms脈沖。 MG945參數(shù)如表1所示。 表1 MG945參數(shù)表 參數(shù)名稱 工作速度 工作電壓 扭矩 重量 尺寸 參數(shù)值 0.24秒/60度 3.0V-7.2V

39、 12kg/cm 62g 40.8X20X37.3mm 本設(shè)計(jì)需要使用10個(gè)舵機(jī)，其接口為硬件開(kāi)發(fā)板PWM1-PWM10接口，接口引腳見(jiàn)圖16總電路圖所示。 一個(gè)舵機(jī)內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)、一組變速齒輪組、一個(gè)反饋可調(diào)電位器和一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，舵機(jī)的輸出扭力也愈大，也就是說(shuō)越能承受更大的重量，單轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低。 一個(gè)微型伺服馬達(dá)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖14所示： 圖14 舵機(jī)的工作原理示意圖 減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其輸出端帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢

40、測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制單元，控制單元將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達(dá)到舵機(jī)精確定位的目的。 舵機(jī)的控制信號(hào)是脈沖位置調(diào)制信號(hào)，周期一般為20ms，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生變化，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。一般舵機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)的脈沖寬度之間的關(guān)系可用下圖15所示。 圖15 控制信號(hào)脈沖寬度與輸出軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖 伺服馬達(dá)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度是由其內(nèi)部的直流馬達(dá)和變速齒輪組的配合決定的，除了和電壓有關(guān)外，還和轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和負(fù)載有關(guān)。但其平均運(yùn)動(dòng)速度可通

41、過(guò)分段停頓的控制方式來(lái)改變，例如，需要讓舵機(jī)的輸出端從目前的A位置轉(zhuǎn)到B位置，可以在兩個(gè)位置之間，選取n個(gè)中間位置（C、D、E、F、G……），然后，讓舵機(jī)從A開(kāi)始，經(jīng)過(guò)CDEFG……最終轉(zhuǎn)到B；通過(guò)選取中間位置的數(shù)量和每個(gè)位置的停頓時(shí)間，可以比較準(zhǔn)確地控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線。 4.5整體電路原理圖 根據(jù)本章以上的設(shè)計(jì)選用最終的電路圖為下圖16所示。 圖16 系統(tǒng)整體電路圖 5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)模型樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，在硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制理論研究，規(guī)劃了一套簡(jiǎn)便的調(diào)試方案以驗(yàn)證樣機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，并進(jìn)行對(duì)預(yù)訂步態(tài)的相應(yīng)關(guān)節(jié)控制調(diào)試和可行性驗(yàn)

42、證。 5.1 Arduino-0017簡(jiǎn)介 Arduino是一個(gè)能夠讓你的計(jì)算機(jī)更好地感知和控制外世界的物理計(jì)算（physical computing）平臺(tái)，它基于一個(gè)源碼開(kāi)放的微控制器電路板，并提供了相應(yīng)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)。Arduino能夠被用來(lái)進(jìn)行交互式對(duì)象（interactive object） 的開(kāi)發(fā)，例如從一組開(kāi)關(guān)或者傳感器中獲得用戶輸入，或是控制一組燈光、馬達(dá)或其他物理輸出設(shè)備。用Arduino開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目即能夠單獨(dú)運(yùn)行，也能夠同運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的其他軟件（如Flash、Processing或Max/MSP）進(jìn)行通信，從而共同完成相應(yīng)的任務(wù)。Arduino具有自己的編

43、程語(yǔ)言，它是基于Processing的多媒體編程環(huán)境Wiring（另一個(gè)非常類似的物理計(jì)算平臺(tái)）的一種實(shí)現(xiàn)。 Arduino-0017軟件主界面包括4部分，從上到下依次為：菜單、編輯窗口、信息窗口和提示欄，其操作主界面如圖17所示?；趧?chuàng)用CC開(kāi)放原始碼的電路圖設(shè)計(jì)，基于創(chuàng)用CC開(kāi)放原始碼的程式開(kāi)發(fā)環(huán)境，也可依需求自己修改，遵照姓名標(biāo)示。Arduino可使用ICSP線上燒入器，將[bootloader]燒入新的IC晶片?？梢罁?jù)官方電路圖，簡(jiǎn)化Arduino模組，完成獨(dú)立運(yùn)作的微處理控制?？珊?jiǎn)單地與感測(cè)器，各式各樣的電子元件連接(EX:紅外線，超音波，熱敏電阻，光敏電阻，伺服馬達(dá)，…等)支援多

44、樣的互動(dòng)程式(EX: Macromedia Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing、、、等)，使用低價(jià)格的微處理控制器(ATMEGA 8-168) NT$120~NT$150，USB介面，不需外接電源，另外有提供9VDC輸入。應(yīng)用方面，利用Arduino，突破以往只能使用滑鼠，鍵盤，CCD等輸入的裝置的互動(dòng)內(nèi)容，可以更簡(jiǎn)單地達(dá)成單人或多人游戲互動(dòng)。 Arduino管腳說(shuō)明： (1) Digital I/O數(shù)字式輸入/輸出端共1～13。（13個(gè)數(shù)字輸入輸出口DIO，其中10個(gè)PWM輸出，可做模擬輸出口使用AO）l (2) Analog I/O模擬式輸入/輸出端

45、共0～5。（5個(gè)模擬輸入口AI） (3) 支持USB接頭傳輸數(shù)據(jù)及供電(不需額外電源)。 (4) 支持ICSP在線刻錄功能。支援TX/RX端子。 (5) 支持外部ADC電壓基準(zhǔn)AREF端子輸入。 (6) 支持6組PWM端子(Pin11,Pin10,Pin9,Pin6,Pin5,Pin3)。 (7) 輸入電壓：USB接口供電，無(wú)須外部供電。5V～12V DC外部供電。l (8) 輸出電壓：5V DC輸出。 (9) 采用Atmega168-20PI/PU，最新的Arduino 2009支持Atmega328-20PI/PU。 圖17 Arduino-0017 操作界面 5.

46、2 程序設(shè)計(jì) 在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需要對(duì)端口進(jìn)行設(shè)置，以及進(jìn)行開(kāi)發(fā)板的選擇。創(chuàng)建、命名、保存后，對(duì)熔絲位進(jìn)行設(shè)置。下面為PonyProg2000 軟件中的“熔絲位和程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器鎖定位”設(shè)置窗口問(wèn)題說(shuō)明。 進(jìn)行熔絲位設(shè)置時(shí)應(yīng)注意一些問(wèn)題： (1) 在SPI 串行編程模式下SPIEN 熔絲位不可訪問(wèn)； (2) CKOPT 熔絲功能由CKSEL 位設(shè)置決定； (3) BOOTSZ1-0 默認(rèn)為最大Boot 大小 ； (4) 當(dāng)對(duì)RSTDISBL熔絲位編程，并行編程使用其他熔絲位或執(zhí)行其他編程模式； (5) 對(duì)于默認(rèn)時(shí)鐘源，SUT1-0的默認(rèn)值給出最大的啟動(dòng)時(shí)間； (6) C

47、KSEL3-0的默認(rèn)設(shè)置導(dǎo)致了片內(nèi)RC振蕩器運(yùn)行于1MHz CKOPT、CKSEL3.0、SUT1.0 為系統(tǒng)時(shí)鐘配置（包括喚醒脈沖和復(fù)位延時(shí)時(shí)間選擇設(shè)定）熔絲位。 設(shè)置好熔絲位后就可以進(jìn)行程序的編寫、調(diào)試、編譯，具體程序見(jiàn)附錄。程序設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)思想，按照?qǐng)D18示的流程圖，每個(gè)模塊完成各自指定的功能。 5.2.1主程序 主程序按照規(guī)則要求完成對(duì)各個(gè)功能模塊的邏輯調(diào)用和時(shí)序的調(diào)用開(kāi)始時(shí)在可以躲在障礙物的情況下，先走3步、立正、然后臥下（身體向前）、向前翻跟斗3次，再起立、向前走3步、立正、然后臥下（身體向后）、再向后翻跟斗2次、再起立、然后以輕快步履走向終點(diǎn)、要在指定5分鐘或少于

48、指定時(shí)間內(nèi)完成所有動(dòng)作，及要走到終點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始后進(jìn)行初始化，機(jī)器人呈現(xiàn)立正狀態(tài)。緊接著紅外傳感器檢測(cè)是否有障礙物，如有障礙物則執(zhí)行避障子程序，否則執(zhí)行正常的行走子程序（其中行走子程序包括前進(jìn)和前后翻動(dòng)作），然后判斷是否走完所需要的動(dòng)作，如完成則程序結(jié)束，否則返回紅外檢測(cè)處開(kāi)始執(zhí)行，程序重復(fù)執(zhí)行最終完成設(shè)定的動(dòng)作。其主程序流程圖見(jiàn)圖18所示。 圖18 主程序流程圖 5.2.2避障程序 避障是系統(tǒng)重要的一項(xiàng)功能，當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到有障礙物時(shí)則開(kāi)始執(zhí)行避障子程序，在子程序中判斷是哪個(gè)方向有障礙物，如果前方有障礙物且機(jī)器人執(zhí)行前進(jìn)則要向左邁一步，然后接著檢測(cè)是否有障礙物，如有則重復(fù)剛才的

49、動(dòng)作直到?jīng)]有障礙物，然后跳出避障子程序繼續(xù)執(zhí)行主程序。傳感器檢測(cè)的狀態(tài)和要執(zhí)行如何避障的策略見(jiàn)避障子程序流程圖，如圖19所示。 圖19 避障程序流程圖 5.2.3行走程序 機(jī)器人要完成的行走任務(wù)為：先走3步、立正、向前翻跟斗3次、向前走3步、再向后翻跟斗2次、然后以輕快步履走向終點(diǎn)。行走的各階段都有其標(biāo)志位，當(dāng)進(jìn)入行走子程序時(shí)，開(kāi)始判斷此時(shí)要執(zhí)行的動(dòng)作是前進(jìn)、向前翻還是向后翻，判斷完后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作并返回主程序并繼續(xù)檢測(cè)障礙物。其行走子程序流程圖如下圖20所示。 圖20 行走程序流程圖 通過(guò)程序的編寫和聯(lián)機(jī)調(diào)試并最終在場(chǎng)地上行走，機(jī)器人能夠很好的完成所設(shè)定的任務(wù)，當(dāng)加入適當(dāng)?shù)?/p>

50、障礙物時(shí)，機(jī)器人也能夠檢測(cè)到并最終避開(kāi)障礙物完成設(shè)計(jì)任務(wù)。 結(jié)束語(yǔ) 隨著科技的發(fā)展，雙足智能步行機(jī)器人的研究登上了一個(gè)新的臺(tái)階。ASIMO、SDR-4X的研制成功標(biāo)志著雙足步行機(jī)器人已經(jīng)從研究領(lǐng)域邁進(jìn)了家用領(lǐng)域。而ROBOCUP雙足步行機(jī)器人比賽的順利舉行，又為大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行雙足機(jī)器人的研究開(kāi)辟了一個(gè)新的方向。我國(guó)雙足機(jī)器人研究重點(diǎn)放在大型的雙足步行機(jī)器人上，為此，研制開(kāi)發(fā)能夠參加國(guó)際性比賽的雙足步行機(jī)器人，提高我國(guó)雙足機(jī)器人理論研究和樣機(jī)研制水平，特別是機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)理論的研究水平，為國(guó)爭(zhēng)光，十分有意義。為使理論成果具有更強(qiáng)的

51、實(shí)用性，課題研究過(guò)程中做了大量機(jī)器人資料搜集和整理工作，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建起雙足機(jī)器人總體研究框架，并做了一系列雙足機(jī)器人基礎(chǔ)性研究工作，包括動(dòng)力學(xué)建模、步態(tài)規(guī)劃和控制分析等。具體內(nèi)容包括： (1).通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外雙足機(jī)器人的樣機(jī)研制狀況和理論研究水平，掌握國(guó)內(nèi)外雙足機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，明確了雙足步行機(jī)器人的研究意義，確定課題的研究方向和研究?jī)?nèi)容。 (2).確定了課題的研究任務(wù)是設(shè)計(jì)可以完成智能行走，下蹲、倒地、起身、前滾翻、后滾翻等動(dòng)作的雙足機(jī)器人，在此基礎(chǔ)上確定其所需關(guān)節(jié)、自由度，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。 為了讓設(shè)計(jì)出的機(jī)器人完成預(yù)定的行走，下蹲、倒地、起身、前滾翻、后滾翻等動(dòng)作，在

52、設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中會(huì)遇到一些問(wèn)題，我們就需要針對(duì)其穩(wěn)定性，平衡性，易調(diào)性，避障性，干擾等方面進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和改進(jìn)。有一種隱患會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中反復(fù)出現(xiàn)斷電又接通的情況[11]，使得機(jī)器人不能正常的連貫的工作，這多數(shù)是因?yàn)楹附拥碾娐钒迳系牧慵兴蓜?dòng)，主要是電源連接方面。這就要求細(xì)致的焊接板子，防止一切斷路和短路情況的發(fā)生。 參考文獻(xiàn) [1] 陳立新,兩足步行機(jī)器人步態(tài)及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析[D].現(xiàn)代機(jī)械,1995 (3):30-35 [2] 謝濤,徐建峰.仿人機(jī)器人的研究歷史、現(xiàn)狀及展望[J].機(jī)器人,2002(7):26-35 [3] J.Knani,

53、Dynamic modelling of flexible robotic mechanisms and adaptive robust control of trajectory computer simulation–Part I[J].Applied Mathematical Modelling ,2002:16-22 [4] 張學(xué)允,雙足步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2001:34-45 [5] Ishida T,KurokiY.Sensor system of a small biped entertainment robot[J].Advanced Roboti

54、cs ,2004 (10) [6] 劉志遠(yuǎn),兩足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)行走研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),1991:37-56 [7] 譚冠政,朱劍英,尉忠信.國(guó)內(nèi)外兩足步行機(jī)器人研究的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)器人,1992, (3):32-45 [8] 吳 玉,姜復(fù)光.機(jī)器人工程導(dǎo)論[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999:123-145 [9] 徐元呂,工業(yè)機(jī)器人[M].中國(guó)輕工業(yè)出版社.1999:234-256 [10] 周伯英,工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)[M].北京機(jī)械土業(yè)出版社.2005:124-137 [11] 嚴(yán)冰,李曉翠.基于雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及相關(guān)改進(jìn)[J].科協(xié)論壇. 2009(

55、5) [l2] 李元宗,機(jī)器人學(xué)講義[D].太原工業(yè)大學(xué). 2001:83-115 [13] 蹼良貴,紀(jì)各剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社. 1996:126-148 [14] 余達(dá)太,馬香峰.工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用[M].冶金工業(yè)出版社. 2003:78-95 [15] 蔡白興,機(jī)器人學(xué)[M].清華大學(xué)出版社.2002:168-245 [16] 劉鴻文,材料力學(xué)[M].高等教育出版社.2003:55-68 附錄 (1) .主板電路圖 (2). 程序清單 #include #define number

56、 6 #define first 4 MegaServo servo[number]; int a=13,b=13; int pos1=90,pos2=90,pos3=90 ,pos4=90,pos5=90,pos6=90,k=0; int be=5; int tm=10; int flag=0; void setup() { int i; for(i=0;i

57、); to_pos4(0,1,3,4,2,64,63,68,68,89,b);//68-70 // to_pos3(0,1,3,4,70,68,68,68,13); //偏右 to_pos1(2,5,89,95,a); /* to_pos1(2,5,60,105,13); to_pos4(0,1,3,4,2,68,68,68,68,89,14);//70-68 to_pos1(2,5,89,95,13);*/ /* to_pos1(2,5,60,106,15);//107 to_angle(2,89,1); t

58、o_pos3(0,1,3,4,68,65,64,64,14); to_pos1(2,5,92,93,15);*/ } void first_step21() { to_pos1(2,5,60,105,a); to_pos4(0,1,3,4,2,64,63,70,68,90,b);//68-70//0.65-64 // to_pos3(0,1,3,4,70,68,68,68,13); //偏右 to_pos1(2,5,89,95,a); /* to_pos1(2,5,60,105,14); to_po

59、s4(0,1,3,4,2,70,70,70,68,89,12);//0.70-68 to_pos1(2,5,89,95,14);*/ } void second_step20() { to_pos1(2,5,103,60,a); to_pos4(0,1,3,4,5,107,109,108,105,94,b); to_pos1(2,5,89,95,a); } void second_step() { to_pos1(2,5,103,65,a); to_pos4(0,1,3,4,5,108,109,108,105,94,16)

60、;//0-106-104 // to_pos3(0,1,3,4,106,109,108,105,13); //偏右 to_pos1(2,5,89,95,a); /* to_pos1(2,5,102,65,13); to_pos4(0,1,3,4,5,106,109,108,105,94,18); to_pos1(2,5,89,95,13);*/ /*to_pos1(2,5,105,65,15); to_angle(5,95,5); to_pos3(0,1,3,4,103,104,105,102,15); to_pos1(2,5,

61、91,95,20); */ } void init_end() { to_pos1(2,5,105,65,14); to_pos3(0,1,3,4,87,88,91,89,13); to_pos1(2,5,89,94,15); } void three_step() { first_step1(); second_step(); first_step1(); init_end(); } /***************************初始化角度*********************************/

62、 void init_start() { to_pos6(0,1,2,3,4,5,87,90,89,91,89,94,10); // to_pos2(1,2,4,88,89,89,10); //to_pos2(0,3,5,87,91,94,10); } /*********************************************************************/ void loop() { if(k==0) { init_start(); delay(500); three_step(); zheng

63、fang(); three_step(); delay(100); daofang(); first_step1(); k=1; } second_step(); first_step1(); } void zhengfang() { flag=1; int i; for(i=0;i<3;i++) { init_start(); to_pos3(0,3,1,4,52,129,115,60,10);//12-10

64、 to_pos3(0,3,1,4,44,139,135,40,10); to_pos3(0,3,1,4,24,159,155,20,10); to_pos3(0,3,1,4,4,179,175,0,10); to_pos1(3,4,150,0,3); to_pos1(3,4,30,173,3); to_pos1(3,4,0,173,5);

65、 to_pos1(0,1,30,173,3); to_pos1(0,1,135,2,3); to_pos1(0,1,162,2,5); to_pos3(0,3,1,4,87,91,90,89,10);//11-10 /* to_pos1(0,3,

66、4,179,10); //較好，速度慢 to_pos1(1,4,175,0,10); // to_pos3(0,3,1,4,4,179,175,0,12); to_pos1(3,4,150,0,3); to_pos1(3,4,30,175,3); to_pos1(3,4,0,175,3); to_pos1(0,1,30,173,3); to_pos1(0,1,135,2,3);