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1 緒論
兩足步行機(jī)器人是指可以使用兩只腳交替地抬起和放下，以適當(dāng)?shù)牟椒ミ\動的機(jī)器人，可分為擬人機(jī)器人和桌面型兩足機(jī)器人 (仿人機(jī)器人)大小和人相似，不僅具有擬人的步行功能，而且通常還具有視覺、語音、觸覺等一系列擬人的功能；桌面型兩足機(jī)器人通常指體積較小，只具有步行功能及其他少數(shù)特定功能的兩足機(jī)器人，例如具有步行功能和視覺功能的自主踢足球機(jī)器人。與擬人機(jī)器人相比，桌面型兩足步行機(jī)器人的成本較低，除了具有科研性外，還具有廣泛地娛樂性，也可以應(yīng)用在教學(xué)和比賽中。國內(nèi)外的機(jī)器人大賽中，常?？梢钥吹阶烂嫘蛢勺悴叫袡C(jī)器人的身影[1]。
1.1 課題的研究背景和意義
于兩足步行機(jī)器人的擬人性和對環(huán)境良好的適應(yīng)性等特點，受到各國政府和研究者的廣泛重視，是當(dāng)今世界的高新技術(shù)的代表之一。它在科研、教學(xué)、比賽和娛樂等方面都很到了很好的應(yīng)用。
江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽和全國大學(xué)生機(jī)器人大賽中經(jīng)常有兩足步行機(jī)器人，它可以參加舞蹈機(jī)器人比賽、兩足競走機(jī)器人比賽、Robocop類人組機(jī)器人踢足球[10]器人創(chuàng)新比賽、Robocop救援組比賽等。舞蹈機(jī)器人比賽時使用了日本“KONDO”兩足步行機(jī)器人，性能出眾，發(fā)揮穩(wěn)定，獲得了舞蹈機(jī)器人比賽的冠軍。但是該機(jī)器人是集成度很高的商業(yè)產(chǎn)品，它的控制系統(tǒng)不開放底層代碼，難以進(jìn)行二次開發(fā)和步態(tài)研究。 所以本文基于機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的眾多處理器和操作系統(tǒng)各自的特點，并結(jié)合“KONDO”機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，選用了高性能、低功耗的 8 位AVR? 微處理器內(nèi)核處理器ATMega8P來實現(xiàn)對機(jī)器人的控制來。設(shè)計的控制系統(tǒng)控制指令精簡，控制轉(zhuǎn)角精度高，波特率可以實時更改，體積小，重量輕，其可作為類人型機(jī)器人、仿生機(jī)器人、多自由度機(jī)械手的主控制器。隨著中國機(jī)械產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，各高校相繼開設(shè)機(jī)械類創(chuàng)新課程和比賽，學(xué)生可將其應(yīng)用在各類機(jī)械創(chuàng)新作品中，優(yōu)化控制系統(tǒng)參加比賽。日本“KONDO”機(jī)器人如圖1.1所示。
圖1.1 日本“KONDO”跳舞機(jī)器人
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
步行是人與大多數(shù)動物所具有的移動方式，其中兩足直立行走是人類特有的步行方式，是所有步行方式中自動化程度最高，最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。最早從工程角度研究雙足機(jī)器人并獲得成功的是早稻田大學(xué)的加藤一郎。1972年，加藤實驗室推出了wL-5雙足步行機(jī)器人，這是世界上第一臺雙足機(jī)器人。
1996年11月本田((HONDA)公司展示了一個有兩腿兩臂的仿人[2]型機(jī)器人P2,能在平地上行走、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯和跨越障礙，并可提5公斤的重物和使用扳手等簡單工作;在此基礎(chǔ)上，本田公司又連續(xù)開發(fā)了第二代仿人機(jī)器人P3，第三代仿人機(jī)器人Asimo, Asimo高120cm，行走質(zhì)量很高，非常接近人類。Sony公司也推出了能歌善舞的機(jī)器人Qrio，不但具有非常出色的步行穩(wěn)定性，而且具有很強(qiáng)的自行辨認(rèn)能力，甚至能在狹隘道路上行走并繞過障礙物。這兩個機(jī)器人代表了當(dāng)前世界上兩足步行機(jī)器人研制的最高水平。
Asimo和Qrio都是擬人機(jī)器人，它們除了具有兩足步行功能之外，還具有非常強(qiáng)大的視覺功能和語音功能，能辨認(rèn)很多目標(biāo)，并能和人進(jìn)行很好的語言及肢體交流。而桌面型的兩足機(jī)器人也一直受到研究者的重視，研究的重點是兩足步行功能。如圖1.2所示。
圖1.2 Asimo(左)和Sony的Qrio(右)
2006年，日本神奈川大學(xué)設(shè)計的WABIAN-2LL機(jī)器人，身高120cm，重40Kg,在步行中通過膝關(guān)節(jié)改變腿長，通過腰關(guān)節(jié)的運動來減少腿部運動對身體重心的影響。2007年，大阪大學(xué)的Koh Hosoda等人研究了人類行走過程中的腿、腰、頭、手臂等各部分的協(xié)同作用，在兩足機(jī)器人中引入了三維極限環(huán)協(xié)同理論，設(shè)計的機(jī)器人Pneumat-BT[6]，[7]。
隨著集成電路的發(fā)展，小型機(jī)器人可以具有功能越來越強(qiáng)大的嵌入式計算系統(tǒng)，甚至可以使用運算能力很強(qiáng)的圖像處理和模式識別系統(tǒng)。這使得桌面型兩足步行機(jī)器人和擬人機(jī)器人之間并沒有嚴(yán)格的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)。2007年，東京Denki大南京師范大學(xué)碩士學(xué)位論文學(xué)的Hideto SHIMIZU等人設(shè)計了小型兩足步行機(jī)器人HOAP-3，身高60cm，重8. 8Kg，共有28個自由度，有一個強(qiáng)大的視覺處理系統(tǒng)。如圖1.3所示。
圖1.3 WABIAN-2LL(左)、Pneumat-BT(中)和HOAP-3(右)
2006年，西班牙Politecnica de Valencia大學(xué)的Albero和Blanes等人設(shè)計了具有高性能分布式控制系統(tǒng)的桌面型兩足機(jī)器人YABIRO，高55cm，重4Kg，共27個自由度，具有獨特的腰部三自由度結(jié)構(gòu)，如圖所示。該機(jī)器人使用了多個嵌入式系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)使用了嵌入式個人計算機(jī)和實時Linux操作系統(tǒng)，具有非常強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力；主、從控制系統(tǒng)以及傳感器之間使用dual-CAN總線通信。
2006年，韓國國立釜山大學(xué)開發(fā)了腳底安裝有力傳感器的桌面型兩足機(jī)器人，該機(jī)器人身高28cm，重3.2Kg，如圖所示。同年，韓國Sung KyunKwan大學(xué)也開發(fā)了一個桌面型兩足步行機(jī)器人，身高45cm，重4.3Kg，共24個自由度，如圖所示。該機(jī)器人使用了TI公司的DSP TMS320F2407作為控制器，使用直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動器，在兩足步態(tài)設(shè)計中引入了遺傳算法。如圖1.4所示。
圖1.4 YABIRO-2（左）、釜山大學(xué)機(jī)器人和Sung Kuhn Kwan 大學(xué)機(jī)器人（右）
我國從80年代中期才開始研究兩足步行機(jī)器人[20，21] ，國防科技大學(xué)1988年研制成功我國第一臺平面型六自由度的兩足機(jī)器人，能實現(xiàn)前進(jìn)、后退和上下樓梯；之后又現(xiàn)了實驗室環(huán)境中的全方位行走，1995年，實現(xiàn)了動態(tài)步行。
2000年11月，國防科技大學(xué)又研制出了我國第一臺具有人類外觀特征、可以模擬人類行走與基本操作功能的擬人兩足步行機(jī)器人Pioneero。
2002年，清華大學(xué)精密儀器系、機(jī)械工程系和自動化系組成的研究小組開始研究開發(fā)擬人機(jī)器人THBIP，共32個自由度，可以步行、上下樓梯、打太極拳等，并具有視覺及語音識別功能[3]。
兩足機(jī)器人的研制發(fā)展過程，是由少自由度到多自由度、由實現(xiàn)簡單動作到復(fù)雜動作、由靜態(tài)步行到動態(tài)步行、由僅從簡單功能到仿生功能的研制過程。
1.3 本文的主要工作
本文設(shè)計的主要內(nèi)容是兩足行走機(jī)器人的行走控制系統(tǒng)部分，我選用8 位AVR 微處理器內(nèi)核處理器ATMega8P，設(shè)計了兩足行走機(jī)器人的控制系統(tǒng)。主要工作包括：
(1) 設(shè)計了兩足步行機(jī)器人的硬件電路。選用高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)。
(2) 選擇設(shè)計了兩足步行機(jī)器人的控制軟件系統(tǒng)。在AVR微處理器中移植了u C/OS-II操作系統(tǒng)；在操作系統(tǒng)下設(shè)計了應(yīng)用程序，實現(xiàn)了兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)的各項功能，搭建了完整的兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件框架[12]，[13]。
(3) 搭建了17自由度機(jī)器人雙腿的運動模式，通過17個舵機(jī)同時協(xié)調(diào)運作，以實現(xiàn)機(jī)器人完成相應(yīng)的動作。
(4) 完成畢業(yè)設(shè)計的同時，提出本設(shè)計的不足，指出需要改進(jìn)的地方。
1.4 本文組織結(jié)構(gòu)
第一章介紹了兩足步行機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 [26] ，由別人設(shè)計的機(jī)器人總結(jié)對自己的啟發(fā)提出本設(shè)計的主要任務(wù)點。
第二章介紹了控制系統(tǒng)中常用的處理器和操作系統(tǒng)、以及兩足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并說明了本文設(shè)計兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)的目的。使用Prote199設(shè)計了兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件，包括核心電路圖和PWM脈沖信號控制原理圖。
第三章介紹了使用實現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的具體軟件，這里我們使用了Servo Control Software,是實現(xiàn)伺服電機(jī)控制器通訊協(xié)議PC機(jī)上專用WINDOWS控制軟件，可以簡便的實現(xiàn)復(fù)雜動作的操控。
第四章建立兩足步行機(jī)器人步行模式建立，對機(jī)器人的雙腿運動進(jìn)行了分析，對10個微型伺服直流電機(jī)的轉(zhuǎn)角角度進(jìn)行了逐個分析。
第五章對本文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對今后的深入研究提出了建議。
2 兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)
在以比賽、娛樂、教學(xué)和研究為目的的兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)中，單板計算機(jī)作為控制系統(tǒng)雖然運算速度快，但體積大、成本高，而且功耗大；有此而選用高性能、低功耗的 8 位AVR? 微處理器，指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)，所以能夠解決一些較為復(fù)雜的控制指令。
2.1 硬件系統(tǒng)的基本要求
兩足步行機(jī)器人是對人類的模仿[15]。但人類的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，對人類步行原理的研究至今仍有許多未解決的問題。所以在設(shè)計兩足步行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)時，會對人類步行的結(jié)構(gòu)進(jìn)行減化，只會考慮基本的步行功能。人類的僅下肢就具有62對肌肉，腰部8對肌肉，在設(shè)計兩足步行機(jī)器人時，要控制具有這么多自由度的多變量系統(tǒng)幾乎是不可能的事情，所以兩足步行機(jī)器人通常腿部只具有8至12個自由度，腰部具有0至3個自由度。本課題設(shè)計的機(jī)器人共有17個自由度，驅(qū)動器為微型直流伺服電機(jī)，簡稱舵機(jī)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。
圖2.1 機(jī)器人機(jī)械實物
該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有如下特點：
(1) 該機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計具有很高的穩(wěn)定性，國外的一些類似機(jī)器人曾獲得機(jī)器人比賽冠軍；
(2) 該機(jī)器人踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)各具有兩個自由度，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計可以使機(jī)器人在不平地面站立；
(3) 該機(jī)器人膝關(guān)節(jié)具有一個自由度；
(4) 該機(jī)器人肩關(guān)節(jié)具有兩個自由度，肘關(guān)節(jié)具有一個自由度，可以實現(xiàn)簡單的擺臂功能，用以配合腿部的運動，抑制擺腿時產(chǎn)生的左右扭轉(zhuǎn)趨勢。
(5) 該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)也具有一個缺點:沒有腰部扭轉(zhuǎn)自由度，使兩足步行機(jī)器人在行走中不能使用腰部關(guān)節(jié)進(jìn)行姿態(tài)平衡，但這并不阻礙機(jī)器人在平地上的行走。
本文在“KONDO”機(jī)器人[9]機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計控制系統(tǒng)，用來替換其自帶的控制系統(tǒng)。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)在硬件上至少滿足如下5個基本要求：
(1) 產(chǎn)生不少于17路獨立的高精度單邊沿PWM信號，用來控制作為機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器的17個直流伺服電機(jī)；
(2) 具有調(diào)試接口；
(3) 具有一個與PC機(jī)通信的接口；
(4) 具有多路A/D轉(zhuǎn)換電路，用來擴(kuò)展傳感器；
(5) 具有獨立而穩(wěn)定的電源。
我們設(shè)計的機(jī)器人所用的高精度直流伺服電機(jī)，控制信號為0.5ms～2.5ms高電平的PWM信號，對應(yīng)轉(zhuǎn)角為0度到180度，電機(jī)精度為0.1度，則控制信號的精度應(yīng)該高于(2.5ms～0.5ms) /1800 =1.11μs。
2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)路線和總體方案
2.2.1 處理器選型
二十年前，只有少數(shù)的幾個科研機(jī)構(gòu)在研究兩足步行機(jī)器人，現(xiàn)在卻不勝枚舉，這其中很重要的一個原因就是嵌入式計算機(jī)的高速發(fā)展[24]，[25]。嵌入式計算機(jī)由于其體積小、功耗低、硬件資源豐富，非常適合應(yīng)用在對體積和功耗都有較高要求的小型機(jī)器人系統(tǒng)中。
在機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的處理器有：TI C2000和C6000系列DSP、8051和AVR單片機(jī)、ARM7和ARM9系列、PC104和PowerPC單板計算機(jī)等。它們各自具有鮮明的特點，通常都是為了特殊的應(yīng)用而設(shè)計，如表2.1所示。
表2.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用處理器
機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的處理器
處理器的特點
在機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
C2000系列DSP
具有很強(qiáng)的數(shù)字信號處理能力,適合運動控制,硬件設(shè)計方便。
運動控制、語音處理。尤其適合執(zhí)行針對單個或一對直流（無刷）電機(jī)的復(fù)雜算法。
C6000系列DSP
具有極強(qiáng)的數(shù)字信號處理能力，具有專門的操作系統(tǒng)，硬件設(shè)計非常復(fù)雜。
高級的視覺處理和模式識別
8051和AVR系列單片機(jī)
結(jié)構(gòu)和指令簡單;運算能力較低，通常不支持操作系統(tǒng)：幾乎全部芯片都己經(jīng)單片化，硬件設(shè)計非常方便。
簡單的運動控制和信號處理，在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中作為局部控制器。
ARM7系列
典型的RISC處理器，運算能力較強(qiáng)，支持多種操作系統(tǒng)：部分型號芯片己經(jīng)單片化，硬件設(shè)計較方便。
小型機(jī)器人主控制器，常用于運動控制和傳感器信號處理。
ARM9系列
典型的RISC處理器，運算能力很強(qiáng)，支持多種操作系統(tǒng);幾乎沒有單片化，硬件設(shè)計較復(fù)雜。
機(jī)器人主控制器，同以進(jìn)行視覺處理、語音處理和模式識別。
PC104, PowerPC等單板計算機(jī)
由PC演化而來，通用性很強(qiáng)，功耗大，硬件設(shè)計非常復(fù)雜。
復(fù)雜的擬人機(jī)器人的主控制器。
DSP處理器在譜分析、FFT變換、數(shù)字濾波等方面得到非常廣泛地應(yīng)用。TI公司的02000系列DSP主要用來進(jìn)行運動控制，適合用于執(zhí)行針對單個或少量電機(jī)的高級控制算法。雖然C2000在桌面型兩足機(jī)器人中也有應(yīng)用，但C2000對操作系統(tǒng)的支持能力有限，一般不使用操作系統(tǒng)，所以如果作為主控制器會帶來軟件設(shè)計上的局限性。
C6000系列具有很高的主頻、豐富的硬件資源、特殊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，數(shù)字信號處理能力非常強(qiáng)大，并且TI公司特地為C6000(和C5000)系列開發(fā)了專用DSP/BIOS操作系統(tǒng)。DSP/BIOS操作系統(tǒng)使C6000如虎添翼，成為了高級視覺處理應(yīng)用的主流處理器。但使用C6000作為處理器時電路復(fù)雜，通常只在大型擬人機(jī)器人中作為高級的視覺處理器，小型的機(jī)器人中應(yīng)用很少。
8051和AVR系列單片機(jī)通常在其內(nèi)部集成了CPU、存儲器、總線邏輯、看門狗、I/0、以及其他接口，單片化的特性使其體積和功耗都大大減小，在兩足步行機(jī)器人中得到了廣泛使用。
ARM7系列處理器是ARM處理器中使用很多的一款。ARM7處理器是典型的RISC處理器，對操作系統(tǒng)的支持能力很強(qiáng)，適合運行多種操作系統(tǒng)。
ARM9系列處理器在ARM7的基礎(chǔ)上進(jìn)一步地提高了運算能力，增加了更多的硬件資源。ARM9對操作系統(tǒng)的支持能力同樣地強(qiáng)大。ARM9適合作為兩足機(jī)器人控制系統(tǒng)的主控制器，同時還可以作視覺處理、語音處理和模式識別。但ARM9系列處理器幾乎沒有能實現(xiàn)單片化的，硬件設(shè)計較為復(fù)雜。
單板計算機(jī)由通用計算機(jī)演化而來，常見的有PC104、PowerPC、MIPS、68000等。單板計算機(jī)具有良好的通用性，對操作系統(tǒng)具有極強(qiáng)的支持能力。但其設(shè)計和開發(fā)比較復(fù)雜，功耗較大，在擬人機(jī)器人等大型機(jī)器人中經(jīng)常被用作主控制器。
本文結(jié)合控制系統(tǒng)設(shè)計的基本要求和常用處理器[19]，高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)。
2.2.2 直流伺服電機(jī)的控制特性
直流伺服電機(jī)又稱為舵機(jī)，是一種位置伺服驅(qū)動器，適用于角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)[22]。我們設(shè)計的兩足行走機(jī)器人的直流伺服電機(jī)使用+7V至+12V電源，內(nèi)部基準(zhǔn)信號為周期為20ms的PWM周期信號，輸入的控制信號也必須是周期為20ms的PWM周期信號，電壓為+4V至+6V。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入的控制信號的脈沖寬度有如圖2.2所示的線性關(guān)系。
圖2.2 直流伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入PWM信號寬度的關(guān)系
本文中的兩足步行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)共有17個直流伺服電機(jī)，所以在設(shè)計控制系統(tǒng)硬件電路時，除了需要提供9V至12V的電源外，還必須提供至少17路4V至6V的PWM信號。
2.2.3 硬件設(shè)計總體方案
對應(yīng)于控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的基本要求，作了如下的設(shè)計方案:
(1) 核心電路包括AVR[11]核心處理器、JTAG調(diào)試接口、串口驅(qū)動電路和A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓電路[19]，原理如圖2.3所示。
圖2.3 核心電路原理圖
(2) 控制系統(tǒng)需要控制17個直流伺服電機(jī)，使兩足步行機(jī)器人完成相應(yīng)的動作?？刂浦绷魉欧姍C(jī)的PWM信號的周期為20ms，高電平持續(xù)時間為0. 5ms至2. 5ms，占空比較小，最大僅為1/8，所以可以進(jìn)行多路分時復(fù)用。本文使用了4個三態(tài)鎖存器74HC595D PWM信號進(jìn)行4路分時復(fù)用，一共可以得到32路獨立的單邊沿PWM信號，這樣可以滿足控制系統(tǒng)的要求。使用高性能電池供電，增加了機(jī)器人的靈活性.其舵機(jī)PWM信號控制電路原理如圖2.4所示。
圖2.4 PWM信號控制原理圖
2.2.4 電源設(shè)計
為了增加機(jī)器人的靈活性，兩足步行機(jī)器人使用高性能電池供電。直流伺服電機(jī)的電源要求為9V至12V，本文選用了電壓為9V的高性能電池，直接作為直流伺服電機(jī)的電源。
由于基于AVR的處理器和外設(shè)均使用3. 3V電源電壓，所以需要選用電源電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。我們使用了一個直流電壓轉(zhuǎn)換芯片L78M05將電池的直流電源轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流。
2.2.5 舵機(jī)控制器PCB電路板的設(shè)計
32路伺服電機(jī)控制器是一套最具性價比的伺服電機(jī)控制器?？梢钥刂贫噙_(dá)32個伺服電機(jī)協(xié)調(diào)動作的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，它不但能實現(xiàn)位置控制和速度控制，還具有時間延時斷點發(fā)送指令功能。其主要由上位機(jī)軟件和伺服電機(jī)驅(qū)動控制器組成。通過PC機(jī)操作上位機(jī)軟件給控制器傳遞控制指令信號，即可實現(xiàn)多路伺服電機(jī)單獨控制或同時控制，控制指令精簡，控制轉(zhuǎn)角精度高，波特率可以實時更改，體積小，重量輕，其可作為類人型機(jī)器人、仿生機(jī)器人、多自由度機(jī)械手的主控制器。此外還可以配合其他功能模塊實現(xiàn)無線控制、傳感器反饋，構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)。隨著國內(nèi)外機(jī)械產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，各大高校相繼開設(shè)機(jī)械類創(chuàng)新課程和比賽[11]，學(xué)生可將其應(yīng)用在各類機(jī)械創(chuàng)新作品中，起到優(yōu)化控制系統(tǒng)作用，其電路板界面如圖2.5所示。
圖2.5 兩足行走機(jī)器人控制系統(tǒng)電路板
2.3 舵機(jī)控制器的使用方法
2.3.1 伺服電機(jī)控制板接口功能
圖2.6 控制電路板各部分標(biāo)識
舵機(jī)器控制器面板主要有電源接口、串口通訊接口、伺服電機(jī)借口、TIL通訊借口以及上位機(jī)擴(kuò)展口、電源開關(guān)等部分組成，各部分詳細(xì)的位置分布如圖2.6所示，其中每個部分的詳細(xì)說明如下：
①DC5V直流電源接口
此接口用于接插控制器控制部分供電電源，為了方便長時間調(diào)試，可以用套裝中為用戶提供的USB取電線，直接插筆記本電腦或臺式電腦USB接口。也可接插符合下面要求的外置電源適配器（注意電源極性?。?。
②控制部分電源端子接口
此接口用于接插控制器控制部分供電電源，為增大用戶選擇電源電壓范圍，特設(shè)此接口。工作電壓范圍：＋7V～＋12V。注意端子接口正負(fù)標(biāo)識符！正確接線，避免損壞控制器。為用戶調(diào)試方便提供9V電池扣接線一條，可接9V電池使用。
③伺服電機(jī)供電電源端子接口
此接口用于接插伺服電機(jī)供電電源（由于伺服電機(jī)在重負(fù)載的情況下，會將放大器電壓拉低，為防止影響控制器部分電壓突變，應(yīng)該將兩部分分別供電），工作電壓：＋4V～＋6V（普通伺服電機(jī)）。一般上，伺服電機(jī)啟動和滿負(fù)載的時候耗電達(dá)1A～1.5A，而沒有負(fù)載時候只有約150mA耗電，所以請均衡考慮，根據(jù)同時運動的伺服電機(jī)數(shù)量，來考慮電源的功率選擇。為防止意外，請確保不要使用功率小于設(shè)計里面。一半數(shù)目的電機(jī)滿功率運行時功耗的電源。為用戶調(diào)試方便提供的5號四節(jié)/4位電池盒一個，裝上電池可作為伺服電機(jī)調(diào)試電源使用。
④外擴(kuò)上位機(jī)系統(tǒng)供電接口
此接口供電來源控制部分端子接口電源，可為自主開發(fā)的上位機(jī)（51系列、AVR系列、DSP、ARM等）板供電。
⑤串口通訊接頭
此端口使用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口電平進(jìn)行通訊，可以接插為用戶提供的串口通訊線和計算機(jī)進(jìn)行通訊，接收實時控制指令。
⑥TTL通訊接口
若使用此功能請將跳線帽取下，此接口可用于伺服電機(jī)控制器與其他單片機(jī)開發(fā)的上位機(jī)BS2(Basic Stamp 2)通訊。注意接口標(biāo)識符，TX、RX左側(cè)排針分別聯(lián)接伺服電機(jī)控制板微控器TXD、RXD引腳。
⑦波特率設(shè)置撥碼開關(guān)
通過設(shè)置撥碼開關(guān)，波特率可以在2400 960038.4k 115.2k四種數(shù)值中轉(zhuǎn)換。注意：1代表ON，0代表OFF?？刂破鞑ㄌ芈誓J(rèn)設(shè)置為115200。每次更改波特率數(shù)值后，都要給控制器重新上電啟動，才會生效。
⑧伺服電機(jī)通道接口和⑨標(biāo)識符
此接口可接插國際標(biāo)準(zhǔn)接口的伺服電機(jī)，包括模擬式和數(shù)字式兩種。接口側(cè)方有1～32通道的標(biāo)注符，表示伺服電機(jī)受哪一通道信號控制。每一行可以接插一個伺服電機(jī)。整行接口上面有S/ + /-的標(biāo)注，其中“-”表示接插伺服電機(jī)的地線（一般為黑色）；“＋”表示接插伺服電機(jī)的電源線（一般為紅色）；“S”表示signal（信號）接插伺服電機(jī)的控制信號線（一般為黃色或白色）。支持的伺服電機(jī)：Futabaor Hitec 以及國產(chǎn)品牌（如輝盛）等。
⑩電源開關(guān)
此開關(guān)控制伺服電機(jī)和控制電路兩部分電源通斷。開關(guān)撥向標(biāo)有ON一端為接通電源；開關(guān)撥向OFF一端為切斷整個系統(tǒng)供電。
本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 29 頁 共 29 頁
3 兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
AVR系列單片機(jī)通常在其內(nèi)部集成了CPU、存儲器、總線邏輯、看門狗、I/0、以及其他接口，單片化的特性使其體積和功耗都大大減小，在兩足步行機(jī)器人中得到了廣泛使用，現(xiàn)在在操作系統(tǒng)下設(shè)計并實現(xiàn)了兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)的多個應(yīng)用軟件，構(gòu)成了一個完整的控制系統(tǒng)軟件框架；最后改進(jìn)了常見的多路PWM產(chǎn)生方法，具有很高的PWM信號的精度和系統(tǒng)的實時性，并對兩足步行機(jī)器人進(jìn)行了關(guān)節(jié)調(diào)試。
3.1 軟件系統(tǒng)的基本要求
根據(jù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能需求和硬件電路的特點，軟件系統(tǒng)至少需要滿足以下5個要求：
(1) 軟件模塊化，具有很好的可維護(hù)和可擴(kuò)展性。
(2) 實現(xiàn)PWM信號的分時復(fù)用，并要保證PWM信號的高精度。并且通過軟件，能夠及時地改變PWM的輸出。
(3) 通過RS232接口能和PC機(jī)通信。
(4) 通過I℃接口記錄關(guān)鍵的信息到E2PROM存儲器。
(5) 通過3路10位A/D轉(zhuǎn)換器讀取傳感器的值并預(yù)處理。
3.2 軟件設(shè)計的技術(shù)路線與總體方案
在機(jī)器人控制系統(tǒng)中常見的操作系統(tǒng)有:TI的DSP/BIOS, Microsoft的WinCE, u C/OS-II, Wind River的VxWorks, uC-Linux和RT-Linux等，它們各自的特點和應(yīng)用如下所述：
(1) DSP/BIOS操作系統(tǒng)不但具有很好的實時性[23]，而且與DSP外圍的數(shù)據(jù)庫兼容并且內(nèi)建于DSP專用的交互式集成開發(fā)環(huán)境CCS。但DSP/BIOS操作系統(tǒng)只適合在TI的C6000和C5000 DSP處理器上使用。
(2) WinCE操作系統(tǒng)由Windows95精簡而成，不開放源碼，實時性不好。但從內(nèi)核到GUI的整個體系比較完善，并且Microsoft公司具有強(qiáng)大的軟件研發(fā)和技術(shù)支持能力。WinCE適合在功能復(fù)雜但對內(nèi)核體積的實時性都沒有太高要求的大型機(jī)器人主控制系統(tǒng)中使用，或者在圖像監(jiān)控系統(tǒng)中使用。
(3) uC/OS-II由世界著名的嵌入式專家Jean J. Lacrosse編寫，它具有源碼開放、體積小、可移植性強(qiáng)、可剪裁、可靠性高等特點，但GUI部分不完善。它非常適合在高實時性小型嵌入式系統(tǒng)中使用，經(jīng)常應(yīng)用在小型機(jī)器人控制系統(tǒng)中。
(4) VxWorks由美國Wind River公司開發(fā)，具有極高的可靠性和實時性，但是它不開放源碼，而且價格非常昂貴，通常應(yīng)用在軍用機(jī)器人和航天機(jī)器人中。
(5) uC-Linux和RT-Linux都是由Linux演化而來，繼承了Linux的一系列優(yōu)點，比如高可靠性和具有完善的網(wǎng)絡(luò)功能。它們結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對開發(fā)人員的技術(shù)要求較高，通常應(yīng)用在比較復(fù)雜的機(jī)器人控制系統(tǒng)中。
本文根據(jù)控制系統(tǒng)硬件的特點和機(jī)器人的功能需要，選用了以C語言為基礎(chǔ)編寫而成的操作系統(tǒng)“Servo Control Software”。其軟件的操作界面如圖3.1所示。
圖3.1 Servo Control Software操作界面
Servo Control Software是實現(xiàn)伺服電機(jī)控制器通訊協(xié)議PC機(jī)上的專用WINDOWS控制軟件，本軟件操作控制簡便，該軟件有以下功能：
(1) 速度控制設(shè)定功能 可以調(diào)試出任意速度，多路電機(jī)不同速度運行穩(wěn)定，實時性好，速度精準(zhǔn)，加速減速任意設(shè)。
(2) 循環(huán)控制功能 讓您不必費心點擊鼠標(biāo)啦，反復(fù)調(diào)試更加易用，可作為小型工業(yè)機(jī)械手主控板，功能循環(huán)執(zhí)行，提供作業(yè)效率。
(3) 指令保存功能 可以將您調(diào)試好的指令集保存，自動生成指令文檔，日期時間準(zhǔn)確，例如robotcode20090107_1550, 您也可以個性化自命名，避免讀取指令文檔錯誤或者重新編輯。
(4) 指令讀取功能 只要輕松點擊“打開指令”按鍵，會進(jìn)入指令集文檔，選擇您要讀取的以往指令文檔，恢復(fù)當(dāng)前功能設(shè)置。
(5) 控制動作完成時間功能 只要發(fā)送指令時間大于動作完成時間，您就可以任意設(shè)置動作的完成時間，軟件備有自動調(diào)整功能，可將電機(jī)轉(zhuǎn)動平滑過渡，避免了機(jī)器人定格控制缺陷。
3.3 伺服電機(jī)控制軟件操作方法
3.3.1 串口設(shè)置
在熟悉了該軟件后，我們開始調(diào)試軟件。首先我們要做好前提工作，把舵機(jī)接線按照要求插在控制板上，再把串口接線插到電腦上，開通電源，打開操作軟件，點擊軟件操作界面里的串口設(shè)置，選擇合適的波特率，然后點確定，其操作方法如圖3.2、圖3.3、圖3.4所示：
圖3.2 串口設(shè)置第一步
圖3.3 串口設(shè)置第二步
圖3.4 串口設(shè)置第三步
3.3.2 控制通道設(shè)置
控制通道序號與控制板上的序號一一對應(yīng)，根據(jù)設(shè)計需要可選擇多路調(diào)控，伺服電機(jī)接線一定要與控制軟件通道對應(yīng)，避免出現(xiàn)控制無效現(xiàn)象。將硬件設(shè)備接好，如圖3.5所示。
圖3.5 控制板接線示意圖
單擊鼠標(biāo)左鍵軟件與硬件連接,如圖3.6所示。
圖3.6 串口連接設(shè)置圖
當(dāng)串口設(shè)置完成后,開始設(shè)置控制通道,單擊鼠標(biāo)左鍵以激活控制通道,本設(shè)計中的機(jī)器人一共17個自由度,其中腿部10個,也就是一共17個直流伺服電機(jī),在調(diào)試過程中,我們一共要激活17個通道,從1～17通道, 按照圖3.7所示。
圖3.7 控制通道設(shè)置示意圖
3.3.3 操作設(shè)置
在控制軟件的操作設(shè)置區(qū)域有“添加指令”、“指令修改”、“刪除指令”、“運行指令”等按鈕，分別實現(xiàn)不同的功能，具體實現(xiàn)功能如圖3.8所示。
圖3.8 操作設(shè)置功能圖
3.3.4 控制指令回顯區(qū)
調(diào)整好合適指令點擊添加后，將會出現(xiàn)在回顯區(qū)中。如圖3.9所示。
圖3.9 指令回顯區(qū)
3.3.5 發(fā)送指令時間設(shè)置
拉動指令間隔時間滑桿可以調(diào)節(jié)發(fā)送指令間隔時間,以實現(xiàn)各舵機(jī)的協(xié)調(diào)工作,來完成復(fù)雜的動作,如圖3.10所示。
圖3.10 發(fā)送指令間隔時間控制區(qū)
3.4 微型伺服電機(jī)（舵機(jī)）的選擇
微型的伺服電機(jī)在無線電業(yè)余愛好者的航?；顒又惺褂靡延泻荛L一段歷史，而且應(yīng)用最為廣泛，國內(nèi)亦稱之為“舵機(jī)”，含義為：“掌舵人操縱的機(jī)器”。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器。它是機(jī)器人、機(jī)電系統(tǒng)和航模的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它接收一定的控制信號，輸出一定的角度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有3條導(dǎo)線：電源線（紅）、地線（黑或灰）、控制線（白或橙黃）?？刂凭€的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號（PWM），方波脈沖信號的周期為20 ms（即頻率為50Hz)，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比，也就是利用占空比的變化來改變舵機(jī)的位置?？梢?，其主要用作運動方向的控制部件。因此，機(jī)器人模型中也常用到它作為可控的運動關(guān)節(jié)，這些活動關(guān)節(jié)在機(jī)械原理中常稱它為自由度。
3.4.1 舵機(jī)的選型
本設(shè)計選用的舵機(jī)為“輝盛”MG945 12公斤全金屬齒大扭力舵機(jī)，其圖和參數(shù)如圖3.11和表3.1所示。
圖3.11 “輝盛”MG945舵機(jī)
表3.1 “輝盛”MG945舵機(jī)參數(shù)
尺寸
重量
速度
扭力
使用電壓
40.8*19.9*37.3mm
56.3g
0.24sec/60度
12公斤/厘米
4.8V～7.2V
3.4.2 輝盛MG945舵機(jī)的控制特性
“輝盛”MG945 12公斤全金屬齒大扭力舵機(jī)全轉(zhuǎn)角為180度，它的對應(yīng)的控制關(guān)系如表3.2所示。
表3.2 PWM波脈寬與舵機(jī)轉(zhuǎn)角關(guān)系
PWM波脈寬
舵機(jī)轉(zhuǎn)角
對應(yīng)轉(zhuǎn)角簡圖
0.5ms
0度
0.9ms
45度
1.5ms
90度
2.1ms
135度
2.5ms
180度
4 兩足步行機(jī)器人步行模式的建立
有的機(jī)器人行走時質(zhì)心在地面上的投影始終在腳的支撐多邊形內(nèi)，這種步行方式被稱為靜態(tài)步行；在人的日常行走中，質(zhì)心在地面上的投影經(jīng)常會超越支撐多邊形的范圍，這種步行方式被稱為動態(tài)步行。靜態(tài)步行模式在設(shè)計步態(tài)時需要計算機(jī)器人的重心位置，以防止重心在地面上的投影超出了支撐多邊形范圍。靜態(tài)步行通常是在行走前離線設(shè)計好各個步行中的姿態(tài)和姿態(tài)切換的方法，在行走的過程中不能改變，一般只能在平地上行走。
4.1 本章任務(wù)
本設(shè)計中的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它具有17個自由度，驅(qū)動器為微型直流伺服電機(jī)。該機(jī)械結(jié)構(gòu)左右對稱，每條腿具有5個自由度，分別為踝2個、膝l個、髖2個；每個手臂具有3個自由度，分別為肩2個、肘1個；頸部具有一個自由度。而我的主要任務(wù)是分析雙腿的運動模式，研究10個舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度以及相互的協(xié)調(diào)工作的關(guān)系，建立一個完整的運動模型。首先要把機(jī)器人組裝起來，其腿部圖片如圖4.1所示。
圖4.1 單腿的實物圖片
在正確的把整個機(jī)器人完整的組裝起來后，我們要把機(jī)器人腿部的每個舵機(jī)都標(biāo)注起來，以便后來的調(diào)試，腿部10個舵機(jī)的分布如圖4.2所示。
圖4.2 腿部舵機(jī)的分布
4.2 靜態(tài)步行模式設(shè)計與實現(xiàn)
兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)中使用了靜態(tài)步行模式[4][5]線設(shè)計。靜態(tài)步行模式分為10個靜態(tài)姿勢及其切換順序如圖4.2所示。
圖4.2 兩足機(jī)器人行走步行模式
其中直立是初始狀態(tài)；起步是為步行做準(zhǔn)備，重心移到右腳；抬后腳(左)、邁步(左)和前腳著地(左)都是右腿支撐左腿擺動的姿態(tài)；重心前移(左)是兩腿支撐，將重心從后面的右腳轉(zhuǎn)移到前面的左腳；抬后腳(右)、邁步(右)和前腳著地(右)都是左腿支撐右腿擺動的姿態(tài)；重心前移(右)是兩腿支撐，將重心從后面由左腳再次轉(zhuǎn)移到前面的右腳。重心在左右腳之間反復(fù)轉(zhuǎn)移，左右腳的前后關(guān)系也反復(fù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)兩足機(jī)器人的步行。
4.3 姿態(tài)運動的軟件實現(xiàn)
機(jī)器人的以上10個姿態(tài)按圖4.2所示切換，就可以讓機(jī)器人在平地上步行。根據(jù)腿部運動的模式，我們根據(jù)腿步各關(guān)節(jié)完成的角度可以計算輸入給每個舵機(jī)的PWM脈寬值，再反饋到舵機(jī)控制軟件Servo Control Software中，點擊“添加指令”按鈕，其控制回顯區(qū)出現(xiàn)指令如下：
T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500
T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500
T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1833#8P1833#9P1500
T1000 #0P1500#1P1450#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1833#8P1833#9P1500
T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500
T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500
T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500
T1000 #0P1444#1P1500#2P1500#3P1500#4P1444#5P1500#6P1500#7P1167#8P1167#9P1500
T1000 #0P1500#1P1450#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1167#8P1167#9P1500
T1000 #0P1500#1P1500#2P1500#3P1500#4P1500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500
上述完成機(jī)器人腿部運動的一個循環(huán)，既從直立到抬左腿起步再到抬右腿起步，然后我們再點擊如圖4.3中的“激活循環(huán)控制”就可以完成兩足行走機(jī)器人兩腿間持續(xù)左右腳交替行走的動作了。
圖4.3 激活循環(huán)控制
結(jié) 束 語
兩足步行機(jī)器人是個廣泛應(yīng)用在教學(xué)、科研、比賽和娛樂等方面的機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、控制科學(xué)、計算機(jī)、數(shù)學(xué)等于一體。本文根據(jù)當(dāng)前兩足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的處理器和操作系統(tǒng)各自的特點，選用8 位AVR微處理器，指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，速度快，控制精度高、I/O口驅(qū)動能力更強(qiáng)，優(yōu)于AT51、STC51系列單片機(jī)。并對兩足步行機(jī)器人進(jìn)行了運動學(xué)分析和靜態(tài)步行設(shè)計，實現(xiàn)在機(jī)器人在平面上的穩(wěn)定行走。
在本設(shè)計課題中，我及我們小組，基本完成了兩足行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，也理論上完成了機(jī)器人的控制系統(tǒng)，但是由于選擇的較為有難度的17自由度機(jī)器人，所以對于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的選用材料、平衡力學(xué)處理、控制系統(tǒng)處理器等客觀條件有了更高的要求。在本課題中，由于條件有限，我們沒有使機(jī)器人在地面上實現(xiàn)兩腿交替運動。在我負(fù)責(zé)的控制系統(tǒng)這一塊中，我理論設(shè)計了一套控制方案，我使用的是核心為8位的AVR微處理器控制器，在設(shè)計過程中就發(fā)現(xiàn)的它的缺陷，由于我們設(shè)計的17自由度機(jī)器人，也就是有17個微型直流伺服電機(jī)，相應(yīng)的要同時提供17路的PWM脈沖信號，這就對處理器有了比較高的要求，而這時8位處理器則達(dá)不到使用要求。所以該課題在以后還有很多要進(jìn)一步改進(jìn)和研究的地方：
(1) 機(jī)器人使用更為先進(jìn)的處理器，如表2.1中的ARM系列處理器和PC104, PowerPC等單板計算機(jī)。
(2) 機(jī)器人腳底安裝力傳感器，用來感知機(jī)器人腳和地面接觸時的受力情況，使用ZMP理論對機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)控制。
(3) 機(jī)器人增加視覺系統(tǒng)，使機(jī)器人可以識別簡單的目標(biāo)。桌面型的兩足機(jī)器人由于受到體積和成本的限制，大多不具備視覺系統(tǒng)或只有很簡單的視覺系統(tǒng)。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，桌面型的兩足機(jī)器人也會具有復(fù)雜的視覺系統(tǒng)。這在足球機(jī)器人中尤其重要。
致 謝
本文的研究工作是在劉艷老師的精心指導(dǎo)下完成的。在整個課題研究過程中，老師在各方面給予了我無盡的關(guān)心、幫助和教誨，使本論文的研究工作得以順利完成。老師學(xué)識淵博，經(jīng)驗豐富，思維敏捷，時時給我熱情的鼓勵和不倦的教誨，在研究思想和研究方法上給了我諸多啟示，解答了許多難題，從課程學(xué)習(xí)、論文選題、課題研究到論文撰寫無不凝聚著老師們的心血和汗水。老師待人誠懇，心胸寬大，精深的知識令我受益匪淺。在此向劉艷表示無盡的感謝，同時此課題能夠順利完成也離不開同學(xué)給我的幫助和指導(dǎo)，在此也特別向他們表示深深的謝意！
參 考 文 獻(xiàn)
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