雙足步行機(jī)器人下肢最小機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

印元軍，郭效廷（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京　211106）

雙足步行機(jī)器人下肢最小機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

印元軍，郭效廷
（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京211106）

0　引言

世界著名的機(jī)器人專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能?！边@是因?yàn)?，步行有其他移動方式所無法比擬的優(yōu)越性。目前，機(jī)器人的移動方式根據(jù)不同的應(yīng)用需求主要分為輪式、履帶式、步行等方式，其中步行機(jī)器人主要包括雙足、四足、六足和八足機(jī)器人等。與其他步行機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人具有更高的靈活性和獨(dú)特的優(yōu)勢。

雙足步行機(jī)器人研究的難點(diǎn)之一是下肢機(jī)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了一款雙足步行機(jī)器人的研究平臺，此平臺為雙足步行機(jī)器人的最小系統(tǒng)，是一個(gè)6自由度的下肢結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)此平臺的目的有三個(gè)：一是用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為初學(xué)者提供一個(gè)入門級的平臺；二是基于此平臺開發(fā)適合雙足競步的比賽用機(jī)器人，三是熟悉雙足步行機(jī)器人的運(yùn)動控制原理，為設(shè)計(jì)更多自由度的自主智能雙足步行機(jī)器人打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1　機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1布置對稱性

步行運(yùn)動中普遍存在結(jié)構(gòu)對稱性。Goldberg等人研究了步行運(yùn)動中的對稱性，發(fā)現(xiàn)機(jī)身運(yùn)動的對稱性和腿機(jī)構(gòu)的對稱性之間存在相互關(guān)系。在單足支撐階段，對稱性的機(jī)身運(yùn)動要求腿部機(jī)構(gòu)是對稱的；在雙足支撐階段，機(jī)身對稱性運(yùn)動未必需要腿部機(jī)構(gòu)的對稱性，除非有額外的約束條件。根據(jù)這一點(diǎn)，我們在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也采用了對稱性布置。

1.2結(jié)構(gòu)件

結(jié)構(gòu)件的形狀的大小主要影響機(jī)器人的整體尺寸及重心的高低。結(jié)構(gòu)件采用1.5mm的鋁合金（LY12）鈑金材料，這種材料重量輕、硬度高。結(jié)構(gòu)件主要有舵機(jī)支架、U型支架、L型支架、U型梁、腳板等，其中舵機(jī)支架大小與MG996R舵機(jī)尺寸相符，使得舵機(jī)的活動范圍符合各關(guān)節(jié)的活動需求。組裝后機(jī)器人高250mm，腿寬125mm，腳寬155mm，這樣降低了重心，有助于提高行走速度。

2　動力源選擇

目前市場上，有不少電機(jī)可以向機(jī)器人提供動力?？刂朴玫碾姍C(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)和伺服電動機(jī)。由于雙足步行機(jī)器人要求的精度比較高，步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，精度達(dá)不到要求。因此，我們使用的是價(jià)格比較便宜的伺服電動機(jī)，即舵機(jī)。舵機(jī)體積緊湊，穩(wěn)定性好，控制簡單，大大簡化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，降低了成本，本文設(shè)計(jì)的雙足步行機(jī)器人選用了MG996R舵機(jī)作為動力源，它具有大扭力的金屬齒輪，運(yùn)行順滑，噪音小等特點(diǎn)，舵機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1　MG996R舵機(jī)的相關(guān)參數(shù)

3　控制單元

控制板芯片使用功能強(qiáng)大的增強(qiáng)型51單片機(jī)STC12C5A60S2，兼容傳統(tǒng)的51單片機(jī)，但是它與傳統(tǒng)51相比，在速度性能與資源方面都有了很大的提升?？刂瓢灏藛纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)及16路舵機(jī)控制，是一款可以用來學(xué)習(xí)、編程、二次開發(fā)的開發(fā)板?？刂瓢宀捎酶咚俚膍iniUSB直接與上位機(jī)相連，上位機(jī)向控制板發(fā)送指令，控制舵機(jī)工作，指令格式如下：

#（舵機(jī)號）P（脈沖寬度）……#（舵機(jī)號）P（脈沖寬度）T（移動時(shí)間）！

其中：

舵機(jī)號：1～16

脈沖寬度：500～2500，對應(yīng)角度0～180度

移動時(shí)間：從現(xiàn)在位置移動到指定位置所需的時(shí)間，單位ms，時(shí)間越短舵機(jī)反應(yīng)越快，但過快舵機(jī)則反應(yīng)不過來，一般在定在100ms以上。當(dāng)時(shí)間小于等于100ms時(shí)，舵機(jī)以最快的速度轉(zhuǎn)動。

例如：#1P1500T200！

表示讓第1路舵機(jī)移動到1000us脈寬的位置，即90度，使用的時(shí)間為200ms。

例如：#1P500#2P1000#3P1500T300！

表示讓第1路，第2路和第3路分別移動到500us脈寬，1000us脈寬，1500us脈寬的位置上，即0度，45度，90度，使用的時(shí)間均為300ms。

每執(zhí)行完一行，控制器返回一個(gè)應(yīng)答信號‘N’，方便用戶使用單片機(jī)控制。

4　電源

為了避免舵機(jī)的電源產(chǎn)生的電壓波動對控制電路干擾，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定，控制芯片與舵機(jī)電源需要隔離，即分開供電。控制電源使用7.4V鋰電池供電，舵機(jī)部分需要通過降壓芯片將電源降至6.4V左右，以保證舵機(jī)正常工作。

舵機(jī)驅(qū)動芯片的上VSS和GND給芯片供電，VS 和GND給舵機(jī)供電，GND共用，如圖1所示。

圖1　供電單元設(shè)計(jì)

5　自由度確定

人類的身體有四百多個(gè)自由度，用機(jī)械系統(tǒng)模擬這么復(fù)雜的系統(tǒng)可能性不大，必要性也不大，但是雙足機(jī)器人應(yīng)該要實(shí)現(xiàn)人的一些基本動作，例如步行、爬樓梯、轉(zhuǎn)彎等。因此，機(jī)器人的關(guān)節(jié)選擇、自由度的確定是很有必要的。自由度越少，其結(jié)構(gòu)、控制就越簡單，但功能也越少；自由度越多，其結(jié)構(gòu)、控制就越復(fù)雜，但功能也越多。

自由度的配置需要從機(jī)器人的行走環(huán)境、步態(tài)等方便考慮。首先分析一下步行機(jī)器人的運(yùn)動過程 （前向）和行走步驟：重心右移（先右腿支撐）、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個(gè)階段。根據(jù)運(yùn)動過程最少需要考慮三個(gè)關(guān)節(jié)，即髖、膝、踝，其中髖關(guān)節(jié)主要負(fù)責(zé)腿部整體運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)邁步及上軀的前傾、后仰；膝關(guān)節(jié)主要負(fù)責(zé)小腿的運(yùn)動，用于調(diào)整重心高度、腳掌著地高度及角度；踝關(guān)節(jié)與軀體重心的移動、腳掌著地角度及行走功能有關(guān)。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的是一個(gè)雙足步行最小系統(tǒng)，實(shí)際是個(gè)6自由度的下肢結(jié)構(gòu)，每條腿3個(gè)自由度，具體配置如圖2所示。

圖2　下肢關(guān)節(jié)自由度

6　運(yùn)動控制研究

雙足步行機(jī)器人步態(tài)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于是機(jī)器人在步行過程中保持自身的平穩(wěn)性。目前世界上大多數(shù)雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)都采用ZMP（Zero Moment Point）作為穩(wěn)定行走的判據(jù)，只要ZMP落在一定的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，那么雙足步行機(jī)器人就可以保持平衡。這里的穩(wěn)定區(qū)域是指由支撐腳掌所組成的多邊形區(qū)域在水平面上的投影。在單腳支撐期，這一多邊形區(qū)域投影就是支撐腳的腳底板面；在雙腳支撐期這一多邊形區(qū)域投影為兩支撐腳底板觸地點(diǎn)所構(gòu)成的最大區(qū)域，如圖3所示。

這種多邊形區(qū)域被稱之為支撐多邊形，ZMP與支撐多邊形直接有著很重要的關(guān)系，即ZMP始終位于支撐多邊形之中。基于ZMP的雙足步行機(jī)器人運(yùn)動平衡控制就是力求ZMP在支撐多邊形之內(nèi)，以保證機(jī)器人的平衡。當(dāng)人靜止站立時(shí)，ZMP與重心投影點(diǎn)重合，在這種情況下，如果重心投影點(diǎn)嚴(yán)格的落在支撐多邊形之內(nèi)，那么人就能保持平衡。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動時(shí)，只要保證ZMP不處于支撐多邊形外面就能保證機(jī)器人平衡。

圖3　支撐多邊形

7　結(jié)語

此設(shè)計(jì)讓筆者對雙足步行機(jī)器人有了一個(gè)初步的認(rèn)識，其研究過程跟以前接觸的輪式機(jī)器人有著很大的差別，它讓我對雙足步行機(jī)器人的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，雖然我們僅僅實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎等一些基本動作，但是這樣的研究過程讓我積累了很多經(jīng)驗(yàn)和信心，后續(xù)需要對雙足步行機(jī)器人的穩(wěn)定性、平衡性、易調(diào)性、可擴(kuò)展性、抗干擾性等方面作進(jìn)一步的研究，優(yōu)化行走算法，開發(fā)具有更多自由度的自主智能雙足步行機(jī)器人。

［1］譚冠政，朱劍英，尉忠信.國內(nèi)外兩足步行機(jī)器人研究的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.機(jī)器人，1992，14（3）：61-66.

［2］劉延柱.雙足步行運(yùn)動的動態(tài)穩(wěn)定性，生物力學(xué)進(jìn)展［A］.第四屆全國生物力學(xué)會議，烏魯木齊，科學(xué)出版社.1993：12-15.

［3］周華平，馮金光.仿人步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.電測與儀表，2005，42（2）：9-12.

Biped Walking Robot；Lower Limb Agency；Minimum Agencies

Design and Implementation of Biped Walking Robot Lower Limb Minimum Agencies

YING Yun-jun，GUO Xiao-ting
（Zhengde Polytechnic College，Nanjing 211106）

1007-1423（2015）23-0077-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.23.019

印元軍（1980－），男，碩士，教師，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、嵌入式開發(fā)

2015-06-04

2015-07-28

設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單的雙足步行機(jī)器人，在此基礎(chǔ)上對雙足步行機(jī)器人的步行機(jī)理、步行參數(shù)及運(yùn)動控制進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)自主智能雙足步行機(jī)器人打下基礎(chǔ)。

雙足步行機(jī)器人；下肢機(jī)構(gòu)；最小機(jī)構(gòu)

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目

郭效廷（1995－），男，?？?，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用

Designs a simple structure of biped walking robot，on this basis to study the biped walking robot walking mechanism，walking parameters and motion control，and lays the foundation for the design of autonomous intelligent biped walking robot.