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双足机器人技术设计摘要：双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计双足机器人最基本的和首要的工作。本文根据项目规划和控制任务要求，按照从总体到部分、由主到次的原则，设计了一种适合仿人双足机器人控制的机构。文章首先从机构的设计目标出发，制定了总体设计方案，再根据总体方案进行了关键器件的选型，最后完成了各部分机构的详细设计工作。最终的机构在外型上具有仿人的效果，在功能上完全满足电气各部件机载化的安装要求。关键词：载体；设计方案；控制1 引言双足机器人机构设计是机器人研制开发的首要问题。我们根据项目整体机构高度、重量、总自由度数、自由度的布局、以及整体机构最终要达到的步幅和步速的要求，首先确定了双足机器人机构的整体设计方案，其次根据研制进度的需要，按重要程度由高至低分步地进行了机构的设计、加工、装配和调试，直到满足设计要求。2 机构总体设计方案针对项目根据实际拟订目标，结合我们所学知识，从仿人外形和仿人运动功能实现，首先确定了双足双足机器人自由度。双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足双足机器人最基本的和首要的工作。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，因此自由度的配置必须合理。首先分析双足机器人的运动过程(前向)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。从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髋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，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。另外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。这样，每条腿配置6个自由度，两条腿共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；髋关节和踝关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。提出了机构的总体设计图，仿人双足机器人机构自由度如图（1），其下肢共计12个自由度。其中：每条腿包括髋部前、侧向、转动各1自由度，膝部前向1个自由度，踝部前向、侧向各1个自由度，其中髋部3个自由度完全正交，踝部2个自由度完全正交。图（1） 机构自由度分布图1234563 机构设计双足机器人机构设计中关节轴系的结构设计必须紧凑，传动精度高，效率高，并保证提供必要的输出力矩和输出速度，以满足机构动态步行运动速度和承载能力。在上述机构的总体设计方案制定后，我们对机构中关键器件进行了选型，主要包括轴系电机、传动杆件等，为此我们根据轴系对运动实现的重要性把机器人所有轴系分为两类：主要轴系和次要轴系。主要轴系包括下肢所有轴系，它们涉及双足机器人基本运动功能的实现问题，因此是本项目机构设计的核心问题，其基本元件和结构方式必须首先确定下来才能展开以此为核心的机构设计和机加工工作。3.1动力源的选择 目前市场上，有很多种电动机向机器人提供能源：直流电机、交流电机、步进电机、伺服电动机。由于双足双足机器人要求的精度要求比较高，而交直流电机通电就转，断电就停，比较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，但它本身是一个开环系统，精度达不到要求。因此，本文选择使用伺服电动机。在本文中使用的是价格比较便宜的伺服电动机-舵机，如图（2）。舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中，飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。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(PWM)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。主要轴系舵机的参数及性能: 图（2） MG995全金属齿轮13公斤大扭力舵机技术参数:尺寸：40mmX20mmX36.5mm重量：62g技术参数：无负载速度0.17秒/60度(4.8V) 有负载速度0.13秒/60度(6.0V)扭矩：13KG使用温度:-30+60摄氏度死区设定:4微秒工作电压:3.0V-7.2V3.2 机构具体设计在上述机构总体设计方案和关键轴系器件确定后，我们对整体机构进行了由主到次的具体设计，其中包括下肢承载平台即下体机构设计、躯干机构设计、控制安装空间的设计，下面对这些工作进行具体的说明。1.下体机构设计下肢关节轴系结构设计，一般考虑的主要因素包括三个方面，其一是轴系最大驱动力矩要求，其二是轴系的结构强度和运动速度要求，其三是轴系的重量限制。在本项目中。下肢轴系一方面需要提供足够的力矩和结构强度才能实现对本身和上体的承载，另一方面要达到足够的运动速度才能使机器人整体步行速度达到要求。因此，设计下肢关节轴系时，上述三个因素需要着重考虑，即在保证所需强度、驱动力矩、运动速度下，在重量、结构和尺寸上进行优化。在整个下肢的结构设计中，我们摈弃了以往的关节串行链接的模式，通过传动杆件及轴承的搭配传动，在实现灵活自如的同时，使得多轴关节完全正交，其中包括踝部的前向与侧向关节完全正交，髋部的前向、侧向、转动三个关节完全正交。在各个关节处采用连动杆件及轴承加固。考虑到舵机的承载能力，我们尽量减轻构件的重量。采用钢铝结合的方案，其中脚底板和腰部连接构件采用铝结构，腿部连结构件采用钢架结构。这样很好的利用了钢的硬度，和铝的重量轻的优点。另外,我们还利用舵机本身的长度作为杆件做了进一步的设计，从而达到了设计的要求和重量的轻便。2.躯干机构设计躯干在双足机器人中不仅仅起到连接下肢、上肢和头颈部分的作用，而且要为控制部件设备提供安装空间。在本项目中下肢部分的大功率轴系、无线控制器、运动控制器、无线遥控监控器以及锂离子电池组等都需要安装在机器人躯干部分，因此我们以塑料为材料，将躯干设计为一个中空的腔体，内部设计有支撑板，一方面保证腔体的结构强度，另一方面提供上述机载设备的安装构架，同时为了机载设备的维护更换方便，我们将躯干外围板筋设计成为各方可以自由装卸的组合形式。3.机载安装空间设计电气机载化安装是本项目的主要目标之一。因此在机构的设计中，机载电源子系统和控制子系统的机载安装空间和机载载荷平衡问题必须周到考虑。一方面我们尽量提高机载部分集成度，减轻机载部分重量。另一方面采用模块化分散化的设计原则和安装方式，尽量利用零散的机载空间。在机器人躯干部分的设计中，其内腔均设计为机载安装空间，为了今后的维修时便于拆卸，为此我们设计了针孔插拔装置。将运动控制器、电源变换模块、无线通讯模块、与控制模块以及接线端子连接器合理的布置在机载空间内。下肢轴系设计模块化后，采用板筋结构连接各个轴系组成整个下肢，轴系间板筋围成的空间作为下肢轴系底层功率驱动器的机载空间。3.3 机构设计结果“漫步者”双足机器人整体身高45cm，整机重量(包括机载设备)约1.5kg，机构共具有13个自由度：每条腿包括3个前向自由度、2个侧向自由度和1个转弯自由度。其中，脚踝2个自由度前后与左右；膝关节1个自由度前后；髋关节3个自由度前后，左右与旋转；头部1个自由度左右。机器人外形如图（3）:前视图 后视图 左侧视图 右侧视图 图（3）表1 双足机器人各个参数（单位：cm）头部躯干髋宽大腿2121514小腿脚踝脚掌外侧总身高1251045表2 双足机器人自由度分布表头头1 DOF腿髋关节3 DOF膝关节1 DOF踝关节2 DOF总计12 DOF表3 行进技术参数表步态步幅步速抬脚高度前进7cm6步/分2cm主要性能如下：(1)机器人本体和控制系统融为一体，双足机器人体重(包括控制器、电源、舵机，杆件等)大约为1.5kg，系统集成度大大提高。其控制部分，包括供电系统都集成在机器人体内，这种结构比较容易包装，外观上更接近人型，有利于电机的保护，系统的集成度大大提高，可实现无缆行走；(2)新型机构设计。使用连动杆件与轴承的配合，内外加固，钢铝结合的方法，这样既减轻了关节连杆的重量，确保了关节运动的灵活性，为步态的规划带来了方便，同时整个机器人的外观也更美观了；(3)关节运动范围很大，膝关节的运动范围达到100度，一般关节的运动范围都不小于60度；(4)整个控制系统采用计算机无线控制，编译的程序通过计算机来控制各个舵机的配合；(5)在机构的设计中，重量一直是我们控制的一个重要指标，我们最终完成的双足机器人机构总重约1.5kg，达到预期的控制目标。其中单腿约500g，躯干（包含控制部分）约500g，其中机载电源约130g，机载控制部分约200g ，纯躯干约170g。12个舵机的总重量744g，零部件约256g。在整个重量结构中，机载电源部分所占比重比较大，我们采用了锂离子电池，它不仅重量比起氢电池小了许多，还有输出电流较大的优点。我们在确定双足机器人机构总体自由度数量、自由度布局、主要轴系设计方案和机载安装空间的要求后，对整体结构进行了全面的设计、加工、装配及调试，完成了一套较为完整的双足机器人机构，完全实现了预期的目标要求。多次实验证明，该机构不仅在外形上进一步实现了仿人的效果，而且结构灵活，承载力强，完全可以满足机器人的运动要求。4 控制部分4.1控制系统总体结构控制系统总体结构选用上位机+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溜冰动作。相应的，下位机主要由完成串口通信、数据的调度和舵机驱动模块构成。 4.2 控制系统硬件设计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12V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7806芯片进行供电。2.控制芯片运动控制器的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。单片机采用Atmel公司的ATmega8AVR单片机，它是8位的高性能嵌入式控制器,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个可编程定时器、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，本设计还扩展了一片8k8位的外部存储芯片2864。运动控制器采用一片AVR的单片机实现了PWM的产生。由于AVR具有他特有的并行处理能力和大量的IO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。3.串行通信串行通信模块主要用于ATmega8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, ATmega8单片机上的串行接口是TTL电平，在RS-232与TTL电平通信时,需要电平转换，因此，设计时利用MAX232芯片来作电平转换。4.无线传输模块无线传输采用RS-232串口无线传输模块，主要目的是采用无线连接的方式来代替计算机和运动控制器之间的有线连接，从而通过计算机无线遥控机器人的行进等动作。4.3 控制软件界面功能：控制按钮操作界面中可以看到含有前进、后退、左转、右转、蹲下、踢球等功能键，它们可以控制机器人的行走等动作。在界面的右上角部分是控制机器人各个舵机的调试部分。在发送和接受界面里分别可以显示计算机发出的指令和机器人接受的指令。在SETUP中可以设置串口，比特率等参数。我们根据舵机的相关内容进行编程，在Microsoft.V中进行控制。通过MScomm控件实现计算机控制串口。m_Com.SetOutput(COleVariant(hexdata); 这条指令就可以让计算机给串口发出指令，信息。在调试的过程中还利用运动控制器软件搭配使用。如图（5）（6）（7），通过这些界面就可以完成机器人的调试，运行和发出指令，实现机器人的前进后退左右转等功能。（5）VC+.net语言开发界面（7）控制按钮操作界面5 关节调试在机构加工基本完成、电路正常工作的基础上，我们开始对新型机构进行实验调试。调试实验时,首先进行单关节调试，这一步无任何问题后进行关节的组合调试，在此基础上进行基本的步态试验。1.单关节调试 首先进行的是单关节调试，单关节调试的目的有3个：(1)测试各关节功放电路、控制电路及机构是否工作正常；(2)关节磨合及死区测量；(3)测量各关节实际运动范围； (4)标识各关节运动正向；(5)测试各关节能够准确调到零位；(6)测试各关节的实际最大工作空间。2.关节组合调试。在单关节调试完成之后，进行关节组合调试。包括侧向关节的组合调试、前向关节的组合调试及测向关结合和前向关节的组合调试。之所以对机构进行组合调试，是基于以下几点考虑的：(1)单个关节已经调试通过，我们还不清楚各关节之间能否有效地配合起来；(2)供电部分在能够有效的支持单电机工作的情况下，能否同样支持多关节同时工作；(3)组合调试可以检验关节的实际输出力矩是否能够保证机构的稳定步行；(4)无论从编程实现，还是控制方案实施来看，组合调试可以发现一些隐藏的问题，及时加以解决，便于下一步实验的进行，同时可以给调试人员积累一些调试经验，为进一步调试打下基础。我们先进行侧向关节组合调试，我们设计了左右侧扭的动作来检验侧向关节。实施方案是保持各正向关节不运动，侧向踝关节、侧向髋关节运动，即机器人做左右摇摆的动作。通过实验得出以下结论：机器人能够按预定的方案有节奏地进行左右摆动，侧向关节组运动正常。 在侧向关节调试完毕之后，进行的是前向关节组合调试，拟定实施的方案为：机器人进行悬挂状态下的原地踏步运动。这时每条腿运动只需用到3个前向关节，即前向踝关节、膝关节、前向髋关节。通过机器人悬挂踏步实验，得出以下结论：(1)机器人的前向运动关节能够很好地配合起来；(2)按照理论规划的数据在加以简单的修正之后能够达到一个比较好的效果；(3)前向关节能够提供足够的力矩以驱动机体运动。 通过侧向关节和前向关节的组合调试，我们清楚了各关节的工作情况，前向关节、侧向关节都