摘  要： 采用模塊化的設(shè)計思想,，設(shè)計了一個可靠的低價格雙足機(jī)器人平臺。首先簡化機(jī)器人的空間運(yùn)動和受力,，通過分析和求解,，得到與機(jī)器人平衡相關(guān)的各個關(guān)節(jié)的位移、角度等變量的關(guān)系,；用C語言在CodeVsionAVR編譯器下開發(fā)程序,，選用1片ATmega128單片機(jī)來實時控制20個伺服舵機(jī)，并達(dá)到微秒級的控制精度,。最終實現(xiàn)了兩足仿人機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)平穩(wěn)運(yùn)動,。

　　關(guān)鍵詞： 兩足仿人機(jī)器人；模塊化,；單片機(jī),；控制精度

0 引言

　　機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬[1],。雙足仿人機(jī)器人具有仿人的外形和步行方式,，行走系統(tǒng)占地面積小，活動范圍大[2],，移動“盲區(qū)”小,，對步行環(huán)境要求低且具有一定的逾越障礙的能力，這些特點受到了各方的廣泛關(guān)注,，成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點,。兩足仿人機(jī)器人運(yùn)動過程中的行走和對機(jī)器人的控制是研究的重點和難點。雙足步行是生物界難度最大的步行動作,，但其步行性能卻是其他步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的,，因此雙足步行是雙足仿人機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。穩(wěn)定的步行是雙足仿人機(jī)器人區(qū)別于其他機(jī)器人的主要標(biāo)志,。本文研制了一種雙足仿人機(jī)器人,，通過對機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，使其能夠在平地上實現(xiàn)穩(wěn)定行走,。

1 整體設(shè)計思想

　　雙足機(jī)器人在行走過程中,，其運(yùn)動的平穩(wěn)性受重力、運(yùn)動機(jī)構(gòu)的慣性,、軟硬件設(shè)計等綜合因素的影響,。為提高其穩(wěn)定性，簡化設(shè)計思路,，雙足機(jī)器人的設(shè)計采用了模塊化的設(shè)計方法[3],。雙足機(jī)器人的設(shè)計主要分為3個模塊：結(jié)構(gòu)運(yùn)動模塊、硬件電路模塊,、軟件程序設(shè)計模塊,。整體設(shè)計思路如圖1所示。

2 雙足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　雙足機(jī)器人的運(yùn)動與人類的運(yùn)動方式類似,，是通過腳與地面接觸來推動機(jī)體移動,。一個步行周期基本上可以分為4個狀態(tài)，如圖2所示,。

　?。?）兩腳著地，機(jī)器人的重量平分在兩條腿上,。

　?。?）兩腳著地，機(jī)器人的重心往一條腿上偏移,，重量集中在一條腿上,。

　?。?）單腳著地，機(jī)器人的一條腿空起,，準(zhǔn)備跨步,。

　　（4）雙腳落地,，機(jī)器人的重心從一條腿偏移到兩條腿中間,，兩條腿受力均勻。

　　式（1）和式（2）中,，m1,、m2,、m3分別為L1,、L2、L3的質(zhì)量,，L1,、L2、L3,、L4為已知條件,，需要求出的關(guān)系。由于機(jī)器人運(yùn)動過程中存在慣性,，使計算復(fù)雜,，需要依據(jù)以上理論關(guān)系結(jié)合實驗，用軟件進(jìn)行調(diào)試,。

　　左腿把重心前移的情況如圖4所示,。

　　LsinC1+2LcosB1=H（3）

　　A1=B1（4）

　　S1=2LsinA1（5）

　　其中，H和L已知,，S1為重心前移的距離,，由式（3）、式（4）,、式（5）可以求出：

　　B1=A1（6）

　　C1=arccos（H-2LcosB1）×180°/π（7）

　　機(jī)器人右腿運(yùn)動情況與左腿運(yùn)動類似,。

3 硬件電路設(shè)計

　　機(jī)器人采用ATmega128單片機(jī)[4]作為主控制芯片。ATmega128有64個引腳,，53個可編程I/O口,，具有處理速度快、功能齊全的特點,。各執(zhí)行部件采用伺服舵機(jī)實現(xiàn),，具有體積緊湊、輸出力矩大,、穩(wěn)定性好等特點,。其控制原理圖如圖5所示。

4 軟件設(shè)計

　　在機(jī)器人動作的過程中，最為關(guān)鍵的是保持重心的位置,。為保持機(jī)器人運(yùn)動時的平衡,，采用HENG1[60]、HENG2[100],、HENG3[60],、HENG4[60]、HENG5[20],、HENG6[20] 6個一維數(shù)組調(diào)整機(jī)器人在運(yùn)動過程中的重心位置,，控制程序的流程圖如圖6所示。

　　伺服舵機(jī)I/O控制口為PA口,、PD口和PC口的低四位口,，程序設(shè)計如下：

　　Void robot_duoji（unsigned char label，unsigned char anglex）

　　{switch（label）

　　{case 11：angle11=anglex,；break,；

　　case 12：angle12=anglex；break,；

　　case 13：angle13=anglex,；break；

　　…

　　}

　　}

　　通過ATmega128單片機(jī)的定時器1實時精確產(chǎn)生20個伺服舵機(jī)的10 s PWM波,，單片機(jī)每10 s中斷一次,，每中斷一次angle自加1，加到255后又從0開始自加1,，如此循環(huán),。angle完成一次自加的周期是2.55 ms。用angle與angle（x）比較,，如果angle<angle（x）,，則對應(yīng)端口輸出高電平，否則輸出低電平,。程序設(shè)計如下：

　　interrupt[TIM1_OVF]void timer1（void）

　　{

　　TCNT1H=0xff,；

　　TCNT1L=0xec；

　　angle++,；

　　if（angle<angle11）

　　PORTA|=0x01,；

　　else

　　PORTA&=0xfe；

　　…

　　}

5 結(jié)束語

　　通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析與電路的仿真設(shè)計,，完成了雙足機(jī)器人的設(shè)計,。采用模塊化的設(shè)計方法，以及合理的程序結(jié)構(gòu)和機(jī)械部件,，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,，且具有較好的穩(wěn)定性,、可靠性，較好地實現(xiàn)了雙足機(jī)器人的直線行走動作,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,，1995.

　　[2] 毛勇，王家廞,，莊新彥,，等.基于氣動人工肌肉的雙足機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006,，32（3）：78-80.

　　[3] 董存輝,，擺玉龍，柴乾隆.基于模糊控制的自主尋跡機(jī)器人設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2012,，38（5）：139-141.

　　[4] 劉蘭香，張秋生.ATmega128單片機(jī)應(yīng)用與開發(fā)實例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,，2006.