舵机驱动仿生四足机器人设计

·66·机器人技术机械2011年第02期总第38卷———————————————收稿日期：2010－09－20作者简介：林德龙（1983－），福建莆田人，硕士研究生，主要研究方向为多足步行机器人技术、虚拟样机技术和机器人仿生控制。舵机驱动仿生四足机器人设计林德龙（西南科技大学机器人技术及应用四川省重点实验室，四川绵阳621010）摘要：四足机器人是模仿动物的运动机理，实现不同环境下的适应性行走。电机驱动相比液压或气压驱动，有能量传递方便，信号传递迅速，标准程度高的优点，成为机器人驱动的主流选择。针对四足机器人多自由度运动的特点，提出了一种舵机驱动控制机器人实现所规划的行走步态的有效方法。即采用模块化设计了舵机驱动四足机器人，其中包括控制系统软硬件的设计、传感器的应用以及机器人的步态规划。实验证明此种方法能实现良好的行走稳定性。关键词：四足机器人；舵机驱动；模块化设计；步态规划中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1006－0316(2011)02－0066－04Servo-drivenbionicquadrupedrobotdesignLINDe-long(SichuanProvinceKeyLaboratoryofRobotTechnology&Application,SouthwestUniversityofScience&Technology,Mianyang621010,China)Abstract：Quadrupedrobotsareimitatinganimals’mechanisms;realizetheadaptabilityofwalkingindifferentenvironments.Motordrivehaveadvantagesofenergytransferconvenient,signaltransformquickly,highlevelstandard,thanhydraulicorpneumaticdrive,becomethemainstreamofdriver.Duetomorefreedommovementcharacteristicsofquadrupedrobot,thispaperputsforwardaeffectivemethodofakindofservodrivecontrolstherobottoachieveplannedwalkinggait.Themodulardesigntheservo-drivenquadrupedrobot,includingsoftwareandhardwaredesignofcontrolsystem,theapplicationofsensorandrobot’sgaitplanning.Experimentprovesthismethodcanachievegoodstabilityofwalking.Keywords：quadrupedrobot；servodrive；modulardesign；gaitplanning在地球表面，多为崎岖不平的地面，仅仅依靠轮式机械无法完全实现在这些自然环境中行走。因此，设计和制造一种类似动物能够适应各种不平地面和恶劣环境的机器人，一直以来是人类追求的目标。正是基于此，使得仿生足式机器人的研究成为机器人研究领域的热点之一。其中四足机器人由于既有超过二足机器人的平稳性又避免了六足机器人机构的冗余性和复杂性，在工程探险、反恐防爆、军事侦察等领域具有良好的应用前景，开展该方面的研究具有重要的实际应用价值及社会意义[1]。机械2011年第02期总第38卷机器人技术·67·1本体设计四足机器人单腿设置髋关节、膝关节两个自由度，能在一个平面内自由运动。采用舵机作为机器人的关节驱动器。为了便于步态规划，设计上下肢L1、L2长均为65mm。机身用铝合金框架。每只脚底均安装一个光电接触式传感器，能有效检测脚底环境的变化。头部转动也安装有舵机，携带光电反射式传感器，能探测前方180°半径750mm内的障碍物。2控制系统设计为了使机器人能灵活地搭载各种传感器，将底层驱动单元与上层步态算法平台分开。因为四足机器人的各关节均为舵机驱动，特设计了16路舵机驱动器作为底层驱动单元，用来驱动机器人全身各关节。并设计了上层算法平台，将各关节参数通过通用同步/异步收发器（USART，UniversalSynchronousAsynchronousReceiver/Transmitter）实时地发送到底层驱动单元。图1为系统框图。图1系统框图2.1驱动单元设计图2给出了舵机的工作原理框图，电动机驱动减速齿轮组，并带动一个线性的电位器作位置检测，控制电路将反馈电压与输入的控制脉冲信号比较，产生的偏差驱动直流电动机正向或反向转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符。针对舵机这一特性，设计底层驱动器的系统结构图如图3所示[2]。Mage8的16位定时器分时产生16次定时中断，中断子程序产生移位脉冲，通过4N25光偶隔离输入到移位寄存器，实现各路脉冲宽度调制（PWM，PulseWidthModulation）信号高电平部分的分时产生[3]。图4为定时产生脉冲的中断处理流程，图5例举了产生4路PWM信号的波形图。实际电路原理图如图6所示。图2舵机工作原理框图图316路舵机驱动器结构图图4定时中断服务流程74HC595Q1端ATmega8输出74HC595Q2端74HC595Q3端74HC595Q4端图5产生4路PWM的波形信号·68·机器人技术机械2011年第02期总第38卷2.2平台的设计四足机器人要求对各个关节实施快速准确的位置控制，因此对控制系统提出了较高的要求：（1）具有大量数据存储能力用来存储大量的步态数据；（2）实时地采集、处理传感器的数据，以便在控制系统的信号综合中使用；（3）具有良好的控制结构和接口，便于高层控制软件的开发；（4）有一定的预留接口、良好的兼容性和扩展性，以便进行功能扩展和二次开发。图616路舵机驱动原理图根据以上要求，采用ATmega16作为控制核心，将规划好的步态参数存入单片机，单片机根据定时器产生的时钟将相应关节数据发送到底层驱动单元。同时单片机通过传感器返回的信号感知周围环境，并及时对运动状态进行调整。3步态参数化设计3.1轨迹规划为了使机器人行走平稳，要求足底轨迹有二阶光滑度，即有二阶连续导数。采用三次样条插值曲线即可满足上述条件。设步长λ＝40，摆动腿离地最高H＝20，可求得膝关节的轨迹函数y＝f(x)：3233323320(260810)[20,0]810()20(260810)[0,20]810xxxfxxxx⎧−+−×∈−⎪⎪×=⎨⎪−−+−×∈⎪×⎩（1）由膝关节的轨迹函数可得膝关节关于时间的函数：111()2()(())txtTytfxtλλ⎧=−⎪⎨⎪=⎩（2）式中：λ为步长。髋关节关于时间的函数：22()2()ktxtTytHλ⎧=⎪⎨⎪=⎩（3）式中：Hk为髋关节离地高度，取122.6mm。由MATLAB仿真得到图7～图9。由以上仿真结果可知，在行走过程中机12P9J_SPK123456P7Header6M_XT1M_XT2C320PC420PY114.7MHzGND12345678P5Header812345678P2Header812345678P6Header812345678P4Header812345678P1Header812345678P3Header865421U64N2565421U44N2512U3A74LS04SER14SRCLK11SRCLR10RCLK12E13O015O11O22O33O44O55O66O77Q79U174LS595SER14SRCLK11SRCLR10RCLK12E13O015O11O22O33O44O55O66O77Q79U574LS595(RESET)PC61PD0(RXD)2PD1(TXD)3PD2(INT0)4PD3(INT1)5PD4(XCK/T0)6VCC7GND8PB6(XTAL1/TOSC1)9PB7(XTAL2/TOSC2)10PD5(T1)11PD6(AIN0)12PD7(AIN1)13PB0(ICP)14PB1(OC1A)15PB2(SS/OC1B)16PB3(MOSI/OC2)17PB4(MISO)18PB5(SCK)19AVCC20AREF21GND22(ADC0)PC023(ADC1)PC124(ADC2)PC225(ADC3)PC326(ADC4/SDA)PC427(ADC5/SCL)PC528U2ATMEGA8_DIP28VCC2GND510R3510R21KR5VCC2VCC2GND4.7KR1GND34U3B74LS044.7KR4GNDGNDGNDGNDVCCVCCVCCVCCGNDGNDRESETGNDVCC2PB3PB4PB5PB3PB4PB5M_XT1M_XT2VCCVCC机械2011年第02期总第38卷机器人技术·69·器人的膝关节轨迹、膝关节轨迹的一阶导数和膝关节轨迹的二阶导数都是连续的。而且摆动腿着地时的速度为零，大大减小了冲击，保证了机器人行走的稳定性。图7膝关节轨迹坐标图8膝关节一阶导数图9膝关节二阶导数根据上述髋关节和膝关节关于时间的轨迹函数，可求得各关节角度关于时间的函数：2221211()()2arcsin652xxyyθ−+−=××（4）1212221212ππarccos2()()xxxxyyθθ⎛⎞−−⎜⎟=−−⎜⎟−+−⎝⎠（5）3.2规划目前主要有两类步态机器人的稳定性：静态稳定性和动态稳定性。静态稳定性忽略机器人的动态性能，采用重心（COG）作为稳定性标准，适用于移动较慢的机器人。而动态稳定性一般采用零力矩点（ZMP）作为稳定性判定标准，即考虑重力、惯性力及地面反力三者合力矢的延长线与地面的交点。在对角小跑（Trot）、溜蹄（Pace）、跳跃（bounding）等有较多应用。由于舵机性能及机械加工精度等方面的限制，该四足机器人采用静态稳定性作为稳定行走的判别标准。静态稳定性约束的步态任意时刻至少应有三条腿与地面接触支撑机体，且机体的中心必须落在三足支撑点构成的三角形区域内，据此设计步序如图10所示。实验结果表明此步序能实现机器人连续稳定地行走。图10四足机器人一周期内的步序图4结论采用模块化设计的方法设计了四足机器人，使其控制简便灵活，可升级性强。并用步态规划的方法使机器人能稳定连续地行走，并对环境做出简单的感知与反馈。实验证明，舵机运行稳定，追随性能好，速度调节方便，机器人行走稳定，步伐频率高、步幅大，程序具有很强的通用性。采用舵机驱动控制机器人实现所规划的行走步态是一种简单有效的方法。参考文献：[1]黄博.四足机器人行走步态及CPG控制研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.[2]李岩，孔凡让，万小丹.基于AVR的双足步行机器人舵机控制[J].机械与电子，2007，（12）：70-72.[3]付丽，刘卫国，伊强.单片机控制的多路舵机用PWM波产生方法[J].微特电机，2006，34（2）：28-29，33.前进方向位移/mm高度方向位移/mm-20-100102020100前进方向位移/mm位移一阶导数/mm55055-20-10010201.50.5-0.5-1.5前进方向位移/mm位移二阶导数/mm-20-10010200.30-0.2-0.4123456123456123456123456（a）左前脚（b）左后腿（c）右前脚（d）右后腿