双足竞走机器人设计1

双足竞走机器人设计国家级大学生创新训练项目项目编号：201210449116孙亚军1，王志1，尤在勇2（1.滨州学院自动化系，山东滨州，256600；2.四川大学机械工程学院，四川成都，610000）摘要：对双足机器人的机械结构、控制系统、人机交流界面进行了大胆的设计。利用UGNX6.0进行实体建模，生成零件图，然后人工加工得到零件，将各部分加工零件进行装配，不一样的零件组合成实现不同功能的机器人，最后应用C语言编程控制机器人完成各项功能，形成实体的多功能双足竞走机器人。关键词：双足竞走机器人；实体建模；C语言；PWM中图分类号：TN710文献标识码：AAbstract：Forbipedrobotmechanicalstructure,controlsystem,man-machinecommunicationinterfaceforabolddesign.TheuseofUGNX6.0forsolidmodeling,generatepartsdiagram,andthenmanuallyprocessedtoobtainparts,eachpartwillbemachinedpartsforassembly,notthesamepartscombinedintodifferentfunctionsoftherobot,thelastapplicationoftheCprogramminglanguagetocontroltherobottocompletevariousfunctions,theformationofmultipurposebipedalwalkingrobotentity.0引言双足机器人是机器家族中最重要的成员之一，它涉及仿生学、人工智能、机械创新、计算机仿真学、通讯等相关学科，在科研、生产、生活方面的价值都十分突出。双足机器人具有传统的轮式、履带式机器人的无法比拟的优越性，传统的轮式、履带式机器人在不平坦的地面工作时，会大增加其能耗，而在松软地面或者严重崎岖不平的地形上行进时，它们就举步维艰了，双足机器人在该地形的推进有独特的优越性能。双足机人对环境的适应能力强，不仅可以在狭窄的空间中工作，还能够跨越障碍、上下台阶、甚至不平整地面上运动，这些优势使其具有更广阔的应用前景。本设计中的竞走机器人就是双足机器人中的一种，它没有上身，是双足机器人研究的理想平台，同时也是全国机器人大赛的指定比赛项目，通过本设计所搭建的平台，可以进行双足机器人的机械结构、控制及步态等方面的研究。1双足机器人机械结构设计1.1机械结构的设计要求本课题主是要求竞走机器人完成模仿人类行走、翻跟斗和自己设计的动作。在进行双足竞走机器人机械结构设计时，应该充分考虑机械结构所需要完成的功能，因此，双足竞走机器人的机械结构的设计需要满足如下要求：(1)机械结构的对称性，步行运动中普遍存在结构对称性；(2)机械结构采用关节结构，才能灵活的完成前后行走，翻跟斗等运动；(3)在不多于6个伺服马达的驱动下完成任务；(4)机械结构简单、精巧、匀称，最大重量不超过1公斤；(5)易于制造，尽量采用通用零件，以降低其成本；1.2机械构架的材料选择根据机械结构的上述要求中的第(4)、(6)条，要求所选用材料具有硬度高、质量小、弹性模量大、密度比高等特点，以便得到重量不高于1Kg的机器人，而且易于加工、造型，才能得到机械结构中某些比较复杂的形状。经过上述分析和借鉴比较成熟的机器人的结构的材料的选择情况，市面上比较常见的2mm的硬质铝板是比较理想的选择，硬质铝板具有重量轻、弹性大，硬度高等符合本设计的特点，因此本设计选用该材料。1.3传感器安装位置的选择因为机器人要有越障的功能，所以需要安装传感器来检测障碍物，综合考虑下将传感器的安装高度选为20cm。材质选择方面选择了重量比较轻且硬度比较高的碳纤维杆。1.4主控制器的位置选择主控制器的位置选择主要考虑的是让其与各模块的连接形式最简洁，最可靠，最终选择放置在头顶中间的上面，这样的安装形式能够方便地调试，实际运行过程中同样能够方便地取下来，减小了机器人调试的难度。1.5双足竞走机器人的自由度的配置在双足竞走机器人的自由度的配置的过程中，既要求自由度尽量少，也要求完成的基本运动尽量多，同时机器人运动要求尽量自然美观。机器人按照设计要求，该机器人要完成直线行走及向前、向后的翻跟斗等动作，因此只需要在每条腿配置3个自由度。双足竞走机器人模型如图1所示。图1双足竞走机器人模型人体的髋关节虽然有3个自由度，本设计只需要控制前向运动的自由度，所以髋关节简化为一个前向运动的自由度；膝关节按照运动的要求配置一个前向运动的自由度；踝关节只需要完成侧向运动，因而配置一个控制侧向运动的自由度，保证机器人行走过程中的平衡。根据以上理论分析，然后把零件装配成实体，如图2所示。图2-双足竞走机器人的实体图2双足竞走机器人硬件系统设计2.1电源电路的设计机器人由两节3.7V锂电池串联供电，总电压为7.4V。ATmega16单片机工作电压为5V，光电开关工作电压为6V，舵机需要6V电压。所以电源管理部分需要将电池电压转换成5V以及6V为各个模块供电。本系统中采用的是线性三端稳压芯片LM7805以及DC-DC，最大的优点是可调电压广，缺点是功耗较高，本系统最大的功耗来来自驱动舵机，控制器以及传感器部分所需功率较小，采用线性稳压芯片非常适合。电路如图3所示。图3LM7805电路原理图2.3舵机工作电路设计本设计中双足机器人动力供给采用的是舵机，该舵机只需供电源和一根信号线，通过单片机发送信号完成调速以及控制其完成各种动作。电路如图4所示。图43双足竞走机器人软件系统设计双足竞走机器人控制主要是对6个舵机的驱动，故软件设计主要为舵机驱动部分。3.1舵机及其控制介绍舵机最早应用于航模中，用于调整飞机的飞行姿态。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。其控制原理是通过输入周期为20m(其中高电平为0.5ms-2.5ms)的脉舵机精度转动0°-180°之间相应角度，因为其控制方法具有简单、精度高、成本低、体积小等特点，在机器人双足机器人中得到广泛的应用。3.2分时成组法驱动程序设计根据舵机的控制原理，单片机需要产生周期为20ms，脉宽为0.5-2.5ms的PWM，具体的设计过程为将20ms分成200段，每段时间为0.1ms，比如要得到脉宽2ms的PWM，只需要在200段时间中，有连续的20段为高电平就能够实现了。具体作法：用ATmega16单片机定时0.1ms，总共定时200次，连续20次将对应的I/O置成高电平，其余180次置成低电平，反复这样操作就形成了所需要的PWM。产生PWM信号的流程图如图5所示。图5PWM信号的产生流程图4结束语整个系统的设计涵盖机械、电子等方面知识，只有将各模块设计好，组成一个整体才能更好完成设计。设计各个模块的时候应该注意细节设计以及与其它模块之间的联系和配合，很多设计之间是存在矛盾的，例如电池位置和整个系统重心高度，这就需要在整个系统中对这一对矛盾进行权衡。参考文献：[1]陈恳，杨向东，刘莉，杨东超等.机器人技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2006:6-7[2]孙光伟.仿人机器人控制系统设计与稳定性研究[D].西华大学,2010[3]郭清.教学双足行走机器人的研究[D].哈尔滨工程大学,2008