鄧三星，楊蒙蒙，張 凱，劉越奇，劉 通

（黃河交通學(xué)院 河南省智能制造技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河南 焦作 454950）

0 引 言

雙足競步機(jī)器人是一種模仿人步態(tài)行走的機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)雙足行走和其他相關(guān)動作，其在直立行走過程中，有著良好的自由度，動作靈活、自如、穩(wěn)定。雙足競步機(jī)器人包含豐富的動力學(xué)特性，具有廣闊的發(fā)展前景，經(jīng)過技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，未來它可以在多種場景中廣泛應(yīng)用，如物品搬運(yùn)、救災(zāi)搶險(xiǎn)等。

目前市場上的小型雙足競步機(jī)器人大致可分為使用傳感器及彈性連接件和不使用傳感器及彈性連接件兩類。使用攝像頭、激光雷達(dá)等傳感器增加了機(jī)器人的功耗和成本。本文使用單片機(jī)、雙軸舵機(jī)等，設(shè)計(jì)了一種小型雙足競步機(jī)器人。此機(jī)器人在不使用傳感器及彈性連接件的情況下，在6 m的距離內(nèi)能夠穩(wěn)定、快速地實(shí)現(xiàn)直線行走。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的雙足競步機(jī)器人主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動模塊、傳感模塊和控制模塊等組成。機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的“心臟”，它根據(jù)編程指令及傳感信號控制機(jī)器人完成規(guī)定動作。作為機(jī)器人的核心，機(jī)器人控制系統(tǒng)決定著機(jī)器人的性能表現(xiàn)，很大程度上影響著機(jī)器人的發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)選用STM32單片機(jī)作為雙足競步機(jī)器人控制系統(tǒng)。

機(jī)器人技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與其優(yōu)良的機(jī)械結(jié)構(gòu)和智能控制系統(tǒng)有關(guān)，控制系統(tǒng)要做到工作穩(wěn)定、精度可靠等，就需要設(shè)計(jì)高級的控制算法。近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究人員提出了多種控制算法，以及實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法的控制器，但目前相關(guān)技術(shù)還處在實(shí)驗(yàn)階段，一些高級控制方法在實(shí)測過程中不夠穩(wěn)定，因此機(jī)器人智能控制系統(tǒng)仍是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)并制作了一種雙足競步機(jī)器人，它可以按照設(shè)定的動作，通過指令程序的編程控制實(shí)現(xiàn)如前、后滾翻，前進(jìn)、后退等動作，并可以快速、穩(wěn)定地直線行走。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)

雙足競步機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)類似于人形，通過雙足結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)行走。為實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)控制，在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通過雙軸舵機(jī)模擬人類腿部膝關(guān)節(jié)。機(jī)械結(jié)構(gòu)通過舵機(jī)控制芯片控制機(jī)器人腿部各關(guān)節(jié)的動作，對每一步的大小、快慢、幅度實(shí)現(xiàn)了精確控制。此機(jī)器人選用亞克力板材料制作，成品機(jī)器人身高約25 cm，長度約20 cm，寬度約11 cm。

2.2 機(jī)器人模型建模

通過大量研究人體腿部運(yùn)動的圖片、視頻、相關(guān)數(shù)據(jù)，確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸。并通過大量仿真與實(shí)驗(yàn)，最終確定了機(jī)器人的原始模型，根據(jù)比例縮放后得到最終的機(jī)械結(jié)構(gòu)。借助Solidworks三維繪圖軟件繪制三維模型，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人三維模型

2.3 機(jī)器人實(shí)物制作

制作夾件、卡件和連接件時(shí)，依照圖紙參數(shù)通過3D打印機(jī)加工完成。然后進(jìn)行打孔、螺絲裝配等精加工操作，最終完成機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)的制作和裝配。機(jī)器人能夠獨(dú)立完成行走或其他任務(wù)。設(shè)計(jì)的雙足競步機(jī)器人依靠多關(guān)節(jié)配合行走，其兩條腿的關(guān)節(jié)通過6個(gè)舵機(jī)模擬人的行走動作。在進(jìn)行腿部的框架設(shè)計(jì)時(shí)，充分參考了雙軸舵機(jī)的尺寸參數(shù)，使電機(jī)的活動范圍盡可能匹配腿部各關(guān)節(jié)的活動范圍。通過采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)平地前、后以及側(cè)面行走，左、右方向的轉(zhuǎn)彎，攀爬臺階、斜坡等功能。機(jī)器人實(shí)物如圖2所示。

圖2 機(jī)器人實(shí)物

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制電路設(shè)計(jì)

雙足競步機(jī)器人控制部分采用的核心處理器為STM32F103RCT6型單片機(jī)。圖3為單片機(jī)工作的最小系統(tǒng)，它主要由STM32F103RCT6單片機(jī)、晶振與復(fù)位電路組成，其中，晶振為32.768 kHz。

圖3 STM32F103RCT6最小系統(tǒng)

舵機(jī)控制電路主要由PCA9685PW芯片組成，通過時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA與STM32單片機(jī)通信。舵機(jī)控制電路如圖4所示。

圖4 舵機(jī)控制電路

舵機(jī)控制電路的P0～P6口分別與6個(gè)舵機(jī)的PWM信號線相連，以不斷輸出PWM波形，控制6個(gè)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，最終實(shí)現(xiàn)雙足競步機(jī)器人姿態(tài)的控制。舵機(jī)控制接口電路如圖5所示。

圖5 舵機(jī)控制接口電路

3.2 電源設(shè)計(jì)

通常出于安全和續(xù)航等因素考慮，機(jī)器人的工作電源采用7.4 V鋰電池，它可以向控制系統(tǒng)和舵機(jī)提供7.4 V工作電壓。而控制系統(tǒng)與舵機(jī)的電源要分開供電，避免舵機(jī)供電電源產(chǎn)生的電壓波動對控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾?？刂葡到y(tǒng)將鋰電池提供的7.4 V電源經(jīng)LM2940芯片穩(wěn)壓后輸出5 V電源作為工作電源，而舵機(jī)可以直接使用鋰電池提供的7.4 V電源。電源轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6 電源轉(zhuǎn)換電路

3.3 舵機(jī)的使用及參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的雙足競步機(jī)器人重量輕、體積小，腿部各關(guān)節(jié)通過舵機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)精確的步態(tài)控制。舵機(jī)最早應(yīng)用于航模運(yùn)動中，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)和各控制舵機(jī)以控制飛行器的飛行姿態(tài)。

舵機(jī)分為單軸舵機(jī)和雙軸舵機(jī)，型號分別為DS3115MG和RDS3115MG。單軸舵機(jī)在智能小車、機(jī)械臂等設(shè)備上使用較為廣泛，而雙軸舵機(jī)與單軸舵機(jī)的不同之處在于它有一個(gè)虛軸，因此常用于人形機(jī)器人，如雙足競步機(jī)器人。雙軸舵機(jī)外觀如圖7（a）所示，單軸外觀如圖7（b）所示。

圖7 舵機(jī)實(shí)物

舵機(jī)各參數(shù)是決定機(jī)器人性能的重要指標(biāo)。本次設(shè)計(jì)使用的舵機(jī)的額定工作電壓為6 V，額定扭矩為15 N·m。它提供180°內(nèi)可控制正反轉(zhuǎn)、270°內(nèi)可控制正反轉(zhuǎn)、360°內(nèi)可定圈連續(xù)旋轉(zhuǎn)及正反轉(zhuǎn)、360°內(nèi)定時(shí)連續(xù)旋轉(zhuǎn)及正反轉(zhuǎn)等8種角度工作模式，用戶可自由切換。舵機(jī)采用單總線通信，其波特率為115 200，通過總線串聯(lián)各舵機(jī)。本設(shè)計(jì)中的6個(gè)舵機(jī)有專屬ID號，舵機(jī)默認(rèn)ID為0，可通過命令改變舵機(jī)ID，255代表廣播地址?？苫刈x角度參數(shù)，讀取舵機(jī)當(dāng)前實(shí)時(shí)位置。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器人系統(tǒng)控制原理

上位機(jī)編程軟件和STM32舵機(jī)控制器之間進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向通信傳輸，STM32舵機(jī)控制器發(fā)送控制指令給串行總線舵機(jī)并實(shí)現(xiàn)舵機(jī)姿態(tài)的角度回讀。STM32單片機(jī)也可將編寫好的程序下載到芯片中脫機(jī)運(yùn)行。機(jī)器人控制流程如圖8所示。

圖8 機(jī)器人控制流程

4.2 串行總線舵機(jī)通信原理

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制系統(tǒng)采用單總線通信方式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是舵機(jī)之間可串聯(lián)，最多可級聯(lián)255個(gè)舵機(jī)。同時(shí)它可以進(jìn)行角度回讀，并進(jìn)行多角度模式切換。舵機(jī)內(nèi)部只帶有一塊主控芯片，且其內(nèi)部已完成PWM控制，因此用戶只需編寫一條簡單命令即可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的控制，操作簡單、快捷。串行總線舵機(jī)通信流程如圖9所示。

圖9 舵機(jī)通信流程

4.3 STM32舵機(jī)控制器控制算法

雙足競步機(jī)器人STM32舵機(jī)控制器的控制算法，可實(shí)現(xiàn)LED燈亮滅及閃爍功能，實(shí)現(xiàn)蜂鳴器鳴叫與多個(gè)舵機(jī)聯(lián)動控制，并做一些組合動作。如下所示為啟動代碼，用于完成時(shí)鐘配置。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 雙足競步機(jī)器人自由度的確定

設(shè)計(jì)雙足競步機(jī)器人最重要的工作是確定自由度的合理配置。首先，結(jié)構(gòu)重心右移，此時(shí)右腿支撐地面，左腿輕微抬起，然后左腿平穩(wěn)放下，重心轉(zhuǎn)移到雙腿中間，接著結(jié)構(gòu)重心左移，此時(shí)左腿支撐地面，右腿輕微抬起，然后右腿平穩(wěn)放下，最后重心再次轉(zhuǎn)移到雙腿間。機(jī)器人每條腿獲得3個(gè)自由度，故2條腿共有6個(gè)自由度。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的俯仰自由度協(xié)作配合，使機(jī)器人在前進(jìn)方向上實(shí)現(xiàn)直線行走；髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)體自由度可控制機(jī)器人轉(zhuǎn)彎功能的實(shí)現(xiàn)；髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)作配合，可實(shí)現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移。

5.2 控制板簡介

舵機(jī)控制模塊采用STM32舵機(jī)控制板，其主要由STM32F103RCT6單片機(jī)芯片、舵機(jī)控制電路、USB調(diào)試接口、藍(lán)牙接口、無線串口、電源接口、蜂鳴器、舵機(jī)接口組成。STM32舵機(jī)控制板如圖10所示。

圖10 STM32舵機(jī)控制板

5.3 調(diào)試界面

控制板使用上位機(jī)軟件控制，可直接使用USB接口，藍(lán)牙模塊和無線串口進(jìn)行調(diào)試或下載編程。系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人開機(jī)狀態(tài)的設(shè)置，直接使用在線運(yùn)行模式控制機(jī)器人的運(yùn)動，也可以將程序燒錄到STM32單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行。通過重啟控制器可以清除控制器中燒錄的程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人復(fù)位。在調(diào)試過程中還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人協(xié)同運(yùn)行，做出統(tǒng)一動作。調(diào)試界面如圖11所示。

圖11 調(diào)試界面

5.4 調(diào)試結(jié)果

先將控制程序燒錄到STM32控制器中，機(jī)器人通過自動脫機(jī)運(yùn)行程序，逐步完成設(shè)計(jì)動作。經(jīng)過硬件調(diào)試，本文設(shè)計(jì)的雙足競步機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)前后方向走步、前后方向翻跟斗、向左及向右轉(zhuǎn)動等功能。如圖12所示，機(jī)器人正在跑道上進(jìn)行翻滾動作，此時(shí)機(jī)器人頭部朝下，腳部朝上。

圖12 調(diào)試結(jié)果

6 結(jié) 語

本文采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為控制器，開發(fā)設(shè)計(jì)了雙足競步機(jī)器人系統(tǒng)。首先確定了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和組成，然后對雙足競步機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、舵機(jī)控制系統(tǒng)和上位機(jī)編程軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與測試。在不使用彈性連接件、傳感器的情況下，經(jīng)過調(diào)試，機(jī)器人能夠滿足前行、后退、轉(zhuǎn)彎、翻跟斗等基本動作要求。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性高，動作轉(zhuǎn)變協(xié)調(diào)性好，運(yùn)行效果良好。