兩足步行是步行方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。與其它足式機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時(shí)間變化較大，質(zhì)心的相對(duì)位置高的特點(diǎn)。是其中最復(fù)雜，控制難度最大的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。但由于雙足機(jī)器人比其它足式機(jī)器人具有更高的靈活性，因此具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，更適合在人類的生活或工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對(duì)這些環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。例如代替危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境中（如核電站內(nèi)）的工作人員，在不平整地面上搬運(yùn)貨物等等。此外將來社會(huì)環(huán)境的變化使得雙足機(jī)器人在護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及一般家務(wù)處理等方面也有很大的潛力。 雙足步行機(jī)器人自由度的確定 兩足步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)是所有部件的載體，也是設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人最基本的和首要的工作[1]。它必須能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的前后左右以及爬斜坡和上樓梯等的基本功能，因此自由度的配置必須合理:首先分析一下步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程（前向）和行走步驟:重心右移（先右腿支撐）、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個(gè)階段。從機(jī)器人步行過程可以看出:機(jī)器人向前邁步時(shí)，髓關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)必須各自配置有一個(gè)俯仰自由度以配合實(shí)現(xiàn)支撐腿和上軀體的移動(dòng);要實(shí)現(xiàn)重心轉(zhuǎn)移，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度是必不可少的;機(jī)器人要達(dá)到目標(biāo)位置，有時(shí)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，所以需要有髖關(guān)節(jié)上的轉(zhuǎn)體自由度。另外膝關(guān)節(jié)處配置一個(gè)俯仰自由度能夠調(diào)整擺動(dòng)腿的著地高度，使上下臺(tái)階成為可能，還能實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)。這樣最終決定髖關(guān)節(jié)配置3個(gè)自由度，包括轉(zhuǎn)體（roll）、俯仰（pitch）和偏轉(zhuǎn)（yaw）自由度，膝關(guān)節(jié)配置一個(gè)俯仰自由度，踝關(guān)節(jié)配置有俯仰和偏轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度。這樣，每條腿配置6個(gè)自由度，兩條腿共12個(gè)自由度。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動(dòng)作可完成機(jī)器人的在縱向平面（前進(jìn)方向）內(nèi)的直線行走功能；髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)體自由度可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎功能；髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能。 機(jī)器人的轉(zhuǎn)體（roll）、俯仰（pitch）和偏轉(zhuǎn)（yaw）定義如圖1所示[2]。 [align=center] 圖1 步行機(jī)器人方向示意圖[/align] 其中，定義y軸方向?yàn)榍斑M(jìn)方向，z軸方向?yàn)闄C(jī)器人的身高方向。 機(jī)器人的自由度總體配置如圖2所示。 [align=center] 圖2　自由度總體配置圖[/align] 動(dòng)力源的選擇 　　 目前市場(chǎng)上，有很多種電動(dòng)機(jī)向機(jī)器人提供能源：直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)。由于雙足步行機(jī)器人要求的精度要求比較高，而交直流電機(jī)通電就轉(zhuǎn)，斷電就停，比較難進(jìn)行機(jī)器人的位置控制；步進(jìn)電機(jī)雖能按一定的精度工作，但它本身是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，精度達(dá)不到要求。因此，本文選擇使用伺服電動(dòng)機(jī)。 　　 在本文中使用的是價(jià)格比較便宜的伺服電動(dòng)機(jī)—舵機(jī)。舵機(jī)最早出現(xiàn)在航模運(yùn)動(dòng)中。在航空模型中，飛行機(jī)的飛行姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和各個(gè)控制舵面來實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)舵機(jī)的工作原理如圖3所示。其中，舵機(jī)控制器一般采用pid控制，以滿足舵機(jī)動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)要求；伺服功率放大器一般由脈沖寬度調(diào)制器（pwm）和開關(guān)控制電路組成；直流伺服電機(jī)是電動(dòng)舵機(jī)的執(zhí)行元件，可采用有刷或無刷直流電機(jī)；減速機(jī)構(gòu)一般采用蝸輪蝸桿或絲缸減速機(jī)構(gòu)。 　　 由于本研究制作的機(jī)器人是桌上型的重量很輕的作實(shí)驗(yàn)用的小型雙足步行機(jī)器人。因此機(jī)器人的各關(guān)節(jié)是選擇使用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。 [align=center] 圖3　電動(dòng)舵機(jī)工作原理方框圖[/align] 附表 rc伺服電機(jī)的參數(shù) 此類電機(jī)的特點(diǎn)就是體積小、重量輕且控制簡(jiǎn)單，另外價(jià)格也較便宜。 附表示出了電機(jī)的參數(shù)。 　　 步行機(jī)器人每條腿的自由度為6。各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)使用的是北京漢庫科技有限公司的hg14-m的大力矩舵機(jī)。 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 　　 根據(jù)本課題的要求，本文設(shè)計(jì)了機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，其主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn): 　　 布置對(duì)稱性 　　 步行運(yùn)動(dòng)中普遍存在結(jié)構(gòu)對(duì)稱性。goldberg[3]等人研究了步行運(yùn)動(dòng)中的對(duì)稱性，發(fā)現(xiàn)機(jī)身運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性和腿機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性之間存在相互關(guān)系。在單足支撐階段如圖４，對(duì)稱性的機(jī)身運(yùn)動(dòng)要求腿部機(jī)構(gòu)也是對(duì)稱的;在雙足支撐階段如圖５，機(jī)身對(duì)稱性運(yùn)動(dòng)未必需要腿部機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性，除非有額外的約束條件。根據(jù)這點(diǎn)，筆者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也采用對(duì)稱性布置[4]。 　　 框架的設(shè)計(jì)有效的利用了rc伺服電機(jī)的尺寸大小，并使電機(jī)的活動(dòng)范圍能盡量符合各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。 　　 采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)平地前后行、平地側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階、爬斜坡等功能。 　　 整個(gè)結(jié)構(gòu)采用1mm的鋁合金（ly12）鈑金材料，這種材料重量輕、硬度高、強(qiáng)度雖不如鋼，但卻大大高于普通鋁合金。且這種材料具有彈性模量、密度比高的特點(diǎn)。 　　 由于機(jī)器人的各關(guān)節(jié)是用rc伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了減小機(jī)器人的體積、減輕重量，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)做成是框架型的?？蚣艿脑O(shè)計(jì)有效的利用了rc伺服電機(jī)的尺寸大小，并使電機(jī)的活動(dòng)范圍能盡量符合各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。 控制系統(tǒng) 方案構(gòu)思 　　 由于本機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用了12個(gè)舵機(jī)，本控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)能同時(shí)驅(qū)動(dòng)這12個(gè)舵機(jī)的功能。由前面的敘述知道，舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms的脈寬調(diào)制（pwm）信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms－2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0～180°，呈線性變化[5]。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。 [align=center] 圖4　單腿模型圖[/align] [align=center] 圖5　兩足步行機(jī)器人雙腿模型圖[/align] 傳統(tǒng)產(chǎn)生pwm波的方法是通過大量的分立元件來實(shí)現(xiàn)的,所產(chǎn)生的脈沖頻率和寬度往往不是很準(zhǔn)確，很難做到對(duì)舵機(jī)的精確控制。目前，產(chǎn)生pwm波的方法有很多種:最直接的方法就是用單片機(jī)本身所帶的pwm口產(chǎn)生波形，但該方法受mcu內(nèi)部資源的限制，僅能實(shí)現(xiàn)2～4路pwm波的輸出，對(duì)于需要多路舵機(jī)的場(chǎng)合顯然是不夠的。另一種方法就是利用分時(shí)復(fù)用的思想利用單片機(jī)一個(gè)中斷產(chǎn)生7路控制futaba舵機(jī)用pwm波的方法。該方法雖然實(shí)現(xiàn)了7路舵機(jī)的控制，但也僅能實(shí)現(xiàn)7路舵機(jī)的控制，并且僅針對(duì)特定舵機(jī)的控制，控制精度也不高，在一些重要場(chǎng)合的應(yīng)用受到了限制;還有一種方法就是利用單片機(jī)純軟件的循環(huán)計(jì)數(shù)的方法或者，利用硬件定時(shí)，軟件計(jì)數(shù)相結(jié)合的方法，在不增加任何硬件接口的前提下，實(shí)現(xiàn)了多路pwm波的輸出[6]，然而此方法大量占用mcu運(yùn)算時(shí)間，基本不能再處理其它的事務(wù)，并且精度不高。 另外，目前一些數(shù)字信號(hào)處理芯片片內(nèi)就集成了pwm波形產(chǎn)生的功能，只需要進(jìn)行寄存器參數(shù)的設(shè)置就可得到pwm的輸出。但在一些只需要簡(jiǎn)單電機(jī)控制的場(chǎng)合，從成本考慮不需要較為昂貴的數(shù)字信號(hào)處理芯片。 本文采用一片51的單片機(jī)和一片復(fù)雜可編程邏輯器件（cpld）實(shí)現(xiàn)了pwm的產(chǎn)生。由于cpld具有他特有的并行處理能力和大量的io接口，可以同時(shí)控制幾十甚至上百個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作，可以為后續(xù)的工作留出一定的空間，但由于cpld不具備事務(wù)處理能力，實(shí)際應(yīng)用中還需要mcu協(xié)同工作，本文使用51系列的單片機(jī)和cpld協(xié)同控制舵機(jī)，另外，使用了單片機(jī)，還可以為后續(xù)的傳感器反饋處理留出空間。 [align=center] 圖6　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 控制系統(tǒng)所圖6所示，選用“上位機(jī)+串口+下位機(jī)”的控制系統(tǒng)解決方案。上位機(jī)控制軟件的主要功能是對(duì)預(yù)定的機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃和位置插補(bǔ)，再按照一定時(shí)間間隔和次序進(jìn)行發(fā)送給下位機(jī),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)位置和近似的速度控制;下位機(jī)主要功能是接收上位機(jī)發(fā)送的位置信號(hào)，根據(jù)信號(hào)要求產(chǎn)生pwm波，控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人按動(dòng)作規(guī)劃完成溜冰動(dòng)作。相應(yīng)的，下位機(jī)主要由完成串口通信、數(shù)據(jù)的調(diào)度和12個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成[7]。 [align=center] 圖7　cpld的12路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖[/align] 圖7為cpld的12路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖，cpld通過一個(gè)簡(jiǎn)單的接口與51單片機(jī)進(jìn)行通信，把要驅(qū)動(dòng)的12個(gè)舵機(jī)的pwm信號(hào)數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，從而通過數(shù)字pwm生成器驅(qū)動(dòng)12個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)到需要的角度，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換到下一個(gè)角度時(shí)，通過與51單片機(jī)的接口，從51單片機(jī)中傳送新的pwm信號(hào)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中進(jìn)行更新，這樣數(shù)字pwm生成器就會(huì)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)新的角度。 硬件設(shè)計(jì) 電源 　　 為了避免舵機(jī)的供電電源產(chǎn)生的電壓波動(dòng)對(duì)控制電路的干擾，控制電路與舵機(jī)的電源要進(jìn)行隔離，即分開供電?？刂齐娐冯娫词褂玫氖且粋€(gè)9v輸出的ac-dc變壓電源經(jīng)7805芯片后提供的5v電源，而舵機(jī)的電源提供了一個(gè)接口，外接一個(gè)6v的直流電源。 控制芯片 　　 控制芯片模塊包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外部程序存儲(chǔ)芯片擴(kuò)展以及大規(guī)模cpld芯片。單片機(jī)采用atmel公司的at89s52，它是8位的高性能嵌入式控制器,其內(nèi)部集成了8k的可在線編程的flash存儲(chǔ)器;256字節(jié)的ram，可尋址64字節(jié)，具有32根i/o口、3個(gè)可編程定時(shí)器、8個(gè)中斷源、6個(gè)中斷矢量、1個(gè)看門狗定時(shí)器。時(shí)鐘電路給系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn),設(shè)計(jì)時(shí)采用11.05296mhz晶振。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還擴(kuò)展了一片8k×8位的外部存儲(chǔ)芯片2864。cpld芯片采用的是altera公司的epm7128。 串行通信 　　 串行通信模塊主要用于at89s52單片機(jī)與pc機(jī)之間的串行通信。由于pc機(jī)的com口符合rs-232標(biāo)準(zhǔn), at89s52單片機(jī)上的串行接口是cmos電平，在rs-232與cmos電平通信時(shí),需要電平轉(zhuǎn)換，因此，設(shè)計(jì)時(shí)利用max232芯片來作電平轉(zhuǎn)換。 舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 　　 12路舵機(jī)的控制信號(hào)來自cpld芯片的i/o口（引腳30、31、33、34、35、36、37、39、40、41、44、45）。為了防止干擾，13路舵機(jī)控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)經(jīng)過tlp-521光電隔離，通過隔離出來的控制信號(hào)，還必須接入lm324比較器，以消除毛刺，增加信號(hào)的穩(wěn)定性，提高信號(hào)的輸出電流，以便舵機(jī)能夠正確工作不至于產(chǎn)生不必要的抖動(dòng)。 　　 圖8所示為控制系統(tǒng)的硬件電路板線路設(shè)計(jì)圖。 [align=center] 圖8　機(jī)器人控制器線路圖[/align] 結(jié)語 　　 在本文中，探討了舵機(jī)的安裝方法，框架的設(shè)計(jì)以及制作了能通過伺服電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)的一種經(jīng)濟(jì)型的雙足步行機(jī)器人。另外，實(shí)現(xiàn)了用單片機(jī)與cpld控制12個(gè)ｒｃ伺服電機(jī)的設(shè)想。 今后，將研討運(yùn)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理，通過預(yù)先給定機(jī)器人各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過運(yùn)算確定好各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度然后通過控制系統(tǒng)得控制算法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)際行走過程。