摘要：以ATMEL公司的Atmega128為核心設(shè)計(jì)控制、驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人在復(fù)雜路況下的穩(wěn)定行走。ATmega128內(nèi)部16位定時(shí)器及I/O端口產(chǎn)生多路PWM輸出控制舵機(jī)，同時(shí)Atmega128作為主控制器，利用傳感器ADXL345傳回的角速度變化輔以機(jī)器人腳部的觸碰開關(guān)來實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，以使機(jī)器人在不平坦路面上穩(wěn)定行走。

關(guān)鍵詞：雙足機(jī)器人；穩(wěn)定行走；復(fù)雜路況

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）16-3845-05

1 雙足機(jī)器人研究背景

雙足機(jī)器人是一個(gè)多自由度、非線性、具有復(fù)雜動(dòng)力學(xué)特性的多體系統(tǒng)，其研究開始于20世紀(jì)60年代末，發(fā)展至今已成為機(jī)器人領(lǐng)域主要研究方向之一。短短四十多年里，國(guó)內(nèi)外許多個(gè)人和單位相繼推出了各自研制的雙足機(jī)器人，最具代表性的有日本早稻田大學(xué)加藤一郎教授研制的WAP系列樣機(jī)，日本東京大學(xué)研制的H5、H6型仿人型雙足步行機(jī)器人等。我國(guó)在仿人形機(jī)器人方面雖然起步較晚，但也取得了很多成果，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的靜態(tài)步行雙足機(jī)器人HIT-I，國(guó)防科技大學(xué)研制的平面型六自由度雙足機(jī)器人KDW-1等。

本文在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了能在一般路面上穩(wěn)定行走的雙足機(jī)器人，以ATMEL公司的Atmega128為核心設(shè)計(jì)了機(jī)器人的控制電路，分別采用了加速度傳感器ADXL345來檢測(cè)機(jī)器人行走過程中的傾角變化以及腳部的觸碰開關(guān)來檢測(cè)腳是否著地，并成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的穩(wěn)定行走。

2 雙足機(jī)器人數(shù)學(xué)模型

2.1 概述

為了更好的了解雙足機(jī)器人的特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，我們需要對(duì)其建立數(shù)學(xué)模型。為了后續(xù)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，我們用數(shù)學(xué)方法描述雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，以計(jì)算其步行時(shí)參數(shù)的變化。雙足機(jī)器人兩足步行機(jī)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的多連桿機(jī)構(gòu)，加之實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中各種干擾因素的存在，使數(shù)學(xué)模型的建立十分困難。為此，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，我們假定：運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人各關(guān)節(jié)處摩擦力忽略，各關(guān)節(jié)為剛性連接；機(jī)器人各部件質(zhì)量分布均勻，將各部件看作剛體。

基于以上假設(shè)，我們推導(dǎo)出了雙足機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并最終完成了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，為后面進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。

2.2 齊次坐標(biāo)和變換矩陣

2.3.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

正運(yùn)動(dòng)學(xué)就是已知雙足機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，求解機(jī)器人各桿件的位置參數(shù)。

設(shè)各部件的局部坐標(biāo)系如圖3所示。假設(shè)左腿為支撐腿，對(duì)左腿各關(guān)節(jié)建立局部坐標(biāo)系，機(jī)器人處于豎直站立狀態(tài)時(shí)，各局部坐標(biāo)系空間位置如圖3所示；右腿的局部坐標(biāo)系建立情況與左腿類似。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 主控制器的設(shè)計(jì)

ATmega28是基于AVR低功耗CMOS 8位微控制器，工作頻率于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS，可以滿足雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃以及控制算法的實(shí)現(xiàn)。ATmega128擁有豐富的外設(shè)資源及I/O端口，本系統(tǒng)中我們用PA口和PC口產(chǎn)生10路PWM來控制舵機(jī)，通過I2C和PC口接收ADXL345及腳部觸碰開關(guān)傳回的數(shù)據(jù)。主控制器留有JTAG接口，便于下載程序及在線仿真。

3.3 其他硬件模塊介紹

3.3.1 ADXL345加速度傳感器

為了實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人軀干的角速度，我們使用了三軸數(shù)字加速度模塊ADXL345。ADXL345 是一款小而薄的超低功耗3 軸加速度計(jì)，分辨率高（13 位），測(cè)量范圍達(dá)± 16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI（3 線或4 線）或I2C 數(shù)字接口訪問。它可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。其高分辨率（3.9mg/LSB），能夠測(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化。這些功能可以獨(dú)立映射到兩個(gè)中斷輸出引腳中的一個(gè)。

3.3.2 MG995舵機(jī)

4 步態(tài)規(guī)劃

雙足機(jī)器人是密度不均勻體，并且隨著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，重心時(shí)刻在發(fā)生變化，在動(dòng)態(tài)平衡時(shí)機(jī)體的重心不在受力平面上，機(jī)體各部分都處于非常復(fù)雜的三維轉(zhuǎn)動(dòng)中。以上述理想化的數(shù)學(xué)模型為參考，輔以對(duì)重心的實(shí)時(shí)調(diào)整，我們對(duì)機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃。由力學(xué)原理可知，要想機(jī)器人保持平衡，其重心在地面的投影要落在支撐面內(nèi)。

雙足機(jī)器人采用跨步的方式向前行走，由于路面狀況未知，無法按固定的規(guī)律規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的步伐，為解決這個(gè)問題，我們?cè)跈C(jī)器人的足部安裝了觸碰開關(guān)，當(dāng)已邁出的腿著地時(shí)，觸碰開關(guān)將信號(hào)傳遞給主控制器，主控制器根據(jù)當(dāng)前ADXL345傳回的機(jī)器人軀干的角速度調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，并邁出另一只腿，整個(gè)過程中主控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人軀干的角速度變化，判斷傾倒方向，并調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，以使重心投影落在著地腳支撐面內(nèi)，使機(jī)器人在不平坦路面上穩(wěn)定行走。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)雙足機(jī)器人行走的需要及考慮到機(jī)器人能夠靈活調(diào)整姿態(tài)，選擇大扭矩舵機(jī)作為各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，設(shè)計(jì)了十自由度雙足機(jī)器人。以ATMEL公司的高性能8位單片機(jī)Atmega128為主控芯片，采用JTAG在線調(diào)試；利用加速度傳感器ADXL345檢測(cè)的機(jī)器人軀干角速度變化結(jié)合腳部觸碰開關(guān)反饋的與地面接觸信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，使整個(gè)過程中機(jī)器人始終處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)了雙足機(jī)器人在一般路面上的穩(wěn)定行走。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梶田秀司.仿人機(jī)器人[M].管貽生，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 胡凌云.雙足機(jī)器人步態(tài)控制研究方法綜述[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2005（3）：319-324.

[3] 馬宏緒.兩足步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，1995.

[4] 劉志川.雙足機(jī)器人的步態(tài)控制研究 [D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[5] 繩濤，馬宏緒，王越.仿人機(jī)器人未知地面行走控制方法研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（31）：161-163.