燕居懷 王文強(qiáng) 崔雪梅 狄樂(lè)蒙

摘要 雙足搬運(yùn)機(jī)器人因其高度擬人性及靈活性可廣泛應(yīng)用于兒童玩具、特殊作業(yè)及家庭服務(wù)等多個(gè)場(chǎng)景。本項(xiàng)目完成了一種雙足搬運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及程序開(kāi)發(fā)。使用Arduino UNO作為控制板，使用舵機(jī)作為機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)編程來(lái)協(xié)調(diào)控制各舵機(jī)的協(xié)作，達(dá)到協(xié)調(diào)控制雙腿的步態(tài)運(yùn)動(dòng)方式的效果。

【關(guān)鍵詞】雙足機(jī)器人 大舵機(jī) Arduino UNO

1 前言

近年來(lái)雙足機(jī)器人已經(jīng)引起世界各國(guó)機(jī)器人專(zhuān)家的重視。雙足搬運(yùn)機(jī)器人屬于類(lèi)人機(jī)器人的一種，體積較小，擁有避障能力，活動(dòng)盲區(qū)小，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。其主要特點(diǎn)為下肢關(guān)節(jié)模仿人體腿部的結(jié)構(gòu)，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)代替肌肉，模仿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)，采用剛性構(gòu)建連接。雙足搬運(yùn)機(jī)器人的難點(diǎn)在于動(dòng)力不足及穩(wěn)定性不高，市面上多采用加大底座的方式提高穩(wěn)定性，但這種方式嚴(yán)重影響了機(jī)器人的靈活性。

2 雙足搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目創(chuàng)新采用大舵機(jī)控制，增強(qiáng)了機(jī)器人的動(dòng)力及穩(wěn)定性，同時(shí)如圖1所示，腳踝處舵機(jī)采用縱向安裝的方式，增加了機(jī)器人的自由度，符合人體工程學(xué)特征，整體采用堆疊式安裝方式，提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性。平臺(tái)頂部裝有機(jī)械壁，采用自動(dòng)抓放控制，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的物品拿取及放置，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)用靈活。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的機(jī)器人能通過(guò)多種傳感器來(lái)感知環(huán)境，其中主要使用的是一種近紅外傳感器數(shù)字量傳感器，它可以利用紅外線(xiàn)的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)傳感器前方是否有物體存在，當(dāng)前方有物體并且在紅外線(xiàn)反射范圍之內(nèi)時(shí)，傳感器會(huì)接收到反射的紅外線(xiàn)，經(jīng)電路調(diào)整后輸出口會(huì)輸出低電平;相反在未檢測(cè)到傳感器前方有物體時(shí)，傳感器輸出口會(huì)輸出一個(gè)高電平，利用多個(gè)傳感器協(xié)同工作，主控芯片可根據(jù)不同傳感器輸出的電平高低結(jié)合測(cè)量得到的各個(gè)舵機(jī)賦值進(jìn)行邏輯計(jì)算并根據(jù)程序給出相應(yīng)的動(dòng)作指令。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的閉環(huán)控制解決了雙足步行的關(guān)鍵技術(shù)。傳感器的控制原理圖如圖2所示。

本項(xiàng)目中的程序使用開(kāi)源電子平臺(tái)的Arduino IDE軟件編寫(xiě)。控制流程如圖3所示。機(jī)器人上電后，進(jìn)行初始化監(jiān)測(cè)，完成后啟動(dòng)機(jī)械臂夾取子程序，等待近紅外傳感器被觸發(fā)即確定獲得物品成功，近紅外傳感器觸發(fā)后，機(jī)器人由直立狀態(tài)轉(zhuǎn)為行進(jìn)狀態(tài)，右腿邁出第一步，完成后左腿跟進(jìn)，之后左右腿之間進(jìn)行循環(huán)邁步，實(shí)現(xiàn)擬人行走，直到檢測(cè)位置的近紅外傳感器檢測(cè)到終點(diǎn)后被觸發(fā)，機(jī)器人即停下并調(diào)用機(jī)械臂放置物品。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目利用Arduino UNO作為控制板設(shè)計(jì)了一種多傳感器擬人化雙足行進(jìn)的機(jī)器人，該機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，方便完善等特點(diǎn)。

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