姚競豪，王路平，王眾鑫，李晨浩，郭奧

（沈陽航空航天大學(xué)，遼寧沈陽，110135）

0 引言

本文主要介紹本隊(duì)伍在探索雙足機(jī)器人的應(yīng)用與開發(fā)過程中所遇到的困難，將會利用單片機(jī)和舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人的步行規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)在比賽過程中所要求的自動化動作。在開發(fā)的過程中，常見的問題有：(1)如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的基本姿態(tài)例如：走路，翻跟頭，大步走等比賽基本動作要求。(2)如何實(shí)現(xiàn)動作的連貫與切換，將每一個(gè)動作連貫起來，實(shí)現(xiàn)動作的連續(xù)實(shí)施。(3)在實(shí)際過程中機(jī)器人在賽道上實(shí)施動作數(shù)量的計(jì)算，通過計(jì)算和微調(diào)，使其在賽道上能完整完美地完成比賽要求。(4)雙足機(jī)器人平衡運(yùn)行的掌握：在真正的實(shí)施過程中，機(jī)器人由于本身性能和賽道場地的原因，調(diào)試過程中經(jīng)常出現(xiàn)偏離賽道和自身平衡性的問題。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

雙足機(jī)器人通常只擁有腰部、膝關(guān)節(jié)和腳踝三種自由度。PC和舵機(jī)可以采用有線或者無線的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸（如圖1兩種傳輸方式）[1]。

組裝機(jī)器人后，模擬路線，并得到機(jī)器人行走過程中每個(gè)方向盤的旋轉(zhuǎn)順序和旋轉(zhuǎn)角度，以確定計(jì)算機(jī)應(yīng)該發(fā)布的指令。經(jīng)過幾次模擬，對兩足機(jī)器人進(jìn)行編程，機(jī)器人在比賽中取得了最高的性能，經(jīng)過了多次上位機(jī)調(diào)試雙足機(jī)器人后，最終在比賽中完成命令。

2 雙足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 雙窄足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

（1）由于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是只有雙足，并且只能獨(dú)立走路，機(jī)器人的移動標(biāo)志位置是正面和背面（以鼠標(biāo)箭頭的移動方向?yàn)檎妫虼藱C(jī)器人并不具備完整的對人體自主運(yùn)動的線性和控制的功能；

（2）最大尺寸為 300mm（長）×300 mm（寬）×450 mm（高），重量不得超過1 kg；

（3）機(jī)器人不得使用六個(gè)舵機(jī)和單個(gè)控制臺；

（4）機(jī)器人能夠快速完成穩(wěn)定、連續(xù)、且直線度的步伐；

（5）機(jī)器人能夠精準(zhǔn)地完成滾翻。

2.2 雙窄足機(jī)器人總體自由度配置

胳膊和腿的運(yùn)動，是一種綜合系統(tǒng)協(xié)調(diào)肌肉運(yùn)動，依靠200多個(gè)對稱和30多個(gè)肉部分骨骼結(jié)構(gòu)的綜合腳運(yùn)動，人體關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)主要骨骼之間可能存在的空白和縫隙。為了盡可能模仿雙腳機(jī)器人的腳，并在單腿走路時(shí)達(dá)到可持續(xù)性，安裝了三個(gè)主要的活動關(guān)節(jié)：臀部、膝蓋和腳踝。每一種關(guān)節(jié)都有多種運(yùn)動形式，所以自由度也更大，主要分為三種：傳動（中線附近的關(guān)節(jié)）、外展（中線附近的關(guān)節(jié)）、內(nèi)旋和外旋[2]。

舵機(jī)通常被用于一個(gè)雙踏板賽車機(jī)器人，并成為一種機(jī)械驅(qū)動元件，以達(dá)到機(jī)器人之間自由的統(tǒng)一動作和統(tǒng)一關(guān)節(jié)。比賽規(guī)定，機(jī)器人不會有多于六的自由度，所以六個(gè)舵手可以被用于完全限制六的自由度，這就意味著每個(gè)滑膜關(guān)節(jié)都有益的自由度。因此機(jī)器人必須往前移動，向前翻滾，或向后翻滾，而機(jī)器人的重心總是在面板底部的支撐表面：

（1）由于肘部運(yùn)動需要靈活性來鍛煉大腿前部實(shí)現(xiàn)每天走路、步驟和動作左邊腰向前傾，并能發(fā)揮重要作用，所以在維持日常步行輔助平衡中，每個(gè)專門設(shè)置一個(gè)前進(jìn)的自由散步。

（2）肘部還必須彎曲和拉伸運(yùn)動，以調(diào)整重心高度和換腳著陸高度的變化，以適應(yīng)地面狀況，以便能夠調(diào)整自由的運(yùn)動。

（3）側(cè)向運(yùn)動腳踝的拉伸，可能需要執(zhí)行的同時(shí)，為了配合其他肌，同時(shí)承擔(dān)大腿和臀部和腰上側(cè)腳運(yùn)動，調(diào)整橫向之間接觸物體表面，為了完成整個(gè)過程前進(jìn)的靈活性，我們創(chuàng)新地提高了機(jī)器的靈活性。

因此，在兩個(gè)踏板上行走的機(jī)器人具有臀部、膝蓋和腳踝的靈活性和寬度，以及兩條腿的6自由度?？偣彩褂昧?種舵機(jī)機(jī)制，這些機(jī)制不僅符合舵機(jī)的使用規(guī)則，而且還可以執(zhí)行所需的操作，如走路、滾動和反向滾動。

2.3 整體結(jié)構(gòu)規(guī)劃方案

雙足競步機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]主要有以下三個(gè)方面：

（1）對稱布置

在行走運(yùn)動過程中，機(jī)械機(jī)構(gòu)通常具備結(jié)構(gòu)對稱性的特點(diǎn)，但同時(shí)也發(fā)揮著簡諧運(yùn)動的功能。有研究者對機(jī)器行走運(yùn)動中的結(jié)構(gòu)對稱性問題展開了深入研究，并發(fā)現(xiàn)了機(jī)器人的軀體運(yùn)動和腿部活動之間的結(jié)構(gòu)對稱性具有關(guān)系。在單足支持時(shí)，機(jī)器人均衡性需要腿的對稱鍛煉；在雙足支撐階段，機(jī)器人的均衡性鍛煉并不一定需要腿的對稱鍛煉，除非在額外限制條件下，否則不需要腿部對稱運(yùn)動?；诖它c(diǎn)，雙足競走自動化機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是對稱布局的。

（2）串行連接模式的框架型

因?yàn)殡p足競走型跑步機(jī)器人的所有小滑膜關(guān)節(jié)，如手舵、供電燃料電池和運(yùn)動控制器等電路板都必須有相當(dāng)?shù)目傮w重量，而整個(gè)雙足機(jī)器人的最大總體長度也必須為300mm（長）×300mm（寬）×450mm（高），而且最大總體重量也不可以大于一公斤，因此為合理減小整個(gè)機(jī)器人的本身體積，并降低最大總體重量，窄腳機(jī)器人的所有主要構(gòu)件均使用了鋼框型構(gòu)造，并且還采用電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動結(jié)構(gòu)和可連接移動模式串行式連接式框架設(shè)計(jì)，不僅能有效利用舵機(jī)尺寸，而且能夠盡量地滿足每個(gè)關(guān)節(jié)的活動范圍。

（3）輕型的機(jī)械材料

因?yàn)殡p足競走型的比賽機(jī)器人在安全操作情況下的機(jī)械體重一般較低，而且用來帶動競走機(jī)器人工作的所有機(jī)關(guān)節(jié)件，如操舵裝置、電池以及機(jī)械控制器電路板等都需要有相應(yīng)的機(jī)械體重，所以在它的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分通常采用一點(diǎn)五微米硬度的鋁合金或硬質(zhì)塑料，因?yàn)檫@種合金材質(zhì)的機(jī)械質(zhì)量較低，而且金屬硬度比較好，因此在機(jī)械硬度方面盡管低于普通不銹鋼，但是也比一般的超硬鋁合金材質(zhì)還要好，可以大大強(qiáng)度超過普通的超硬鋁合金。腳底、頂板一般采用一種硬度比較夠、亞克力板以及重量較輕的復(fù)合材料底板作為主要原材。

雙足競步機(jī)器人的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示，各部件的機(jī)械組成如圖2所示。

3 主要硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器

控制管理系統(tǒng)主要使用STM32F103C8T6芯片組和核心控制板塊作為主要微控制器。該芯片基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，運(yùn)行時(shí)工作頻率最高達(dá)到72MHz，最大運(yùn)行電流范圍為2～3.6V，可同時(shí)輸出多PWM方波，能夠有效支持同時(shí)進(jìn)行串口數(shù)據(jù)通信，體積小，重量輕；并且能夠很好地有效滿足應(yīng)用需求。

3.2 供電模塊

窄足的機(jī)器人能量主要是由一塊14.8V的大容量鎳氫動力電池供給，但是因?yàn)橹餍景?，舵機(jī)，以及姿態(tài)傳感器等主要元器件的工作電壓并不相等，所以就必須對鎳氫動力電池進(jìn)行減壓管理。利用AH8670C對鋰電池進(jìn)行降壓處理，然后再給其他元器件供電。該降壓控制晶片中利用人工調(diào)節(jié)的可調(diào)電位器，便可調(diào)整輸出電流。

3.3 姿態(tài)傳感器MPU6050

MPU6050集成了3軸運(yùn)動陀螺儀和3軸硬件加速度運(yùn)動傳感器，自帶高速數(shù)字解碼運(yùn)動姿態(tài)處理器（DMP：Digital Motion Processor）可從硬件加速度到發(fā)動機(jī)，通過HDMI和IIC兩個(gè)接口實(shí)時(shí)輸出運(yùn)動姿態(tài)控制數(shù)據(jù)，非常簡單便于用戶實(shí)現(xiàn)高速動態(tài)數(shù)字解碼運(yùn)算。

3.4 TTL-500通信模塊

該串口模塊為雙工直插式無線傳輸串口，與收發(fā)器之間是一體、半雙工、全透明的無線數(shù)據(jù)傳輸，兼容3.3V和5V的輸出電壓，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)；無線發(fā)射功率高，傳輸使用距離長。同時(shí)，該技術(shù)模塊組還擁有更強(qiáng)大的無線數(shù)據(jù)壓縮處理功能以及更高效的數(shù)據(jù)糾錯性能計(jì)算，使其抗干擾增強(qiáng)性能以及更高的無線傳送數(shù)據(jù)效能。

3.5 舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

舵機(jī)的內(nèi)側(cè)，還布置有一座直流式發(fā)動機(jī)[4]；一個(gè)高速齒輪傳動組；以及一種電流反饋裝置和電位控制裝置；另外還有一個(gè)舵機(jī)電子自動控制器。其中，更高速直流驅(qū)動電機(jī)主要是提供最原始的驅(qū)動力，并帶動伺服齒輪（又稱減速）傳動組件，使之旋轉(zhuǎn)形成一種更大的轉(zhuǎn)矩扭力使之傳遞，而齒輪傳動組件如果變速比越大，則伺服驅(qū)動電機(jī)的齒輪傳遞最大扭矩力也會更大，也就是說，更高速度將能讓其承載很大的設(shè)備重量。

4 雙足競步機(jī)器軟件設(shè)計(jì)

4.1 雙足競步機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要求

在系統(tǒng)硬件架構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，只有通過軟件的設(shè)計(jì)才能完成下面兩個(gè)功能：

（1）雙足競步機(jī)器人，進(jìn)行持續(xù)、平穩(wěn)地行走、前滾翻和后滾翻；

（2）根據(jù)2017年中國足球機(jī)器人競步大賽暨Robo Cup2017年中國足球公開賽相關(guān)規(guī)則，雙足雙人競步參賽機(jī)器人須在一個(gè)長600cm、寬60cm的白色矩形競賽場地內(nèi)獨(dú)立完成各項(xiàng)規(guī)定的競步動作，場地周圍為一塊白色帶有水平面的kt形地板，邊框上方均貼有一條黑色反光膠帶。

由此得到控制系統(tǒng)在軟件上至少要滿足以下要求：

（1）雙足競走機(jī)器人的六個(gè)滑膜關(guān)節(jié)有六操舵裝置，而舵機(jī)控制周期為24mbps，脈寬為6mbps，所以該軟件能夠完成6個(gè)PWM信息的實(shí)時(shí)輸出，并確保PWM信息有較高的準(zhǔn)確度，因此軟件需要對PWM信息進(jìn)行不斷地運(yùn)算，并進(jìn)行修改。

（2）利用飛機(jī)傳感器實(shí)時(shí)自動獲取飛機(jī)信號，以實(shí)現(xiàn)正確辨識飛機(jī)黑色框邊，并完成實(shí)際數(shù)據(jù)處理，從而做出合理判定，立即向飛行舵機(jī)乘員傳送飛行相關(guān)控制指令。

4.2 雙足競步機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法

根據(jù)工業(yè)控制管理系統(tǒng)的主要軟件設(shè)計(jì)功能需要，采用一種模塊式的軟件設(shè)計(jì)控制理念，每個(gè)控制模塊都必須能獨(dú)立完成自己的主要功能。各功能模塊和軟件功能的具體安排主要如下：

（1）增加主機(jī)板功能。實(shí)現(xiàn)了制動系統(tǒng)內(nèi)部硬件運(yùn)行狀態(tài)的制動初始化，主要軟件有一個(gè)單片上舵機(jī)執(zhí)行端口的制動初始化，定時(shí)器/制動計(jì)數(shù)器的制動初始化，外部電源中斷的制動初始化，下舵機(jī)的制動初始化，調(diào)用紅外線的探測和外部中斷的制動觸發(fā)控制函數(shù)，以及上舵機(jī)行走的制動函數(shù)。

（2）動作步行統(tǒng)計(jì)函數(shù)控制啟動執(zhí)行定時(shí)器/執(zhí)行計(jì)數(shù)器，根據(jù)每個(gè)動作的不同執(zhí)行時(shí)間順序和動作步態(tài)進(jìn)行規(guī)劃，對應(yīng)的多個(gè)PWM執(zhí)行信號參數(shù)進(jìn)行不斷同步計(jì)算，控制一臺單片機(jī)自動發(fā)射實(shí)時(shí)化的PWM執(zhí)行信號，驅(qū)動6臺螺旋舵機(jī)協(xié)調(diào)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成一個(gè)步行、前滾和后滾側(cè)翻等多個(gè)動作。

（3）紅外探測和中斷觸發(fā)功能。紅外感應(yīng)器實(shí)時(shí)收集和處理地面信息，并對其進(jìn)行處理。送到位的單片機(jī)外部驅(qū)動斷路，如果驅(qū)動檢測者看到內(nèi)部有一個(gè)黑色的圓形邊框，則表示外界驅(qū)動斷路將被觸發(fā)，單片機(jī)向驅(qū)動舵機(jī)內(nèi)部傳送一個(gè)相應(yīng)的斷路指示，控制雙足式的競步驅(qū)動機(jī)器人的左右快速轉(zhuǎn)動或向右彎曲。

4.3 主函數(shù)設(shè)計(jì)

主要子函數(shù)的應(yīng)用功能主要目的是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器系統(tǒng)中軟硬件運(yùn)行狀態(tài)的自動初始化，并分別調(diào)用了汽車行走狀態(tài)子函數(shù)、紅外信號探測和自動中斷信號觸發(fā)器等子函數(shù)，其功能內(nèi)容主要如下：

（1）Atmegal28端口的起始化：當(dāng)芯片啟動時(shí)，當(dāng)前系統(tǒng)將首先選擇Atmega128的內(nèi)核數(shù)據(jù)、初始定時(shí)器、當(dāng)前系統(tǒng)使用的接口，再通過選擇其數(shù)據(jù)寄存器；

（2）數(shù)據(jù)初始化自動定時(shí)器/自動計(jì)數(shù)器：通過手動設(shè)置數(shù)據(jù)控制自動寄存和數(shù)據(jù)方向控制寄存器，將自動定時(shí)器/自動計(jì)數(shù)器可設(shè)置為兩種模式；

（3）內(nèi)部外斷觸發(fā)初始化：將2個(gè)內(nèi)部自動中斷，一個(gè)int0和一個(gè)int1設(shè)置成作為連續(xù)上升的中斷觸發(fā)；

（4）站立初始化舵機(jī)：初始6個(gè)舵機(jī)，使雙足式的競步式導(dǎo)航機(jī)器人完全站立；

（5）對紅外自動探測和外部中斷信號觸發(fā)器的子函數(shù)功能進(jìn)行自動調(diào)用：每行走一步，紅外探測傳感器對外部信號中斷進(jìn)行自動采集和處理，如果外部信號中斷沒有觸發(fā)，則向自動舵機(jī)內(nèi)部傳送一個(gè)相應(yīng)的自動控制指令，執(zhí)行左或左的右轉(zhuǎn)，如果沒有中斷觸發(fā)，則自動退出觸發(fā)子函數(shù)；

（6）調(diào)用子函數(shù)：首先根據(jù)圖示進(jìn)行相應(yīng)的動作，然后退出子函數(shù)。主函數(shù)流程圖，如圖4所示。

系統(tǒng)在進(jìn)行操作前，雙足競步機(jī)器人處于立正狀態(tài)，之后進(jìn)入紅外探測處并中斷觸發(fā)子函數(shù)，然后再完成一般的行走函數(shù)（包括向前或后翻的行走函數(shù)），并再判斷是不是完成了所需要的動作，要是跑完則程序完成，否則系統(tǒng)將回到紅外探測處并重啟。程序的循環(huán)運(yùn)行，最后完成了所有的設(shè)定操作。

5 結(jié)語

通過Keil μVision完成了前后翻滾，大步走等一系列動作的編程，拓展了單片機(jī)的應(yīng)用技能。由于賽道長達(dá)六米，在調(diào)試的過程中比較艱難，且舵機(jī)存在偏差，最終通過更改源碼上位機(jī)的反復(fù)調(diào)參完成了任務(wù)。

競爭優(yōu)勢：（1）通過間斷性矯正方向并調(diào)整步頻從而到達(dá)賽道終點(diǎn)。（2）運(yùn)用Matlab模擬行進(jìn)路線節(jié)約測試時(shí)間。（3）通過復(fù)合板材進(jìn)行切割并打孔，以減輕機(jī)身重量。（4）對機(jī)器人足底加裝顆粒防滑墊以保證平衡性。（5）為保證動作連續(xù)，對動作進(jìn)行分塊編組，模塊化的動作組便于調(diào)參及運(yùn)動的流暢性。