雙足步行機器人下肢最小機構的設計與實現

印元軍，郭效廷（正德職業技術學院，南京　211106）

雙足步行機器人下肢最小機構的設計與實現

印元軍，郭效廷
（正德職業技術學院，南京211106）

0　引言

世界著名的機器人專家、日本早稻田大學的加藤一郎教授說過：“機器人應當具有的最大特征之一是步行功能。”這是因為，步行有其他移動方式所無法比擬的優越性。目前，機器人的移動方式根據不同的應用需求主要分為輪式、履帶式、步行等方式，其中步行機器人主要包括雙足、四足、六足和八足機器人等。與其他步行機器人相比，雙足機器人具有更高的靈活性和獨特的優勢。

雙足步行機器人研究的難點之一是下肢機構，本文設計了一款雙足步行機器人的研究平臺，此平臺為雙足步行機器人的最小系統，是一個6自由度的下肢結構，設計此平臺的目的有三個：一是用于實驗教學，為初學者提供一個入門級的平臺；二是基于此平臺開發適合雙足競步的比賽用機器人，三是熟悉雙足步行機器人的運動控制原理，為設計更多自由度的自主智能雙足步行機器人打下堅實的基礎。

1　機構設計

1.1布置對稱性

步行運動中普遍存在結構對稱性。Goldberg等人研究了步行運動中的對稱性，發現機身運動的對稱性和腿機構的對稱性之間存在相互關系。在單足支撐階段，對稱性的機身運動要求腿部機構是對稱的；在雙足支撐階段，機身對稱性運動未必需要腿部機構的對稱性，除非有額外的約束條件。根據這一點，我們在機構設計時也采用了對稱性布置。

1.2結構件

結構件的形狀的大小主要影響機器人的整體尺寸及重心的高低。結構件采用1.5mm的鋁合金（LY12）鈑金材料，這種材料重量輕、硬度高。結構件主要有舵機支架、U型支架、L型支架、U型梁、腳板等，其中舵機支架大小與MG996R舵機尺寸相符，使得舵機的活動范圍符合各關節的活動需求。組裝后機器人高250mm，腿寬125mm，腳寬155mm，這樣降低了重心，有助于提高行走速度。

2　動力源選擇

目前市場上，有不少電機可以向機器人提供動力。控制用的電機主要有步進電機和伺服電動機。由于雙足步行機器人要求的精度比較高，步進電機是一個開環系統，精度達不到要求。因此，我們使用的是價格比較便宜的伺服電動機，即舵機。舵機體積緊湊，穩定性好，控制簡單，大大簡化了控制系統設計，提高了控制系統的可靠性，降低了成本，本文設計的雙足步行機器人選用了MG996R舵機作為動力源，它具有大扭力的金屬齒輪，運行順滑，噪音小等特點，舵機具體參數如表1所示。

表1　MG996R舵機的相關參數

3　控制單元

控制板芯片使用功能強大的增強型51單片機STC12C5A60S2，兼容傳統的51單片機，但是它與傳統51相比，在速度性能與資源方面都有了很大的提升。控制板包括了單片機最小系統及16路舵機控制，是一款可以用來學習、編程、二次開發的開發板。控制板采用高速的miniUSB直接與上位機相連，上位機向控制板發送指令，控制舵機工作，指令格式如下：

#（舵機號）P（脈沖寬度）……#（舵機號）P（脈沖寬度）T（移動時間）！

其中：

舵機號：1～16

脈沖寬度：500～2500，對應角度0～180度

移動時間：從現在位置移動到指定位置所需的時間，單位ms，時間越短舵機反應越快，但過快舵機則反應不過來，一般在定在100ms以上。當時間小于等于100ms時，舵機以最快的速度轉動。

例如：#1P1500T200！

表示讓第1路舵機移動到1000us脈寬的位置，即90度，使用的時間為200ms。

例如：#1P500#2P1000#3P1500T300！

表示讓第1路，第2路和第3路分別移動到500us脈寬，1000us脈寬，1500us脈寬的位置上，即0度，45度，90度，使用的時間均為300ms。

每執行完一行，控制器返回一個應答信號‘N’，方便用戶使用單片機控制。

4　電源

為了避免舵機的電源產生的電壓波動對控制電路干擾，使整個系統運行更穩定，控制芯片與舵機電源需要隔離，即分開供電。控制電源使用7.4V鋰電池供電，舵機部分需要通過降壓芯片將電源降至6.4V左右，以保證舵機正常工作。

舵機驅動芯片的上VSS和GND給芯片供電，VS 和GND給舵機供電，GND共用，如圖1所示。

圖1　供電單元設計

5　自由度確定

人類的身體有四百多個自由度，用機械系統模擬這么復雜的系統可能性不大，必要性也不大，但是雙足機器人應該要實現人的一些基本動作，例如步行、爬樓梯、轉彎等。因此，機器人的關節選擇、自由度的確定是很有必要的。自由度越少，其結構、控制就越簡單，但功能也越少；自由度越多，其結構、控制就越復雜，但功能也越多。

自由度的配置需要從機器人的行走環境、步態等方便考慮。首先分析一下步行機器人的運動過程 （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個階段。根據運動過程最少需要考慮三個關節，即髖、膝、踝，其中髖關節主要負責腿部整體運動，實現邁步及上軀的前傾、后仰；膝關節主要負責小腿的運動，用于調整重心高度、腳掌著地高度及角度；踝關節與軀體重心的移動、腳掌著地角度及行走功能有關。

本文設計開發的是一個雙足步行最小系統，實際是個6自由度的下肢結構，每條腿3個自由度，具體配置如圖2所示。

圖2　下肢關節自由度

6　運動控制研究

雙足步行機器人步態設計的難點在于是機器人在步行過程中保持自身的平穩性。目前世界上大多數雙足步行機器人系統都采用ZMP（Zero Moment Point）作為穩定行走的判據，只要ZMP落在一定的穩定區域內，那么雙足步行機器人就可以保持平衡。這里的穩定區域是指由支撐腳掌所組成的多邊形區域在水平面上的投影。在單腳支撐期，這一多邊形區域投影就是支撐腳的腳底板面；在雙腳支撐期這一多邊形區域投影為兩支撐腳底板觸地點所構成的最大區域，如圖3所示。

這種多邊形區域被稱之為支撐多邊形，ZMP與支撐多邊形直接有著很重要的關系，即ZMP始終位于支撐多邊形之中。基于ZMP的雙足步行機器人運動平衡控制就是力求ZMP在支撐多邊形之內，以保證機器人的平衡。當人靜止站立時，ZMP與重心投影點重合，在這種情況下，如果重心投影點嚴格的落在支撐多邊形之內，那么人就能保持平衡。當機器人運動時，只要保證ZMP不處于支撐多邊形外面就能保證機器人平衡。

圖3　支撐多邊形

7　結語

此設計讓筆者對雙足步行機器人有了一個初步的認識，其研究過程跟以前接觸的輪式機器人有著很大的差別，它讓我對雙足步行機器人的研究產生了濃厚的興趣，雖然我們僅僅實現了前進、后退、左右轉彎等一些基本動作，但是這樣的研究過程讓我積累了很多經驗和信心，后續需要對雙足步行機器人的穩定性、平衡性、易調性、可擴展性、抗干擾性等方面作進一步的研究，優化行走算法，開發具有更多自由度的自主智能雙足步行機器人。

［1］譚冠政，朱劍英，尉忠信.國內外兩足步行機器人研究的歷史、現狀及發展趨勢［J］.機器人，1992，14（3）：61-66.

［2］劉延柱.雙足步行運動的動態穩定性，生物力學進展［A］.第四屆全國生物力學會議，烏魯木齊，科學出版社.1993：12-15.

［3］周華平，馮金光.仿人步行機器人結構設計［J］.電測與儀表，2005，42（2）：9-12.

Biped Walking Robot；Lower Limb Agency；Minimum Agencies

Design and Implementation of Biped Walking Robot Lower Limb Minimum Agencies

YING Yun-jun，GUO Xiao-ting
（Zhengde Polytechnic College，Nanjing 211106）

1007-1423（2015）23-0077-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.23.019

印元軍（1980－），男，碩士，教師，實驗師，研究方向為計算機應用、嵌入式開發

2015-06-04

2015-07-28

設計一種結構簡單的雙足步行機器人，在此基礎上對雙足步行機器人的步行機理、步行參數及運動控制進行研究，為設計自主智能雙足步行機器人打下基礎。

雙足步行機器人；下肢機構；最小機構

江蘇省大學生創新創業訓練計劃項目

郭效廷（1995－），男，專科，研究方向為計算機應用

Designs a simple structure of biped walking robot，on this basis to study the biped walking robot walking mechanism，walking parameters and motion control，and lays the foundation for the design of autonomous intelligent biped walking robot.