基于ATmega32A單片機(jī)的競步體操機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

鄒樂瑤，陳思穎，王少坤

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 咸陽712100）

本篇文章的研究成果被用于2020年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽的“工程競技類機(jī)器人-類人形機(jī)器人競技全能賽”，規(guī)則除了要求體操機(jī)器人應(yīng)具有人的形狀特征且能夠短時(shí)流暢地完成常規(guī)體操動(dòng)作如雙手俯臥撐、單手俯臥撐、前后滾翻、倒立、側(cè)手翻和自選動(dòng)作外，還要求體操機(jī)器人具有直立行走的能力，這是此次比賽規(guī)則的創(chuàng)新點(diǎn)和難點(diǎn)所在。常規(guī)體操機(jī)器人具有可獨(dú)立運(yùn)行的雙臂和雙腿，其中手臂部分不少于3個(gè)自由度，雙腿部分不少于2個(gè)自由度。由于規(guī)則的改變，體操機(jī)器人的類人形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自由度個(gè)數(shù)的選擇和分配等問題的解決方法都與往常體操機(jī)器人有很大的區(qū)別。本課題立足于常規(guī)體操機(jī)器人的創(chuàng)新發(fā)展，較為成功地解決了設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的很多新型問題，并在比賽中加以運(yùn)用最終獲得了優(yōu)異的成績。

1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)計(jì)流程中尤為重要的環(huán)節(jié)，它將會(huì)直接影響機(jī)器人是否能夠完成相應(yīng)的功能。由于大賽規(guī)則要求，機(jī)器人必須采取自主式脫線的方式完成比賽，中途不可人為觸碰，所以決定采取單片機(jī)控制的方式。通過對(duì)體操機(jī)器人要求展示動(dòng)作的分析、機(jī)器人人形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、身體自由度數(shù)目的選擇、各關(guān)節(jié)自由度的分配等問題的討論，確定機(jī)器人的框架和身體各處參數(shù)設(shè)置。完整的控制流程見圖1。

圖1 控制流程

2 機(jī)器人控制電路的設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用自制的Yobot15路舵機(jī)控制板作為主要的硬件控制電路。Yobot15路舵機(jī)控制板是由西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)生自主設(shè)計(jì)與制作的電路板，具有許多非常優(yōu)秀的性能。而它所配對(duì)使用的YoSevro軟件也是一款簡單易操作的上機(jī)控制軟件。通過Yobot控制板可以實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)對(duì)14個(gè)舵機(jī)的控制，調(diào)試行走及體操動(dòng)作。圖2、圖3為電路板PCB的布線圖。

圖2 正面布線圖

圖3 反面布線圖

體操機(jī)器人使用RDS3115舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力源。與同類型的舵機(jī)相比雖反應(yīng)靈敏度、準(zhǔn)確度、扭矩大小相對(duì)較弱，但其性價(jià)比最高。RDS3115舵機(jī)產(chǎn)品圖如圖4。

圖4 RDS3115舵機(jī)產(chǎn)品圖

RDS3115舵機(jī)的綜合參數(shù)如下：

（1）使用環(huán)境

存儲(chǔ)溫度：-30℃～80℃；

運(yùn)行溫度：-15℃～70℃；

工作電壓范圍：4.8-6.8V。

（2）機(jī)械特性

尺寸：40*20*40mm；

重量：60g。

（3）電氣特性

驅(qū)動(dòng)方式：PWM（Pulse width modification）；

脈寬范圍：500至2500μsec；

控制角度：180°或者270°；

控制頻率：50-330Hz。

采用PWM調(diào)制方式的顯著優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、精度高。調(diào)制詳情見圖5。

圖5 PWM調(diào)制過程

硬件電路部分由2S Li電池提供7.4v電壓給舵機(jī)控制板Yobot供電。

3 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

以往比賽中對(duì)體操機(jī)器人的競賽要求是能夠在有限時(shí)間內(nèi)獨(dú)立完成規(guī)定的體操動(dòng)作和自編自選動(dòng)作，由于2020年比賽規(guī)則的變更，機(jī)器人要求加入“從比賽場地入口直立行走至場地中心”這一新動(dòng)作，這使得機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及體操動(dòng)作設(shè)計(jì)都將發(fā)生較大改動(dòng)。經(jīng)過多次機(jī)械結(jié)構(gòu)的嘗試和優(yōu)化，最終確定了機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

在此次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要有兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。首先，由于機(jī)器人要求直立行走，腿部較以往增加一個(gè)自由度以實(shí)現(xiàn)向前胯步，增加一個(gè)自由度意味著腿部的長度將多出一個(gè)舵機(jī)的高度，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人重心過高行走站立不穩(wěn)，展示動(dòng)作時(shí)腿部過長導(dǎo)致動(dòng)作的協(xié)調(diào)度、美觀度較差，甚至有些難度較高的動(dòng)作難以實(shí)現(xiàn)。所以最終我們選擇將腿部上下經(jīng)鋁件相連的兩個(gè)舵機(jī)進(jìn)行空間錯(cuò)位連接，采用高粘性的膠水進(jìn)行初次連接，之后為保證其牢固性和穩(wěn)定性，又利用打孔機(jī)進(jìn)行穿孔加以鋁件連接固定。如圖7所示。

圖7 腿部舵機(jī)詳圖

其次，我們?cè)诓粩嘈阅軝z測(cè)中對(duì)機(jī)器人手掌也做了相應(yīng)的調(diào)整。常規(guī)體操機(jī)器人手板通常選取與腳板相同大小、材質(zhì)的正方形或長方形塑料硬板從而提高機(jī)器人的對(duì)稱性和美觀度。但在動(dòng)作調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，方形的手掌難以支撐機(jī)器人臥地之后的站立動(dòng)作，使機(jī)器人經(jīng)常出現(xiàn)動(dòng)作中斷甚至舵機(jī)堵轉(zhuǎn)發(fā)熱損壞的情況。所以經(jīng)過反復(fù)的更改和嘗試，最終確定機(jī)器人手部的形狀為“T”字形，如圖8所示。用高強(qiáng)度的膠水和膠布將手掌固定在機(jī)器人手臂的合適位置。經(jīng)多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)，“T”字形手掌能夠極大地提高機(jī)器人動(dòng)作的完成度和體操動(dòng)作的簡潔性。

圖8 機(jī)器人手板圖

4 結(jié)束語

針對(duì)機(jī)器人的競速和體操兩個(gè)主要要求，文章對(duì)傳統(tǒng)的體操機(jī)器人加以創(chuàng)新和改造。通過長時(shí)間的反復(fù)調(diào)試運(yùn)行，其穩(wěn)定性、靈敏性、完成度都較好地滿足了中國機(jī)器人大賽的比賽要求，這對(duì)于類人形體操機(jī)器人的研究提供部分思路。