雙足自主尋跡行走機器人設計

周書興 王星海

摘 要：雙足行走機器人具有12個自由度，包括10個扭矩1.5 N·m的總線舵機和2個扭矩0.15 N·m的普通PWN（脈沖寬度調制）小舵機，10個總線舵機構成機器人的腿部，2個小舵機構成腰部和頭部?？偩€舵機之間用硬鋁金屬U形件和多功能連接件，用防松螺絲套件連接。腳底由透明亞克力板構成，底部粘接帶顆粒軟橡膠皮，提高機器人與地面之間的摩擦來防滑。本設計采用STM32f103RCT6單片機作為雙足行走機器人的控制核心，通過嵌入式程序開發(fā)，使用線性CCD（電荷耦合器件）讓機器人自主尋線，并采用STC8A8K單片機對線性CCD進行控制，在OLED顯示屏上顯示CCD采集的電壓值，從而實現(xiàn)對機器人行走路徑的精準控制。

關鍵詞：STM32F103RCT6;線性CCD;STC8A8K;仿人機器人

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）09-0069-03

Abstract： The biped robot has 12 degrees of freedom， including 10 bus servos with a torque of 1.5 N·m and 2 ordinary pwm （Pulse Width Modulation） small servos with a torque of 0.15 N·m， and 10 bus servos form the legs of the robot， and 2 small servos form the waist and head. Duralumin metal U-shaped pieces and multi-function connectors are used between the bus servos， and they are connected with anti-loosening screw kits. The sole of the foot is composed of a transparent acrylic plate， and the bottom is glued with a granular soft rubber skin to improve the friction between the robot and the ground to prevent slippage. This design uses the stm32f103rct6 microcontroller as the control core of the biped walking robot， through embedded program development， linear CCD （Charge Coupled Device） is used to allow the robot to find the line autonomously， and the STC8a8k microcontroller is used to control the linear CCD， and the voltage value collected by the CCD is displayed on the OLED display screen， thereby realizing the accuracy of the robot's walking path control.

Keywords： stm32f103rct6;linear CCD;stc8a8k;humanoid robot

當前，雙足行走步態(tài)規(guī)劃、步法交換穩(wěn)定控制和行走軌跡識別等是雙足自主尋跡行走機器人研究的焦點，而仿人機器人控制系統(tǒng)設計的合理性將直接決定機器人本體最終的行走表現(xiàn)。同時，仿人行走機器人的運動機械結構設計合理，會降低運動控制的難度。仿人行走機器人的行走運動要求實現(xiàn)多關節(jié)的協(xié)同控制，確保重心穩(wěn)定，這對仿人雙足行走機器人的硬件尺寸和關節(jié)質量都有一定的限制性要求。

1 系統(tǒng)整體設計

雙足自主尋跡行走機器人主要由機械結構和控制系統(tǒng)兩部分組成。機械結構是機器人的整體骨架，本研究設計并制作了指定自主行走、尋跡、前進、后退、轉彎等動作的雙足自主尋跡行走機器人，根據(jù)預先設計的動作功能，繪制三維結構模型，然后進行結構分析、力學計算、運動仿真和加工裝配工藝優(yōu)化，確保在程序控制下實現(xiàn)其功能[1]。控制系統(tǒng)可以應用于機器人的行走步態(tài)規(guī)劃、行走速度控制和路徑識別轉向等，控制系統(tǒng)的先進性程度與其功能的實現(xiàn)程度密切相關?？刂葡到y(tǒng)是機器人的核心部分，人們要確保其工作性能穩(wěn)定，保證控制精度可靠。

本研究設計的控制系統(tǒng)采用線性CCD采集的數(shù)據(jù)判斷轉彎，對采集的數(shù)據(jù)進行二值化處理，然后反饋給STC8A8K單片機，STC8A8K單片機將二值化處理后的數(shù)據(jù)轉換成電壓信號，再通過ADC（模擬數(shù)字轉換器）規(guī)則通道傳輸給STM32F103RCT6單片機進行舵機的轉彎控制。控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 機械結構設計

雙足行走機器人的機械結構設計首先要考慮機器人的關節(jié)自由度數(shù)量，完成預先設想的動作功能[2]，再考慮各個部件與舵機、接口、電池和控制板的連接尺寸設計。雙足行走機器人可以實現(xiàn)類人的行走動作，并要求行走穩(wěn)定和運動靈活，因此，行走機器人關節(jié)自由度數(shù)量的選擇、各部分結構的自由度分配等影響雙足行走機器人的功能實現(xiàn)。自由度越多，機械結構及控制系統(tǒng)越復雜，可實現(xiàn)的功能就越多。

通過分析機器人的行走過程可以看出，機器人向前邁步時，踝關節(jié)處必須配置偏轉自由度和彎曲自由度各1個，支撐小腿;髖關節(jié)必須配置俯仰自由度和彎曲自由度各1個，支撐上軀體，實現(xiàn)移動雙腿和轉移身體重心等動作;膝關節(jié)處配置1個俯仰自由度，調整擺動小腿的著地高度;單腿設計5個自由度，步行運動中要求結構對稱，雙腿有10個自由度，前進與后退時，保證步行中落足平穩(wěn)。

選材方面，雙足行走機器人選用鋁合金U形件，作為舵機固定和連接件。腳底采用透明亞克力板構成，并在底部粘接帶顆粒軟橡膠皮，提高機器人與地面之間的摩擦來防滑。多處金屬零件進行自主設計、切割、加工和打磨，完善機器人整體結構，并且使用彈簧墊圈進行防松，使機器人更加牢固穩(wěn)定。雙足行走機器人的下肢結構如圖2所示。

3 系統(tǒng)開發(fā)與控制程序

3.1 線性CCD

線性CCD的控制原理是在光能的作用下，感光陣列光電二極管產生光有源積分電流，積分電容再將存儲的積分電流轉化為電荷。電荷越多，光線越強，像素點灰度越低，顯示白電平。線性CCD工作過程示意如圖3所示。

3.2 舵機

本設計選用總線舵機，可以減少對單片機IO口的使用，防止單片機上線多且凌亂的情況[3]。機器人的整體結構采用質量比較輕硬的鋁金屬，經過力學計算，結合可選用舵機的扭矩參數(shù)，本設計選擇15 kg的ZX361D舵機。

3.3 控制器

STM32F103RCT6單片機作為機器人整體運動的控制中樞，其程序已實現(xiàn)模塊化，使用PWM模擬輸出、USART（通用同步異步收發(fā)器）串口通信、ADC信號采集等，硬件相對簡單，運行速度快，功耗低。

3.4 電源

本設計采用4節(jié)可拆卸3.7 V、2 000 mA的18650鋰電池，其中3節(jié)作為總線舵機的動力來源，1節(jié)用于線性CCD等控制芯片供電，并且采用多個穩(wěn)壓模塊進行穩(wěn)壓，分別將總線舵機電壓穩(wěn)定在7.5 V左右、線性CCD等控制芯片電壓穩(wěn)定在5.0 V左右，為了避免信號干擾，小舵機也單獨使用5.0 V穩(wěn)壓。

3.5 控制程序

本研究通過線性CCD采集黑線的黑白電壓值，并進行二值化處理，再對黑線的位置做電壓差值處理，并發(fā)送給主控芯片，之后由主控芯片識別電壓值的大小，使得機器人執(zhí)行直走、左轉或右轉等命令[4-6]，其間對總線舵機通信板發(fā)出串口通信命令，對PWM小舵機發(fā)出對應占空比的控制命令，以達到總線舵機直走、左轉或右轉的目的，而且PWM小舵機跟隨其擺動。

3.6 程序調試

本設計通過計算機上位機連接總線舵機通信板對總線舵機（機器人腿部）進行角度、速度及步驟調試，再通過KEIL5調試把由上位機調出來的各組數(shù)據(jù)寫入STM32F103RCT6芯片，最后由芯片控制機器人腿部（總線舵機）行走。其中，調試過程涉及抬腿、轉移重心、轉向等步驟。舵機步態(tài)控制圖如圖4所示。

在調試過程中，若出現(xiàn)機器人走路晃動、穩(wěn)定性不好等問題，則要注意以下兩個原因：一是機器人高度過大，導致重心比較高，平衡性不好，造成行走不穩(wěn)定;二是步態(tài)設計不合理，在動作上，5個舵機要同時配合，每個舵機的角度和速度要做到協(xié)調。

4 結論

本次設計的雙足行走機器人采用控制舵機轉動角度的方式來控制行走，同時采用線性CCD采集數(shù)據(jù)進行處理，控制機器人尋線、轉彎。線性CCD采集的數(shù)據(jù)比紅外傳感器采集的多，而且能實時對黑線的位置進行精準檢測。為了防止丟線跑歪，本研究自行設計了一套防止丟線的算法，使機器人尋線更加穩(wěn)定。筆者在調試時發(fā)現(xiàn)了轉移重心的小訣竅，通過對人體運動學的深入研究，每踏出下一步，即將到達地面的瞬間，改變腿和腳踝的角度，完成重心腳轉移，其間巧妙利用踏步的沖擊力轉移重心，既減緩了沖擊力，又能快速地轉移重心進行下一步，使機器人的行走穩(wěn)定、快速。在組裝或調試的過程中，在組裝舵機時，人們一定要注意舵機的對稱度誤差，不然容易造成機器人腿長腳短;前期設計仿人機器人機械結構時，要注意仿人形對稱結構，合理控制各關節(jié)結構的剛度和力矩。仿人機器人的關節(jié)都采用舵機控制，導致轉換重心時身體會大幅度晃動，設計時可以考慮加上陀螺儀來控制身體的重心，使機器人的行走過程更加平穩(wěn)。

參考文獻：

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