双足步行机器人下肢最小机构的设计与实现

印元军，郭效廷（正德职业技术学院，南京　211106）

双足步行机器人下肢最小机构的设计与实现

印元军，郭效廷
（正德职业技术学院，南京211106）

0　引言

世界著名的机器人专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能。”这是因为，步行有其他移动方式所无法比拟的优越性。目前，机器人的移动方式根据不同的应用需求主要分为轮式、履带式、步行等方式，其中步行机器人主要包括双足、四足、六足和八足机器人等。与其他步行机器人相比，双足机器人具有更高的灵活性和独特的优势。

双足步行机器人研究的难点之一是下肢机构，本文设计了一款双足步行机器人的研究平台，此平台为双足步行机器人的最小系统，是一个6自由度的下肢结构，设计此平台的目的有三个：一是用于实验教学，为初学者提供一个入门级的平台；二是基于此平台开发适合双足竞步的比赛用机器人，三是熟悉双足步行机器人的运动控制原理，为设计更多自由度的自主智能双足步行机器人打下坚实的基础。

1　机构设计

1.1布置对称性

步行运动中普遍存在结构对称性。Goldberg等人研究了步行运动中的对称性，发现机身运动的对称性和腿机构的对称性之间存在相互关系。在单足支撑阶段，对称性的机身运动要求腿部机构是对称的；在双足支撑阶段，机身对称性运动未必需要腿部机构的对称性，除非有额外的约束条件。根据这一点，我们在机构设计时也采用了对称性布置。

1.2结构件

结构件的形状的大小主要影响机器人的整体尺寸及重心的高低。结构件采用1.5mm的铝合金（LY12）钣金材料，这种材料重量轻、硬度高。结构件主要有舵机支架、U型支架、L型支架、U型梁、脚板等，其中舵机支架大小与MG996R舵机尺寸相符，使得舵机的活动范围符合各关节的活动需求。组装后机器人高250mm，腿宽125mm，脚宽155mm，这样降低了重心，有助于提高行走速度。

2　动力源选择

目前市场上，有不少电机可以向机器人提供动力。控制用的电机主要有步进电机和伺服电动机。由于双足步行机器人要求的精度比较高，步进电机是一个开环系统，精度达不到要求。因此，我们使用的是价格比较便宜的伺服电动机，即舵机。舵机体积紧凑，稳定性好，控制简单，大大简化了控制系统设计，提高了控制系统的可靠性，降低了成本，本文设计的双足步行机器人选用了MG996R舵机作为动力源，它具有大扭力的金属齿轮，运行顺滑，噪音小等特点，舵机具体参数如表1所示。

表1　MG996R舵机的相关参数

3　控制单元

控制板芯片使用功能强大的增强型51单片机STC12C5A60S2，兼容传统的51单片机，但是它与传统51相比，在速度性能与资源方面都有了很大的提升。控制板包括了单片机最小系统及16路舵机控制，是一款可以用来学习、编程、二次开发的开发板。控制板采用高速的miniUSB直接与上位机相连，上位机向控制板发送指令，控制舵机工作，指令格式如下：

#（舵机号）P（脉冲宽度）……#（舵机号）P（脉冲宽度）T（移动时间）！

其中：

舵机号：1～16

脉冲宽度：500～2500，对应角度0～180度

移动时间：从现在位置移动到指定位置所需的时间，单位ms，时间越短舵机反应越快，但过快舵机则反应不过来，一般在定在100ms以上。当时间小于等于100ms时，舵机以最快的速度转动。

例如：#1P1500T200！

表示让第1路舵机移动到1000us脉宽的位置，即90度，使用的时间为200ms。

例如：#1P500#2P1000#3P1500T300！

表示让第1路，第2路和第3路分别移动到500us脉宽，1000us脉宽，1500us脉宽的位置上，即0度，45度，90度，使用的时间均为300ms。

每执行完一行，控制器返回一个应答信号‘N’，方便用户使用单片机控制。

4　电源

为了避免舵机的电源产生的电压波动对控制电路干扰，使整个系统运行更稳定，控制芯片与舵机电源需要隔离，即分开供电。控制电源使用7.4V锂电池供电，舵机部分需要通过降压芯片将电源降至6.4V左右，以保证舵机正常工作。

舵机驱动芯片的上VSS和GND给芯片供电，VS 和GND给舵机供电，GND共用，如图1所示。

图1　供电单元设计

5　自由度确定

人类的身体有四百多个自由度，用机械系统模拟这么复杂的系统可能性不大，必要性也不大，但是双足机器人应该要实现人的一些基本动作，例如步行、爬楼梯、转弯等。因此，机器人的关节选择、自由度的确定是很有必要的。自由度越少，其结构、控制就越简单，但功能也越少；自由度越多，其结构、控制就越复杂，但功能也越多。

自由度的配置需要从机器人的行走环境、步态等方便考虑。首先分析一下步行机器人的运动过程 （前向）和行走步骤：重心右移（先右腿支撑）、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。根据运动过程最少需要考虑三个关节，即髋、膝、踝，其中髋关节主要负责腿部整体运动，实现迈步及上躯的前倾、后仰；膝关节主要负责小腿的运动，用于调整重心高度、脚掌着地高度及角度；踝关节与躯体重心的移动、脚掌着地角度及行走功能有关。

本文设计开发的是一个双足步行最小系统，实际是个6自由度的下肢结构，每条腿3个自由度，具体配置如图2所示。

图2　下肢关节自由度

6　运动控制研究

双足步行机器人步态设计的难点在于是机器人在步行过程中保持自身的平稳性。目前世界上大多数双足步行机器人系统都采用ZMP（Zero Moment Point）作为稳定行走的判据，只要ZMP落在一定的稳定区域内，那么双足步行机器人就可以保持平衡。这里的稳定区域是指由支撑脚掌所组成的多边形区域在水平面上的投影。在单脚支撑期，这一多边形区域投影就是支撑脚的脚底板面；在双脚支撑期这一多边形区域投影为两支撑脚底板触地点所构成的最大区域，如图3所示。

这种多边形区域被称之为支撑多边形，ZMP与支撑多边形直接有着很重要的关系，即ZMP始终位于支撑多边形之中。基于ZMP的双足步行机器人运动平衡控制就是力求ZMP在支撑多边形之内，以保证机器人的平衡。当人静止站立时，ZMP与重心投影点重合，在这种情况下，如果重心投影点严格的落在支撑多边形之内，那么人就能保持平衡。当机器人运动时，只要保证ZMP不处于支撑多边形外面就能保证机器人平衡。

图3　支撑多边形

7　结语

此设计让笔者对双足步行机器人有了一个初步的认识，其研究过程跟以前接触的轮式机器人有着很大的差别，它让我对双足步行机器人的研究产生了浓厚的兴趣，虽然我们仅仅实现了前进、后退、左右转弯等一些基本动作，但是这样的研究过程让我积累了很多经验和信心，后续需要对双足步行机器人的稳定性、平衡性、易调性、可扩展性、抗干扰性等方面作进一步的研究，优化行走算法，开发具有更多自由度的自主智能双足步行机器人。

［1］谭冠政，朱剑英，尉忠信.国内外两足步行机器人研究的历史、现状及发展趋势［J］.机器人，1992，14（3）：61-66.

［2］刘延柱.双足步行运动的动态稳定性，生物力学进展［A］.第四届全国生物力学会议，乌鲁木齐，科学出版社.1993：12-15.

［3］周华平，冯金光.仿人步行机器人结构设计［J］.电测与仪表，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

印元军（1980－），男，硕士，教师，实验师，研究方向为计算机应用、嵌入式开发

2015-06-04

2015-07-28

设计一种结构简单的双足步行机器人，在此基础上对双足步行机器人的步行机理、步行参数及运动控制进行研究，为设计自主智能双足步行机器人打下基础。

双足步行机器人；下肢机构；最小机构

江苏省大学生创新创业训练计划项目

郭效廷（1995－），男，专科，研究方向为计算机应用

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.