雙足步行機(jī)器人---直立行走，其有著良好的自由度、動作靈活、自如、穩(wěn)定。雙足機(jī)器人是一種仿生類型的機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的雙足行走和相關(guān)動作。作為由機(jī)械控制的動態(tài)系統(tǒng)，雙足機(jī)器人包含了豐富的動力學(xué)特性。在未來的生產(chǎn)生活中，類人型雙足行走機(jī)器人可以幫助人類解決很多問題比如馱物、搶險(xiǎn)等一系列危險(xiǎn)或繁重的工作。

一、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的關(guān)節(jié)

雙足競步機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類似于人類的雙足，可以實(shí)現(xiàn)像人類一樣行走。本機(jī)器人采取了使用模擬舵機(jī)代替人類關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)控制。使用舵機(jī)控制芯片控制各個(gè)關(guān)節(jié)的動作，從而實(shí)現(xiàn)了對步伐的大小、快慢、幅度的控制。

用鋁合金或其他輕型高硬度材料來制作機(jī)器人的結(jié)構(gòu)件，類似于人類的骨骼，從而來支撐機(jī)器人的整體。用輕型、有一定強(qiáng)度的材料(比如亞克力板)來制作機(jī)器人的頂板和腳板，模擬人類的胯部和腳掌從而來支持機(jī)器人的行走與穩(wěn)定。因?yàn)樾凶呤嵌嚓P(guān)節(jié)配合的動作，機(jī)器人能獨(dú)立完成行走或其他任務(wù)。作為類人形機(jī)器人，本機(jī)器人采用六個(gè)舵機(jī)分別代替兩條腿的關(guān)節(jié)，其中一條腿的三個(gè)關(guān)節(jié)如圖 1 所示。

圖 1 雙足機(jī)器人的關(guān)節(jié)

圖 2 機(jī)器人關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)

舵機(jī)：使用舵機(jī)來代替關(guān)節(jié)活動。舵機(jī)的好壞決定了機(jī)器人行走的質(zhì)量。選擇質(zhì)量好，運(yùn)行平穩(wěn)，執(zhí)行到位的常規(guī)舵機(jī)即可，結(jié)構(gòu)件的尺寸與型號決定的關(guān)鍵是在于舵機(jī)的尺寸型號。

機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖 3 機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)件：用 2 mm 鋁合金板制作結(jié)構(gòu)件來代替骨骼。材料選擇需注意:材料需滿足易切割，打孔。材料成型后不易形變。能支撐機(jī)器人重量。

腳板、頂板：使用 0. 5 mm 亞克力板制作機(jī)器人的腳板和頂板，來模擬人的腳掌和盆骨。

二、機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)

控制板相當(dāng)于人的大腦對舵機(jī)發(fā)布指令控制機(jī)器人動作，本文采用 Atmegal 6 作為機(jī)器人的主控制板。ATmegal 6 基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間 ATmegal6 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

圖 4 機(jī)器人核心控制電路圖

三、軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

機(jī)器人工作流程

雙足競步機(jī)器人(窄足)的步態(tài)比較接近于人類正常行走時(shí)的步態(tài)，按照重心進(jìn)行步態(tài)控制。為了方便程序的編寫和動作的調(diào)試，關(guān)節(jié)舵機(jī)的編號為 (0-5)號。編程為理想化編程，實(shí)際程序會和理想編程有所偏差，因此編程完成之后要進(jìn)行多次動作的微調(diào)，機(jī)器人工作流程圖如圖 5 示。

圖 5 機(jī)器人工作流程圖

機(jī)器人舵機(jī)是對稱安裝，在編寫代碼時(shí)要注意舵機(jī)的運(yùn)動方向。機(jī)器人在反轉(zhuǎn)動作時(shí)不宜太快，太快可能會導(dǎo)致代碼不能完全讀出導(dǎo)致動作不到位使機(jī)器人出現(xiàn)摔倒的情況。

舵機(jī)控制原理

本文所采用的舵機(jī)為模擬舵機(jī)，因此采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)進(jìn)行舵機(jī)的信號輸出控制。PWM 是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)節(jié)約空間、抗噪聲強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。在電動機(jī)控制領(lǐng)域中強(qiáng)調(diào)能節(jié)能環(huán)保的變頻技術(shù)，比如變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)、和變頻冰箱等，其實(shí)它們所利用的核心技術(shù)就是 PWM 技術(shù)。