雙足機(jī)器人制作及其步態(tài)運(yùn)行

1、雙足機(jī)器人制作及其步態(tài)運(yùn)行一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? . 掌握實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用方法2 . 學(xué)會(huì)AutoCAD知識(shí)并運(yùn)用以及學(xué)習(xí)arduino單片機(jī)的基本開(kāi)發(fā)3 . 了解雙足機(jī)器人平衡控制方法。二、 原理說(shuō)明1Arduino使用說(shuō)明Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)。包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（Arduino IDE)。它構(gòu)建于開(kāi)放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類(lèi)似Java、C語(yǔ)言的Processing/Wiring開(kāi)發(fā)環(huán)境。主要包含兩個(gè)主要的部分：硬件部分是可以用來(lái)做電路連接的Arduino電路板；另外一個(gè)則是Arduino IDE，你的計(jì)算機(jī)中的程

2、序開(kāi)發(fā)環(huán)境。你只要在IDE中編寫(xiě)雙足步態(tài)程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，程序便會(huì)告訴Arduino電路板要做怎樣的步態(tài)運(yùn)行。2 . 雙足步態(tài)算法雙足機(jī)器人平衡控制方法其中的“靜態(tài)步行”（static walking），這種方法是在機(jī)器人步行的整個(gè)過(guò)程中，重心（COG，Center of Gravity）在機(jī)器人底部水平面的投影一直處在不規(guī)則的支撐區(qū)域（support region）內(nèi)，這種平衡控制方法的好處是整個(gè)機(jī)器人行走的過(guò)程中，保證機(jī)器人穩(wěn)定行動(dòng)，不會(huì)摔倒。但是這個(gè)平衡控制方法缺點(diǎn)是行動(dòng)速度非常緩慢（因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程中重心的投影始終位于支撐區(qū)域）。另一種使用的平衡控制方法是“動(dòng)態(tài)

3、步行”（dynamic walking），在這個(gè)控制方法中機(jī)器人的步行速度得到了極大的飛躍，顯而易見(jiàn)，在得到快速的步行速度同時(shí)，機(jī)器人很難做到立即停止。從而使得機(jī)器人在狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中顯現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，為了避免速度帶來(lái)的影響。零力矩點(diǎn)（ZMP）被引入到這個(gè)控制策略中，在單腳支撐相中，引入ZMP=COG。引入ZMP的好處在于，如果ZMP嚴(yán)格的存在于機(jī)器人的支撐區(qū)域中，機(jī)器人絕不摔倒?；谏鲜鰞?nèi)容，可將機(jī)器人的一條腿抽象為上圖。正向ZMP動(dòng)力學(xué)公式如上圖XZMP代表正向ZMP，Xmc代表質(zhì)量中心前進(jìn)的位移，l是倒立擺的長(zhǎng)度，g是重力加速度。三、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備序號(hào)名稱型號(hào)與規(guī)格數(shù)量備注1亞克力板5mm

4、10cm*20cm12激光切割機(jī)13ArduinoNaNO14舵機(jī)MG 90S65Autodesk Computer Aided Design6Arduino IDE四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. Autodesk Computer Aided Design繪制樣圖上圖為雙足機(jī)器人腳部以及腿部，下圖為頭部2. laser cutting machine非金屬切割從激光器發(fā)射出的激光，經(jīng)光路系統(tǒng)，聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到亞克力板表面，使亞克力板達(dá)到熔點(diǎn)或沸點(diǎn)，同時(shí)與光束同軸的高壓氣體將熔化或氣化金屬吹走。隨著光束與亞克力板相對(duì)位置的移動(dòng)，最終使材料形成切縫，從而達(dá)到切割的目的。學(xué)習(xí)使用切割機(jī)，

5、將亞克力板放入激光切割器。應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在計(jì)算機(jī)的控制下，通過(guò)脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復(fù)高頻率的脈沖激光，形成一定頻率，一定脈寬的光束，該脈沖激光束經(jīng)過(guò)光路傳導(dǎo)及反射并通過(guò)聚焦透鏡組聚焦在加工物體的表面上，形成一個(gè)個(gè)細(xì)微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬間高溫熔化或氣化被加工材料。每一個(gè)高能量的激光脈沖瞬間就把物體表面濺射出一個(gè)細(xì)小的孔，在計(jì)算機(jī)控制下，激光加工頭與被加工材料按預(yù)先繪好的圖形進(jìn)行連續(xù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)打點(diǎn)，這樣就會(huì)把亞克力板加工成想要的形狀。下面為激光切割機(jī)相關(guān)參考數(shù)據(jù)：X,Y工作范圍：1300mm*2500mm切割聚焦鏡頭：F=80m

6、m最大激光輸出功率：500W調(diào)繼沖頻率：$300Hz電源脈沖寬度：0.5ms-2ms激光器：雙燈鍍金聚光腔切割接口卡：CNC 3000控制卡切割軟件：適應(yīng)PLT,DXF等格式制冷功率：4W重復(fù)定位精度：±0.03/300mm空程速度：0-20000mm/min切割速度：0-15000mm/min3. 組裝雙足機(jī)器人將雙足機(jī)器人組成零件從切割好后的亞克力板下拆卸下來(lái)，按照雙足機(jī)器人結(jié)構(gòu)拼接起來(lái)，關(guān)節(jié)處使用規(guī)格正確的螺絲螺母，拼接處利用1203瞬干膠-氰基丙烯酸乙酯強(qiáng)力瞬間接著劑粘結(jié)。將MG 90S型號(hào)舵機(jī)放入模型中，用相關(guān)螺絲進(jìn)行對(duì)接。MG 90S自帶杜邦線，將arduino Nano

7、用膠槍固定在雙足機(jī)器人頭部平面處。將六個(gè)MG 90S舵機(jī)線分別插入arduino Nano 的PWM3、PWM5、PWM6、PWM9、PWM10、PWM11引腳。4. Arduino IDE編寫(xiě)程序控制雙足步態(tài)arduino控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所

8、組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 /n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形?？梢钥闯觯髅}沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼

9、。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無(wú)（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。多數(shù)負(fù)載（無(wú)論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載）需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個(gè)PWM控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的

10、倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：1、設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期2、 在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間3、設(shè)置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳4、啟動(dòng)定時(shí)器5、使能PWM控制器如今幾乎所有市售的單片機(jī)都有PWM模塊功能，若沒(méi)有（如早期的8051），也可以利用定時(shí)器及GPIO口來(lái)實(shí)現(xiàn)。更為一般的PWM模塊控制流程為（筆者使用過(guò)TI的2000系列，AVR的Mega系列，TI的LM系列）：1、使能相關(guān)的模塊（PWM模塊以及對(duì)應(yīng)管腳的GPIO模塊）。2、配置PWM模塊的功能，具體有：設(shè)置PWM定時(shí)器周期，該參數(shù)決定PWM波形的頻率。：設(shè)置PW

11、M定時(shí)器比較值，該參數(shù)決定PWM波形的占空比。：設(shè)置死區(qū)（deadband），為避免橋臂的直通需要設(shè)置死區(qū)，一般較高檔的單片機(jī)都有該功能。：設(shè)置故障處理情況，一般為故障是封鎖輸出，防止過(guò)流損壞功率管，故障一般有比較器或ADC或GPIO檢測(cè)。：設(shè)定同步功能，該功能在多橋臂，即多PWM模塊協(xié)調(diào)工作時(shí)尤為重要。3、設(shè)置相應(yīng)的中斷，編寫(xiě)ISR，一般用于電壓電流采樣，計(jì)算下一個(gè)周期的占空比，更改占空比，這部分也會(huì)有PI控制的功能。4、使能PWM波形發(fā)生。首先編入頭文件，對(duì)MG 90S進(jìn)行定義，編寫(xiě)setup函數(shù)。接下來(lái)根據(jù)步態(tài)編寫(xiě)。定義雙足站立值：void startt（）zd.write(a);zx.

12、write(b);zj.write(c);yd.write(d);yx.write(e);yj.write(f); 按照上面站立程序，調(diào)試雙足的站立數(shù)值并填入表格。數(shù)值abcdef值void first() yj.write(a); yx.write(b); yd.write(c); delay(d); zd.write(e); zx.write(f); yd.write(j); delay(k); yj.write(l); yx.write(m); delay(n); zd.write(o); zx.write(p); delay(q); yj.write(r); yx.write(s);

13、上面為雙足機(jī)器人第一步程序，調(diào)試雙足的第一步數(shù)值并填入下面表格。abcdefjklmnopqrsvoid second() zd.write(a); zx.write(b); delay(c); yj.write(d); yx.write(e); yd.write(f); delay(g); 上面為雙足機(jī)器人第二步程序，調(diào)試雙足的第二步數(shù)值并填入下面表格。abcdefgvoid third () yj.write(a); yx.write(b); yd.write(c); delay(d); zd.write(e); zx.write(f); yd.write(j); delay(k); yj

14、.write(l); yx.write(m); delay(n); zd.write(o); zx.write(p); delay(q); yj.write(r); yx.write(s);上面為雙足機(jī)器人第一步程序，調(diào)試雙足的第三步數(shù)值并填入下面表格。abcdefjklmnopqrs循環(huán)：void loop() second(); third();5. 運(yùn)行五、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1. 在采用脈沖穿孔的情況下,為了獲得高質(zhì)量的切口,從工件靜止時(shí)的脈沖穿孔到工件等速連續(xù)切割的過(guò)渡技術(shù)應(yīng)以重視。從理論上講通?？筛淖兗铀俣蔚那懈顥l件：如焦距、噴嘴位置、氣體壓力等,但實(shí)際上由于時(shí)間太短改變以上條件的可能性不大。在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用改變激光平均功率的辦法比較現(xiàn)實(shí),具體方法有以下三種：（1）改變脈沖寬度；（2）改變脈沖頻率；（3）同時(shí)改變脈沖寬度和頻率。實(shí)際結(jié)果表明,第（3）種效果最好。2. 使用激光切割亞克力板，將激光對(duì)準(zhǔn)亞克力右上角，預(yù)先測(cè)一下，看看是否超過(guò)X,Y工作范圍：1300mm*2500mm。3. 雙足拼接時(shí)，一定使各個(gè)零件互相垂直，拼接偏斜會(huì)導(dǎo)致雙足站立不穩(wěn)，行走不穩(wěn)定。4. 單片機(jī)工作的三個(gè)條件分別是電源、時(shí)鐘晶振、復(fù)位。當(dāng)單片機(jī)不能正常工作時(shí)，我們首先就要檢查這三個(gè)條件，用電壓表或者萬(wàn)用表