四足機(jī)器人設(shè)計(jì)報(bào)告

四足機(jī)器人設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：本文介紹了四足機(jī)器人（walkingdog）的設(shè)計(jì)過(guò)程，其中包括控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)、傳感器的應(yīng)用以及機(jī)器人步態(tài)的規(guī)劃。一、本體設(shè)計(jì)：walkingdog的單腿設(shè)置髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)兩自由度，能在一個(gè)平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖1.1）。采用舵機(jī)作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，其單腿結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)（圖1.2）。為了便于步態(tài)規(guī)劃，設(shè)計(jì)上下肢L1、L2長(zhǎng)均為65mm。四肢間用鋁合金框架連接，完成后照片見(jiàn)（圖1.3）。walkingdog的每只腳底均有一個(gè)光電傳感器，能有效檢測(cè)腳底環(huán)境的變化。walkingdog的頭部為一個(gè)舵機(jī)，攜帶光電反射式傳感器，能探測(cè)前方180度75cm內(nèi)的障礙物。 圖1.1四足機(jī)器人模型 圖1.2單腿結(jié)構(gòu) 圖1.3：完成后照片二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了使機(jī)器人能靈活地搭載各種傳感器以及實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)，將底層驅(qū)動(dòng)單元與上層步態(tài)算法平臺(tái)分開(kāi)。因?yàn)閣alkingdog的各關(guān)節(jié)均為舵機(jī)，特設(shè)計(jì)了16路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為底層驅(qū)動(dòng)單元，用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人全身各關(guān)節(jié)。并設(shè)計(jì)了上層算法平臺(tái)，將各關(guān)節(jié)參數(shù)通過(guò)UART實(shí)時(shí)地發(fā)送到底層驅(qū)動(dòng)單元。圖2.1為系統(tǒng)框圖。 圖2.1：系統(tǒng)框圖1、底層驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)圖2.2給出了舵機(jī)的工作原理框圖，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)減速齒輪組,并帶動(dòng)一個(gè)線性的電位器作位置檢測(cè),控制電路將反饋電壓與輸入的控制脈沖信號(hào)作比較,產(chǎn)生偏差并驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng),使齒輪組的輸出位置與期望值相符。 圖2.2：舵機(jī)工作原理框圖 針對(duì)舵機(jī)這一特性，設(shè)計(jì)底層驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2.3。Mage8的16位定時(shí)器分時(shí)產(chǎn)生16次定時(shí)中斷，中斷子程序產(chǎn)生移位脈沖，通過(guò)4N25光偶隔離輸入到移位寄存器，實(shí)現(xiàn)各路PWM信號(hào)高電平部分的分時(shí)產(chǎn)生。圖2.4為定時(shí)產(chǎn)生脈沖的中斷處理流程，圖2.5例舉了產(chǎn)生4路PWM信號(hào)的波形圖。實(shí)際電路原理圖見(jiàn)附錄1。 圖2.3：16路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖 圖2.4：定時(shí)中斷服務(wù)流程 圖2.5：產(chǎn)生4路PWM的波形信號(hào) 2、算法平臺(tái)的設(shè)計(jì) 步態(tài)機(jī)器人要求對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)施快速準(zhǔn)確的位置控制，因此對(duì)控制系統(tǒng)提出了比較高的要求：1、具有大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力用來(lái)存儲(chǔ)大量的步態(tài)數(shù)據(jù)。2、實(shí)時(shí)地采集、處理傳感器的數(shù)據(jù)，以便在控制系統(tǒng)的信號(hào)綜合中使用。3、具有良好的控制結(jié)構(gòu)和接口，便于高層控制軟件的開(kāi)發(fā)。4、有一定的預(yù)留接口、良好的兼容性和擴(kuò)展性，以便進(jìn)行功能擴(kuò)展和二次開(kāi)發(fā)根據(jù)以上要求，采用ATmega16作為控制核心，將規(guī)劃好的步態(tài)參數(shù)存入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)定時(shí)器產(chǎn)生的時(shí)鐘將相應(yīng)關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送到底層驅(qū)動(dòng)單元。同時(shí)單片機(jī)通過(guò)傳感器返回的信號(hào)感知周?chē)h(huán)境，并及時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。三、步態(tài)參數(shù)化設(shè)計(jì)1、離線軌跡規(guī)劃為了使機(jī)器人行走平緩，要求足底軌跡有二階光滑度，即有二階連續(xù)導(dǎo)數(shù)。數(shù)學(xué)上的三次樣條插值曲線即可滿(mǎn)足上述條件。設(shè)步長(zhǎng)=40，擺動(dòng)腿離地最高H=20，可求得：踝關(guān)節(jié)的軌跡函數(shù)由踝關(guān)節(jié)的軌跡函數(shù)可得踝關(guān)節(jié)關(guān)于時(shí)間的函數(shù)：其中：為步長(zhǎng)髖關(guān)節(jié)關(guān)于時(shí)間的函數(shù)：Hk為髖關(guān)節(jié)離地高度，取122.6用MATLAB仿真得到： 圖3.1：踝關(guān)節(jié)軌跡坐標(biāo) 圖3.2：踝關(guān)節(jié)一階導(dǎo)數(shù) 圖3.3：踝關(guān)節(jié)二階導(dǎo)數(shù)由以上仿真結(jié)果可知，在行走過(guò)程中機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)軌跡、踝關(guān)節(jié)軌跡的一階導(dǎo)數(shù)和踝關(guān)節(jié)軌跡的二階導(dǎo)數(shù)都是連續(xù)的。而且擺動(dòng)腿著地時(shí)的速度為零，大大減小了沖擊，保證了機(jī)器人行走的穩(wěn)定性。根據(jù)上述髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)關(guān)于時(shí)間的軌跡函數(shù)，可求得各關(guān)節(jié)角度關(guān)于時(shí)間的函數(shù)：2、步序規(guī)劃目前主要有兩類(lèi)步態(tài)機(jī)器人的穩(wěn)定性：靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。靜態(tài)穩(wěn)定性忽略機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能，采用重心(COG)作為穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，適用于移動(dòng)較慢的機(jī)器人。而動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性一般采用零力矩點(diǎn)(ZMP)作為穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)，即考慮重力、慣性力及地面反力三者合力矢的延長(zhǎng)線與地面的交點(diǎn)。在對(duì)角小跑（Trot）、溜蹄（Pace）、跳躍（bounding）等有較多應(yīng)用。由于舵機(jī)性能及機(jī)械加工精度等方面的限制，WALKINGDOG采用靜態(tài)穩(wěn)定性作為約束步態(tài)的條件。靜態(tài)穩(wěn)定性約束的步態(tài)任一時(shí)刻至少應(yīng)有3條腿與地面接觸支撐機(jī)體，且機(jī)體的中心必須落在3足支撐點(diǎn)構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)，據(jù)此設(shè)計(jì)步態(tài)圖如下： 圖3.4：四足一周期內(nèi)的步態(tài)圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種步序能使機(jī)器人連續(xù)穩(wěn)定地行走。四、結(jié)論 采用模塊化設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)了四足機(jī)器人，使