一种仿生双足机器人系统设计
一种仿生双足机器人系统设计
双足机器人作为机器人技术研究的最高端领域，其设计和开发涉及多个学科领域的交叉融合。本文将详细介绍一种仿生双足机器人的系统设计方案，包括总体结构设计、关键部件选型、步态规划方法以及程序实现等核心内容。
仿生双足机器人研究目的及意义
“robot”源于捷克语“robota”，原译为强迫劳动，后来将其中译为机器人。以机器人为含义的robot最开始出现于一部剧本中，其名为《罗萨姆万能机器人公司》，创作者为恰佩克，在此剧本里，他构想了一种听命于人类的人型机器，取名为罗伯特，“机器人”这个词也由此而生。到了20世纪40年代，出现了一本小说受到人们的热捧，它的名字为《我，机器人》，创作者为阿西莫夫，在这一小说中，出现了一个对后世影响深远的定律，那就是阿西莫夫机器人三定律。到这时，人们还未开始研究机器人，仍是将其作为一个概念或者是放在幻想之中，到了20世纪50年代末，首个工业机器人诞生，同时也出现了首个以机器人为产品的制造企业，它是人们开始研究机器人的标志。
从1960年之后，人们开始研究双足机器人，自从日本研发出首个双足机器人之后，双足机器人这一研究领域就诞生了，自此之后以双足机器人为研究对象开展的研究也越来越多。所谓双足机器人，指的是通过机械再创造方式制作的双足生物，在所有机器人技术研究环节中，它毫无疑问属于最高教育环节[1]。作为对诸多学科进行综合，涉及诸多领域例如通信领域以及机电领域的技术，双足机器人技术早已变成了诸多研究内容中的前沿研究技术[2]。
按照移动性特点，能够把机器人分成两类，首先是移动机器人，包括足式以及轮式机器人；其次是固定机器人。如果有大部分国家主要以轮式机器人作为研究对象来展开研究[4-5]。而在机器人技术发展过程中，研究对象又离不开双足机器人，自上世纪初开始，对此类机器人进行研究的生产线就进入了高速发展阶段。相比于其他机器人而言，双足机器人拥有离散的支脚可以实现交替着地，通过选择支撑点进行稳定性工作。双足机器人有很大的灵活性，更加适合在恶劣工作环境中工作，它是一个高层次，强耦合，自由系统的非线性多度的对象[6]。需要看到的是，机器人技术存在两类特点，首先是存在亲和力；其次是移动网络特性良好，在研究双足机器人步态情况的同时，还能够实现对系统动力学假肢的研发目的，这对于康复医学领域而言意义重大[7]。双足步行机器人的研究不单单是本身的发展，还可以大大推动其他类似计算机，仿生学，通信，传感器等学科的发展[8-10]。
仿生双足机器人总体设计思路
一个机器人的总体结构设计教学过程是很繁杂的，但根据前人的探讨问题研究，机器人的总体规划设计共有系统进行设计和技术可以设计，将这两部分的工作人员做好，会为机器人的具体分析设计减少大量的时间。
该系统的设计是在机器人设计中，必要的了解仿生双足机器人的前方，包括以下级别：
- 明确教学设计任务，做好自己设计前的工作准备。
- 查阅仿生双足机器人的相关资料或实地研究，了解其工作模式和设计要求。
- 根据设计任务的要求，设计了双足仿生机器人的具体方案及相关参数。
该技术的目的是仿生人类双足是特定的参数和双足机器人仿生设计的各种部件的要求，包括以下级别：
- 感知系统的确定。
- 控制系统的设计。
- 驱动系统的确定。
- 机械结构的方案确定。
- 自由度数目的确定。
- 根据中国机械设计结构和自由度的确定，可以通过进行分析机械结构简图的绘制，为后续三维绘图奠定理论基础。
- 绘制的系统的框图，完成双足机器人的设计工作。
舵机的工作原理
信号的控制可以通过对接收器芯片当中的信号路径的控制来实现，直流偏置电压也可以从这一过程中来获取。舵机内部设有基准电路，其内部基准信号的宽度一般在1.5ms左右，其产生周期一般在20ms左右，通过对电位器电压以及直流偏置电压的对比，其中的差值就是输出的电压差。倘若电机的工作转速保持不动，电位器的旋转能够通过网络联级的减速齿轮来实现，当其电压差是零的时候，电机会继续保持转动。
舵机的控制
运用时基脉冲，就能够控制舵机，此脉冲大约为二十毫秒，其中0.5毫秒到2.5毫秒之间属于它的高电平部分，本文选择一百八十度的伺服作为研究对象，来研究其控制关系情况，具体情况见表3-1：
表3-1
关节结构三维设计图
MG996关节结构为该机器人关键部件，尺寸: 40mm X 20mm X 36.5mm如图所示：
舵机
舵架，用于固定舵机
舵架
机与铝合金支架之间采用舵板与舵轴连接。
舵盘
舵轴
小型 u 型框架用于支撑机器人腿部的主要关节，在连接舵机、舵机、船机和小腿时起着重要作用。如图：
此脚底板是设计是中空类型的，如此设计，当机器人行进时，就能够获得较大摩擦力，如图
脚底板
气缸盖罩，主要用于连接的腿部，腰部和固定转向器设置微控制器。如图：
舵机与U形架装配图
整体配合说明。通过对相关资料进行查阅，同时分析实验数据后发现，理论上，舵机扭矩为13kg/cm,实际上它低于此值，理论上，电源标准电压为6v，实际上电源无法一直保持这样的范围，因此此处进行保守取值，令扭矩为7kg/cm。通过分析发现，机器人一只腿上的舵机数量有两个，共重一百二十克，外加U形架，其重量在两百克以下。根据杠杆原理得出腿长不要超过7000/200=35cm。腿越长重心越难把握，出于美观考虑腿长取20cm。如图
机器人整体装配如图：
仿生双足机器人步态规划
步态规划的方法
通常，步态规划手段主要有三种。
1、基于实验的规划方法
此规划手段是将力学相似原理作为基础的，其设计规划过程为：找一名人员，令其对机器人行走步态进行模仿，在模仿过程中，运动的关节需要和机器人行走时运动的关节相符，然后对行走者进行录像，不但需要从正面进行录像，还需要在侧方向进行录像，录像完毕后将录像展开综合分析，了解步行者在行进中各关节活动情况，接着按照力学相似原理推断机器人行进时应当如何活动关节。
2、基于能量原理的规划方法
此手段是从生物学假说推断而来的，通过百万年的发展，人们才进化为如今的样子，因此当前的行走方式也是在时间检验下能耗最低的方式，同时步伐稳定性也较高。因此若是令机器人模仿人的行走方式，并按照最小能量这一原理来进行变分方程的构建，完成机器人步行相关方程。
3、基于力学稳定性的规划方法
当机器人开始移动时，它的ZMP点一定在一个特定的经济范围中，唯有如此机器人步行才能足够稳定，其实现手段有两类，首先是进行理想ZMP轨迹的构建，然后得到更关节运动情况，并了解机器人需要行进的具体行程。其次是先对机器人两部分运动轨迹进行规划，这两部分首先是躯干；其次是双足，接着再展开ZMP计算，然后从多个结果中选择拥有良好稳定性的结果。在这两种手段中，不论从掌握难度来看，还是从理解难度来看，明显第一种手段更加优秀，因此本文选择第一种手段，同时按照人体行走情况来设计机器人步态。
仿生双足机器人的程序设计
程序的编译环境
通过对AVR单片机进行分析能够发现，它的优点有许多，这使得许多厂商原意进行各类软件平台和编译器的开发，以此来展开AVR单片机编写工作。在各类开发环境中，能够对C语言进行支持的环境有许多，比如常见的WinAVR环境以及ICCAVR环境等。其中WinAVR是移植于AVR环境，它的优点十分多样，举例而言，它不但拥有较高的编译效率；而且并不需要付费，不但所有用户都能够使用它的源代码，而且它还具备较高的稳定性，不论哪一类AVR芯片它都能够提供支持[39]。同时通过对WinAVR结构进行分析能够发现，作为开发工具套件，它主要由编译器以及生成工具等构成，因此拥有丰富功能。在WinAVR中，作为GCC语言编辑器的PN能够编译C语言，从而输出文件，令源文件程序运行于单片机上。需要看到的是，PN具有丰富而又强大的功能，它不但能够进行应用程序接口的提供，而且并不需要通过颜色就能够对语法关键字进行区分。而对Mfile工具进行分析能够发现，它能够令makefile参数修改更加方便，同时它还能够对管理程序编译链接进行管理，能够对编译工作进行维护，在GCC编译中，它能够发挥十分重要的作用[21]。
当将PN打开，然后完成工程和工程组的新建工作后，就可以通过编辑器来完成程序的编写操作，在展开编译工作之前，必须在工程目录中添加makefile文件，如此才可以确保编译足够正确。然后对makefile文件进行拷贝操作，通过PN将Makefile文件打开，从而实现对单片机各种信息的修改，必须对源文件名称的修改等等，修改完毕后进行保存。然后通过makeall命令展开编译操作，编译完成后会在Output 里显示编译成果。若是存在错误，那么便会有错误报告出现在Output里，而光标将会对错误位置进行锁定，此时就可以修改错误。然后再按照上述步骤展开编译工作。
AVR Studio软件介绍*
作为集成工作环境，AVR Studio 能够对所有AVR单片机的开发提供支持，其开发者为ATMEL企业，通过对该软件结构进行分析能够发现，它包含许多工具，其中主要有三类工具，首先是调试功能；其次是编译器；最后是各种常用工具比如STK500工具等，而该软件的功能也十分丰富，不但能够对代码进行运行，还能够展开仿真操作。如今日软件中并未对C语言编译器进行集成，所以并无法在C语言开发中发挥作用，但是却可以利用此软件展开仿真操作。本文在开发AVR单片机时就是通过此软件和WinAVR相结合的方式来进行开发[21]。
结论
本文在对双足机器人国内和国外研究情况等内容进行介绍之后，完成了此类机器人的控制系统的设计工作，与实验结果相结合验证实现的能力，以控制运动和双足移动机器人一个我们期待的各种功能，以满足设计要求。
论文研究主要可以完成的工作有以下几个方面:
（1）利用人型双足机器人结构的主体，每个单独控制的伺服18个主要18个关节活动，以实现在任意方向上太空旅行，另外，机器人还可以绕开途中的障碍物。
(2)根据控制系统具体发展要求，本文选择的单片机为ATmega128单片机，然后在设计硬件电路结构时，介绍了各模块具体功能，说明了控制系统中控制器的部分数据，同时还对微控制器三类模块功能进行了描述，这三类模块即电源、集成传感器以及为微控制器模块。
（3）完成了对双足机器人运动进行控制的具体程序。在完成运动参数、数据采集手段以及采集过程的介绍工作之后，进行了运动控制程序的设计工作，完后又对其进行了调试。
（4） 软件仿真。运用实验来对软硬件可行性进行验证。因为本文设计的控制系统属于开放式系统，也就是说可以在后期对其功能进行不但优化和完善，在未来它可被用作载体的服务机器人。另外，实验室还可以作为中国机电实验教学设备，令学生来展开两类操作，这两类操作一个是软件编程操作；一个是硬件搭建操作。如此学生便能够学到更多知识，其研究能力也能够达到强化。同时此次设计令双足机器人研究工作拥有了硬件平台，此时就需要利用研究手段来对管理策略以及具体算法进行控制。