摘   要

    机器人技术是电子、机械、人工智能等各个领域新技术的结晶，人形机器人的研究作为机器人学的一个分支，无疑对机器人研究的技术和思想提出了更高的要求。它所应该具有的活动能力对力学和机械学提出了挑战，它对控制的高度灵活的要求使现代控制理论找到了真正的用武之地，双足步行机器人具有仿人的外形和步行方式、广泛的社会应用前景和多学科的融合等特点，是机器人研究中的一个热门领域。 

本文使用AVR系列的高档八位单片机作为主控芯片控制多路舵机，从而设计出一款通用的机器人控制器。控制器下位机软件程序引入了分时操作系统的思想，并利用AVR单片机内部16位定时器及I/O端口产生多路PWM输出。设计过程包括机械结构设计、电路设计与制作，机器人步态规划算法研究，利用Atmega128芯片实现了对六个舵机的分时控制，编写VC上位机软件,通过串口通信对双足竞步机器人进行调试，通过人体仿生学调试出机器人的步态规划。实现了双足竞步机器人稳定向前行走、立正。

关键词：双足步行机器人、舵机、步态设计、运动控制轨迹

目    录

一、系统概述 

1.1机器人的概述 

1.2 总体概论

二.硬件设计

2.1.电机的选择

2.2.控制芯片

2.3.串行通信

2.4.无线传输模块

三、软件设计  

四、系统调试

五、结束语

六、 参考文献

七、 附录

1、系统硬件电路图

2、双足竞步机器人加工场景照片

3、机器人实物照

4、源程序

一、系统概述 

1.1机器人的概述 

机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的各个领域，并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。 

在研究和开发及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。 

机器人技术是一门综合了传感与检测、运动控制、图形图像处理等技术的新型学科，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当前许多前沿领域的技术。随着电子技术的飞速发展，智能机器人在越来越多的领域发挥着人类无法代替的作用。 

机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的三维空间坐标机器。  

1.2 总体概论

要设计一个小型双足机器人系统，需将整个工程划分为三大部分：机械实体部分、硬件电路部分、软件程序部分，这三部分相互独立又是相互联系统一的。这三部分的设计需要考虑整个机器人系统的性能综合整体设计，每部分独立设计测试，然后组合完成机器人系统。但机器人的各个功能的运行还需要一步步的调试，最终使得机器人能独立的运行。为了设计制作出来的机器人能够完成向前行走的功能，需要完成以下的任务： 

1. 设计机器人机械各部位的机械零件；

2)设计双足机器人的机械结构及控制电路系统；

3）设计调试机器人的PC上位机程序；

二.硬件设计 

2.1.电机的选择

常用的电机有直流电机、步进电机、舵机等。下面我们大概对直流电机、步进电机、舵机进行一下对比（见表2-1）

表2-1  电机对比

电机	优点	缺点	适用重量	应用场合
直流电机	功率大、接口简单、容易购得型号多	较难装配、较贵、控制复杂	任何重量的机器人	较大型机器人
步进电机	精确的速度控制型号多、接口简单、便宜	体积大，较难装配、功率小、控制复杂	轻型机器人	巡线跟踪机器人，迷宫机器人
舵机	易于安装、接口简单、功率中等	负载能力较低 速度调节范围较小	重至2.5kg的机器人	小型机器人，步行机器人

所以此处选取 MG995全金属齿轮13公斤大扭力舵机作为双足机器人的传动机构。

参数说明: MG995舵机

1.重量：60g

2.尺寸：约40mmX20mmX36.5mm

3.速度：0.17秒/60度(4.8V)；0.13秒/60度(6.0V)

4.扭矩：13kg·cm

5.使用温度:0~~+55摄氏度

6.工作电压:4.8V-7.2V

2.2.控制芯片

运动控制器的控制芯片模块包括单片机、时钟电路、复位电路、外部程序存储芯片扩展。单片机采用Atmel公司的ATmega8AVR单片机，它是8位的高性能嵌入式控制器,其内部集成了8k的可在线编程的Flash存储器;256字节的RAM，可寻址64字节，具有32根I/O口、3个可编程定时器、8个中断源、6个中断矢量、1个看门狗定时器。时钟电路给系统提供时间基准,设计时采用11.05296MHz晶振。同时，本设计还扩展了一片8k×8位的外部存储芯片2864。运动控制器采用一片AVR的单片机实现了PWM的产生。由于AVR具有他特有的并行处理能力和大量的IO接口，可以同时控制几十甚至上百个舵机同时工作，可以为后续的工作留出一定的空间。

2.3.串行通信

串行通信模块主要用于ATmega8单片机与PC机之间的串行通信。由于PC机的COM口符合RS-232标准, ATmega8单片机上的串行接口是TTL电平，在RS-232与TTL电平通信时,需要电平转换，因此，设计时利用MAX232芯片来作电平转换。

2.4.无线传输模块

无线传输采用RS-232串口无线传输模块，主要目的是采用无线连接的方式来代替计算机和运动控制器之间的有线连接，从而通过计算机无线遥机器人的行进等动作。

三、软件设计  

本次调试所用控制板为Arduino舵机控制板，步骤如下： 

1.将USB数据线连接电脑和舵机控制板，连接之后靠近USB的一个绿色LED会亮，表示芯片供电正常。  

2.安装驱动，驱动安装好之后会在电脑上虚拟一个COM口，可以在设备管理器的COM端口里面查看具体的COM端口号。 

3.在电脑上打开软件，选择正确的COM端口号。 

4.给舵机接上电源，连接方式：将电源的正极接到VS处，负极接到GND处，连接正常之后，靠近接线端的一个绿色的灯会亮起来，表示电源连接正常。 

5.将舵机插在舵机控制板上，注意正负极，然后在电脑上操作软件，拖到对应的舵机面板里面的滑条，这个时候如果舵机跟着滑条的移动而旋转，则表示舵机控制器完全没问题了。

四、系统调试 

在机构加工基本完成、电路正常工作的基础上，我们开始对新型机构进行实验调试。调试实验时,首先进行单关节调试，这一步无任何问题后进行关节的组合调试，在此基础上进行基本的步态试验。

1.单关节调试首先进行的是单关节调试，单关节调试的目的有3个：

(1)测试各关节功放电路、控制电路及机构是否工作正常；

(2)关节磨合及死区测量；

(3)测量各关节实际运动范围；

(4)标识各关节运动正向；

(5)测试各关节能够准确调到零位；

(6)测试各关节的实际最大工作空间。

2.关节组合调试。

在单关节调试完成之后，进行关节组合调试。包括侧向关节的组合调试、前向关节的组合调试及测向关结合和前向关节的组合调试。之所以对机构进行组合调试，是基于以下几点考虑的：

(1)单个关节已经调试通过，我们还不清楚各关节之间能否有效地配合起来；

(2)供电部分在能够有效的支持单电机工作的情况下，能否同样支持多关节同时工作；

(3)组合调试可以检验关节的实际输出力矩是否能够保证机构的稳定步行；

(4)无论从编程实现，还是控制方案实施来看，组合调试可以发现一些隐藏的问题，及时加以解决，便于下一步实验的进行，同时可以给调试人员积累一些调试经验，为进一步调试打下基础。我们先进行侧向关节组合调试，我们设计了左右侧扭的动作来检验侧向关节。实施方案是保持各正向关节不运动，侧向踝关节、侧向髋关节运动，即机器人做左右摇摆的动作。通过实验得出以下结论：机器人能够按预定的方案有节奏地进行左右摆动，侧向关节组运动正常。

在侧向关节调试完毕之后，进行的是前向关节组合调试，拟定实施的方案为：机器人进行悬挂状态下的原地踏步运动。这时每条腿运动只需用到3个前向关节，即前向踝关节、膝关节、前向髋关节。通过机器人悬挂踏步实验，得出以下结论：

(1)机器人的前向运动关节能够很好地配合起来；

(2)按照理论规划的数据在加以简单的修正之后能够达到一个比较好效果；

(3)前向关节能够提供足够的力矩以驱动机体运动。

通过侧向关节和前向关节的组合调试，我们清楚了各关节的工作情况，前向关节、侧向关节都能保证正常运行。在此基础上，我们将机器人放在地上，进行原地踏步实验，因为原地踏步实验是一个最简单的基本动作，需要侧向关节和前向关节的共同参与，可以检验侧向关节和前向关节的组合性能，若原地踏步动作成功，下一步就可以进行步行试验了。通过这个实验，我们可以达到以下几点目的：

(1)验证侧向关节、前向关节能否有效配合；

(2)解决简易运动中的机体平衡问题。

(3)机器人的主要受力关节有足够的刚度支持机器人的下肢，为机器人前向运动提供实验依据。

五、结束语

本次课我们初步领略到了机器人的魅力，此双足竞步机器人是按比赛要求设计的，其中机械结构是机器人能否稳定运行的基础，硬件电路决定了机器人实现的功能，而软件部分则是控制的灵魂。 

整个设计过程中，通过对机器人机械结构的设计，和软件的调试，完成了机器人的规定动作，在此过程中也出现了不小问题，比如调试过程中会发生舵机抖动的问题，要及时检查以确定是软件问题还是硬件问题，调试过程中也会出现机器人不按规定动作执行的情况，首先要确定是不是电源电量不足，如不是，再检查舵机是否出现问题，总之，在调试过程中要格外小心，稍不小心就会损坏控制板和舵机。 

通过此次双足竞步机器人的设计我们小组学到了许多东西，彼此间的配合更加默契，收获真的很大。 

最后，感谢指导老师李老师给予我们的技术和硬件支持。