SlimRobot两足机器人开发历程
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作者：Edison钟
日期：2012.9
产品&技术开发背景：
- 在人形机器人领域代表世界最先进水平的应当是日本的ASIMO机器人，其采用电驱方式拥有灵活的步态及环境感知，在此领域可为是巅峰之作。
- 而在国内人形机器人发展相对迟缓落后，基于本人儿时的憧憬及个人爱好此项目在酝酿许久后正式启动。
设计目标及要求：
- 基于成本及控制难易程度的考虑，此项目拟定使用航模舵机作位动力执行器
- DOFs：10自由度
- 重量：<=2.5kg
- 运动控制: 前进，后退，左转，右转，壁障，目标追踪
- 控制方式：UART无线串口控制
3D建模渲染效果图
设计思路及原理：
- MCU通过定时器生成8路PWM信号控制舵机转角，舵机控制周期20ms，有效脉冲宽度为2.5ms所以一个控制周期刚好可以控制8路舵机。
- 考虑到腿关节灵活性的要求，该设计特别考虑了减少腿部惯量的设计要求而采用了连杆机构驱动。
- 各动作的数学模型主要通过三角函数的计算对各关节角度的拆解。
关节角度反三角函数计算
3D建模软件运动仿真
运动仿真视频：SlimRobot运动模拟-CSDN直播
- 电源：DC7.4V
- 核心控制器：STC12C5A60S2 1T单片机，硬件资源：两个16位定时器，两路8位PWM输出，两个自带独立波特率发生器串口，两路外部中断
- 传感器：
- MPU-6050三轴加速度及三轴陀螺仪并附带温度传感器
- OV7670 CMOS图像传感器
- 动力执行元件：
- 舵机类型：辉盛MG946R模拟舵机，PWM控制方式
- 额定扭矩：10.5KG*CM@4.8V, 13KG*CM@6V
- 反应速度：空载运行速度： 0.20sec/60° at 4.8V, 0.17sec/60°at 6.0V空载运行速度： 0.20sec/60° at 4.8V, 0.17sec/60°at 6.0V空载运行速度： 0.20sec/60° at 4.8V, 0.17sec/60°at 6.0V0.2s/60@4.8V, 0.17s/60@6V
- 标称最大转动角度：±90°，实测最大转动角度约为±60°（脉冲控制角度范围约为30°- 150°）
- 控制方式：PWM控制，周期2.5ms, 1.5ms为0°
- 输出轴连接方式：20齿花键加M3螺钉
- 舵机驱动板：
- 驱动类型：自制10路驱动板，采用S8550 PNP三极管一级驱动
- 电压：7.4V
- 持续工作电流：10A以上
- 控制方式：MCU产生10路PWM经驱动板放大驱动舵机
- 总高度：450mm
- 腿长：400mm
- 两腿跨距：120mm
舵机拆解图
模型组装效果图
设计注意事项：
- 上电时如何解决各舵机初始化时由于快速复位引起的加速度冲击
- 如何控制步态—通过算法还是经验值
- 舵机扭矩及精度的要求
项目回顾及展望：
- 该项目完成了3D模型的创建及运动的仿真，对运动仿真及关节角度控制有了进一步了解。
- 完成了原型机的制作并实现了基本的下蹲及站立基本动作。
- 选用的航模舵机不管是扭矩还是位置控制精度都达不到预期，并且也没有位置反馈无法实现闭环控制，整体控制效果不佳，无法稳定完成行走动作。
- 同时结构刚性不足导致脚掌定位不准，且舵机扭矩不够导致关节角度不能达到目标值，此项目暂停。
- 后续如有更好的运动驱动单元再考虑重启项目。
控制软件版本更改记录：
V0.1:
- 原始版本
- 6自由度
- 运动控制采用经验值函数模块化控制，如向前走，下蹲，站立功能函数等
- 定时器0产生8路PWM信号
- 定时器1用于串口波特率发生器
- 串口波特率为57600
- MCU: STC89C52RC@11.0592MHz
V0.2：
- 脚板增加2自由度，总自由度增至8个
- 运动控制采用经验值查表方式(运动组)以达到对运动过程中的速度控制（二维数组）
- 增加注释
V0.3：
- 胯部增加2自由度，总自由度增至10个
- 运动控制采用经验值查表方式(运动组)以达到对运动过程中的速度控制（二维数组）
- MCU: STC12C5A60S2，FOSC:11.0592MHz，T0产生8路PWM，T1产生2路PWM，总共控制10路舵机
- 串口波特率为57600
V0.4:
1. 运动控制采用建立数学模型, 通过算法控制脚掌的坐标：X, Y, Z, Rx, Ry, Rz
V0.5:
- 脚掌左右转动电机改为春天SR-403P舵机，旋转角度范围180度。
- L7长度从158mm改为198.5mm; L9长度从43mm改为42mm
- 结构刚性不足导致脚掌定位不准，且舵机扭矩不够导致关节角度不能达到目标值，此项目暂停。
最新软件代码：
/**********************************************V0.5**********************************************/
/**********************************************************************************************
两足机器人控制主函数，利用定时器0产生8路PWM信号及定时器1产生2路PWM信号实现对总共10路舵机的控制
伺服电机的控制
MCU: STC12C5A60S2
FOSC: 11.0592MHZ
***********************************************************************************************/
#include <STC12C5A.h>
#include <math.h>
#include <stdio.h> //Keil library
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "Servo_Driver.h"
#include "MCU_Setting.h"
#include "delayms.h"
#include "Auxiliary_Functions.h"
#include "motion_control.h"
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
uchar T0_order_flag,T1_order_flag;
uchar UART_count=0;
uchar ReData[7];
float data speed_index;
uint T1_L,T2_L,T3_L,T4_L,T5_L,T1_R,T2_R,T3_R,T4_R,T5_R;
float data X_axis_L,Y_axis_L,Z_axis_L,R_x_L,R_y_L,R_z_L,R_z_C_L;
float data X_axis_R,Y_axis_R,Z_axis_R,R_x_R,R_y_R,R_z_R,R_z_C_R;
uchar motion_cmd=0;
void main(void)
{
MCU_init(); //单片机初始化
parameter_init(); //系统参数初始化
T0_order_flag =1;
T1_order_flag =1;
//delayms(1000);
while(1)
{
stepping(motion_cmd); //"0"表示停止，“1”表示原地踏步
angle_calculation();
if(motion_cmd==2)servo_neutral();
else set_servo();
data_upload();
}
}
/*********************************************************
//timer0中断函数产生8路PWM控制8个舵机
*********************************************************/
void timer0(void) interrupt 1 using 1
{
switch(T0_order_flag) //8路舵机PWM控制，每路舵机实际控制周期2.5ms,8路舵机总时长为2.5ms x 8=20ms为各路舵机推荐总控制周期
{
case 1: //1号舵机PWM高电平时间
servo_L1=1;
TH0=T1_L>>8;
TL0=T1_L;
break;
case 2: //1号舵机PWM低电平时间
servo_L1=0;
TH0=(0xf700-T1_L)>>8; //0xf700延时2.5ms
TL0=(0xf700-T1_L);
break;
case 3:
servo_L2=1;
TH0=T2_L>>8;
TL0=T2_L;
break;
case 4:
servo_L2=0;
TH0=(0xf700-T2_L)>>8;
TL0=(0xf700-T2_L);
break;
case 5:
servo_L3=1;
TH0=T3_L>>8;
TL0=T3_L;
break;
case 6:
servo_L3=0 ;
TH0=(0xf700-T3_L)>>8;
TL0=(0xf700-T3_L);
break;
case 7:
servo_L4=1;
TH0=T4_L>>8;
TL0=T4_L;
break;
case 8:
servo_L4=0;
TH0=(0xf700-T4_L)>>8;
TL0=(0xf700-T4_L);
break;
case 9:
servo_L5=1;
TH0=T5_L>>8;
TL0=T5_L;
break;
case 10:
servo_L5=0;
TH0=(0xf700-T5_L)>>8;
TL0=(0xf700-T5_L);
break;
case 11:
servo_R1=1;
TH0=T1_R>>8;
TL0=T1_R;
break;
case 12:
servo_R1=0;
TH0=(0xf700-T1_R)>>8;
TL0=(0xf700-T1_R);
break;
case 13:
servo_R2=1;
TH0=T2_R>>8;
TL0=T2_R;
break;
case 14:
servo_R2=0;
TH0=(0xf700-T2_R)>>8;
TL0=(0xf700-T2_R);
break;
case 15:
servo_R3=1;
TH0=T3_R>>8;
TL0=T3_R;
break;
case 16:
servo_R3=0;
T0_order_flag=0;
TH0=(0xf700-T3_R)>>8;
TL0=(0xf700-T3_R);
break;
}
T0_order_flag++;
}
/*********************************************************
////timer1中断函数产生2路PWM控制2个舵机
*********************************************************/
void timer1(void) interrupt 3 using 2
{
switch(T1_order_flag) //2路舵机PWM控制，每路舵机实际控制周期2.5ms
{
case 1: //9号舵机PWM高电平时间
servo_R4=1;
TH1=T4_R>>8;
TL1=T4_R;
break;
case 2: //9号舵机PWM低电平时间
servo_R4=0;
TH1=(0xf700-T4_R)>>8; //0xf700延时2.5ms
TL1=(0xf700-T4_R);
break;
case 3:
servo_R5=1;
TH1=T5_R>>8;
TL1=T5_R;
break;
case 4:
servo_R5=0;
T1_order_flag=0;
TH1=(0xf700-T5_R)>>8;
TL1=(0xf700-T5_R);
break;
case 5:
T1_order_flag=0;
TH1 = 0xCA; //定时15ms补齐总共的20ms控制周期
TL1 = 0x00;
break;
}
T1_order_flag++;
}
/*********************************************************
串口通信中断函数
*********************************************************/
void series_int (void) interrupt 4
{
if(RI == 1) //RI接受中断标志
{
RI = 0; //清除RI接受中断标志
ReData[UART_count] = SBUF; //SUBF接受/发送缓冲器
// SBUF=ReData[UART_count]; //回传控制参数以供上位机确认控制命令
// while(!TI);
// TI = 0; //清除TI发送中断标志
UART_count++;
if(UART_count==7)
{
// X_axis_L = (float)ReData[0]-128; //X坐标值
// Y_axis_L = (float)ReData[1]; //Y坐标值
// Z_axis_L = (float)ReData[2]+150; //Z坐标值
// R_x_L = (float)ReData[3];
// R_y_L = (float)ReData[4];
// R_z_L = (float)ReData[5];
// speed_index = (float)ReData[6];
// X_axis_R = (float)ReData[0]-128; //X坐标值
// Y_axis_R = (float)ReData[1]; //Y坐标值
// Z_axis_R = (float)ReData[2]+50; //Z坐标值
// R_x_R = (float)ReData[3];
// R_y_R = (float)ReData[4];
// R_z_R = (float)ReData[5];
// speed_index = ReData[6];
motion_cmd = ReData[0]; //运动控制指令
//
UART_count=0;
}
}
}
DAMO开发者矩阵，由阿里巴巴达摩院和中国互联网协会联合发起，致力于探讨最前沿的技术趋势与应用成果，搭建高质量的交流与分享平台，推动技术创新与产业应用链接，围绕“人工智能与新型计算”构建开放共享的开发者生态。
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