复杂路况下双足机器人稳定行走设计和探究

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1、复杂路况下双足机器人稳定行走设计和探究　　摘要：以ATMEL公司的Atmega128为核心设计控制、驱动电路来实现双足机器人在复杂路况下的稳定行走。ATmega128内部16位定时器及I/O端口产生多路PWM输出控制舵机，同时Atmega128作为主控制器，利用传感器ADXL345传回的角速度变化辅以机器人脚部的触碰开关来实时调整机器人的姿态，以使机器人在不平坦路面上稳定行走。关键词：双足机器人；稳定行走；复杂路况中图分类号：TP24文献标识码：A文章编号：1009-3044（2013）16-3845-051双足机器人

2、研究背景5双足机器人是一个多自由度、非线性、具有复杂动力学特性的多体系统，其研究开始于20世纪60年代末，发展至今已成为机器人领域主要研究方向之一。短短四十多年里，国内外许多个人和单位相继推出了各自研制的双足机器人，最具代表性的有日本早稻田大学加藤一郎教授研制的WAP系列样机，日本东京大学研制的H5、H6型仿人型双足步行机器人等。我国在仿人形机器人方面虽然起步较晚，但也取得了很多成果，如哈尔滨工业大学研制的静态步行双足机器人HIT-I，国防科技大学研制的平面型六自由度双足机器人KDW-1等。本文在参考国内外相关研究的基

3、础上，设计了能在一般路面上稳定行走的双足机器人，以ATMEL公司的Atmega128为核心设计了机器人的控制电路，分别采用了加速度传感器ADXL345来检测机器人行走过程中的倾角变化以及脚部的触碰开关来检测脚是否着地，并成功实现了机器人的稳定行走。2双足机器人数学模型2.1概述为了更好的了解双足机器人的特性和运动规律，我们需要对其建立数学模型。为了后续进行步态规划，我们用数学方法描述双足机器人的运动学特性，以计算其步行时参数的变化。双足机器人两足步行机构是一个复杂的多连杆机构，加之实际运动过程中各种干扰因素的存在，使数

4、学模型的建立十分困难。为此，在建立数学模型时，我们假定：运动过程中，机器人各关节处摩擦力忽略，各关节为刚性连接；机器人各部件质量分布均匀，将各部件看作刚体。基于以上假设，我们推导出了双足机器人的正运动学模型和逆运动学模型，并最终完成了逆运动学求解，为后面进行步态规划奠定了基础。2.2齐次坐标和变换矩阵2.3.1正运动学模型5正运动学就是已知双足机器人各个关节的转动角度，求解机器人各杆件的位置参数。设各部件的局部坐标系如图3所示。假设左腿为支撑腿，对左腿各关节建立局部坐标系，机器人处于竖直站立状态时，各局部坐标系空间位置

5、如图3所示；右腿的局部坐标系建立情况与左腿类似。3系统结构设计3.1机械结构设计3.2主控制器的设计ATmega28是基于AVR低功耗CMOS8位微控制器，工作频率于16MHz时性能高达16MIPS，可以满足双足机器人步态规划以及控制算法的实现。ATmega128拥有丰富的外设资源及I/O端口，本系统中我们用PA口和PC口产生10路PWM来控制舵机，通过I2C和PC口接收ADXL345及脚部触碰开关传回的数据。主控制器留有JTAG接口，便于下载程序及在线仿真。3.3其他硬件模块介绍3.3.1ADXL345加速度传感器为

6、了实时检测机器人躯干的角速度，我们使用了三轴数字加速度模块ADXL345。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高（13位），测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI（3线或4线）或I2C5数字接口访问。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率（3.9mg/LSB），能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。这些功能可以独立映射到两个中断输出引脚中的一个。3.3.2MG995舵机4步态规划双足机器人是密度不均匀体，并且随着运动状态

7、的不同，重心时刻在发生变化，在动态平衡时机体的重心不在受力平面上，机体各部分都处于非常复杂的三维转动中。以上述理想化的数学模型为参考，辅以对重心的实时调整，我们对机器人进行步态规划。由力学原理可知，要想机器人保持平衡，其重心在地面的投影要落在支撑面内。双足机器人采用跨步的方式向前行走，由于路面状况未知，无法按固定的规律规划机器人的步伐，为解决这个问题，我们在机器人的足部安装了触碰开关，当已迈出的腿着地时，触碰开关将信号传递给主控制器，主控制器根据当前ADXL345传回的机器人躯干的角速度调整机器人的姿态，并迈出另一只腿

8、，整个过程中主控制器实时检测机器人躯干的角速度变化，判断倾倒方向，并调整机器人的姿态，以使重心投影落在着地脚支撑面内，使机器人在不平坦路面上稳定行走。5结束语5本文根据双足机器人行走的需要及考虑到机器人能够灵活调整姿态，选择大扭矩舵机作为各关节的驱动电机，设计了十自由度双足机器人。以ATMEL公司的高性能8位单片机Atmega12