四足机器人设计报告

1、四足机器人设计报告摘要：本文介绍了四足机器人（walking dog）的设计过程，其中包括控制系统软硬件的 设计、传感器的应用以及机器人步态的规划。一、本体设计：walking dog的单腿设置髋关节和踝关节两自由度，能在一个平面内自由运动（见图1.1）。 采用舵机作为机器人的关节驱动器，其单腿结构图见（图1.2）。为了便于步态规划，设计上 下肢L1、L2长均为65mm。四肢间用铝合金框架连接，完成后照片见（图1.3）。walking dog 的每只脚底均有一个光电传感器，能有效检测脚底环境的变化。walking dog的头部为一个 舵机，携带光电反射式传感器，能探测前方180度75cm内的障

2、碍物。瞌关节图1.1四足机器人模型图1.3：完成后照片二、控制系统设计为了使机器人能灵活地搭载各种传感器以及实现不同的步态，将底层驱动单元与上层 步态算法平台分开。因为walking dog的各关节均为舵机，特设计了 16路舵机驱动器作为底 层驱动单元，用来驱动机器人全身各关节。并设计了上层算法平台，将各关节参数通过UART 实时地发送到底层驱动单元。图2.1为系统框图。上算法平台义部传妙底层驱幼单元脚底传感器图2.1：系统框图1、底层驱动单元设计图2.2给出了舵机的工作原理框图，电动机驱动减速齿轮组,并带动一个线性的电位器作 位置检测，控制电路将反馈电压与输入的控制脉冲信号作比较,产生偏差并

3、驱动直流电动机 正向或反向转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符。控制隙神图2.2：舵机工作原理框图针对舵机这一特性，设计底层驱动器的系统结构图见图2.3。Mage8的16位定时器分时 产生16次定时中断，中断子程序产生移位脉冲，通过4N25光偶隔离输入到移位寄存器， 实现各路PWM信号高电平部分的分时产生。图2.4为定时产生脉冲的中断处理流程，图 2.5例举了产生4路PWM信号的波形图。实际电路原理图见附录1。I. T-光偶GSARTATtiifXciSi. DdUJUb右脸密牯 触发I勺&”ihl 器74HC 眺移位寄存一器图2.3： 16路舵机驱动器结构图进入中断|ATiuoaB 输出卜-

4、路叫M高 电F部分定j7459501 端y砂用晚9知端移位寄存器/夏位 /74IlCSy5Q3y；ii退出中断74由;界，用 图2.4:定时中断服务流程图2.5:产生4路PWM的波形信号2、算法平台的设计步态机器人要求对各个关节实施快速准确的位置控制，因此对控制系统提出了比较高的 要求：1、具有大量数据存储能力用来存储大量的步态数据。2、实时地采集、处理传感器的数据，以便在控制系统的信号综合中使用。3、具有良好的控制结构和接口，便于高层控制软件的开发。4、有一定的预留接口、良好的兼容性和扩展性，以便进行功能扩展和二次开发根据以上要求，采用ATmega16作为控制核心，将规划好的步态参数存入单片

5、机，单片 机根据定时器产生的时钟将相应关节数据发送到底层驱动单元。同时单片机通过传感器返回 的信号感知周围环境，并及时对运动状态进行调整。三、步态参数化设计1、离线轨迹规划为了使机器人行走平缓，要求足底轨迹有二阶光滑度，即有二阶连续导数。数学上的三 次样条插值曲线即可满足上述条件。设步长人=40，摆动腿离地最高H=20，可求得：踝关节的轨迹函数y = f(X )f一金K+ 60X2 一 8*103)X e -20,0f =(-2X3 + 60 x2 8*103) Xe0,20(x)8*102由踝关节的轨迹函数可得踝关节关于时间的函数： 人 x( ) = t, y( ) = f (x(其中：人为

6、步长髋关节关于时间的函数：人*2（）一 2T*，y2 Hk Hk为髋关节离地高度，取122.6用MATLAB仿真得到：图3.1：踝关节轨迹坐标图3.2:踝关节一阶导数图3.3:踝关节二阶导数由以上仿真结果可知，在行走过程中机器人的踝关节轨迹、踝关节轨迹的一阶导数和踝 关节轨迹的二阶导数都是连续的。而且摆动腿着地时的速度为零，大大减小了冲击，保证了 机器人行走的稳定性。根据上述髋关节和踝关节关于时间的轨迹函数，可求得各关节角度关于时间的函数： = arcsin 巫H!虫三EiL *2=arccos .尤f 一匕 + 生：(x - X2)2 + (y -七)22 22、步序规划目前主要有两类步态机

7、器人的稳定性：静态稳定性和动态稳定性。静态稳定性忽略机器 人的动态性能，采用重心（COG ）作为稳定性标准，适用于移动较慢的机器人。而动态稳定性 一般采用零力矩点（ZMP）作为稳定性判定标准，即考虑重力、惯性力及地面反力三者合力矢 的延长线与地面的交点。在对角小跑（Trot）、溜蹄（Pace）、跳跃（bounding）等有较多 应用。由于舵机性能及机械加工精度等方面的限制，WALKING DOG采用静态稳定性作为约束 步态的条件。静态稳定性约束的步态任一时刻至少应有3条腿与地面接触支撑机体，且机体的中心必 须落在3足支撑点构成的三角形区域内，据此设计步态图如下：左血腿左曰腿在前腿右后腿图3.4 :四足一周期内的步态图 实验结果表明这种步序能使机器人连续稳定地行走。四、结论采用模块化设计