一种基于单片机的四足步行机器人设计及步态研究.pdf-资料库

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一种基于单片机的四足步行机器人设计及步态研究 http://www.paper.edu.cn 周晓东，汤修映，农克俭中国农业大学工学院，北京（100083） E-mail: zhouxiaodong6507@126.com 摘要：本论文通过对四足动物结构及其行走步态的研究，设计制作了一台四足步行机器人样机，按照多足步行机器人行走的稳定性原则，设计出了慢走和对角小跑两种步态的具体过程，并采用单片机作为控制系统，实现了这两种步态，实验证明，所设计的步态具有良好的稳定性。关键词：四足机器人；步态；慢走；对角小跑中图法分类号：TP242 1. 引言步行机器人是一种腿式移动机构，具有轮式、履带式等移动机器人所不具备的优点，该类机器人能够在复杂的非结构环境中稳定地行走，代替人完成许多危险作业，被广泛地应用于军事运输、矿山开采、核能工业、星球表面探测、消防及营救、建筑业、农业及森林采伐、示教娱乐等众多行业。因此，长期以来，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域研究的热点之一[1][2]。而四足机器人具有实现静态步行的最少腿数[3]，也适合于动态步行，以实现高速移动，因此，对四足步行机器人的研究，具有特殊的重要性。本文以四足爬行动物为模仿对象，通过对其结构和步态的分析和研究，设计出了一台四足步行机器人，采用单片机控制系统，使其能够模仿四足动物的慢走、对角小跑等步态。 2. 四足步行机构总体结构设计与自由度 2.1 步行机构总体结构分析图 1 为所设计的四足步行机器人总体结构示意图，由图可知，该机构由四条腿及机体组成，每条腿的结构完全相同，在各主动驱动关节（膝关节、臀关节、髋关节）上分别装有直 8 7 6 3 4 1 5 2 1 踝关节 2 小腿 3 膝关节 4 大腿 5 臀关节 6 髋关节 7 机体 8 控制系统电路板图 1 总体结构示意图 Fig.1 The sketch of the overall configuration 流电机，整个机体上共装有 12 个独立的驱动电机。而被动关节（踝关节）采用球铰链结构，脚底部粘上胶皮以增大和地面的摩擦力，同时可对脚与地面之间的撞击起到缓冲作用，小腿和大腿组成平面连杆机构，它们均可以绕着自身的关节轴在一定的角度范围内摆动，而整条 - 1 -

http://www.paper.edu.cn 腿又可以绕着髋关节转动。机器人在行走过程中，各条腿按照一定次序轮流抬跨，同时绕着各自的髋关节转动，使机体重心前移，不断地推动机体向前移动。该机构采用多个电机独立驱动，与以往的步行机构相比，具有传动机构简单、结构紧凑、运动灵活等优点。 2.2 机构自由度分析 0 ) 1 f i ( λ= n 用 0f 表示机器人机体的自由度数，根据 Grubler 公式[4]可得： f − − +∑ (1) j 上式中 6λ= 表示运动参数， n 代表连杆数， j 代表关节数， if 代表第 i 个关节的自由度数。对于该步行机器人机构中，只有旋转关节和球关节两种，每个旋转关节具有 1 个自由度，球关节具有 3 个自由度。当 4 只脚都着地时，此时根据自由度计算公式(1)得： f = × 6 0 当 3 只脚都着地时，由自由度计算公式(1)得： f = × 6 0 ( ) 11 12 1 − + ( ) 14 16 1 − + − ( 12 1 4 3 × + × ) 9 1 3 3 × + × ) = 6 = 6 − ( 由上面的计算结果可知，在机器人可以保持静态稳定的条件下（因为要保持多足步行机器人机体积静态稳定，至少应该 3 条腿同时着地），步行机器人机体具有 6 个自由度，这说明它可以实现工作范围内的任意姿态。由此可知，该步行机器人有很高的运动灵活性。 3. 稳定性分析与步态设计 3.1 稳定性分析稳定性是指步行机器人不发生翻跌现象并保持机体平衡的能力，是步行机器人步态设计首先应考虑的问题。稳定性分为静态稳定和动态稳定两种。静态稳定，指多足步行机器人在行走时，至少应保持三条腿同时着地，并且整个机器人重心的垂直投影落在由这些立足点所构成的多边形区域内部。多足机器人在行走过程中，各腿轮流抬跨，相对机体向前运动，不断改变立足点的位置，构成新的稳定多边形来保持机器人机体稳定[5]。由此可知，对于四足步行机器人来说，要保持静态稳定，任意时刻最多只能有一条腿抬起；动态稳定是指除过静态稳定之外的其它行走方式。 3.2 步态设计步态指的是行走系统抬腿和放腿的顺序[6]。由于该四足步行机器人是模仿四足动物爬行原理设计的，因此，对四足机器人行走的研究，必然要从研究四足动物的运动入手，同时也是因为动物经过长期的进化和选择，逐渐形成了最适宜环境的步态。在自然界中，四足动物的步态可以归纳为：慢走、对角小跑、单侧小跑、双足跳跃、慢跑、飞跑、以及四足跳跃等类型，这些种基本步态中，慢走（爬行）步态，是一般哺乳类动物低速爬行时最常见的静态步态；对角小跑、单侧小跑、双足跳跃步态则属于两条腿同时摆动的动态步行。其中，对角小跑步态是对角两条腿同时摆动的步态，单侧小跑是指单侧前、后两条腿摆动的步态。结合多足步行机器人的稳定性原理，本论文针对上面所提到的慢走和对角小跑两种步态，设计了一个步态周期内机器人具体的迈步过程示意图，作为静态步行和动态步行的代表做了研究。图 2 为所设计的慢走步态中几个特殊时刻的机体姿态，图中的箭头表示机体前进的方 - 2 -

http://www.paper.edu.cn 向，实心圆圈代表对应的腿处于支撑相，空心圆圈代表相应的腿处于悬空相，O 代表机体重心，机器人按照 1→4→2→3 的抬跨次序完成一个周期的步行运动。从初始状态 a 开始，首先，腿 1 向前抬跨，相对机体顺时针旋转 44°，同时腿 3 相对机体逆转 16°，腿 2、4 相对机体顺转 14°，整个机体向前移动 25mm 到达状态 b；接着腿 4 向前抬跨，相对机体逆时针旋转 44°，同时腿 2 相对机体顺转 16°，腿 1、3 相对机体顺转 14°，整个机体向前移动 25mm 到达状态 c；然后腿 2 向前抬跨，相对机体逆时针旋转 44°，同时腿 4 相对机体顺转 16°，腿 1、3 相对机体顺转 14°，整个机体向前移动 25mm 到达状态 d；最后，腿 3 向前抬跨，相对机体顺时针旋转 44°，同时腿 1 相对机体逆转 16°，腿 2、4 相对机体顺转 14°，整个机体向前移动 25mm 到达状态 e，机体又恢复到初始姿态，完成一个步态周期的移动，在此过程中整个机体移动了 100mm。由于此过程中各电机的转角不同，所以应该对电机调速。 v 3 1 3 1 3 1 o 4 2 4 a o b 2 3 1 3 o 4 2 4 d 图 2 慢走步态示意图 Fig.2 The sketch of creeping gait 4 1 o c 2 o e 2 图 3 为所设计的对角小跑步态中几个特殊时刻的机体姿态，在这种步态中，机器人按照 1、4→2、3 的顺序抬腿，完成一个步态周期运动。从初始状态 a 开始，处于对角线上的腿 1、 4 同时向前抬跨，此过程中，腿 1、2 相对机体顺时针旋转 60°，腿 3、4 相对机体逆时针旋转 60°，整个机体向前移动 100mm 到 b 状态，接着处于对角线上的腿 2、3 同时向前抬跨，此过程中，腿 1、2 相对机体逆时针旋转 60°，腿 3、4 相对机体顺时针旋转 60°，整个机体向前移动 100mm 到达 c 状态，机器人又恢复到初始姿态。整个步态周期中机体重心前移 200mm。 - 3 -

v 3 1 3 1 3 1 http://www.paper.edu.cn o a 4 o 2 4 2 4 b 图 3 对角小跑步态示意图 Fig.3 The sketch of diagonal trotting gait o c 2 4．控制系统设计为了实现所设计的步态，就必须设计相应的控制系统，本论文采用 AT89S52 单片机作为控制器，选用内部含有两个 H 桥的高电压、大电流全桥式电机驱动芯片 L298N[7]，每个芯片可以驱动两个电机，整个系统中需要 6 块 L298N 芯片，由于单片机本身自带的 I/O 口数量有限，加上有的 I/O 口还具有第二功能，因此必须进行 I/O 扩展，此处选用并口扩展芯片 8255A，最终设计出的控制系统电路原理图如图 4。 1 2 3 4 5 6 1 11 D0 3 4 D1 7 D2 8 D3 13 D4 14 D5 17 D6 18 D7 U2 OC C 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q A0 A1 2 5 6 9 12 15 16 19 HD74LS373P VCC 0 4 Vcc GND 1 2 3 4 5 6 7 8 13 12 15 14 31 19 18 9 17 16 U1 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 INT1 INT0 T1 T0 EA/VP X1 X2 RESET RD WR AT89S52 0 2 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 RXD TXD ALE/P PSEN D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 30 29 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 34 33 32 31 30 29 28 27 5 36 A0 9 A1 8 35 6 34 33 32 31 30 29 28 27 5 36 9 A0 8 A1 35 6 U3 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 RD WR A0 A1 RESET CS D8255AC U4 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 RD WR A0 A1 RESET CS D8255AC PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 4 3 2 1 40 39 38 37 18 19 20 21 22 23 24 25 14 15 16 17 13 12 11 10 4 3 2 1 40 39 38 37 18 19 20 21 22 23 24 25 14 15 16 17 13 12 11 10 +12V +5V 100uF C4 C5 0.1uF D1 D2 D3 D4 100uF C6 0.1uF C7 5 7 10 12 6 11 8 U5 IN1 IN2 IN3 IN4 ENA ENB GND Vss Vs OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 ISENA ISENB L298N 9 4 2 3 13 14 1 15 M1 A M B M2 A M B D5 D6 D7 D8 +12V +5V 100uF C4 C5 0.1uF D1 D2 D3 D4 100uF C6 0.1uF C7 5 7 10 12 6 11 8 U5 IN1 IN2 IN3 IN4 ENA ENB GND Vss Vs OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 ISENA ISENB L298N 9 4 2 3 13 14 1 15 M11 A M B M12 A M B D5 D6 D7 D8 D C B A VCC C3 Y1 30PF VCC 30PF 4 C2 Z H M 2 9 5 0 . 1 1 3 4 3 1 1 K1 RST 2 1 2 1 2 2 2 R1 1 C1 4.7uF RESET 10K D C B A 1 2 3 4 图 4 单片机控制系统电路图 Title Size B Date: File: 5 Number Revision 19-Apr-2008 E:\protle99\BAAF90~1.DDB Sheet of Drawn By: 6 Fig.4 The circuit diagram of SCM control system 对腿上关节转动的控制，也就是对电机转动时间和速度的控制，本设计所采用的电机驱动芯片 L298N 本身就具有 PWM 调速功能，因此，要对电机进行调速，只需要编写相应的 PWM 程序即可。整个控制系统的主程序流程图如图 5，系统开发中采用 Keil µVersion2 软件编程和调试，要实现不同的步态，只需要改变程序即可。 - 4 -

http://www.paper.edu.cn 开始延时 200ms 设置 8255A 的工作方式一个周期内的步态控制程序是一个步态周期完否否图 5 控制系统主程序流程图 Fig.5 The flow chart of the control system’s main program 5. 实验结论实验平台是自行设计制作的四足步行机器人（图 6），整个机体的外形尺寸为：长 320mm、宽 410mm、高 120mm，总体质量约为 2kg。按要求连接好电路，根据前面所设计的步态，编写好相应控制程序，将其烧到单片机的程序存储器中，对慢走和对角小跑两种步态做实验可知，所设计的步态具有很好的稳定性，并且可以得到动态行走相比静态行走具有较高的移动速度，由实验可知，对角小跑时的速度可达 30mm/s，并且控制系统具有良好的稳定性。图 6 四足机器人样机 Fig.6 The prototype model of the four-leg robot - 5 -

http://www.paper.edu.cn 参考文献 [1]陈学东,孙翊,贾文川著.多足步行机器人运动规划与控制[M].武汉:华中科技大学出版社.2006 [2]Elon Rimon, Shraga Shoval, Amir Shapiro. Design of a Quadruped Robot for Motion with Quasistatic Force Constraints [J].Autonomous Robots, 2001(10), 279~296 [3]The Robotics Society of Japan，Robotics Handbook-2nd ed[M]. Corona Publishing Co.,Ltd. 2005 [4]黄真,孔令富,方跃法著.并联机器人机构学理论及控制[M].北京:机械工业出版社,1997.12 [5]徐鞍群,万隆君.四足步行机器人稳定性步态分析[J].制造业自动化,2001(8):5~7. [6]宋秀敏,刘小成.四足、八足步行仿生机器人基本步态及时序研究[J].装备制造技术,1995(5):6~8. [7]L-298 DUAL FULL-BRIDGE DRIVER. ST Microelectronics GROUP OF COMPANIES.2000 The Design of a Quadruped Walking Robot and Study on Its Gaits Based on Single-chip Computer Zhou Xiaodong, Tang Xiuying, Nong Kejian College of Engineering, China Agricultural University, Beijing (100083) Abstract A four-leg walking robot is designed and made by studying the structures and gaits of the quadrupeds, according to the principle of multi-leg walking robots’ stability; the creeping and trotting gaits are designed and realized by the SCM control system. It is proved by the experiments that the two kinds of gaits have favorable stability. Keywords: quadruped robot; gait; creeping; diagonal trotting - 6 -

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