摘要：隨著社會的進步與發展，機器人出現在人們視野，并逐漸代替人們服務于各行各業。論文通過設計制作交叉足機器人，來對雙足機器人的控制系統和步態穩定性作出探究。并對機器人進行合理的結構設計和步態規劃，提高了機器人總體的穩定性。該交叉足機器人的制作本著創新，實用為目的，為最后生產出可以服務于人類，并在社會中發揮作用的機器人提供一些有益借鑒，且符合社會進步發展的需要。

　　關鍵詞：機器人;交叉足;步態規劃

　　引言

　　機器人學是近年來發展起來的一門綜合性較強的新學科，其中涵蓋了諸如計算機工程、人工智能系統、電子工程以及生物仿生學等多門類在內的熱點前沿技術內容。研究中，因為雙足機器人所獨具的特性，如仿人類動作靈活，且對于非結構性的環境地形表現出良好的適應性，躲避障礙的能力較強，運動的盲區小等優良的性能，故而已吸引到研究學界的多方重視與關注。

　　在此基礎上，致力于雙足機器人的進一步研究，以及探索其可操控空間和模仿人類運動的步態規劃都具有相當重要的意義。論文中的交叉足機器人，是基于中國機器人大賽交叉足項目要求設計，機器人在狹長的賽道上沿直線穩定行走，整個步行過程中始終要平衡、快速、穩定，這就需要雙足機器人具有較高的機械精度和穩定的控制策略。對此課題，擬展開研究論述如下。

　　1機器人結構組成

　　1.1結構組成方案

　　論文中所設計的交叉足機器人需滿足如下功能要求：保持直線穩定行走、做出比賽要求的相應動作、使用舵機數不超過6臺、尺寸大小不超過200mm(長)×200mm(寬)×300mm(高)，重量為0.65kg。

　　考慮到機器人的運動狀態及運動軌跡，使得整個機體結構的設計材料不僅要有較好的剛性強度，也要有較輕的重量。材料采用了鋁制器件，支撐機器人髖關節部位的材料采用了電鍍板，一是電鍍板更輕且不導電，不會對整體電路造成影響，硬度、剛性也符合要求，而且易于加工，其上的電鍍孔可以用來固定控制模塊和電源。腳底板的設計也采用了相似的材料，并在機器人的頂部和足底配置防滑墊，增大摩擦力，有效改善機器人到達實際位置存在偏差的問題[1]。

　　腿部結構設計根據人類實際行走時關節的運動，驅動模塊使用6臺舵機，3個相連組成一條腿，分別模仿人類的髖關節、膝關節和踝關節。其中，踝關節只有一個自由度，而人類的髖關節和踝關節卻有2個自由度，可以實現前后擺動、左右擺動、轉動等動作;此外，膝關節也只有一個自由度，只能前后方向擺動。

　　論文設計的交叉足機器人通過使用不多于6個自由度就可以完成比賽所要求的動作。機器人胯部結構，只具有一個前后俯仰自由度，提供連接膝關節和軀干的橋梁，主要控制機器人的向前運動。總地來說，膝關節連接腳部和胯部，和髖關節共同控制著機器人的前向運動。

　　軀干部分用于安裝控制模塊和電源模塊，連接著驅動模塊，為了保持整體的結構穩定，在軀干部分安裝驅動模塊時，要保證2條腿之間相對于軀干中心對稱，2腿之間不能相距太近或太遠。如果相距太近，交叉足機器人2條腿行走時，就會絆在一起無法前進，太遠又會導致行走過程中，一只腳抬起時會受力不均而向另一邊傾倒，因此安裝時要使腳底板恰好可以通過腿部而不會刮擦到最為合適。

　　1.2機器人控制模塊

　　機器人的控制模塊就是機器人的大腦，可由其發出全部指令，控制機器人擬將做出的規定性動作，控制板發出指令到驅動模塊舵機，使舵機按照預先設定的參數轉動一定的角度，從而使機器人遵照指令含義發生移動。論文設計的機器人的控制模塊采用了16路的舵機控制器，控制器配有相應的上位機調試軟件，可以詳細展現各個舵機的運行參數，大大降低了調試難度。該控制器支持動作組的儲存，可提供128類動作組下載，每類動作組包含256個動作，總共可以保存上萬套動作，完全能夠滿足交叉足機器人的動作需求。

　　板載動作儲存卡是調試動作的儲存單元，也是動作指令的發出地，將調試好的定義動作儲存進去，機器人就可以脫機運行，按照預編的指令完成各個動作。MINI—USB接口主要通過連接線與電腦相連，使電腦上的上位機調試軟件與機器人連接，主板電源通訊指示燈顯示供電狀態和上位機軟件與機器人自身的通訊連接。

　　控制系統總體結構采用了上位機+串口+下位機的控制系統方案。設計中，上位機控制軟件的主要功能是，對設定的交叉足機器人動作進行規劃和動作位置插入與補充，再按照一定時間間隔和順序依次發送給下位機，從而實現機器人關節位置精準的速度控制。下位機主要功能是，接收上位機發出的動作指令信號，控制機器人各個關節舵機的實際運動，使機器人按指令規劃完成步行動作[2]。

　　1.3機器人驅動模塊

　　驅動模塊是機器人的動作執行部分，驅動模塊的運行情況直接決定了機器人的行走狀態。目前機器人運用的有液壓、氣壓、電機驅動3種驅動方式[3]，論文選用的是電機驅動控制。舵機是一種位置伺服的驅動電機，由舵盤、位置反饋電位計、減速齒輪、直流電機組成[4]。

　　舵機通常按180°、270°和360°來給出分類，該交叉足機器人采用了比較靈活的180°舵機。舵機工作時接收來自主控制板的電子信號，轉動一定的角度，從而實現運動。舵機的主要參數有扭矩、速度、尺寸和重量。運行時的工作原理是：信號到達調制芯片，獲得直流偏置電壓，在其內部設有一個基準電路，產生周期大致為10ms，寬度為0.75ms的基準信號[5]，將得到的偏置電壓和電位器的電壓進行比較，得到電壓差并輸出結果。電壓差的正負決定舵機正轉或反轉。

　　電壓差為零時，舵機靜止。舵機的控制信號為PWM信號，通過占空比的變化而使舵機改變位置[6]。本次研發中涉及的舵機參數有：重量，60g;尺寸，40.0mm×20.0mm×40.5mm;速度，0.16sec/60°@4.8V、0.14sec/60°@6V;失速扭矩，13.5kg/cm@4.8V、15kg/cm@6V、17kg/cm@7.2V;工作電壓，8-7.2Volts;工作電流，150mA;工作電流需大于>100mA。該機器人選用了供電電壓6V，扭矩15kg/cm的數字舵機作為驅動模塊，該舵機運行穩定，扭力大，精度高，完全滿足該交叉足機器人的驅動要求。

　　1.4機器人能源供給模塊

　　機器人的能源供給模塊可以源源不斷地為機器人提供電力輸入，機器人的各種行為動作才會成為可能。同時，該模塊也要給控制板電路和驅動模塊的舵機輸送電能動力，因此，良好的電源選擇對于機器人的供電穩定性和機體系統穩定性均將起到重要的補益作用。

　　該交叉足機器人選用了7.4V，容量2000mA的鋰離子電池作為能源供給模塊，但是舵機的供電電壓為6V，如果直接用該電源給舵機供電，舵機在高于額定值電壓下工作容易發生抖舵或者燒毀，故而為了保護舵機，特別加入了串聯1.2V降壓芯片，使經過降壓芯片到達舵機供電端的輸出電壓穩定在6V左右的安全數值。經過測試可知，能夠滿足交叉足機器人的供電需求。

　　2上位機軟件設計

　　上位機軟件是與控制板相匹配的，通過數據線與安裝齊整的交叉足機器人的控制模塊相連，在其控制界面上有通訊連接顯示窗口，有相應的舵機調試窗口，可以拖動滑標、也可輸入數據使舵機轉動，界面下方還配有每一步調試數據的顯示。在調試完成后，保存并下載相應的程序到控制板里，然后點擊脫機運行便可使機器人按照原先設定好的程序去執行各類動作。

　　3機器人的步態規劃及相關動作的設計

　　步態規劃的合理性直接決定著該機器人行走時的穩定性和姿態的美觀性。通常，步態規劃要研究討論多個方面，如機器人行走路線的地形，機器人得到運動軌跡等因素。但本文設計則重點考慮了仿生學和力學穩定性這2個方面。

　　模仿人類行走時關節的擺動，通過測量和分析來決定機器人行走時舵機轉動的合適角度，從而使機器人可以像人類一樣平穩地行走。首先通過對人類在行走時腿部動作進行拆解分析，例如人類在行走時通過髖關節和膝關節的帶動使一只腳先離開地面，接著向前擺動再落下，人類就是通過2條腿的如此反復運動達到了前行的目的。模擬人類行走。

　　起步時機器人首先雙腿略微彎曲然后左腿抬起，準備向前邁步，接著右腿前傾，放下左腳，完成第一步的行走。在抬腳邁步的過程中，要保持腳底板和機器人頂部的電鍍板與地面平行，這樣可以保持交叉足機器人行走時姿態的美觀性。接著抬右腳、向前移動、放下、抬左腳、向前移動、放下時保持立正的姿勢，這樣就完成了3步走的動作[7]。

　　4機器人的動作調試

　　將交叉足機器人的控制板通過數據線與電腦相連，打開上位機調試界面的COM端口連接，嘗試連接各個端口至控制板上的通訊指示燈亮，并稍微移動舵機調試滑塊，舵機有轉動現象則表示通訊連接良好。在步態和動作規劃交付后，接著就是動作的調試進程。將規劃的動作通過機器人的行為實際展現出來。在進行運動步態的調試時，首先開啟的就是單關節調試。

　　單關節調試的目的是為了測試各關節電路連接及機構是否正常工作，舵機是否順利通過磨合及測量各個關節實際運動范圍，其次為了標記各臺舵機運動正、反方向，測試各臺舵機是否能夠準確調到零位。在此之后，將轉入實際的動作調試。先是逐個動作的觸發調試，調試成功并全部保存后，就是將所有動作串連起來整體運行一次，檢視動作是否流暢。在調試過程中若發現問題需及時處理，同時參照步態規劃數據并結合實際情況對舵機的運行參數給予修正，通過反復的運行調試，使交叉足機器人達到穩定步行的要求。

　　5結束語

　　從實用性上說，該機器人滿足了模擬人類步行的相關要求，由于舵機控制原因，靈活性遠遠比不上人類的動作行為能力。但隨著科技發展，雙足機器人必將在未來可為多種實際場合發揮不可替代的關鍵協助作用。可對其描述如下。

　　(1)可以利用人工制造的假腿或可以操控的步行座椅給殘疾人提供代步工具，能使殘疾人如正常人一樣在不同的環境中自由行走，從而減少對其它人的依賴。

　　(2)雙足機器人可適用的作業范疇廣闊，不僅能和人們一起合作完成某項工作，而且由于其具有人類的運動特點，因此無需特別改造，即可投付使用。

　　(3)特別的環境下能夠替代人工作業，例如核電站內機器的維修、建筑高層的玻璃擦洗、管道監測、維修、遙控搶險救災、敵軍偵察和間諜工作、排除地雷、排除爆炸物等性質用途的相關工作。

　　(4)在教學、大眾服務和藝術行業等領域的應用。例如跳舞機器人、服務員機器人等。由于該交叉足機器人結構相對簡單，僅可以實現行走、翻滾等動作，對環境的適應能力上存在一定不足，所以在此基礎上仍有諸多問題亟待研究解決。

　　比如可以給機器人加裝陀螺儀來提升機器人的穩定性，加裝紅外傳感器使其具備避障的能力，引入聲音、圖像使其可與外界環境交互等等。因此，后續研究還需深入鉆研其構造機理和相關技術，掌握該領域發展走向，才能融入創新、匠心獨運地設計制造出符合、且引領未來需求的智能機器人。

　　機器人方向論文投稿刊物：《機器人技術與應用》(雙月刊)1988年創刊，是公開發行的科技刊物，國際機器人聯合會會員單位，在國內自動化領域享有很高的聲譽，國外亦有一定的影響。本刊主要報道工業自動化和機器人領域的相關理論、技術與應用等方面的最新進展情況，涵蓋面廣，集知識性與趣味性于一體，具有很強的技術性和可讀性。