基于ATmega88和Delphi的双足竞步机器人设计
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2020-10-17
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基于基于ATmega88和和Delphi的双足竞步机器人设计的双足竞步机器人设计
采用自主设计的PCB板和CDS5401舵机设计了一种双足竞步机器人，开发了基于ATmega88的机器人控制系
统，基于仿生学原理的步态规划确定了机器人的运动序列。所设计的控制系统不仅操作简单，运行稳定可靠，
而且人机交互界面友好，再扩展性强。最后，将所开发的机器人运用于中国机器人大赛双足竞步机器人比赛，
取得了优异成绩
摘摘 要要： 采用自主设计的
关键词关键词： 双足竞步机器人；PCB板；ATmega88；CDS5401舵机；Delphi
0 引言
双足步行机器人是机器人领域中的一个热点研究课题[1-2]。其不仅质量轻、能耗小、动作灵活，而且具有很强的环境适应
性，相对于轮式、履带式机器人具有更大的优势，如可以进入狭隘的空间进行工作，也可以跨越障碍、上下台阶、斜坡及在不
平整地面上工作[3]。
双足机器人是一个自由度多、结构复杂、耦合性强的非线性系统，因此，实现其稳定的步行控制是双足机器人研究中的热
点和难点。目前，稳定步行控制的方法主要有基于ZMP的步行控制、基于裸关节力矩的步行控制、基于传感器补偿的步行控
制、基于改变落脚点的步行控制等。而人类双足步行是在生物进化史中得出的最高效的移动方法，自动化程度最高，也最为复
杂，因此基于仿生学原理的步行控制具有稳定、可靠的优点。本文基于仿生学原理进行机器人的步行控制，在控制器和机械结
构方面提出了许多新颖、独特的设计方法使所设计的机器人具有很好的稳定性，且系统可靠、易于调试。特别地，所设计的机
器人在2013年中国机器人大赛双足竞步机器人比赛项目中获得了全国一等奖的好成绩，充分体现了本设计的先进性。
本文的主要目的是以中国机器人大赛双足竞步机器人项目为背景，自主设计一款6自由度的双足竞步机器人，研究双足竞
步机器人的机械结构、控制系统、步态规划以及控制程序的编写和调试，最终实现双足竞步机器人的稳定行走和向前向后翻跟
斗的功能。该机器人控制系统采用自主设计的PCB板和CDS5401舵机为机械结构的主要材料，控制系统以ATmega88为控制
核心，输出6路PWM波驱动CDS5401舵机，基于仿生学原理进行步态规划，并使用
1 机械机构的设计机械机构的设计
1.1 机械结构材料的选择机械结构材料的选择
根据中国机器人大赛的要求，机器人的总重量不超过1 kg，所需的材料需要满足密度小、刚度高、便于加工等特点[4]。鉴
于PCB板具有硬度高、质量轻、可塑性好等特点，本文选择PCB板作为双足竞步机器人的机械设计材料。与其他选择钢板或
铝板作为机械材料的机器人，其优势如下：
(1) 可以将控制系统嵌入到PCB板中，避免了在机械结构上外加控制系统而导致的系统不稳定、累赘，影响双足竞步机器
人行走或翻跟斗动作的流畅度等缺点。
(2) 直接用焊锡就可以将各个关节连接，省去了螺母、连接杆等器件，既简化了双足竞步机器人的机械结构，也减轻了双
足竞步机器人的质量。
(3) PCB板便于加工，价格便宜。
1.2 机械结构的设计机械结构的设计
本文将双足竞步机器人的机械结构分成躯干部、胯部、膝部、脚部四部分。
(1) 脚部机械结构的设计
本文设计的机器人脚板长宽为149 mm×59 mm，比参赛要求的最大值分别小1 mm。同时，在保证脚板刚度和强度的情况
下，将脚板镂空，以降低脚部机械结构的重量。为了保证机器人具有足够大的驱动力矩，本文设计的双足竞步机器人将舵机和
脚板以垂直的方式进行连接。
(2) 膝部机械结构的设计
膝关节在机器人行走的过程中负责向前跨步和辅助调节机器人重心的位置，为了避免膝关节部分的舵机成为多余的负载，
本文将舵机的安装位置上移，膝部的舵机与机器人躯干串联[5]。同时，为了减轻双足竞步机器人的质量，在保证机器人强度
和刚性的情况下，也将其关节的连接板块进行镂空处理。
(3) 胯部机械结构的设计
胯部机械结构是髋关节自由度的载体，在机器人行走时负责保持上体直立和辅助平衡。为了防止机器人行走和翻跟斗时两
腿之间发生碰撞，其胯部舵机不直接与躯干部的舵机相连接，以一块结构板隔开，舵机串联在结构板上。
(4) 躯干部机械结构的设计
本文将躯干部的侧向控制板设计成双直板结构，以保证双足机器人进行前翻滚和后翻滚时不发生偏转。
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