機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。

　　雙足步行機器人是一個多自由度、非線性、具有復(fù)雜動力學(xué)特性的多體系統(tǒng)。本文在參考國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計研制了樣機，以TI公司的DSP TMS320F2812為設(shè)計了機器人驅(qū)動、控制電路，分別采用了觸力傳感器FSSl500NST、微機械陀螺儀ADXRSl50來檢測足底接觸力信息和軀干角速度，并成功實現(xiàn)了機器人的穩(wěn)定行走。

　　1 機械設(shè)計

　　為了實現(xiàn)機器人前后行走、上下臺階及爬斜坡等功能，機器人每條腿至少應(yīng)有三個俯仰自由度；要實現(xiàn)質(zhì)心在左右腳之間轉(zhuǎn)移的功能，每條腿至少應(yīng)有一個滾轉(zhuǎn)自由度?；趯崿F(xiàn)預(yù)期功能而又盡量降低成本，精簡機構(gòu)的原則，我們設(shè)計的雙足機器人共有十個自由度，每條腿各有五個自由度，其中髖關(guān)節(jié)兩個（俯仰和滾轉(zhuǎn)），膝關(guān)節(jié)一個（俯仰），踝關(guān)節(jié)兩個（俯仰和滾轉(zhuǎn)）。

　　考慮到驅(qū)動負(fù)載以及穩(wěn)定性等因素，在設(shè)計時將腿長取為28cm，其中大腿有效長度為15cm，小腿有效長度13cm，每個腳底板寬8cm，長12cm，材料為2mm厚的電路板，上面安裝了四個觸力傳感器，每個角上一個，用于檢測機器人行走時支撐腳和地面之間的壓力；電路板上還有四個傳感器的信號調(diào)理電路。大腿和小腿都由輕質(zhì)鋁合金板加工而成；兩條腿上面的舵機通過u型件連在一根角鋁上，用螺栓螺母擰緊后，就構(gòu)成了機器人的骨盆，在骨盆中央豎直方向上固定一根硬鋁板條，作為機器人的脊柱；電路板和為整個系統(tǒng)供電的鋰電池可以放在一個特制的盒子里，將盒子固連在豎直板條上，就構(gòu)成了機器人的胸腹。

　　2 驅(qū)動方案與控制系統(tǒng)設(shè)計

　　基于處理能力等多方面的考慮，我們選用TI公司的高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812為機器人控制系統(tǒng)的，來完成信號采集、處理、控制和驅(qū)動等功能。

　　F2812是一種低功耗的32位定點數(shù)字信號處理器，在數(shù)字控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有強大的計算能力、迅速的中斷響應(yīng)和處理以及統(tǒng)一的寄存器編程模式。

　　2.1 驅(qū)動方案

　　考慮到驅(qū)動力大小以及可控性能，本機器人的關(guān)節(jié)采用漢庫HGl4舵機進行驅(qū)動，該舵機采用閉環(huán)反饋位置控制，其部分技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

　　減速齒輪組由馬達驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器進行位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制單元，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動馬達正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達到舵機定位的目的。

　　舵機的控制信號是脈沖位置調(diào)制（PPM）信號，是一種寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，周期一般為20ms，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生變化，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。一般舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圖1表示。

　　由于制作工藝等多方面的原因，舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角并不是準(zhǔn)確地遵循與控制信號的脈沖寬度對應(yīng)的關(guān)系，但一般和控制信號脈沖寬度成比例關(guān)系。為了減小誤差，我們事先測出在額定脈寬下舵機的實際轉(zhuǎn)角，然后計算出和額定轉(zhuǎn)角的比例系數(shù)，在軟件中對控制信號脈寬予以調(diào)整，這樣可以將轉(zhuǎn)角誤差減小到0.5°以內(nèi)。

　　2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

　　DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是值得稱道的兩大特色。

　　數(shù)字信號處理器（DSP）芯片作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，是專門為實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法而設(shè)計的，具有嵌入式的協(xié)處理器和用于快速數(shù)據(jù)處理的并行數(shù)據(jù)通道，其卓越的性能、不斷上升的性價比及日漸完善的開發(fā)方式使它的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，因此嵌入式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的應(yīng)用前景十分廣闊，已經(jīng)成為研究的熱點。這里采用如下方案：由DSP通過JZ864微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將由傳感器得到的機器人姿態(tài)信息送到上位機，然后上位機根據(jù)這些信息和動作時序計算相應(yīng)的控制指令，通過無線數(shù)傳模塊將指令發(fā)送回DSP，再由DSP的定時器生成相應(yīng)的信號來控制舵機(如圖2所示)。這樣調(diào)試時只要在上位機里改寫程序即可，動作調(diào)試好以后再將相應(yīng)的程序燒寫到DSP芯片的FLASH中。

　　十個舵機的控制信號由F2812的通用I／0引腳A0到A9產(chǎn)生，這個過程由通用定時器l和通用定時器2的中斷服務(wù)程序來完成。

　　雙足機器人的實時控制系統(tǒng)需要實時測量機器人的一些信息，為此我們在每個足底安裝了四個霍尼韋爾觸力傳感器FSSl500NST，用于實時檢測雙足機器人腳面觸地情況，計算雙足機器人腳面壓力中心位置。觸力傳感器通過不銹鋼柱塞，將所受外力直接傳遞到硅感應(yīng)元件上。這種電阻值的變化將終通過電橋電路以mv級電平輸出，靈敏度為0.12mY／g，直接接入DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路會導(dǎo)致測量不高，需要設(shè)計如圖3所示的信號調(diào)理電路。

　　在經(jīng)過調(diào)理電路放大以后，傳感器的電平輸出被放大到0—3V之間，可直接連到F2812的A／D轉(zhuǎn)換電路。

　　軀干的角速度包括滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航三個方向的分量，一般需要關(guān)注的是滾轉(zhuǎn)和俯仰方向的分量，即機器人是否會朝前后或左右方向摔倒。我們選擇ADI公司的微機械陀螺儀ADXRSl50，其參數(shù)如表3所示。

　　陀螺儀ADXRSl50具有Z一軸響應(yīng)、工作頻帶寬、小而輕等特點，能夠滿足機器人雙足行走過程中檢測軀干實時角速度的要求。

　　選用集紅外線接收和放大于一體的HS0038芯片作為紅外線接收器，其中載波頻率為38kHz；電路中將HS0038芯片的輸出信號接到F2812事件管理器EVB的捕獲引腳上，通過捕獲中斷服務(wù)子程序來對遙控器的信號進行接收和解碼，然后查表來確定相應(yīng)的按鍵，執(zhí)行相應(yīng)的動作。

　　3 行走試驗

　　通過在主控芯片中的步態(tài)規(guī)劃，雙足機器人在行走過程中的重心投影一直在支撐區(qū)域以內(nèi)，試驗在平整地面上進行，用7.4V的鋰電池給雙足機器人提供動力，機器人獨立于上位機，用紅外遙控器控制他的行為。在行走實驗中，機器人收到指令后執(zhí)行的一系列動作如下：

　?。?）雙腿彎曲，降低重心到一定高度；

　?。?）身體左傾，重心投影移到左腳，抬右腿；

　?。?）右腿前伸，沿設(shè)定軌跡著地；

　　（4）身體右傾，將重心投影轉(zhuǎn)移到右腳；

　?。?）檢測近收到的指令，若為停止命令，則以右腿為支撐腿，收左腿，回到直立狀態(tài)，否則執(zhí)行下一個的動作；

　?。?）左腿前伸，沿設(shè)定軌跡著地；

　?。?）身體左傾，將重心投影轉(zhuǎn)移到左腳上；

　?。?）檢測近收到的指令，若為停止命令，則以左腿為支撐腿，收右腿，回到立正狀態(tài)，否則執(zhí)行第3個的動作。

　　行走時各桿件運動的速度和加速度不能太大，運動速度會比較慢。經(jīng)過多次試驗和研究發(fā)現(xiàn)，如果擺動腿移動得太慢，會增加單腿支撐的時間，若擺動腿移動得過快，會增加對身體的作用力，使機器人穩(wěn)定性變差，比較容易摔倒；在雙腿支撐期，質(zhì)心投影由一只腳上轉(zhuǎn)移到另一只腳上。經(jīng)過多次調(diào)整和試驗，發(fā)現(xiàn)在取雙腿支撐期2.5s、單腿支撐期1.5s時，可以得到比較穩(wěn)定的前向行走。

　　4 結(jié)束語

　　本文以TI公司TMS320F2812 DSP作為主控芯片，為方便程序的調(diào)試，采用了JZ864微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊來傳遞上位機與機器人之間的信息。選擇觸力傳感器FSSl500NST、微機械陀螺儀ADXRSl50來分別測量腳底板和地面接觸信息以及軀干的角速度，采用了紅外遙控的方式來控制機器人的行為，設(shè)計出機器人的整體控制系統(tǒng)并實現(xiàn)了穩(wěn)定行走。