基于单片机的Biped型机器人设计的创新策略

　随着机电一体化技术的不断发展和工业自动化程度的日益提高，机器人在工业生产和日常生活等诸多方面都得到了越来越广泛的应用。目前，仿人机器人作为机器人研究的热门领域受到了极高的关注，其中，Biped型机器人以其结构复杂，自由度多和运动控制精度要求高等特点已经成为了仿人机器人研究的重中之重。 
　　本文通过研究仿人机器人运动过程规划以及伺服电机控制的基本原理和方法, 给出了Biped型机器人设计的整体方案。所述的机器人采用基于STC89C52单片机的高精度伺服控制系统，减少了传统控制方法不稳定性对系统精度的影响。同时，选用了TR213高精度伺服电机，使机器人的运动机构在运行过程中协调、平稳。并通过单自由度调试、多自由度调试、运动过程规划等实验验证了系统的可行性，所设计的机械结构及控制方法真正地实现了Biped型机器人控制的高精度、高稳定性和智能化。 
　　1 整体结构设计 
　　根据仿人机器人的行走、前进、后退、重心偏移和上下楼梯等运动过程要求，Biped型机器人主要由机械结构、高精度伺服电机、伺服控制系统和驱动系统等部分组成。 
　　由于人体为左右对称结构，为了达到仿人运动的目的，Biped型机器人也采用相同的对称结构，如图1所示。 
　　以机器人行走过程中的右腿向前移动过程为例，在此过程中包括重心左移，右腿抬起前移，右腿放下和重心恢复四个阶段。为了实现动作要求，机器人需要踝关节、膝关节和髋关节6个自由度配合完成，其各关节的转动角度范围如表1所示。从表中可以看出，踝关节1、2可以通过转动完成整体结构重心沿y轴方向的移动控制，保持机器人在动作过程中的重心稳定；膝关节3、4和髋关节5、6通过配合转动改变机器人沿z轴方向的双脚高度以及双脚沿x轴方向的前后位置控制，实现机器人的动作要求；另外，双足机器人各个关节角的运动范围都大于人类各个关节角度的运动范围，可以满足模仿人类动作的关节角度范围要求。 
　　2 高精度伺服电机的转动控制 
　　Biped型机器人的各关节的位置采用TR213高精度伺服电机的转动进行驱动和控制，并由STC89C52单片机产生周期为20ms，脉宽为0.5ms-2.5ms的脉冲宽度调制（PWM）信号，该脉冲宽度与电机转动的偏转角度成正比，通过不同的脉冲输入宽度可精确地控制伺服电机的转动角度，其驱动分辨率达到1μs，角度分辨率可达0.09°，伺服电机的转动角度控制原理如图2所示。 
　　位于伺服电机内部的齿轮组将电机的转动速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大倍数后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度，其内部电路如图3所示。 
　　PWM信号进入信号解调芯片BA6688后将产生直流偏置电压信号，该信号和芯片内部5K电位器所产生的基准电压信号进行比较，将得到的脉冲进行展宽后输入至芯片BAL6686，芯片根据展宽后的脉冲信号驱动伺服电机转动，在此过程中，伺服电机的转动将带动电位器发生变化从而改变电压差的大小，直到压差为0时，伺服电机转动到指定位置后停止转动。另外，解调后的直流偏置电压通过与在电位器上得到反馈电压进行比较可得到正负电压差，BA6688将该电压差输送的PWM信号给电机驱动电路BAL6686以驱动伺服电机正反转。叠加在5K电位器上的另外一个信号Motor Back EMF信号将会使伺服电机产生一个反向电动势，通过和给定的基准电压进行比较可以改变伺服电机的转速，从而控制机器人的动作速度。 
　　3 伺服控制系统 
　　Biped型机器人的伺服电机控制主要是通过STC89C52单片机所产生的PWM信号来实现。由555定时器组成的振荡器作为时间基准信号，通过对其产生的脉冲信号进行计数来产生PWM脉冲信号，并由I/O口进行多路输出，输出后的信号经过整形处理，产生标准的PWM脉宽调制信号，以提高机器人动作的精度和稳定性。同时，STC89C52单片机上的FLASH为程序存储提供了足够的空间，还可以使用其串口和在线烧录功能与上位机进行通信来完成对多路伺服电机转动的控制。 
　　4 驱动系统 
　　为了使Biped型机器人具有足够的驱动能力，在设计中采用具有较大输出扭矩的TR213伺服电机，该电机的供电电压为4.8-7.2V，最大输出扭矩为13kg·cm，当其空载时电流很小，可以忽略不计，但当其动态负荷扭矩达到最大时驱动电流可达2A，但由于Biped型机器人的6个自由度一般不会全部同时工作在最大负荷状态下，根据测试表明，在正常情况下每个伺服电机的电流小于0.5A，因此，采用电流为10A的直流稳压电源为其供电，即可满足其驱动要求。伺服电机控制电路与伺服电机驱动电路采用分开供电模式，由7805稳压芯片为其提供稳定电压，以减小伺服电机电压波动对其造成的干扰，来提高控制精度。 
　　结语 
　　理论与实验表明，所设计的Biped型机器人具有控制精度高、稳定性好和结构简单等特点。通过高精度伺服电机和控制系统有效地减少了系统不稳定性对机器人运动过程造成的影响，为仿人机器人的开发和设计提供了一种比较理想的方法与解决方案。 
　　参考文献 
　　[1] 史耀强.双足机器人步行仿真与实验研究 [D].上海：上海交通大学，2008. 
　　[2] 李健.多自由度机器人的设计与研究 [D].合肥：中国科学技术大学，2009. 
　　[3] 蔡自兴.机器人学 [M].北京：清华大学出版社，2003.