双足步行机器人控制系统设计与试验_李辉辉.pdf
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1、现代制造技术与装备402023 年第 3 期总第 316 期双足步行机器人控制系统设计与试验李辉辉1田世锋1杨亭1李丽珠2(1.广东开放大学(广东理工职业学院),广州 510091;2.广州市从化区职业技术学校,广州 510900)摘要:构建一款步行平稳、可转向的双足步行机器人。在硬件配置方面,以 Arduino 为控制器,采用 4 组稳压电路分别为系统各用电器提供合适的电压。双足踝、膝、髋 6 个关节各配置一个舵机,控制舵机旋转便可带动关节前后自由弯曲。在控制策略方面,遵循人类步行动作生物力学原理,机器人各关节协同转动,可模仿人类双足直立行走和转向。关键词:双足步行机器人;稳压电路;控制系统
2、;生物力学原理Design and Experiment of Biped Walking Robot Control SystemLI Huihui1,TIAN Shifeng1,YANG Ting1,LI Lizhu2(1.Guangdong Open University(Guangdong Polytechnic Institute),Guangzhou 510091;2.Guangzhou Conghua District Vocational and Technical School,Guangzhou 510900)Abstract:This paper aims to buil
3、d a bipedal walking robot with stable walking and steering.In terms of hardware configuration,with Arduino as the controller,four groups of voltage regulator circuits are used to provide appropriate voltages for all electrical appliances in the system,and a steering gear is configured for each of th
4、e six joints such as ankle,knee and hip.By controlling the rotation of the steering gear,the joints can be driven to bend freely back and forth.In terms of control strategy,following the biomechanical principle of human walking movement,the robot joints rotate cooperatively and walk upright and turn
5、 like human feet.Keywords:bipedal walking robot;voltage regulator circuit;control system;biomechanical principle双足步行机器人采用多个活动关节协同配合实现步行直走和转向等各种动作1-2。它能够模仿人类运动,如上台阶、跨越障碍等,可作为下肢瘫痪者的行走辅助器械。配合使用机械手能够大大提升机器人的工作空间和环境适应能力3-4,已在航天、工业、农业、医疗等领域获得应用5-6。近年来,国内外均有双足步行机器人的产品问世,其中波士顿动力公司研发的 Atlas双足步行机器人是典型代表之一7-9。
6、但是,双足步行机器人并未大规模投入生产,步行不平稳和转向控制难是主要受限因素10-15。根据人类生物力学原理,文章设计了一款由 Arduino 输出脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)信号控制舵机转动的双足 6 关节步行机器人,配置 4 组稳压电路,并优化控制算法,大大提高了机器人步行的平稳性能和转向性能。1系统组成1.1机器人总体组成双足步行机器人主要由双足、稳压电路、Arduino控制器以及电源等组成,如图 1 所示。机器人双足由6 个舵机和若干支架连接形成对称结构,具有踝关节、膝关节和髋关节16-17。踝关节可左右转动,膝关节、髋关节可前后弯曲 90,各关
7、节协同活动便可实现步行或转向动作18。机器人质量约为 700 g,高为 24 cm,左右宽为 18 cm,前后厚为 13 cm。图 1机器人组成部分图1.2控制器和舵机Arduino 控制器用 C 语言编程,其 6 个 PWM 信号输出端口分别与机器人 6 个关节处的舵机相连。踝关节舵机型号为 DS3115,膝关节和髋关节舵机型号DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0133设 计 与 研 究41为 RS3115,工作电压均为 6 8 V,堵转扭矩均为 15 kg cm-1。1.3稳压电路通过测试发现,若只用 1 组 LM2596 稳压电路,在舵机转动过程中容易出现供电不足的问题
8、,影响机器人正常步行。因此,采用 3 组 LM2596 稳压电路给6 个舵机供电,另采用 1 组 LM2576 稳压电路给控制器供电。系统最佳电压参数为:电源电压为8.19.7 V;膝关节处舵机电压为 7.0 8.5 V;踝关节和髋关节处舵机电压为 5.9 V;Arduino 控制器电压为 5.0 V。2硬件安装2.1舵机调零定义舵机可活动角度范围为-90 90。舵机调零步骤如下:(1)舵机角度校正,通电使舵机转到0位置;(2)舵盘位置校正,将舵盘位置手动调整至正交点;(3)U 形支架位置校正,使 U 形支架孔位与舵盘正交点重合。2.2装配流程2.2.1双足双足由大脚板、支架、舵机和舵盘等组成
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