双足步行机器人论文

双足步行机器人

目录

第一章摘要 (3)

第二章系统简介 (4)

2.1系统方案 (4)

2.2功能与指标 (4)

2.3实现原理 (4)

2.3.1 机器人动作的实现 (4)

2.3.2 无线操控的实现 (5)

2.3.3 液晶屏实时显示机器人状态原理 (6)

2.3.4自适应跌倒爬起原理 (6)

2.4 软件流程图 (8)

第三章特色列举 (9)

第四章技术说明 (9)

第五章系统适用范围 (9)

第一章摘要

以ATMEGA128单片机为核心研制的双足步行机器人。集无线远程操控，自适应站立，状态实时无线传输于一体。本设计以创新为起点，以实用为目的，以方便服务人类生活为宗旨，符合社会发展需要。

关键字：ATMEGA128 无线操控状态实时无线传输自适应跌倒爬起

第二章系统简介

2.1系统方案

该机器人采用加藤伊朗架构，用舵机作为关节驱动，此机器人共有17个自由度，主要包含1个头部、1个躯干、2个手臂、2条腿。以ATMEGA128单片机为核心控制模块，采用24路舵机驱动模块，通过核心板来控制驱动模块使每个舵机转动，从而实现机器人的一系列动作。采用XL24L01无线传输模块，从而实现无线远程操控机器人和机器人的状态参数实时传输显示在液晶屏上。采用MPU-6050三轴陀螺仪加速度传感器，用它来检测机器人跌倒时，实现自适应跌倒爬起。

2.2功能与指标

（1）能够模拟人类的动作，站立，下蹲，行走等基本动作，还能实现跳舞，倒立，翻跟头等高难度动作。

（2）能够通过无线操作平台控制机器人做出相应的动作。

（3）能够将机器人状态通过无线传输实时显示在液晶屏上。

（4）机器人跌倒时，实现自适应跌倒爬起

2.3实现原理

2.3.1 机器人动作的实现

机器人采用加藤一郎架构，用舵机作为关节驱动，此机器人共有17个自由度。舵机是一种位置伺服的驱动器。它接收一定的控制信号，输出一定的角度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。在微机电系统和航模中，它是一个基本的输出执行机构。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压它内部有一个基准电路，产生周期一般为10ms，宽度为0.75ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图1所示。

图1. 标准舵机

电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于3.5～7.2V，一般取6.6V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性脉冲信号，脉冲信号的一般周期为10ms (即频率为100 Hz)。当脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。

我们采用ATMEGA128单片机作为主控芯片，由主控板通过串口给24路舵机驱动模块发送数据，驱动舵机转动。从而实现机器人的一系列动作。

2.3.2 无线操控的实现

除了机器人自己能做一些动作之外，我们还可以通过无线操作台来控制机器人。

我们是通过XL24L01无线传输模块来实现无线操控的，在无线操控台上，也同样采用ATMEGA128单片机作为主控芯片，连接了一个PS2键盘，通过按键确定机器人做什么动作。再通过无线传输模块将数据发送给机器人上的无线接收端。从而实现无线控制功能。

XL24L01使用SPI协议，SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如XL24L01.

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。

（1）SDO –主设备数据输出，从设备数据输入

（2）SDI –主设备数据输入，从设备数据输出

（3）SCLK –时钟信号，由主设备产生

（4）CS –从设备使能信号，由主设备控制

其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯

协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

2.3.3 液晶屏实时显示机器人状态原理

在操纵平台上我们采用TTFLCD彩屏来显示机器人当前的状态信息。这些数据也是通过XL24L01无线传输模获得的。

图2. 无线操纵平台结构框图

2.3.4自适应跌倒爬起原理

我们采用MPU-6050三轴陀螺仪加速度传感器，来检测机器人的状态，当机器人跌倒时，就能够被传感器检测到，然后传感器将信息发送给主控单片机，经过主控单片机判断，做出跌倒爬起动作。

图3.机器人结构框图

2.4 软件流程图

第三章特色列举

1.拥有独立的无线操作平台。利用XL24L01无线传输模块，实现无线操控机器人。

2.在无线平台中，我们采用的是PS2键盘，而不是普通的按键，这样既可以节省单片机的IO口资源，与此同时，又提高了系统的稳定性。

3.机器人状态在液晶屏上实时显示，这样对机器人当前状态一目了然，清楚明了。

4．我们采用两个ATMEGA128单片机，主控单片机通过串口给舵机驱动模块中的单片机发送指令来控制机器人做出相应的动作。这样利用双机通信，把结构模块化，不仅调试方便，结构清晰，而且还大大提高了系统的稳定性。

5．利用MPU-6050三轴陀螺仪加速度传感器，实现自适应站立，跌倒爬起等。

第四章技术说明

该双足机器人的设计初衷是，方便人类的生产生活，实用性更强，成本低。该双足机器人的机械结构设计简单，采用加藤一郎架构，美观，实用，可靠性高，在控制面方面，采用主控板控制舵机驱动模块，把系统模块化，系统结构清晰明了，方便软件设计，而且系统的稳定性大大提高。采用XL24L01 无线传输模块来实现机器人无线控制。独立的操纵平台采用PS2按键，不仅节省单片机I0口资源，而且也是系统稳定性大大提高。独立的操作平台集无线传输，无线接收，状态实时显示于一体，这样即简洁，又对机器人状态一目了然。

第五章系统适用范围

1.双足机器人具有广阔的工作空间，双足机器人能在人类的生活和环境中与人类协同合作，而不需要对其进行专门大规模改造。

2.为残疾人（主要是下肢瘫患者）提供室内和户外行走工具。利用人工假腿、假椅或步行座椅尽可能使残疾人恢复正常行走功能（平地行走、坡地行走、跨跃沟坎、爬跃阶梯），减少对他人的依赖。

3.非一般环境下代替人工作业，核电站内对相关机器的维修工作、高层玻璃的擦洗、管道监控与维修、遥控救灾、抢险、阵地侦察与间谍工作、排雷、排爆等相关工作。

4.在教育、艺术和大众服务行业领域具有广阔的应用前景。如舞蹈机器人等。