智能竞技机器人开发系统设计研究

黄银蓉

摘要：随着21世纪不断的发展，机器人在人民的生活中、工作中运用的越来越广泛，并给人类传统的生产模式带来新的变革。影响着人们的生活和工作方式。从第一代工业机器人、第二代带有“感觉”的机器人到第三代智能机器人。机器人的体积越来越小，运用时也越来越方便。本文研究智能体竞技双足机器人行走的平衡、转弯、前进、后退等动作和智能体竞技双足机器人的组装。使机器人在保持平衡的情况下完成以上动作。对于智能体竞技双足机器人而言就是模仿人类的步行动作，能像真人一样感知障碍物，并避开障碍物行走、转弯、前进、后退等动作。

关键词：智能；双足机器人；自动化

1、引言

21世纪以来，双足机器人研究与应用得到了快速的发展。在工业中、生活中智能体竞技双足机器扮演者越来越重要的角色。机器人已经成为现时代社会的标志性代表，本次研究的是一个简化的智能体竞技双足机器人[1]。智能体竞技双足机器人是只能以双腿行走的方式移动。根据人类编写的代码程序能自动的躲避障碍物并行走，能根据指令向前行走、转弯、躲避障碍物、翻跟斗、卧下等。首先要让机器人在行走时能平稳，双足的自由度一定要合理。其次利用传感器让机器人能简单的躲避障碍物。将编写好的程序下载到单片机中让机器人的大脑中接收到设计者给它命令，从而达到本次设计成果想要的目的。

2、方案设计

2.1机器人的结构

双足机器人是一种能像人类一样用双腿行走的机器人，结构类似于人类的双足。采用模拟舵机代替人类的关节，从而实现机器人步态设计控制[2]。用舵机控制芯片控制机器人的各个关节动作，以此来改变对机器步伐大小、快慢、幅度的控制。双足机器人分为躯干（头部）、肩部、膝部、足部组成。躯干部分主要是为了链接左右两条腿部保持机器人机身平稳的作用。其次就是双足机器人在翻跟头时的一个着力点保持机身不会偏转转向。肩部的作用在于支撑头部和提供动力。膝部的做用就像人的膝盖一样具有支撑和链接脚掌的作用严重。

图1为控制系统结构图。控制系统输入量是机器人的期望运动轨迹，通过舵机控制板，转化为舵机期望角度信号，控制[3]舵机转动到实际角度输出，从而带动机器人运动，形成实际运动轨迹。

图1 控制系统结构图

由于上述系统是开环控制系统，没有负反馈，则任何一个部分的误差和干扰将影响实运动轨迹，即影响机器人运动的快速性以及稳定性。影响系统性能的因素：稳定的预期运动轨迹，准确的舵机控制程序，低干扰、高扭矩的舵机，优化精密的机械结构。

机器人保持步态最重要的部分之一是其运动协调脚的能力。行走这个过程时脚中的各种惯性势和力量很小就有必要进行检测。当一个机器人徒步行走时,它通常会发现受到运动重力、加速和运动减速时所产生的各种惯性势和力的相互作用。这些惯性力的力量总和就被称为总脚反惯性作用力。当一个机器人的一只脚需要接触一个地面时,会发现受到接触地面的脚反惯性作用力的很大影响,称为接触地面的脚反惯性作用力。所有这些惯性力都必须保持平衡,而需要控制一个机器人的一个目标力就是需要找到一个平衡所有力的姿势。这称为"零力矩点"(ZMP）。ZMP是在让机器人不会翻倒的条件下，计算出的地面对机器人的合力作用点，在机器人动态运动时（存在加速度），地面的作用力以ZMP为作用点，与重力和惯性力平衡。 由于重力不变，当质心高度不变时，ZMP（单点支撑，支撑多边形为一个点）的位置就对应了质心的运动加速度。

(1) 地面反作用力节制：脚底首先要可以或许顺应地面的不服整度，同时可以或许不变站立。

(2)控制目标ZMP：当机器人因各种原因无法站立并开始摔倒时，需要控制其上肢向相反方向移动以控制即将到来的摔跤，同时增加快来平衡身体。

(3)控制立足点：当目标ZMP控制被激活时，机器人需要调整每一步的距离，以满足当时的体位、速度和步长的关系。

2.2双足机器人所需的软件

双足机器人控制面板采用的是C8051F330单片机。智能体竞技双足机器人主要由C8051F330开发环境、串口调试软件、进制转换工具三中软件。需要在电脑上安装的软件有：Keil uVision4 IDE软件。

 智能体竞技双足机器人的基本功能是：自动走路、翻跟头、避开障碍物，转弯，立正。

2.3双足机器人的组装

第一步：腰部组装；第二步：腿部组装；第三步：踝部组装；第四步：脚部组装；第五步：各个部位合并。组装时，确保全部舵机在，确保全部舵机在90度位置。将舵盘扣到舵机上。将舵盘扣到舵机上，将舵机从0度转到180度，找到 90 度位置，再将齿轮转到 ，再将齿轮转到 90 度位置。第六步：安装电路板、电池和防滑皮条。成果图如图2。

图2 机器人成品图

3、总结

本设不足之处：

（1）智能体竞技双足机器人的步态存在步伐过大导致机器人行走时不是很稳定的缺点。

（2）智能体竞技双足机器人在躲避障碍物时的反映有所延迟，导致双足机器人在做出反映的前已经碰到了障碍物。

（3）智能体竞技双足机器人的电源或部分部位连接不稳，导致时而出现接触不良的情况。

改进方法：

（1）减小智能体竞技双足机器人的舵机的自由度[5]。调试到智能体竞技双足机器人在行走时稳定为止。

（2）在智能体竞技双足机器人上安装一个测距的传感器并进行相应的程序编写、调试。或者调整代码中的延迟时常。

（3）检查并连接好智能体竞技双足机器人的电源或部分部位的连接部分。

4、参考文献

[1]邓三鹏，岳刚，权利红，祁宇明.移动机器人技术应用，北京：机械工业出版社，2018.09

[2]饶增仁.教学机器人实践开发教程[M]. 兰州大学出版社, 2010.

[3]MarziahKarch, 卡奇等.乐高EV3机器人搭建与编程[M].人民邮电出版社, 2016.

[4]付根平, 杨宜民, 陈建平,等. 基于ZMP误差校正的仿人机器人步行控制[J]. 机器人, 2013, 35(1):6.

[5]沈为清.一种交叉足步行机器人的设计[J].机电工程技术,2020,49(12):3.

作者简介：黄银蓉（1984.12-），女，汉族，四川广安人，硕士，讲师，研究方向：应用电子及控制系统研究。