基于ATmega32A單片機的競步體操機器人的研究與設計

鄒樂瑤，陳思穎，王少坤

（西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 咸陽712100）

本篇文章的研究成果被用于2020年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽的“工程競技類機器人-類人形機器人競技全能賽”，規則除了要求體操機器人應具有人的形狀特征且能夠短時流暢地完成常規體操動作如雙手俯臥撐、單手俯臥撐、前后滾翻、倒立、側手翻和自選動作外，還要求體操機器人具有直立行走的能力，這是此次比賽規則的創新點和難點所在。常規體操機器人具有可獨立運行的雙臂和雙腿，其中手臂部分不少于3個自由度，雙腿部分不少于2個自由度。由于規則的改變，體操機器人的類人形結構設計、機械結構設計、自由度個數的選擇和分配等問題的解決方法都與往常體操機器人有很大的區別。本課題立足于常規體操機器人的創新發展，較為成功地解決了設計中出現的很多新型問題，并在比賽中加以運用最終獲得了優異的成績。

1 機器人控制系統的設計

機器人的控制系統是整個設計流程中尤為重要的環節，它將會直接影響機器人是否能夠完成相應的功能。由于大賽規則要求，機器人必須采取自主式脫線的方式完成比賽，中途不可人為觸碰，所以決定采取單片機控制的方式。通過對體操機器人要求展示動作的分析、機器人人形結構的設計、身體自由度數目的選擇、各關節自由度的分配等問題的討論，確定機器人的框架和身體各處參數設置。完整的控制流程見圖1。

圖1 控制流程

2 機器人控制電路的設計

機器人采用自制的Yobot15路舵機控制板作為主要的硬件控制電路。Yobot15路舵機控制板是由西北農林科技大學學生自主設計與制作的電路板，具有許多非常優秀的性能。而它所配對使用的YoSevro軟件也是一款簡單易操作的上機控制軟件。通過Yobot控制板可以實時的實現對14個舵機的控制，調試行走及體操動作。圖2、圖3為電路板PCB的布線圖。

圖2 正面布線圖

圖3 反面布線圖

體操機器人使用RDS3115舵機作為驅動輪動力源。與同類型的舵機相比雖反應靈敏度、準確度、扭矩大小相對較弱，但其性價比最高。RDS3115舵機產品圖如圖4。

圖4 RDS3115舵機產品圖

RDS3115舵機的綜合參數如下：

（1）使用環境

存儲溫度：-30℃～80℃；

運行溫度：-15℃～70℃；

工作電壓范圍：4.8-6.8V。

（2）機械特性

尺寸：40*20*40mm；

重量：60g。

（3）電氣特性

驅動方式：PWM（Pulse width modification）；

脈寬范圍：500至2500μsec；

控制角度：180°或者270°；

控制頻率：50-330Hz。

采用PWM調制方式的顯著優點是抗干擾能力強、精度高。調制詳情見圖5。

圖5 PWM調制過程

硬件電路部分由2S Li電池提供7.4v電壓給舵機控制板Yobot供電。

3 機器人機械結構的設計

以往比賽中對體操機器人的競賽要求是能夠在有限時間內獨立完成規定的體操動作和自編自選動作，由于2020年比賽規則的變更，機器人要求加入“從比賽場地入口直立行走至場地中心”這一新動作，這使得機器人的身體結構、機械結構設計以及體操動作設計都將發生較大改動。經過多次機械結構的嘗試和優化，最終確定了機器人的整體結構如圖6所示。

圖6 機器人整體結構圖

在此次結構設計中主要有兩個創新點。首先，由于機器人要求直立行走，腿部較以往增加一個自由度以實現向前胯步，增加一個自由度意味著腿部的長度將多出一個舵機的高度，會導致機器人重心過高行走站立不穩，展示動作時腿部過長導致動作的協調度、美觀度較差，甚至有些難度較高的動作難以實現。所以最終我們選擇將腿部上下經鋁件相連的兩個舵機進行空間錯位連接，采用高粘性的膠水進行初次連接，之后為保證其牢固性和穩定性，又利用打孔機進行穿孔加以鋁件連接固定。如圖7所示。

圖7 腿部舵機詳圖

其次，我們在不斷性能檢測中對機器人手掌也做了相應的調整。常規體操機器人手板通常選取與腳板相同大小、材質的正方形或長方形塑料硬板從而提高機器人的對稱性和美觀度。但在動作調試中發現，方形的手掌難以支撐機器人臥地之后的站立動作，使機器人經常出現動作中斷甚至舵機堵轉發熱損壞的情況。所以經過反復的更改和嘗試，最終確定機器人手部的形狀為“T”字形，如圖8所示。用高強度的膠水和膠布將手掌固定在機器人手臂的合適位置。經多次調試發現，“T”字形手掌能夠極大地提高機器人動作的完成度和體操動作的簡潔性。

圖8 機器人手板圖

4 結束語

針對機器人的競速和體操兩個主要要求，文章對傳統的體操機器人加以創新和改造。通過長時間的反復調試運行，其穩定性、靈敏性、完成度都較好地滿足了中國機器人大賽的比賽要求，這對于類人形體操機器人的研究提供部分思路。