1 引言

机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的各个领域，并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。对于步行机器人来说，它只需要模仿人在特殊情况下(平地或己知障碍物)完成步行动作，这个条件虽然可以使机器人的骨骼机构大大降低和简化，但也不是说这个系统就不复杂了，其步行动作一样是高度自动化的运动，需要控制机构进行复杂而巧妙地协调各个关节上的动作。

双足机器人的研究工作开始于上世纪60年代末，只有三十多年的历史，然而成绩斐然。如今已成为机器人领域主要研究方向之一。最早在1968年，英国的Mosher．R试制了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人[1]，揭开了双足机器人研究的序幕。该机器人只有踝和髋两个关节，操纵者靠力反馈感觉来保持机器人平衡。1968~1969年间，南斯拉夫的M.Vukobratovic提出了一种重要的研究双足机器人的理论方法，并研制出全世界第一台真正的双足机器人。双足机器人的研制成功，促进了康复机器人的研制。随后，牛津大学的Witt等人也制造了一个双足步行机器人，当时他们的主要目的是为瘫痪者和下肢残疾者设计使用的辅助行走装置。这款机器人在平地上走得很好，步速达0.23米/秒。日本加藤一郎教授于1986年研制出WL－12型双足机器人。该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动,在躯体的平衡作用下，实现了步行周期1.3秒，步幅30厘米的平地动态步行。

法国Poitiers大学力学实验室和国立信息与自动化研究所INRIA机构共同开发了一种具有15个自由度的双足步行机器人BIP2000，其目的是建立一整套具有适应未知条件行走的双足机器人系统。它们采用分层递解控制结构，使双足机器人实现站立、行走、爬坡和上下楼梯等。此外，英国、苏联、南斯拉夫、加拿大、意大利、德国、韩国等国家，许多学者在行走机器人方面也做出了许多工作。

国内双足机器人的研制工作起步较晚。1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。

哈尔滨工业大学自1985年开始研制双足步行机器人，迄今为止已经完成了三个型号的研制工作。其中HIT－Ⅲ为12个自由度，实现了静态步行和动态步行，能够完成前／后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。目前，该校正致力于功能齐全的双足机器人HIT－Ⅳ的研制工作，新机器人包括行走机构、上身及髋部执行机构，初步设定32个自由度。国防科技大学也进行了这方面的研究。在1989年研制成功了一台双足

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行走机器人，这台机器人具有10个自由度，能完成静态步行和动态步行。国防科技大学还将工业机器人的轨迹示教方法用到了两足步行机器人的步态规划中，形成了步行机器人的步态示教规划技术。

值得一提的是，北京理工大学研制成功我国首例拟人机器人BRH-01，该机器人身高1.58米，体重76公斤，具有32个自由度，每小时能够行走1公里，步幅0.33米。除了能打太极拳，这个机器人还会腾空行走，并能根据自身的平衡状态和地面高度变化，实现未知路面的稳定行走。它在系统集成、步态规划和控制系统等方面实现了重大突破，标志着我国双足机器人研究已经跨入世界先进行列。

国内其它院校如清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等高等院校也在近几年投入了相当的人力、物力，进行智能双足机器人的研制工作。我校也开始了这方面的研究工作，不过我们的工作处于研究的初级阶段。

为了促进机器人技术在我国的发展，全国各地尤其是部分高校举办了各种类型的机器人大赛。中国机器人大赛是由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会和科技部高技术研究发展中心主办的一个全国性的赛事。其中最为引人瞩目的舞蹈机器人项目，足球机器人项目就是为了促进双足步行机器人的发展而设立的。由于步行机器人的实现目前还存在很多技术难题，前几届全国机器人大赛基本上是以轮式机器人为主，步行机器人参赛才被列入议程不久。由此可见，双足步行机器人的发展还有一段很长的路要走。研制双足步行机器人的重要内容是对其进行建模分析、步态规划、控制分析等。基于上述原因，本课题拟进行双足步行机器人的基本设计与研究，研制具有高度稳定性的双足步行机器人平台，为研究得后续工作和进一步的拟人机器人研制奠定基础，所设计的机器人以ATmega1280单片机微控制器为核心技术芯片，完成行走、下蹲、倒地、起身、前滚翻、后滚翻等简单动作，同时通过一些必要的传感器组件完成其对前方道路情况的探测和判断,以达到避障效果。

2 双足智能机器人总体分析

要设计和开发一个步行机器人，首先应该对其进行总体分析和设计，确定步行机器人的功能、基本结构和系统配置等。

2.1 功能定位

这款机器人不仅能够满足实验室科研的需要，而且应该是一款很适合学生参与、研究、学习的机器人，能够满足互相学习的需要。现在希望制作出一个成本相对较低的机器人，研制双足步行机器人能够满足这方面的要求。

基于上面几点的考虑，决定开发一款双足智能机器人，首先使其能够完成一些基本

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动作，既开始时先走3步、立正、然后卧下（身体向前）、向前翻跟斗3次，再起立、向前走3步、立正、然后卧下（身体向后）、再向后翻跟斗2次、再起立、然后以轻快步履走向终点、要在指定5分钟或少于指定时间内完成所有动作，及要走到终点，同时要求其对前方道路情况的探测和判断，用以避障。

2.2 自由度的配置

机器人可以有很多不同类型的关节，有线性的、旋转的、滑动的或球铰链型的。人体的髋关节和踝关节类似小运动范围的球关节，能够使人灵活行走，实现前后左右拐弯等行走动作，方向灵活，但需要控制的自由度多、难度大，所以在机器人结构中不常用。但是单纯用旋转关节来实现多自由度的设计势必给空间布置和安装增加了难度，而且同时又考虑到关节驱动件驱动能力、运动效率和设计成本，以及设计审美性等因素。该双足智能机器人设计的目的是要实现拟人下肢多自由度得平稳行走，在实现这个功能的前提下为降低设计的难度，我们按照目前世界上各研究机构普通采用的下肢10个自由度的关节配置形式，来实现行走功能所必须的各关节自由度分布，具体自由度配置为单腿髋关节2个，膝关节1个，踝关节2个。髋关节用于摆动腿，实现迈步，并起到了辅助平衡作用。膝关节主要用来调节重心的高度，及改变摆动腿的着地高度，使之与地形相适应。踝关节用来和髋关节相配合实现支撑腿的移动，以及调整与地面的接触状态。

基于郑元芳博士的理论，来规划自己所要设计的双足机器人的自由度。为了实现这款双足步行机器人的稳步行走，可以规划其运动过程，假设机器人行走步骤：先走3步，立正，然后卧下，向前翻跟斗3次，再起立，向前走3步，立正，然后卧下（身体向后），再向后翻跟斗2次，再起立，然后走向终点,遇到障碍物，能向左拐。则从机器人步行步骤可以看出：机器人向前迈步，髋关节的前向旋转自由度起作用，同时配合踝关节可实现支撑腿的移动；这样，所设计的双足步行机器人有10个个自由度，每条腿5个自由度，即踝关节有2个自由度，膝关节有1个自由度，髋关节有2个自由度，包括前向、后向自由度。其结构图见下图1。

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