如何让6自由度双足机器人实现行走？
本帖最后由 机器谱 于 2023-1-5 09:26 编辑1. 运动功能说明 该样机是一款拥有6自由度的串联型双足，相当于人形机器人的下半身。它可以实现抬腿、迈步、蹲下和起立、行走、翻跟头等等功能。
2. 结构说明
该样机的每条腿由3个 舵机关节模组【https://www.robotway.com/h-col-121.html】构成。足部结构一般有两种设计方案，一种叫“狭窄足印”，比较常规如下图所示：
还有一种叫“交叉足印”，也叫“工”形脚或“工”字脚。这种设计方案可以保证机器人行走时重心始终落在支撑零件上，能够降低控制难度，如右图所示：
3. 运动功能实现
本文先以交叉足印样机为例进行说明。本样机的运动功能主要是依靠舵机的摆动配合实现的，我们可以参考人体结构，把两条腿上的三个舵机按从上到下的顺序，对应理解为只能前后摆动的髋关节、膝关节、踝关节（真实的生物关节类似于球铰，更加复杂）。我们需要参考人行走时三个关节的摆动角度关系，为双足机器人确定并调出对应的一系列舵机角度。
为了比较轻松地完成前进、后退动作，需要让腿抬得高一些，以避免迈步时工形脚干涉。
3.1 电子硬件在这个示例中，采用了以下硬件，请大家参考：
主控板Basra（兼容Arduino Uno）
扩展板Bigfish2.1
电池7.4V锂电池
由于舵机比较多，为了完成控制，我们需要约定一下样机的前、后方向，并对舵机进行编号：
3.2 运动控制
上位机：Controller 1.0
下位机编程环境：Arduino 1.8.19
（1）初始位置的设定：使用Controller上位机对机器人进行调试，调试目标为使机器人保持直立状态，并且保持右脚的支撑臂在前。
①将Controller下位机程序servo_bigfish.ino直接下载到主控板。这段代码供Controller上位机与主控板通信，并允许调试舵机。代码如下：/*------------------------------------------------------------------------------------
版权说明：Copyright 2022 Robottime(Beijing) Technology Co., Ltd. All Rights Reserved.
Distributed under MIT license.See file LICENSE for detail or copy at
https://opensource.org/licenses/MIT
by 机器谱 2022-10-20 https://www.robotway.com/
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实验功能： 6自由度双足行走
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实验接线（从行走时朝前的方向看）：
左侧髋：D4；右侧髋：D3；
左侧膝：D7；右侧膝：D5；
左侧踝：D11；右侧踝：D6
------------------------------------------------------------------------------------*/
/*
* Bigfish扩展板舵机口; 4, 7, 11, 3, 8, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19
* 使用软件调节舵机时请拖拽对应序号的控制块
*/
#include <Servo.h>
#define ANGLE_VALUE_MIN 0
#define ANGLE_VALUE_MAX 180
#define PWM_VALUE_MIN 500
#define PWM_VALUE_MAX 2500
#define SERVO_NUM 12
Servo myServo;
int data_array = {0,0}; //servo_pin: data_array, servo_value: data_array;
int servo_port = {4, 7, 11, 3, 8, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19};
int servo_value = {};
String data = "";
boolean dataComplete = false;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
while(Serial.available())
{
int B_flag, P_flag, T_flag;
data = Serial.readStringUntil('\n');
data.trim();
for(int i=0;i<data.length();i++)
{
//Serial.println(data);
switch(data)
{
case '#':
B_flag = i;
break;
case 'P':
{
String pin = "";
P_flag = i;
for(int i=B_flag+1;i<P_flag;i++)
{
pin+=data;
}
data_array = pin.toInt();
}
break;
case 'T':
{
String angle = "";
T_flag = i;
for(int i=P_flag+1;i<T_flag;i++)
{
angle += data;
}
data_array = angle.toInt();
servo_value)] = data_array;
}
break;
default: break;
}
}
/*
Serial.println(B_flag);
Serial.println(P_flag);
Serial.println(T_flag);
for(int i=0;i<2;i++)
{
Serial.println(data_array);
}
*/
dataComplete = true;
}
if(dataComplete)
{
for(int i=0;i<SERVO_NUM;i++)
{
ServoGo(i, servo_value);
/*********************************串口查看输出***********************************/
// Serial.print(servo_value);
// Serial.print(" ");
}
// Serial.println();
/*********************************++++++++++++***********************************/
dataComplete = false;
}
}
void ServoStart(int which){
if(!myServo.attached() && (servo_value != 0))myServo.attach(servo_port);
else return;
pinMode(servo_port, OUTPUT);
}
void ServoStop(int which){
myServo.detach();
digitalWrite(servo_port,LOW);
}
void ServoGo(int which , int where){
ServoStart(which);
if(where >= ANGLE_VALUE_MIN && where <= ANGLE_VALUE_MAX)
{
myServo.write(where);
}
else if(where >= PWM_VALUE_MIN && where <= PWM_VALUE_MAX)
{
myServo.writeMicroseconds(where);
}
}
int pin2index(int _pin){
int index;
switch(_pin)
{
case 4: index = 0; break;
case 7: index = 1; break;
case 11: index = 2; break;
case 3: index = 3; break;
case 8: index = 4; break;
case 12: index = 5; break;
case 14: index = 6; break;
case 15: index = 7; break;
case 16: index = 8; break;
case 17: index = 9; break;
case 18: index = 10; break;
case 19: index = 11; break;
}
return index;
}
下载完成后，保持主控板和电脑的USB连接，以便利用上位机进行调试。
②双击打开Controller 1.0b.exe：
③界面左上角选择：设置-面板设置，弹出需要显示的调试块，可通过勾选隐藏不需要调试的舵机块：联机-选择主控板对应端口号以及波特率。
④拖动进度条，可以观察相应的舵机角度转动，直到样机姿态达到我们的预想目标。然后勾选左下角添加-转化，获得舵机调试的数组：
⑤该数组可直接复制到后面的行走程序中“各个舵机的初始位置”部分进行使用。
（2）编写并下载行走程序的代码（Biped_Robot.ino）到主控板：*------------------------------------------------------------------------------------
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by 机器谱 2022-10-20 https://www.robotway.com/
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实验功能： 6自由度双足行走
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实验接线（从行走时朝前的方向看）：
左侧髋：D4；右侧髋：D3；
左侧膝：D7；右侧膝：D5；
左侧踝：D11；右侧踝：D6
------------------------------------------------------------------------------------*/
#include <Servo.h>
Servo myServo;
int servo_port={4,7,11,3,8,12};
float servo_value = {65, 60, 105, 60, 100, 80};//各个舵机的初始位置
void setup()
{
for(int i=0; i<5; i++){
ServoGo(i, (int)servo_value);
}
delay(2000);
}
void loop()
{
left_go();
right_go();
}
void left_go()
{
for(int i=0; i<10; i++){
servo_value -= 10;
servo_value -= 6;
for(int j=0; j<6; j++){
ServoGo(j, (int)servo_value);
}
delay(25);
}
for(int i=0; i<10; i++){
servo_value += 2.5;
servo_value -= 1;
servo_value += 2.5;
servo_value += 10;
servo_value += 4.5;
for(int j=0; j<6; j++){
ServoGo(j, (int)servo_value);
}
delay(25);
}
}
void right_go()
{
for(int i=0; i<10; i++){
servo_value += 10;
servo_value += 7.5;
servo_value += 0.5;
for(int j=0; j<6; j++){
ServoGo(j, (int)servo_value);
}
delay(25);
}
for(int i=0; i<10; i++){
servo_value -= 2.5;
servo_value -= 10;
servo_value -= 6.5;
servo_value -= 2.5;
servo_value += 1;
for(int j=0; j<6; j++){
ServoGo(j, (int)servo_value);
}
delay(25);
}
}
void ServoStart(int which)
{
if(!myServo.attached())myServo.attach(servo_port);
pinMode(servo_port, OUTPUT);
}
void ServoStop(int which)
{
myServo.detach();
digitalWrite(servo_port,LOW);
}
void ServoGo(int which , int where)
{
if(where!=200)
{
if(where==201) ServoStop(which);
else
{
ServoStart(which);
myServo.write(where);
}
}
}
void ServoMove(int which, int start, int finish, int t)
{
int a;
if((start-finish)>0) a=-1;
else a=1;
for(int i=0;i<abs(start-finish);i++)
{ServoGo(which,start+i*a);delay(t/(abs(start-finish)));}
}
将上个步骤记录的角度数据依次填入相应舵机的初始值，比如：float servo_value = {90, 44, 46, 82, 115, 100}; //各个舵机的初始位置。为了减少重力的干扰，一般先把机器人调整成直立状态采值。采值后，需要注意的是舵机0、3的初始值应在上个步骤结果值基础上减去10，使其进入行走姿态。修改完成后便可以直接将程序下载到主控板，然后将主控板、电池安装到机器人最上面的平台（应以重心较低为标准），然后连接好舵机线，顺利的话现在机器人应该就可以正常行走了。但是由于舵机的内部结构问题，相应的角度输出可能会存在误差，这样的表现便是机器人的支撑臂会出现“打架”现象，这个问题的解决方法是修改程序中对应的参数调节系数，例如：servo_value -= 11；
可以修改参数“11”的大小，需要注意的是程序的整个循环特定的位置对应特定的值，因此在修改的时候程序后面相应舵机的输出系数也需要相应的改变，由此达到一个完满的循环。
4. 资料下载
资料内容：
①6自由度双足-行走-例程源代码
②6自由度双足-样机3D文件
③Controller1.0b资料包
资料下载地址：https://www.robotway.com/h-col-160.html
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