用于創新實踐教學的擬人行走智能機器人設計

傅宇楊 李知菲

摘要：將智能機器人用于大學生的創新實踐教學，能調動學生的學習積極性，讓學生掌握智能機器人的核心技術，培養學生的創新實踐能力。本文詳細論述了用于浙江師范大學計算機專業創新實踐教學課堂中擬人行走智能機器人的設計，機器人基于Arduino控制器，可以進行擬人化行走。從后續教學應用的反饋上證明了，設計的機器人滿足了實踐教學要求，達到了創新實驗目的。

關鍵詞：創新實踐教學；智能機器人；擬人行走；步態設計；Arduino控制器

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）10-0102-03

引言

我國從2009年開始，用工荒和勞動力成本上漲的情況頻繁發生，以勞動密集型企業為主的中國制造業進入發展的瓶頸期。因此，我國先后發布了《中國制造2025》《機器人產業“十三五”發展規劃》等重要文件，明確提出大力發展智能機器人，實現中國制造業轉型升級戰略。有專家預計，到2017年我國機器人的使用量將達42.8萬臺，其中工業機器人將成為市場主力。

為了響應巨大的市場需求，高等院校中的電子、機械或計算機等相關專業紛紛開展各種形式的智能機器人教學或科研。浙江師范大學自2013年起在計算機專業為本科生開設了選修的智能機器人創新實踐教學課程（2學分），筆者從多年的教學實踐中發現，學生對擬人機器人類項目較感興趣。同時，人形機器人也是智能機器人的重要研究形態之一。因此，我們依托計算機專業的虛擬現實與動作捕捉實驗室，進行了擬人機器人開發，建立了機器人步態數學模型，實現了機器人擬人化行走，并將此智能機器人用于本科生的創新實踐教學，取得了不錯的效果。

擬人行走智能機器人的結構

本文的研究對象參考了哈爾濱石油學院的17個舵機機器人[1]，因此它也是一個搭載了17個LD-2015數字舵機的雙足仿人機器人。與傳統的模擬舵機相比，數字舵機的控制精度和響應速度更加具有優勢。該數字舵機可產生15kg的扭力，因此可滿足機器人行走的需要。機器人組裝使用的都是一體化結構，結構支架一體成型，使機器人更加堅固，系統的穩定性更高。其總體結構如下頁圖1所示。

機器人步態模型的建立和行走設計

根據人行走的實際情況，結合所研究的機器人，我們定義了下肢各個關節運動時的角度范圍，防止機器人下肢各個關節處的舵機干擾。所設置的各個關節的運動范圍[2]見下頁表，在橫向平面內向外為負，在縱向平面內向后為負。

為了方便對機器人進行運動分析，建立相應的數學模型，我們只保留關節以及連接關節的連桿，圖2是其示意圖。[3]

為了建立運動學模型，我們以髖關節為原點形成主坐標系。接著再分別以膝關節和踝關節為原點，建立右手坐標系，采用D-H方法[4]建立機器人運動學模型。假設髖關節在運動時保持在一定的水平面上，忽略其在垂直高度上的變化。機器人在髖關節與膝關節的連接有一個固定的夾角，我們取其兩者的直線距離l0=50，而膝關節與踝關節的距離l1=40。圖3為擺動腿的坐標圖。

由擺動腿的坐標圖可以發現，其主要是繞X軸旋轉，而其旋轉矩陣如下：

根據所建立的擺動腿坐標系圖，得膝關節的位置矩陣為：

故其D-H矩陣如下：

再從膝關節到踝關節，主要也是繞X軸旋轉，故其旋轉矩陣不變，而踝關節的位置矩陣為：

故其D-H矩陣如下：

由以上可得：

根據D-H矩陣的特性，由其中的位置矩陣可得，腳踝關節在基坐標系中的坐標為：

機器人行走的步態設計[5]就是機器人的每條腿按照設定的順序，進行角度變化的過程。然后，每條腿不斷循環設定好的步態，也就實現了機器人的步行運動。為此，我們根據人類的行走特點，再結合機器人的特點，將步態設計為以下幾個主要動作：

首先，左腳腳踝關節在橫向平面內往外傾，使得重心左移，為下一步的左腳單腳支撐身體做準備；

接著，右腳大腿抬起，小腿也在縱向平面內往前移動，致使右腳的重心在縱向平面內往前移動；

然后，左腳髖關節在縱向平面內進行俯仰，使得上半身往前微傾，從而使得上半身的重心也向前移動；

此時，機器人身體的大部分重心基本已經完成了向前移動，緊接著，我們恢復左腳腳踝關節在橫向平面內原來的角度，使得右腳重新落地，至此，我們已經完成一只腳的步態設計。

在步態設計時，我們假設機器人前行的平面為縱向平面，而機器人的橫向移動則是在橫向平面。

機器人穩定性驗證

機器人行走時，最重要的就是單腳支撐整個身體時，是否能保持整個多自由度系統的穩定。因此，我們進行了踝扭矩的計算，用以判斷在該情況下單腳的踝關節滾動角度能否保持整個系統的穩定。根據運動中的情況，我們可以計算單腳踝關節承受的最大扭矩，用以判斷舵機有無過載。對此，我們進行如下模型簡化及假設。

假設踝關節的滾動角度為θ，而模型的總重則簡化為圖4所示的三部分。關于O點的扭矩如下：

根據上述⑧式和⑨式，我們就可以計算出單腳支撐時，腳踝關節的扭矩，從而知道該處舵機負載。如果計算所得的扭矩超過舵機額定負載，則需要重新設定關節舵機的角度，防止因過大負載而造成舵機不可修復的損壞。

實驗結果

根據所建立的運動學模型，我們得到機器人行走時，擺動腿在基坐標系的各個位置，再根據腳踝扭矩計算，用以判斷自己所設計的各個關節角度序列是否滿足穩定的要求，這樣就避免了不斷重復試驗各個關節的角度調節，使得舵機損壞。

根據上述建立的模型以及穩定性驗證，我們得到了部分舵機所轉過角度的動作序列（如圖5）。

結束語

我們在建立了機器人行走的步態模型后，基于Arduino控制器完成了擬人機器人的開發，并對所設計的機器人進行了擬人行走的穩定性驗證。開發的機器人用于創新教學實踐，選修該課程項目的學生在利用所開發的機器人完成擬人化機器人行走動作設計及編程實現后，在一定程度上獲得了成就感，更加有熱情投入到項目中的學習，為以后開發出機器人更多動作序列提供了可能性。本文的研究也為學生將機器人技術帶到工業或者生活上，以及以后的創新創業[6]開拓了新的思路。

參考文獻：

[1]孟浩，王妍瑋.基于Arduino的雙足仿人機器人設計[J].林業機械與木工設備，2014，42（2）：38-40.

[2]張洪賓.雙足步行機器人的步態規劃與神經網絡控制[D].廣州：華南理工大學，2016.

[3]查望華.雙足機器人運動控制系統的研究[D].杭州：浙江大學，2016.

[4]ZHUANG Yu-feng，LIU Dong-qiang，WANG Jun-guang.Dynamic modeling and analyzing of a walking robot[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2014，21（1）：122-128.

[5]魏君.基于ARM小型雙足機器人的設計與研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2016.

[6]吳振宇，劉禹彤，馮林.機器人實踐教學體系改革探索[J].實驗室研究與探索，2017，36（6）：192-195.

作者簡介：傅宇楊，男，碩士研究生，研究方向為智能機器人、自然人機交互；李知菲，男，講師，研究方向為虛擬現實與動作捕捉、智能機器人、深度學習。

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目號：201510345012）。