交叉足步行機器人設計

王高亮， 王輝輝， 王 強， 孫曉紅

(1 周口師范學院 物理與電信工程學院， 河南 周口 466001； 2 周口師范學院 機械與電氣工程學院， 河南 周口 466001； 3 河南省激光與光電信息技術重點實驗室(鄭州大學)， 鄭州 450052)

引言

機器人學是近年來發(fā)展起來的一門綜合性較強的新學科，其中涵蓋了諸如計算機工程、人工智能系統(tǒng)、電子工程以及生物仿生學等多門類在內(nèi)的熱點前沿技術內(nèi)容。研究中，因為雙足機器人所獨具的特性，如仿人類動作靈活，且對于非結構性的環(huán)境地形表現(xiàn)出良好的適應性，躲避障礙的能力較強，運動的盲區(qū)小等優(yōu)良的性能，故而已吸引到研究學界的多方重視與關注。在此基礎上，致力于雙足機器人的進一步研究，以及探索其可操控空間和模仿人類運動的步態(tài)規(guī)劃都具有相當重要的意義。論文中的交叉足機器人，是基于中國機器人大賽交叉足項目要求設計，機器人在狹長的賽道上沿直線穩(wěn)定行走，整個步行過程中始終要平衡、快速、穩(wěn)定，這就需要雙足機器人具有較高的機械精度和穩(wěn)定的控制策略。對此課題，擬展開研究論述如下。

1 機器人結構組成

1.1 結構組成方案

論文中所設計的交叉足機器人需滿足如下功能要求：保持直線穩(wěn)定行走、做出比賽要求的相應動作、使用舵機數(shù)不超過6臺、尺寸大小不超過200 mm(長)×200 mm(寬)×300 mm(高)，重量為0.65 kg。

考慮到機器人的運動狀態(tài)及運動軌跡，使得整個機體結構的設計材料不僅要有較好的剛性強度，也要有較輕的重量。材料采用了鋁制器件，支撐機器人髖關節(jié)部位的材料采用了電鍍板，一是電鍍板更輕且不導電，不會對整體電路造成影響，硬度、剛性也符合要求，而且易于加工，其上的電鍍孔可以用來固定控制模塊和電源。腳底板的設計也采用了相似的材料，并在機器人的頂部和足底配置防滑墊，增大摩擦力，有效改善機器人到達實際位置存在偏差的問題[1]。

腿部結構設計根據(jù)人類實際行走時關節(jié)的運動，驅(qū)動模塊使用6臺舵機，3個相連組成一條腿，分別模仿人類的髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)。其中，踝關節(jié)只有一個自由度，而人類的髖關節(jié)和踝關節(jié)卻有2個自由度，可以實現(xiàn)前后擺動、左右擺動、轉(zhuǎn)動等動作；此外，膝關節(jié)也只有一個自由度，只能前后方向擺動。論文設計的交叉足機器人通過使用不多于6個自由度就可以完成比賽所要求的動作。機器人胯部結構，只具有一個前后俯仰自由度，提供連接膝關節(jié)和軀干的橋梁，主要控制機器人的向前運動。總地來說，膝關節(jié)連接腳部和胯部，和髖關節(jié)共同控制著機器人的前向運動。

軀干部分用于安裝控制模塊和電源模塊，連接著驅(qū)動模塊，為了保持整體的結構穩(wěn)定，在軀干部分安裝驅(qū)動模塊時,要保證2條腿之間相對于軀干中心對稱，2腿之間不能相距太近或太遠。如果相距太近，交叉足機器人2條腿行走時，就會絆在一起無法前進，太遠又會導致行走過程中，一只腳抬起時會受力不均而向另一邊傾倒，因此安裝時要使腳底板恰好可以通過腿部而不會刮擦到最為合適。

1.2 機器人控制模塊

機器人的控制模塊就是機器人的大腦，可由其發(fā)出全部指令，控制機器人擬將做出的規(guī)定性動作，控制板發(fā)出指令到驅(qū)動模塊舵機，使舵機按照預先設定的參數(shù)轉(zhuǎn)動一定的角度，從而使機器人遵照指令含義發(fā)生移動。論文設計的機器人的控制模塊采用了16路的舵機控制器，控制器配有相應的上位機調(diào)試軟件，可以詳細展現(xiàn)各個舵機的運行參數(shù)，大大降低了調(diào)試難度。該控制器支持動作組的儲存，可提供128類動作組下載，每類動作組包含256個動作，總共可以保存上萬套動作，完全能夠滿足交叉足機器人的動作需求。

如圖1所示，板載動作儲存卡是調(diào)試動作的儲存單元，也是動作指令的發(fā)出地，將調(diào)試好的定義動作儲存進去，機器人就可以脫機運行，按照預編的指令完成各個動作。MINI—USB接口主要通過連接線與電腦相連，使電腦上的上位機調(diào)試軟件與機器人連接，主板電源通訊指示燈顯示供電狀態(tài)和上位機軟件與機器人自身的通訊連接。

控制系統(tǒng)總體結構采用了上位機+串口+下位機的控制系統(tǒng)方案。設計中，上位機控制軟件的主要功能是，對設定的交叉足機器人動作進行規(guī)劃和動作位置插入與補充，再按照一定時間間隔和順序依次發(fā)送給下位機,從而實現(xiàn)機器人關節(jié)位置精準的速度控制。下位機主要功能是，接收上位機發(fā)出的動作指令信號，控制機器人各個關節(jié)舵機的實際運動，使機器人按指令規(guī)劃完成步行動作[2]。

圖1 控制板

1.3 機器人驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊是機器人的動作執(zhí)行部分，驅(qū)動模塊的運行情況直接決定了機器人的行走狀態(tài)。目前機器人運用的有液壓、氣壓、電機驅(qū)動3種驅(qū)動方式[3]，論文選用的是電機驅(qū)動控制。舵機是一種位置伺服的驅(qū)動電機，由舵盤、位置反饋電位計、減速齒輪、直流電機組成[4]。舵機通常按180°、270°和360°來給出分類，該交叉足機器人采用了比較靈活的180°舵機。舵機工作時接收來自主控制板的電子信號，轉(zhuǎn)動一定的角度，從而實現(xiàn)運動。舵機的主要參數(shù)有扭矩、速度、尺寸和重量。運行時的工作原理是：信號到達調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓，在其內(nèi)部設有一個基準電路，產(chǎn)生周期大致為10 ms，寬度為0.75 ms的基準信號[5]，將得到的偏置電壓和電位器的電壓進行比較，得到電壓差并輸出結果。電壓差的正負決定舵機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。電壓差為零時，舵機靜止。舵機的控制信號為PWM信號，通過占空比的變化而使舵機改變位置[6]。

本次研發(fā)中涉及的舵機參數(shù)有: 重量，60 g；尺寸，40.0 mm×20.0 mm×40.5 mm ；速度，0.16 sec/60°@4.8 V、0.14 sec/60°@6 V ；失速扭矩，13.5 kg/cm @4.8 V 、15 kg/cm @6 V、17 kg/cm @7.2 V；工作電壓，8-7.2 Volts ；工作電流，150 mA；工作電流需大于>100 mA。

該機器人選用了供電電壓6 V，扭矩15 kg/cm的數(shù)字舵機作為驅(qū)動模塊，該舵機運行穩(wěn)定，扭力大，精度高，完全滿足該交叉足機器人的驅(qū)動要求。

1.4 機器人能源供給模塊

機器人的能源供給模塊可以源源不斷地為機器人提供電力輸入，機器人的各種行為動作才會成為可能。同時，該模塊也要給控制板電路和驅(qū)動模塊的舵機輸送電能動力，因此，良好的電源選擇對于機器人的供電穩(wěn)定性和機體系統(tǒng)穩(wěn)定性均將起到重要的補益作用。

該交叉足機器人選用了7.4 V，容量2 000 mA的鋰離子電池作為能源供給模塊，但是舵機的供電電壓為6 V ，如果直接用該電源給舵機供電,舵機在高于額定值電壓下工作容易發(fā)生抖舵或者燒毀，故而為了保護舵機，特別加入了串聯(lián)1.2 V降壓芯片，使經(jīng)過降壓芯片到達舵機供電端的輸出電壓穩(wěn)定在6 V左右的安全數(shù)值。經(jīng)過測試可知，能夠滿足交叉足機器人的供電需求。能源供給的實物設計則如圖2所示。

(a)降壓芯片和控制板

(b)電源

圖2設計實物圖

Fig.2Designphysicalgraph

2 上位機軟件設計

上位機軟件是與控制板相匹配的，通過數(shù)據(jù)線與安裝齊整的交叉足機器人的控制模塊相連，在其控制界面上有通訊連接顯示窗口，有相應的舵機調(diào)試窗口，可以拖動滑標、也可輸入數(shù)據(jù)使舵機轉(zhuǎn)動，界面下方還配有每一步調(diào)試數(shù)據(jù)的顯示。在調(diào)試完成后，保存并下載相應的程序到控制板里，然后點擊脫機運行便可使機器人按照原先設定好的程序去執(zhí)行各類動作。界面布局設計可如圖3所示。

圖3 上位機軟件圖示

3 機器人的步態(tài)規(guī)劃及相關動作的設計

步態(tài)規(guī)劃的合理性直接決定著該機器人行走時的穩(wěn)定性和姿態(tài)的美觀性。通常，步態(tài)規(guī)劃要研究討論多個方面，如機器人行走路線的地形，機器人得到運動軌跡等因素。但本文設計則重點考慮了仿生學和力學穩(wěn)定性這2個方面。模仿人類行走時關節(jié)的擺動，通過測量和分析來決定機器人行走時舵機轉(zhuǎn)動的合適角度，從而使機器人可以像人類一樣平穩(wěn)地行走。首先通過對人類在行走時腿部動作進行拆解分析，例如人類在行走時通過髖關節(jié)和膝關節(jié)的帶動使一只腳先離開地面，接著向前擺動再落下，人類就是通過2條腿的如此反復運動達到了前行的目的。

模擬人類行走，過程分解如圖4所示。起步時機器人首先雙腿略微彎曲然后左腿抬起，準備向前邁步，接著右腿前傾，放下左腳，完成第一步的行走。在抬腳邁步的過程中，要保持腳底板和機器人頂部的電鍍板與地面平行，這樣可以保持交叉足機器人行走時姿態(tài)的美觀性。接著抬右腳、向前移動、放下、抬左腳、向前移動、放下時保持立正的姿勢，這樣就完成了3步走的動作[7]。

圖4 步態(tài)規(guī)劃圖

機器人3步走之后，接著向前翻滾3次，立正再前進3步，接續(xù)后翻滾3次完成比賽的路程。在行進了向前3步走后，即需開始往前翻滾。前滾翻的動作為保持穩(wěn)定，讓機器人的頂部先觸地，保持穩(wěn)定后先抬起一只腳，讓一只腳先翻過去踏到地面之后，然后再讓另一只腳翻過去，接著站起來立正，這樣做的好處是機器人向前翻滾的時候可以保持動作的平穩(wěn)流暢，避免出現(xiàn)因動作過大導致的路線偏移。只要完成了這2個動作的規(guī)劃，其余的動作就跟這2步一樣，只是一個周期接著一個周期地順序執(zhí)行即可。動作流程的研究設計如圖5所示。

圖5動作運行流程圖

Fig.5Flowchartofmotionoperation

4 機器人的動作調(diào)試

將交叉足機器人的控制板通過數(shù)據(jù)線與電腦相連，打開上位機調(diào)試界面的COM端口連接，嘗試連接各個端口至控制板上的通訊指示燈亮，并稍微移動舵機調(diào)試滑塊，舵機有轉(zhuǎn)動現(xiàn)象則表示通訊連接良好。

在步態(tài)和動作規(guī)劃交付后，接著就是動作的調(diào)試進程。將規(guī)劃的動作通過機器人的行為實際展現(xiàn)出來。在進行運動步態(tài)的調(diào)試時，首先開啟的就是單關節(jié)調(diào)試。單關節(jié)調(diào)試的目的是為了測試各關節(jié)電路連接及機構是否正常工作，舵機是否順利通過磨合及測量各個關節(jié)實際運動范圍，其次為了標記各臺舵機運動正、反方向，測試各臺舵機是否能夠準確調(diào)到零位。在此之后，將轉(zhuǎn)入實際的動作調(diào)試。先是逐個動作的觸發(fā)調(diào)試，調(diào)試成功并全部保存后，就是將所有動作串連起來整體運行一次，檢視動作是否流暢。在調(diào)試過程中若發(fā)現(xiàn)問題需及時處理，同時參照步態(tài)規(guī)劃數(shù)據(jù)并結合實際情況對舵機的運行參數(shù)給予修正，通過反復的運行調(diào)試，使交叉足機器人達到穩(wěn)定步行的要求。

5 結束語

從實用性上說，該機器人滿足了模擬人類步行的相關要求，由于舵機控制原因，靈活性遠遠比不上人類的動作行為能力。但隨著科技發(fā)展，雙足機器人必將在未來可為多種實際場合發(fā)揮不可替代的關鍵協(xié)助作用。可對其描述如下。

(1)可以利用人工制造的假腿或可以操控的步行座椅給殘疾人提供代步工具，能使殘疾人如正常人一樣在不同的環(huán)境中自由行走，從而減少對其它人的依賴。

(2)雙足機器人可適用的作業(yè)范疇廣闊，不僅能和人們一起合作完成某項工作，而且由于其具有人類的運動特點，因此無需特別改造，即可投付使用。

(3)特別的環(huán)境下能夠替代人工作業(yè)，例如核電站內(nèi)機器的維修、建筑高層的玻璃擦洗、管道監(jiān)測、維修、遙控搶險救災、敵軍偵察和間諜工作、排除地雷、排除爆炸物等性質(zhì)用途的相關工作。

(4)在教學、大眾服務和藝術行業(yè)等領域的應用。例如跳舞機器人、服務員機器人等。

由于該交叉足機器人結構相對簡單，僅可以實現(xiàn)行走、翻滾等動作，對環(huán)境的適應能力上存在一定不足，所以在此基礎上仍有諸多問題亟待研究解決。比如可以給機器人加裝陀螺儀來提升機器人的穩(wěn)定性，加裝紅外傳感器使其具備避障的能力，引入聲音、圖像使其可與外界環(huán)境交互等等。因此，后續(xù)研究還需深入鉆研其構造機理和相關技術，掌握該領域發(fā)展走向，才能融入創(chuàng)新、匠心獨運地設計制造出符合、且引領未來需求的智能機器人。