基于STM32的四足仿生機器人設計與實驗研究

梁美彥

(山西大學 電子信息工程系，山西 太原 030013)

0 引 言

足式機器人由于具有足部離散性強，行走時不需要連續路徑的特點，相比輪式和履帶式機器人有更大的自由度和適應非結構化地形的能力[1]，適用于抗震救災、資源開發利用、進行放射性以及水下科學實驗等特殊情況，因此成為國內外人工智能領域的研究熱點. 四足步行機器人作為典型的多足機器人，相比兩足機器人，可靠性和穩定性高，控制復雜度和結構冗余度比六足和八足機器人小，還具有多種運動形式，能廣泛適應非結構化地面行走，穩定性較好. 因此，開展四足機器人及其相關技術的研究具有重要的理論價值和實際意義.

四足仿生機器人的代表性成果有：1967年，美國南加州大學McGhee R. B.等設計的一種四足機器人樣機，通過有限控制算法，實現了穩定行走[2]，同期，還提出用步態矩陣的方法，來研究機器人的步態特征[3]； 1968年，美國通用電氣公司的Mosher研制了當時第一臺具有控制功能的四足步行機器人，可以實現抬腿、跨越、邁步、避障等多種功能[4]； 1986年，美國麻省理工的Raibert設計了一種四足機器人，采用可伸縮的腿部結構實現了緩沖、跳躍等動態平衡，能使用trot，pace和bound步態快速穩定前進[5].

截止20世紀末，雖然各大研究機構對機器人進行了不同的改進，但這些研究都是基于機器人基本結構和行為算法的研究. 2003年，日本電氣通信大學Fukuoka Y等提出了神經振蕩子模型的控制策略，是當時控制方面突破性的研究成果. 該課題組將神經振蕩子模型控制策略用于仿狗機器人“Tekken”系列，在搭載激光和CCD攝像機等導航傳感設備的前提下，成功實現了在封閉回廊中躲避障礙物快速行走，并能辨別和避讓前方存在的目標[6]，其中，Tekken-4實現了在不規則地面上動態自適應步行.

在機器人研究方面較為突出的成果是：2006年波士頓動力公司研制的新型四足仿生機器人Big Dog，它采用純機械方法設計，液壓驅動系統實施動力輸出，可以跳躍1 m寬的壕溝，爬越35°的斜坡，行走速度為10 km/h，能夠滿足步兵分隊徒步急行軍的速度要求. Big Dog負荷大，在負重150 kg時，能在非結構化地形下自適應的行走，并保持運動性能不變. Big Dog的這些卓越的性能，成為當時國際四足機器人領域的翹楚[7-11].

國內四足機器人代表性的成果有：清華大學汪勁松等[12]研制的QW-1四足全方位步行機器人； 上海交通大學的馬培蓀課題組研制的JTUWM系列四足機器人[13,14]等，其中，JTUWM-III采用開鏈式腿結構來模仿四足動物的行走特點, 腿部關節在直流伺服電機的控制下，步行速度約為0.18 km/h，實現了trot，pace等多種步態行走，可以穩定步行10個周期以上，在足底設置了PVDF壓電薄膜式力傳感器，結合模糊神經網絡系統對力反饋信息進行處理，提高了運動穩定性[15].

目前，從事仿生機器人研究的機構還有北京航空航天大學、哈爾濱工業大學[16]、國防科技大學[17]、山東大學[18]、北京理工大學[19]、東南大學、北京科技大學以及沈陽自動化所等[20]. 然而，由于四足機器人是多變量、強耦合、非線性的動力學系統，其動力學方程的建立和計算過程較為復雜，同時涉及機械、控制、計算技術等多門學科，控制難度較高. 所以，目前針對四足機器人的研究基本處于實驗室階段，研究的內容大多是基于機器人理論仿真和運動步態的研究，機器人樣機較少，智能化程度不夠. 另外，從國內外四足機器人發展趨勢來看，機器人向更加小型化、智能化、多用途以及自適應的方向發展. 因此，研制一種智能化程度較高的小型四足仿生機器人實驗樣機，并實現穩定行走意義重大. 基于上述分析，本研究提出一種基于STM32的四足仿烏龜行走機器人系統及其控制策略，通過動力學建模、步態及穩定性分析，實現了機器人的穩定行走、原地轉彎、游泳等動作, 通過搭載的藍牙通信模塊，實現了對機器人的無線控制.

1 四足仿生機器人總體設計

一般而言，機器人總體結構主要由機械部分、控制部分和傳感器裝置3部分組成：機械部分由機體結構和機械運動結構組成，這部分的功能是支撐機器人并執行相關任務； 控制部分是足式機器人的核心，這部分的功能是發送和接收信號，命令并協調相關執行結構按照時序進行作業. 控制系統設計的好壞直接決定了機器人動作的精度和整體的性能； 傳感器是一種檢測裝置，能感受被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、記錄和控制等要求. 這3部分相互協調，實現機器人的所有功能.

本文設計的四足仿烏龜機器人，以STM32單片機為核心控制器，通過舵機控制板對LDX-218數字舵機轉角的控制，使機器人實現相關動作和功能. 機器人樣機通過與藍牙模塊的通信，實現了基于PS2手柄對機器人的無線控制. 圖 1 為四足仿生機器人總體設計方案.

設計完成的四足機器人如圖 2 所示，該機器人按照功能分為4個模塊：無線通信模塊、核心控制模塊、舵機模塊以及電源模塊. 無線通信模塊包括藍牙模塊和PS2手柄模塊，這部分通過PS2手柄發送無線控制信號，藍牙模塊接收后，再轉發送給核心控制模塊； 核心控制模塊由STM32單片機和控制板組成，功能是與其藍牙模塊通信，接收控制命令并譯碼，實現機器人的總體協調控制； 舵機模塊接收來自核心控制器譯碼的命令，并執行事先定義的動作組，目前已經實現的動作組包括步行、轉彎、扭轉、抬前臂、游泳以及俯臥-起身等； 電源模塊采用大容量的鋰電池，給機器人樣機系統總體供電，最高電壓為8.5 V，整機續航可達150 min.

圖 2 四足步行器人Fig.2 Quadruped walking robot

2 基于拉格朗日方程的動力學建模

為了使機器人能夠自主穩定的行走，適應復雜非結構化的地形，需要對機器人腿部連桿結構進行動力學建模，以確定機器人腿部各個關節力矩與組成該機構的各個桿件之間的動力學關系，這是實現機器人運動、精確控制的基礎，也是步態規劃的基礎.

本文采用拉格朗日方程對六足機器人腿部結構進行動力學建模，由于四足機器人腿部采用開鏈式結構，每條腿有兩個轉動自由度，故四足機器人系統是一個具有8自由度的力學系統. 建立如圖 3 所示的直角坐標系，忽略桿件轉動過程中的微小形變，腿部模型可以簡化為二連桿的剛體結構. 直角坐標系中：x方向為機器人的前進方向；y方向與運動方向垂直，為機器人的橫向；z方向垂直于x-y平面； 機器人平臺高度為H； 機器人腿部的連桿質量由內向外分別為m1和m2； 對應的長度分別為L1,L2； 由長度和質量關系可以計算轉動慣量I1,I2； 連桿偏離原方向旋轉的角位移分別為θ1,θ2.

圖 3 機器人腿部模型Fig.3 The dynamic model of the robot leg

對于機器人其中一條二連桿的腿機構而言，其動能為

選擇機器人運動平面為基準，忽略各關節之間的彈性摩擦，其勢能為

則該腿的拉格朗日函數為

L=Ek-Ep.

由拉格朗日方程得到該腿各關節電機的轉矩為

利用該動力學模型，可以通過四足機器人腿部各個桿件的運動情況，推算出機器人各腿相應關節的轉矩，從而對機器人動作進行控制和分析.

通過對四足機器人腿部結構的動力學建模，建立了單腿各關節的轉矩與腿部桿件運動之間的數學關系. 在此基礎上，機器人系統整體的優化控制還與腿的邁步順序、各腿之間的協調控制、步行中的占空比以及穩定裕度等因素有關. 因此，還需要根據四足機器人腿部結構和動作姿態特征，確定四足機器人在行走過程中采用的步態，而步態設置的合理與否直接決定了機器人運動姿態的可實現性.

3 四足機器人的步態

步態是在步行過程中，機器人的各個關節在時序和空域上的一種周期性協調關系，可以用各個關節運動的一組時間軌跡來描述. 步態規劃就是根據仿生機器人的動力學特性，規劃出每個關節的運動軌跡. 按照所規劃的運動軌跡，機器人能完成行走功能并且保持平衡. 對仿生機器人進行步態規劃使其能夠穩定步行是仿生機器人研究的關鍵. 四足仿生機器人常見的步態有步行、對角小跑、同側遛步和奔跑. 這4種步態的支撐相和擺動相的相位關系如圖 4 所示.

設機器人步行周期相位差為1，則4種步態的特征分別為：

步行步態：四足機器人4條腿按照圖 4(a) 中依次擺動，每條腿相位差為0.25，機器人采用該步態時，占空比β>0.5, 是一種慢速爬行的步態；

對角小跑步態：四足機器人處于對角線上的兩條腿動作完全一致，同處于支撐相或擺動相，支撐相和擺動相之間相位差為0.5，如圖 4(b) 所示. 該步態占空比β=0.5，兼具速度和運動穩定性；

同側遛步步態：四足機器人同側兩條腿動作完全一致，同處于擺動相或同時處于支撐相，支撐相和擺動相之間的相位差為0.5，如圖4(c)所示，該步態的缺點是穩定裕度較小；

奔跑步態，四足機器人前面兩條腿動作一致，同處于支撐相或擺動相，支撐相和擺動相之間的相位差為0.5，如圖4(d)所示，該步態占空比0<β<0.5, 該步態速度較高，但是穩定性相對較差.

圖 4 步態示意圖Fig.4 Schematic diagram of the gait

四足步行機器人動力學系統具有多變量、強耦合、非線性以及姿態時變的特點，因而機器人行走步態的穩定性是機器人設計中首要考慮的因素，其次才是對運動速度的要求.

經上述分析可知，對角小跑步態占空比小而且可以實現穩定行走，兼具速度、穩定性、適應性于一體，因此，本文設計的四足仿生步行機器人主要采用對角小跑步態行走.

4 控制模塊的設計

四足步行機器人其基本運動形式為其肢體結構隨時間的往復加減速運動，控制難度通常大于輪式和履帶式機器人，控制模塊的設計非常關鍵. 本文選用STM32F103RBT6主控芯片，其運行速度快，控制精度高，同時搭配基于STM32的24路舵機控制板，如圖 5 所示，對機器人的8個舵機進行獨立控制，以保證各個動作執行的流暢性和精度.

控制模塊開啟后，首先PS2手柄發送無線控制信號，經藍牙模塊接收后，轉發到STM32單片機； 然后，舵機控制板與STM32主控芯片進行通信，將控制信號傳送到舵機控制器； 最后，所有被控舵機的輸出轉動方向和角度信息，從而實現機器人相應的動作組，同時舵機還能夠實現轉動角度信息反饋，總體控制流程框圖如圖 6 所示.

圖 5 舵機控制板Fig.5 Steering control panel

圖 6 系統控制框圖Fig.6 Block diagram of the control system

對機器人動作姿態的設置要通過上位機軟件來實現. 先將舵機控制板與上位機連接后，初始化所有舵機的狀態，并將機器人所有舵機映射到上位機軟件中，再根據拉格朗日建模結果和步態選擇，對每一個動作姿態對應的8個舵機進行配置，并記錄舵機轉角數據，最后形成一套動作組代碼，將該代碼寫入芯片，即可實現機器人的相應動作姿態.

組成四足步行機器人樣機的硬件結構主要包括機器人機械框架結構、舵機模塊和藍牙模塊3個部分，如圖 7 所示.

圖 7 硬件結構Fig.7 Structure of the hardware

機械框架結構如圖 7(a) 所示. 由于四足步行機器人系統為開鏈式動力學系統，對機械框架結構的剛度、質量分布和轉動精度有很高的要求. 為了實現四足機器人的精確控制，需要采用高性能的硬件機械結構，而機械結構需要折衷考慮機器人的硬度、重量、質量分布等因素. 綜合考慮后，機器人機身選用1～2 mm厚的硬鋁合金結構，其硬度高、強度大； 同時采用了機體輕量化設計，重量比傳統四足機器人減少將近40%.

舵機由減速齒輪組、電機、電位器、控制電路和外殼組成，將這些結構封裝后，能夠實現將輸入信號轉換為角度信息的電機系統. 由于舵機是實現機器人動作的主要執行結構，因此，舵機的性能決定了機器人能否精確完成動作. 根據四足機器人的重量，并綜合考慮材料散熱性、總體質量分布、承載力、扭矩、抖動、控制以及整體協調控制等因素，采用LDX-218型數字舵機，如圖7(b) 所示，其工作原理是：由輸出的PWM信號，控制脈寬信號在0.5～2.5 ms范圍變化，從而控制舵機在0～180°的轉角范圍內旋轉，輸入信號和輸出角度基本呈線性關系，具有精度高、扭矩大、反應靈敏，運行平穩、線性度高等特點. 因此，實驗采用LDX-218型數字舵機來控制機器人動作姿態，可以滿足實驗的需求. 舵機工作電壓為7.4 V，該電壓下產生的扭矩為17 kg·cm，每旋轉60°需要0.16 s，其具體參數如表 1 所示.

表 1 舵機參數

藍牙通信能夠在10 m范圍內實現點對點的無線數據傳輸，具有抑制同頻干擾、保證可靠傳輸、隨機噪聲影響小等特點. 藍牙模塊在沒有建立連接前，網絡中所有設備處于待命狀態，并以1.28 s為間隔進行周期性監聽，當鏈接被喚醒后，就在32個跳頻頻點上監聽信息. 圖7(c)為四足機器人的藍牙模塊，它用于等待接收來自PS2手柄的無線控制信號，并將收到的信號進行轉發.

5 結果和討論

5.1 實驗結果

本研究通過對機器人腿部的拉格朗日動力學建模和步態規劃，設計了四足仿烏龜機器人原理樣機，其質量為1.5 kg，主要參數見表 2.

表 2 機器人主要結構尺寸

圖 8 機器人姿態與對應的舵機編形圖Fig.8 The pose of the robot and the corresponding steering

設計完成后的機器人與舵機的完整映射如圖 8 所示. 圖 8 中(a)和(b)為機器人站立的狀態和對應的舵機編形圖，(c)和(d)為機器人平臥的狀態和對應的舵機編形圖，從圖8可以讀出機器人在不同的狀態下舵機的轉角. 四足仿生機器人通過以STM32為核心的24路伺服舵機控制板對8個舵機轉角的控制(一個預留舵機)來實現其所有動作組姿態.

5.1.1 步行和轉彎測試

步行穩定性和轉彎性能是衡量足式機器人性能的重要指標，決定了機器人深入復雜非結構化地形執行任務的能力. 圖 9 為機器人的步行實驗，圖9中(a)～(f)為機器人前進，(g)～(l)為機器人后退，從前進和后退的過程圖可知：機器人實現了穩定步行，步行速度約為5 cm/s，在步行過程中采用的是對角小跑步態. 實驗表明：即使在理想光滑水平路面的情況下，在機器人前進和后退的運動軌跡也不是嚴格意義上的直線，這是由于四足機器人的運動方式與輪式和履帶式機器人不同，不存在理論意義上的勻速直線運動，也就是說行走路徑不是規則的直線運動，而是呈不規則的曲線向前運動.

圖 10 為機器人轉彎性能的實驗，圖 10(a)～(f)為機器人左轉，圖 10(g)～(l)為機器人右轉，從轉彎過程圖可以看出，機器人已經實現了原地轉彎，在轉彎過程中采用的也是對角小跑步態，四足機器人的原地轉彎能力有助于機器人通過崎嶇路面中遇到的死角，是機器人機動性的重要體現.

圖 9 機器人步行實驗Fig.9 Walking experiment

圖 10 機器人轉彎實驗Fig.10 Turning experiment

5.1.2 復雜動作測試實驗

在復雜環境和非結構化地形行走時，具備基本步行和轉彎功能是遠遠不夠的，還需要通過增加動作姿態來提高機器人的智能化程度和實用性. 因此，在基本動作的基礎上，設置了一系列的復雜動作姿態，這些姿態包括抬臂，俯臥、扭轉以及游泳等功能. 圖 11 和圖 12 為機器人執行復雜動作的實驗結果.

圖 11(a)～(f)為四足機器人抬臂動作，機器人抬起前臂后，可以自由在方位向往復旋轉30°角左右，此動作將用于放射性實驗中樣品的放置和移動； 圖 11(g)～(l)為機器人俯臥-起身的動作，通過前臂兩個舵機的協調轉動來實現，由于機器人在未知環境條件下工作，遇到各種不確定危險的可能性很大，比如大風和揚沙等天氣，此動作有利于機器人減小風阻.

圖 11 抬臂和俯臥-起身實驗Fig.11 Lifting arm and push-ups experiment

圖 12 中(a)～(f)為機器人游泳動作測試，機器人在執行該動作時，前面兩條腿和后面兩條腿分為兩組，分別運動，運動時可以產生一個向后的力，推動機器人向前運動，為仿生烏龜機器人用于兩棲實驗建立了實驗基礎； (g)～(l)為機器人左右扭轉的實驗，該動作將作為擴展動作實現，在以后的實驗中，將大大提高機器人的靈活性和機動性.

圖 12 游泳和扭轉實驗Fig.12 Swimming and torsion experiment

5.2 討 論

本研究通過對機器人腿部連桿結構理論建模和步態分析，設計了基于STM32的四足仿生步行機器人樣機，已經實現了穩定步行以及附加動作組，但還存在幾方面需要完善：① 雖然機體采用了薄鋁合金結構以及輕量化的設計，但是由于機體重心顛簸起伏次數較多，機械傳動消耗和無謂消耗會引起高能耗的問題，同時產生的無用能耗會使機體過熱，可以通過選擇相對纖薄的材料來降低本身的重量或者采用彈性腿裝置，來減少無謂能耗； ② 四足仿生機器人腿部采用兩節連桿結構，身高較低，足部與地面接觸面大，對凹凸不平的地面適應性差，摩擦力也較大，因此，下一步將根據實際地形改善腿部機械結構，并優化機器人的足部結構，從而增加機器人的整體運動性能； ③ 在復雜工況下執行任務時，準確獲知環境信息并采取對策是移動機器人廣泛應用的前提，可以通過增加一些高精度輔助傳感裝置，對獲取的信息綜合分析后，再結合人工智能的算法，使機器人自適應地采取對策，從而大大提高機器人的魯棒性； ④ 本文對四足仿生機器人動作組姿態的實驗研究都是在相對平坦的環境下完成的，由于實際地形與實驗室環境差異較大，因此，還需要在復雜地形環境下做進一步的研究.

6 結 論

本文提出將拉格朗日動力學建模與步態分析相結合，研制了四足仿生步行機器人樣機. 首先，在對機器人總體設計的基礎上，通過拉格朗日動力學方程，建立了關節轉角與腿部各桿件運動的數學關系； 其次，在研究四足步行機器人步態的基礎上，權衡其步行穩定性、速度以及適應性等條件后，確定了四足機器人采用對角小跑步態運動，這是實現機器人穩定運動和精確控制的基礎； 最后，通過搭建合適的軟件環境和硬件結構，設計了基于STM32的單片機作為核心控制器的四足仿生步行機器人樣機，并對其進行了實驗研究. 研究結果表明：機器人已經實現了步行、轉彎、扭轉、抬前臂、游泳以及俯臥-起身等動作，在此基礎上，平臺搭載的藍牙通信模塊可以實現四足機器人的無線控制. 基于無線控制的四足仿生機器人，可以突破復雜環境和非結構化地形的限制，被用于抗震救災、資源開發、水下探險、放射性實驗等危險環境執行任務，代替人工高效作業，其實用性強，具有重要的理論意義和實際應用價值.