四足機器人行走系統設計探索

趙曉艷，王磊，李凱麗，董燕麗

（山西農業大學信息學院，山西 晉中 030800）

1 研究目的與意義

設計來源于第十八屆全國大學生機器人大賽ROBOCON賽事。本屆比賽以“快馬加鞭”為主題，靈感來自古代傳遞信息的驛傳制度。現如今，信息的光速傳遞，促使互聯網形成的邏輯上單一且巨大的全球化信息網絡能讓我們不受空間限制，并且可以通過多種多樣的形式進行信息的交換。

2 總體方案設計

2．1 行走系統方案的確定

四足機器人腿部關節的自由度數量決定了腿部的靈活性，關節自由度越多，腿部結構就越復雜，成本也會隨之增加，控制難度也會比較困難，但是，腿部的靈活性會大大提高；反之，關節自由度越少，腿部結構就越簡單，成本也會降低，比較好控制，但是，腿部靈活性也會降低。腿部結構的方案有兩種方案：

（1）腿部關節自由度共三個。髖部與機器人軀干連接的為髖關節橫擺自由度，該關節能保證髖部與軀干有一個側向的運動；髖部與大腿連接的為髖關節俯仰自由度，該關節能保證大腿做前進的運動；大腿與小腿連接的為膝關節俯仰自由度，該關節能保證行進時，小腿落地時姿態的調整運動。

（2）腿部關節自由度共兩個。髖部與大腿連接的髖關節俯仰自由度有兩個，以保證腿部可以承受機器人更多的重量，大腿與小腿之間的膝關節俯仰自由度為從動自由度。

從靈活性來說，第一種方案最佳，但是，從控制難度、成本以及扭矩來說，第二種方案更合適，所以，第二種方案為首選方案。

2．2 平衡系統方案的確定

四足機器人極易受到場地障礙和外部沖擊的作用導致重心不穩定而摔倒，所以在突發狀況的時候，如何能讓四足機器人快速地恢復平穩行走狀態，是四足機器人能否完成任務的關鍵。平衡系統的方案共有三種：

（1）采用六軸姿態陀螺儀安置在四足機器人的中心，通過計算Z軸的偏移量，然后，進行補償來達到四足機器人相對的平衡狀態。

（2）四條腿的旁邊安裝光流傳感器，對四個光流傳感器的數據進行比對，計算出偏移量，然后，通過補償達到四足機器人的相對平衡狀態。

（3）與方案二的原理一致，將光流傳感器換成氣壓計，即可達到同樣的效果。

方案二、方案三都需要使用4個傳感器才可以達到效果，光流傳感器對光線的要求比較嚴格，光線變化會導致數據不穩定；四足機器人的最大浮動范圍0～1000mm，氣壓計的變化量很小，不容易被檢測到，容易失誤。方案一通過陀螺儀內置的算法可以實時、準確地將Z軸的偏移量讀取回來，并且使四足機器人快速反應，恢復到穩定狀態。

3 四足機器人行走系統設計

3．1 腿部結構的設計

因為考慮到設計、控制以及成本的問題，髖部橫擺的自由度就被舍棄，只有髖部俯仰的自由度是一個主動自由度，其他膝關節以及足端均為被動自由度。

3．1．1 關節結構的設計

為減輕腿部結構的重量，大腿部分為兩塊3mm厚的碳板，通過法蘭盤直接連接到電機，碳板沒有做鏤空設計，以此提升大腿強度，兩塊碳板中間間隔5mm，方便膝關節的設計。小腿部分為一塊5mm厚的6061鋁板制作，中間鏤空設計，用于減輕腿部結構的重量。膝關節的大腿部分兩塊碳板上均套有擋邊軸承，小腿部分套有黃銅套，中間用螺絲固定，擋邊軸承和黃銅套都能起到滑動的作用，能讓膝關節靈活地活動。

因為RM3508無刷減速電機不能將電機軸的轉速和方向反饋回來，為了將轉速和方向的數據提取出來，在電機軸上設計了一個5mm寬的同步帶輪，而且不影響腿部結構與電機軸的連接，另一端連接在一個絕對值編碼器上，通過絕對值編碼器，將電機軸上的數據提取出來，并且反饋給從機。

3．1．2 足端結構與姿態的設計

為了能使四足機器人穩定地運行，足端設計為一個平面，因為腿部的運動方式是模仿馬的運動方式，在運動的過程中，足端是在做向后蹬的運動，所以平面的前半部分與小腿相連；平面的后半部分用壓簧與小腿進行連接，模仿腳后跟先著地，然后，在向后運動的過程中整個腳掌落地。足端設計為一個平面與小腿連接，用壓簧輔助足端形成一個穩定的姿態，保證整個腿部的運動可以穩定地著地，并向前運動。

足端下面還加有一個“鍵盤軸”作為一個觸發機構，當整條腿落地后，“鍵盤軸”會觸發一次，并返回一個數據以代表腿部已經落地，以此保證每次腳部都會踩到地面上。

3．2 四足機器人的步態規劃

3．2．1 穿越障礙穩定步態的設計

四足機器人在翻越障礙的時候應該是靜態穩定性的，這就要求步態應該有比較慢的前進速度和平穩的重心。

當采用行走步態時，行進速度相對比較緩慢，要保證四足機器人可以平穩地翻越障礙，就必須保證當其中一條腿抬起時，機器人的重心必須落在支撐地面的三條腿所在的三角區域內，否則，四足機器人就會有傾斜或翻倒的情況發生。因為不能保證每次四足機器人走到障礙前都是同一個位置且重心的移動難以掌握，所以行走步態不是很適合翻越障礙的任務。

根據動物上臺階的一些特性，我們使用了一種較為特殊的方式翻越臺階障礙，四足機器人在平路采用較低的姿態再加對角小跑的步態快速地行走到臺階前，然后，迅速抬高軀體，兩條前腿迅速收縮并向前邁步，兩條后腿向前傾斜，讓兩條前腿直接邁到臺階上，并保持重心在整個軀體的正中心，再將兩條前腿迅速收起并向前邁步，讓兩條前腿跨過臺階，兩條后腿也以同樣的方式跨過臺階。

走到繩索障礙的時候，也可以使用和翻越障礙同樣的辦法跳過去，也可以采用對角小跑的步態，直接走過去，因為繩索障礙的高度較低，且寬度極窄，軀體較低的情況下也不會蹭到繩索，導致機器人失去重心而倒地。相對臺階障礙來說，繩索障礙就可以有多種方案選擇，最終我們選擇最簡單的光電開關檢測方案。

3．2．2 直行及轉彎步態的設計

平路上直行采用對角小跑的步態前進，并用架在車頭攝像頭open MV識別場地上的白線，將可能走偏的四足機器人糾正回來，使其一直保持走在白線上。當遇到轉彎路段時，通過攝像頭采集并返回的數據，四足機器人左右腿通過緩慢的差速運動，使其轉彎，并使得軀體中線一直與白線重合。

3．2．3 坡面步態的設計

四足機器人所要攀爬的坡面傾角達到了14°，如果整個軀體與坡面平行，就會導致重心后移，兩條后腿上的壓力激增，使得后腿的步態不能達到預期的效果，就此原因，將對角小跑的步態進行一些少許改動，讓后腿的運動狀態持續為直立后蹬狀態，前腿的運動狀態持續為半蹲狀態，整體運動狀態依然為對角小跑狀態，能夠使四足機器人在坡面上也可以平穩快速地運動，不會出現因重心后移導致的向后翻倒的狀態。

3．2．4 電機的控制設計

電機的精度決定了四足機器人能否按正常的步態沿著直線行走，為了方便控制，選用了大疆公司的M系列電機，功率有220W的M3508電機、44W的M2006電機，并配以14:1的減速比，可以輸出482rpm的轉速，滿足四足機器人所需要求。8個M3508電機搭配2個電調中心板使用，中心板控制方式如圖1所示。

4 結語

針對四足機器人的行走系統，選用了對角小跑的步態行走，判斷障礙物的位置，通過跳躍的步態方式翻越場地內的障礙，步態規劃對四足機器人的行走、翻越場地內的障礙和爬坡能力有著密不可分的作用。選用合適的步態以及腿部結構的設計，再配合大功率的無刷減速電機，使四足機器人平穩地行走。

在改進被障礙絆倒、行走不穩定導致的各種問題時，發現機械和電氣控制密不可分，需要特別緊密的配合。