基于Arduino控制的氣動軟體仿生四足機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及步態(tài)規(guī)劃

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(1.河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 河南 洛陽 471003； 2.河南科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院， 河南 洛陽 471003；3.河南省機器人及智能系統(tǒng)重點實驗室， 河南 洛陽 471003)

引言

隨著科技的高速發(fā)展，機器人已經(jīng)成為人類探索未知領(lǐng)域必不可少的工具之一[1]，多年來，國內(nèi)外學(xué)者對多足機器人進行了深入研究和開發(fā)，取得了可喜進展[2]。如今工作環(huán)境越來越復(fù)雜，在反恐防暴，太空探索、搜救，以及與人類一起操作等許多未知的工作環(huán)境下，傳統(tǒng)多足機器人由于采用剛性連桿結(jié)構(gòu)，使用受到限制[3-5]。得益于3D打印技術(shù)的進步和仿生機器人研究的深入，軟體機器人研究成為業(yè)內(nèi)研究的熱點，得到廣泛的關(guān)注[6]。軟體機器人本體采用柔性材料，可連續(xù)變形，從原理上具有無限自由度[7-8]。JORAN W等[9]設(shè)計的一款基于人工肌肉的機器人皮膚，可以包裹任意軟體，誘導(dǎo)所需的運動和變形，用于設(shè)計具有不同功能或步態(tài)的多個可控軟體機器人，以適應(yīng)不同環(huán)境的需求。隋立明等[10-11]設(shè)計的一種基于氣動軟體驅(qū)動器的爬行機器人，模仿環(huán)節(jié)動物的縱肌與環(huán)肌功能，通過蠕動的方式實現(xiàn)平面或管道中的運動。

目前多足機器人研究的方案有這樣幾個特點：

(1) 傳統(tǒng)的基于連桿機構(gòu)設(shè)計的關(guān)節(jié)機器人，剛性有余，柔性不足，機構(gòu)設(shè)計復(fù)雜并且驅(qū)動控制難度大；

(2) 基于自然界軟體動物的特征所設(shè)計的各種仿生軟體機器人設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)蠕動、游動等爬行動作，但剛性不足輸出力有限，且轉(zhuǎn)向步態(tài)控制不夠靈活。

綜合上述情況，本研究所提出的基于仿生四足機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計具有以下特點：

(1) 每一條腿由中間的鋼絲立柱和周圍4根并行配置的人工肌肉組成，實現(xiàn)了仿生的剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)設(shè)計，由于利用鋼絲彈性變形從而無需設(shè)計轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單；

(2) 整個平臺配置的4條腿通過邏輯組合，可以實現(xiàn)多種步態(tài)以及原地轉(zhuǎn)向的特征，相比于傳統(tǒng)剛性連桿機構(gòu)多足機器人，控制方案簡單、可靠。

本研究基于仿生剛?cè)峄旌向?qū)動原理，提出并設(shè)計了一種具備二自由度轉(zhuǎn)向控制的剛?cè)峄旌向?qū)動單腿結(jié)構(gòu)，并進行了四足機器人組合步態(tài)規(guī)劃理論分析和實驗研究，為今后軟體仿生機器人的研究提供了基礎(chǔ)。

1 機構(gòu)設(shè)計及腿部分析

1.1 機構(gòu)設(shè)計

氣動仿生軟體四足機器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該仿生機器人由1塊主體板、16根氣動人工肌肉單元、4塊底腳板組成，考慮在未充氣狀態(tài)下的支撐問題，在四足的中心加上4根外徑為4 mm的鋼絲。根據(jù)圖1制作出實物如圖2所示，氣動軟管與氣閥之間安裝有節(jié)流閥，通過旋鈕可調(diào)節(jié)充氣、排氣速度。

1.2 腿部分析

對腿部結(jié)構(gòu)分析，腿部擺動原理如圖3所示。

1.氣動軟管 2.連接附件1 3.氣動人工肌肉4.連接附件2 5.底腳板 6.鋼絲 7.主體板圖1 氣動仿生軟體四足機器人結(jié)構(gòu)

圖2 氣動仿生軟體四足機器人實物

圖3 腿部擺動原理

當(dāng)未充氣時氣動肌肉處于放松狀態(tài)，在腿部設(shè)計中加上1根鋼絲。根據(jù)氣動人工肌肉的工作原理，單個方向使用2根氣動人工肌肉，1根充氣收縮，對側(cè)排氣，拉動鋼絲變形從而實現(xiàn)腿部的擺動。

根據(jù)腿部擺動原理對腿部擺動進行分析，如圖4所示。

圖4 腿部運動分析

每1對氣動人工肌肉都是一側(cè)充氣，一側(cè)排氣，即一側(cè)拉伸，一側(cè)收縮，如圖4所示，設(shè)置氣壓為0.3 MPa,每一條腿可在前后左右4個方向上擺動40°的范圍。

2 控制原理及步態(tài)規(guī)劃

2.1 控制方案設(shè)計

氣動仿生軟體四足機器人的控制原理如圖5所示。

圖5 四足機器人控制原理圖

四足機器人采用開環(huán)控制，連上氣源，將編寫好的程序?qū)氲紸rduino Mega 2560中，使用Joystick手柄按鍵控制機器人的步態(tài)，當(dāng)手柄按下按鍵時給Arduino控制板1個電位信號，程序中設(shè)計好的開關(guān)順序來改變Arduino的IO口輸出狀態(tài)，通過繼電器模塊將信號發(fā)送給電磁閥組，通過閥的開關(guān)改變機器人4條腿中16個氣動肌肉單元的伸縮變化，從而實現(xiàn)機器人步態(tài)變化。

2.2 氣動人工肌肉分布

氣動仿生軟體四足機器人中的氣動人工肌肉布局如圖6所示，采用菱形布局，用數(shù)字1～16代表氣動肌肉，在每個方向上使用2根人工肌肉，在前進過程中，3、4，7、8，11、12，13、14不參與充放氣，當(dāng)1充氣收縮，2拉伸，1收縮產(chǎn)生的收縮力拉動鋼絲發(fā)生形變，左前腿向前邁出。在左轉(zhuǎn)過程中1、2，5、6，9、10，15、16不參與充放氣，當(dāng)3充氣收縮，4拉伸，3收縮產(chǎn)生的收縮力拉動鋼絲發(fā)生形變，左前腿向左邁出。

圖6 氣動肌肉分布圖

2.3 步態(tài)規(guī)劃及控制

前進、后退步態(tài)相似，以前進步態(tài)為例，根據(jù)圖6所示的肌肉分布，左前腿、右前腿同時向前邁進，其余2條腿保持不動(如圖7b所示)，接著左前腿、右前腿向后擺動(如圖7c所示)，左后腿、右后腿同時向前邁進，左前腿、右前腿保持原狀態(tài)(如圖7d所示)，接著左后腿、右后腿向后擺動(如圖7e所示),重復(fù)上述動作，實現(xiàn)機器人的直線行走。

圖7 前進狀態(tài)示意圖

根據(jù)本研究所設(shè)計機器人特點，當(dāng)1，3同時充氣時，會同時產(chǎn)生橫向和縱向的牽引力，使用相同的氣壓，能使機器人的腿向與豎直方向45°角的方向擺動，如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃

圖8a為初始狀態(tài)，首先左前腿和右后腿向左前方擺動，右前腿和左后腿不動(如圖8b所示)，隨后左前腿和右后腿向右后方擺動(如圖8c所示)，接著右前腿和左后腿向左前方擺動，左前腿和右后腿不動(如圖8d所示)，最后右前腿和左后腿向右后方擺動(如圖8d所示)，完成一個動作循環(huán)，重復(fù)上述動作，實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎步態(tài)。

根據(jù)圖7中規(guī)劃的前進步態(tài)，對氣動肌肉充氣、排氣順序進行設(shè)計，每一個氣動人工肌肉都由電磁閥控制，閥通電對應(yīng)氣動人工肌肉充氣，閥斷電時保持原有狀態(tài)，圖7前進過程中各個狀態(tài)對應(yīng)的氣動人工肌肉通氣狀態(tài)(即電磁閥通電狀態(tài))如表1所示。

表1 前進步態(tài)電磁閥通電狀態(tài)

根據(jù)圖8中規(guī)劃的轉(zhuǎn)彎步態(tài)，圖8轉(zhuǎn)彎過程中各個狀態(tài)對應(yīng)的氣動人工肌肉通氣狀態(tài)(即電磁閥通電狀態(tài))如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)彎步態(tài)電磁閥通電狀態(tài)

3 實驗驗證

首先對氣動人工肌肉可行性進行驗證，如圖9所示，當(dāng)氣動人工肌肉充氣時，內(nèi)層橡膠管充氣膨脹，在膨脹過程中受外層編織網(wǎng)壓迫，橡膠管的變形只能在徑向產(chǎn)生，橡膠管的直徑變大，整體收縮，與執(zhí)行機構(gòu)相連，就會產(chǎn)生收縮力[12]，多個氣動人工肌肉可以按任意方向、位置組合，不需要整齊的排列[13]。

圖9 人工肌肉的可行性驗證

通過實驗驗證人工肌肉可以產(chǎn)生收縮力，驅(qū)動四足擺動。

接著對所規(guī)劃的步態(tài)進行驗證，首先對前進步態(tài)進行驗證，調(diào)壓到0.25 MPa，結(jié)果如圖10所示。

圖10 前進步態(tài)驗證

通過手柄控制，圖10a～圖10f為圖7中規(guī)劃的前進過程中各個狀態(tài)。圖10中，a為初始狀態(tài)，b為左前腿、右前腿同時向前邁進，c時左前腿、右前腿向后擺動，d左后腿、右后腿同時向前邁進，e時向后擺動，完成1個動作周期，經(jīng)驗證設(shè)計的前進步態(tài)可行。圖11a～圖11e為圖8中規(guī)劃的轉(zhuǎn)彎過程中各個狀態(tài)。在圖11中，a為初始狀態(tài)，b時左前腿和右后腿向左前方擺動、右前腿和左后腿不動，c時左前腿和右后腿向右后方擺動，d時右前腿和左后腿向左前方擺動，e時右前腿和左后腿向右后方擺動，完成一個動作周期，經(jīng)驗證設(shè)計的轉(zhuǎn)彎步態(tài)可行。

圖11 轉(zhuǎn)彎步態(tài)驗證

4 結(jié)論

本研究所設(shè)計的新型氣動仿生軟體四足機器人使用了氣動人工肌肉，采用了Arduino控制，通過對16路開關(guān)量的順序控制來協(xié)調(diào)16根氣動人工肌肉的充氣、排氣順序，從而實現(xiàn)了機器人前進、后退、轉(zhuǎn)彎等多種步態(tài)，與傳統(tǒng)連桿多足機器人相比結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，充分體現(xiàn)了軟體仿生機器人多自由度的靈活性，在實驗中發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整氣壓的大小，充放氣的速度，理論上可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的移動步態(tài)，例如4條腿按順時針方向45°向外擺動，實現(xiàn)機器人的原地旋轉(zhuǎn)，可應(yīng)用于更加復(fù)雜的工作環(huán)境。

本研究提供了一種仿生軟體機器人的設(shè)計方案，豐富了氣動人工肌肉的應(yīng)用，驗證了氣動人工肌肉應(yīng)用在多足機器人移動中的可行性，同時為氣動人工肌肉和仿生機器人的研究提供了參考。