一種交叉足步行機器人的設計

沈為清

（江蘇財經職業技術學院智能工程技術學院，江蘇淮安 223003）

0 引言

雙足步行機器人是典型的類人機器人，它憑借運動靈活、躲避障礙能力強及運動盲區小等諸多優勢，可以實現雙足行走、跨越障礙、上下樓梯等類人動作，能夠適應各種非結構性環境地形，取代人類在惡劣環境下完成具有危險性的工作，因此受到許多研究者的關注，成為當前機器人領域的研究熱點之一[1]。結構設計和智能控制成為重點研究方向。如韓軍等[2]設計了一種擺腰式無膝雙足機器人的機械結構，并進行了結構的運動分析；王高亮等[3]設計了一種可以翻滾的交叉足步行機器人；周江琛等[4]基于變質心高度策略，衛春芳等[5]采用多電機協同控制，施群等[6]在可變環境下使用智能仿生算法，董勝等[7]基于運動發散分量動力學分別研究了雙足機器人的行走策略、步態規劃與位姿控制等問題。本文則進行了一種可以實現類人的交叉步行走的機器人設計，分別從機械結構、控制系統和軟件程序3個方面詳細論述了機器人的設計過程，設計工作具有一定的實際應用及推廣價值。

1 機械結構設計

首先對人類的腿部關節進行運動分析。人類腿部關節的結構示意圖如圖1 所示，主要由髖關節、膝關節及踝關節組成。其中除膝關節只具有1 個自由度外（即繞3 軸的關節轉動），髖關節和踝關節各具有2 個自由度（二者可分別繞1 軸和2軸、4軸和5軸轉動）。考慮到過多的自由度會影響機器人雙足行走的穩定性，并增加后續步態規劃的復雜性，此處進行自由度的簡化，將髖關節和踝關節各去除1個自由度，形成單腿3自由度、雙腿6自由度的設計方案，如圖2所示。

圖1 人腿關節結構示意圖

由圖2 可知，為完成6 自由度的運動需求，分別在機器人雙腿的6 個關節處安裝6 個舵機，每兩個舵機之間用剛性連接件連接，螺栓緊固，形成機器人的“大腿”與“小腿”；每3 個舵機組成“1 條腿”，分別模仿人類的髖關節、膝關節和踝關節。舵機間的連接件選用鋁材，質量較輕且具有一定強度，如圖3所示。對于機器人的腳底板，為增強行走穩定性，選擇加寬加厚的鋁板，如圖4所示。實際調試過程中，鋁制的機器人腳底板與地板間的摩擦因數小，容易出現腳底板與地板摩擦力不足、機器人行走偏航的問題，此時還可在腳底板底部加裝橡皮墊，用于防滑，增大與地面的摩擦力，可顯著提升機器人的直線行走能力。

圖2 雙足步行機器人三維造型圖和實物圖

圖3 鋁制連接件

圖4 鋁制腳底板

機械結構設計完成后，基于6 自由度的雙腿可以進行雙足行走的步態規劃。設計中以人類在行走過程中先邁左腿、再邁右腿、最后實現兩腳合并為例，設計過程如圖5所示：首先左腿髖關節向前運動，達到圖5（b）圖姿態；左腿抬起的同時膝關節彎曲至圖5（c）姿態；然后使左腿前傾踝關節落地，完成邁左腿動作至圖5（d）；同時右腿髖關節向前運動，使右腿抬起的同時膝關節彎曲，完成圖5（e）、（f）姿態；然后使右腿前傾踝關節落地，完成邁右腿動作至圖5（g），最后實現左右兩腳合并，完成“走一步”動作。由于機器人的行走可以看作是多個步態的組合，因此，在規劃好一個步態之后，其他步態仿效此步態即可。

圖5 雙足步行機器人步態規劃圖

上述機器人的雙足運動方案，只是對人類在雙腿運動過程中髖、膝及踝關節運動的大致模仿，與真實的人類步行在細節之處仍存在很多不同，因此無法像人類一樣時刻保持身體平衡與運動平穩。在實際制作機器人時，還需進行多次調試，以確定機器人在行走過程中每個舵機轉動的最佳角度，保證機器人運動的平穩性。

2 控制系統設計

控制系統設計主要包括主控模塊、驅動模塊和電源模塊設計。設計過程分述如下。

2.1 主控模塊

主控模塊是機器人的“大腦”，負責接收、存儲和運行上位機發送過來的程序，控制舵機按照預設參數轉動一定角度，實現雙足行走等相關動作。本次機器人設計的主控制模塊選取24 路舵機控制板，如圖6 所示。其主要由供電模塊、下載模塊及存儲模塊組成。MINI-USB 接口提供舵機控制板與上位機相連，可實現程序下載功能；程序調試好后可存儲至板載256 kB 存儲卡內；供電模塊上電后，機器人就可脫機運行。

圖6 24路舵機控制板

2.2 驅動模塊

驅動模塊主要由6個180°數字舵機組成，如圖7所示，其主要參數為：自重約44 g，整體尺寸為40.5 mm ×20.5 mm ×38 mm，工作速度為0.14～0.16 s/60°，扭矩為4.2～5 kg/cm，額定電壓為4.5～5.5 V，正常工作電流200 mA。該舵機扭矩經理論測算和實物測試能夠帶動鋁制連接件運動，性能可靠，同時具有堵轉保護功能，堵轉3 s后可自動降低電流，以保護內部馬達及電板，能夠較好地滿足本次雙足步行機器人的設計及應用需求。

圖7 180°數字舵機

圖8 7.4 V航模電池

2.3 供電模塊

機器人設計選擇7.4 V 航模鋰電池供電，如圖8 所示，由于舵機控制板內已配置有降壓模塊，可將電源電壓穩定在3～5.5 V 安全數值范圍內，故無須外接降壓模塊。經過實際測試，該電源完全能夠符合雙足步行機器人的設計運行要求。

3 軟件設計與調試

圖9 上位機軟件操作界面

步行機器人的機械結構與硬件設計完成后，就可以進行軟件設計了。本次設計通過與圖6所示舵機控制板配套的上位機軟件進行。該軟件可安裝在電腦運行，圖9所示為軟件的設計操作界面。軟件通過電腦USB口與舵機控制板的MINI-USB口相連，實現程序寫入。聯機成功后，可通過鼠標滑動滑桿或者輸入數值范圍調節舵機參數，實現舵機不同角度的轉動；每調試一段指令后，可點擊“插入”按鈕，便可在“命令列表”內自動生成動作指令。當機器人的整套程序調試完畢后，可點擊“下載”按鈕，程序便能夠自動寫入至舵機控制板上的板載動作存儲卡中。拔下下載線，打開機器人電源開關，機器人便可按照之前設置的程序完成相應的動作。

4 結束語

本文論述了一種交叉足步行機器人的設計過程與實現方法，按上述設計流程和方法制作的交叉足步行機器人，經實物制作測試能夠實現既定的雙足交叉行走功能。設計工作為今后從事雙足機器人更為復雜的翻轉、跳躍動作積累了經驗，同時為從事相似原理的類人仿生機器人的研究提供了有益借鑒。