基于弧形腿的可調(diào)多輻條六足機(jī)器人設(shè)計研究

張又元 王 琢 張子超 趙漢青 劉佳鑫 李丹丹*

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150040）

常見的機(jī)器人運動方式有輪式、履帶式和足式，這三種運動方式各有優(yōu)缺點，輪式移動效率最高，但是在較為崎嶇的地形上運行不便。相反足式機(jī)器人的越障能力明顯優(yōu)于輪式機(jī)器人，但是運動效率較低無法快速移動。履帶式機(jī)器人雖然集成了前兩者的優(yōu)點但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比較笨重。結(jié)合輪式與足式特點設(shè)計輪腿復(fù)合式機(jī)器人可以協(xié)調(diào)不同腿的動作使機(jī)器人在高速行駛的基礎(chǔ)上增加一定的越障能力。其中美國密歇根大學(xué)研制的RHex 系列六足機(jī)器人較具有代表性。

本文以RHex 為設(shè)計藍(lán)本設(shè)計多輻條的六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)，在運行的穩(wěn)定性以及速度上強(qiáng)于RHex，并通過仿真對機(jī)器人特性進(jìn)行研究。

1 多輻條弧形腿六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

借鑒RHex[1-2]機(jī)器人的構(gòu)造本文所設(shè)計的六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)分為機(jī)體部分和輪腿部分如圖1 所示。機(jī)體部分由鋁合金板材拼接而成，整體尺寸為818mm×427mm×156mm，內(nèi)部裝有傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、控制電路和電源四部分。機(jī)身兩側(cè)對稱分布有六個直流電機(jī)為輪腿提供動力。其中位于中間的電機(jī)座分布較前后電機(jī)座分布向外平移一定寬度，這樣可以避免運動過程中中間輪腿與前后兩個輪腿相互阻礙導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)。每個弧形單足半徑為122mm，弧長287.46mm，所對圓心角度為135°。電機(jī)聯(lián)軸器和弧形足均為鋼制，保證其耐久度。

圖1 多輻條弧形腿六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

聯(lián)軸器設(shè)計大體為柱狀體，以軸心為交點的正交方向上分別開有四個卡槽用來安裝輻條連接件，每個輻條可以定制成不同弧度，使得機(jī)器人可隨機(jī)更換弧形輻條以及增加輻條數(shù)目，目前可實現(xiàn)六足六幅條，六足十二輻條以及六足二十四幅條三種工作形態(tài)，這樣可以有效提高機(jī)器人的運行速度和運行穩(wěn)定性。

機(jī)器人的每個足的髖部由一個M3508 直流無刷減速電機(jī)驅(qū)動，該電機(jī)減速箱減速比為19：1，并配有相應(yīng)的C620 驅(qū)動電調(diào)可實現(xiàn)正弦波驅(qū)動。

2 機(jī)器人步態(tài)分析

對于仿生類機(jī)器人，步態(tài)是指機(jī)器人的各個腿（足）按照一定的時間次序周期性擺動。研究步態(tài)前先明確如下幾個概念[3]：

（1）擺動相：腿（足）底離開地面邁步到再次落地之間的時間；

（2）支撐相：腿（足）底接觸地面承受重力的時間；

（3）步態(tài)周期：腿（足）完成一個完整步的時間；

（4）占空比：各個腿（足）處于支撐相的時間與步態(tài)周期的比值。

2.1直線行走步態(tài)分析

將機(jī)器人的六足按逆時針編號，如圖2 所示。人們研究發(fā)現(xiàn)多足生物的兩相行走過程可以使用彈簧倒立擺模型（SLIP 模型）來預(yù)測[4-5]，筆者在哈爾濱工業(yè)大學(xué)對其正確性的驗證[6]基礎(chǔ)上增加多輻條設(shè)計并設(shè)計其運動步態(tài)。當(dāng)每個足部安裝一個輻條或是兩個輻條時機(jī)器人的運動其實是模仿“六足綱”昆蟲移動。機(jī)器人每個輪腿只有一個髖部自由度，進(jìn)行過程中采用異步步態(tài)中的三足交替步態(tài)[7]。這種步態(tài)常用于在較為平坦的路面上行走，每條腿的支撐相與擺動相比例約為1：1，占空比為50%。

圖2 輪腿編號

每個輪腿掛載一個輻條或者兩個輻條時將機(jī)器人運動狀態(tài)分為啟動態(tài)和運行態(tài)。因為確定好初始位姿后有助于運行態(tài)的步態(tài)分析，提高運行效率。同時還因為M3508 電機(jī)并不能獲得轉(zhuǎn)子的絕對位置。啟動態(tài)中設(shè)計了兩個動作，啟動時命令所有輪腿順時針慢速旋轉(zhuǎn)至弧形腿于地面相切并將其標(biāo)記為第一個動作，此時分別記錄六個電機(jī)的位置編碼信息P1。隨后六足同時轉(zhuǎn)動克服機(jī)體自身重力做功至機(jī)器人站立并將其為第二個動作，這個動作要求各個電機(jī)相對各自的位置編碼P1逆時針旋轉(zhuǎn)π/2 到位置編碼P2處。

運行態(tài)中我們將6 足分為呈三角分布的兩組，1、3、5 號足為O1組，2、4、6 號足為O2組，工作狀態(tài)簡述如下：

（1）直線運行時一個步態(tài)周期前半周期中1、3、5 號足處于支撐相，2、4、6 號足向前擺動。

（2）后半周期兩組足交換工作，1、3、5 號足向前擺動，2、4、6號足處于支撐相。

但是在實際運動過程中，為了提高運作效率，還需分析兩組輪腿的配合過程。單個輪腿掛載一個輻條時O1組向前轉(zhuǎn)動的同時O2組以低于O1組的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，保證在O1組輪腿與地面相切時，O2組輪腿足尖即將離開地面，這樣才能使得工作狀態(tài)切換平滑且減小對電機(jī)的沖擊。

圖3 一個輻條時工作狀態(tài)切換

單個輪腿掛載兩個輻條時，以O(shè)2組輪腿的弦與地面垂直且O1組的弦與地面水平為輪腿旋轉(zhuǎn)周期的起始點，兩組輪腿的相位差為π/2，當(dāng)O1組輪腿向前擺動時，O2組輪腿也以同樣的轉(zhuǎn)速向前擺動但始終接觸地面來支撐機(jī)體，當(dāng)O1組輪腿與地面相切時O2組輪腿足尖也即將離開地面從而實現(xiàn)工作狀態(tài)1）切換至工作狀態(tài)2）此后兩組輪腿的相位差始終保持π/2。

這時腿部所需力矩為：

圖4 切換時參數(shù)

計算得到T=2.6N·m 可認(rèn)為電機(jī)在運作過程中持續(xù)以該扭矩輸出，而M3508 電機(jī)所能提供的持續(xù)最大扭矩3N·m 證實了設(shè)計的可行性，經(jīng)綜合考慮可在每個輪腿的足底包裹海綿膠以此來吸收工作狀態(tài)1）和2）切換時地面的沖擊，并且對于每個電機(jī)單位采用PID 閉環(huán)控制以提高電機(jī)輸出能效比。當(dāng)機(jī)器人單足掛載四個輻條時便可不必使用三足交替步態(tài)，可采用近似輪式控制方式的同步步態(tài)，這種情況將在控制難度上得以簡化并且運動效率和穩(wěn)定性大幅提升。

2.2 越障步態(tài)分析

當(dāng)每個輪腿掛載1 個輻條或者2 個輻條時采用同步步態(tài)運動，將六個輪腿按前（F）、中（M）、后（B）分為三組，每次運動時同一組的左右兩邊的輪腿處于同一相（即同支撐相或同擺動相），以爬臺階為例，一個完整的工作狀態(tài)如下：

（1）F 組處于擺動相至Fl和Fr都接觸到臺階并運動至支撐相，這個過程中M組和B 組處于支撐相支撐機(jī)體。

（2）在（1）過程結(jié)束后，F(xiàn) 組與B 組處于支撐相支撐機(jī)體，M組重復(fù)（1）中F 組的工作流程。

（3）在（2）過程結(jié)束后，F(xiàn) 組與M組處于支撐相支撐機(jī)體，B組重復(fù)（2）中M組的工作流程。

當(dāng)每個輪腿掛載四個輻條時便采用輪式機(jī)器人的控制方式，直接控制六個輪腿以某種轉(zhuǎn)速驅(qū)動機(jī)器人翻越障礙。

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件電路系統(tǒng)設(shè)計

硬件電路系統(tǒng)設(shè)計主要分為控制電路部分和驅(qū)動電路部分。控制電路的主控芯片采用Cortex-M4 內(nèi)核的STM32F407 系列32 位微處理器，該芯片擁有高達(dá)168MHz 主頻和1MB 閃存以及多路DMA 通道[8]，并設(shè)計相應(yīng)的外圍驅(qū)動電路。電機(jī)驅(qū)動電路采用C620 電調(diào)配合中心板。控制方案采用CAN 總線分布式控制[9]。C620 電調(diào)負(fù)責(zé)驅(qū)動M3508 電機(jī)的同時采集電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器數(shù)據(jù)得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，位置和實際溫度并將這些信息通過CAN 總線回傳到STM32MCU 用于對于每個電機(jī)控制任務(wù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)速位置雙閉環(huán)控制。傳感器模塊通過IIC 總線和串行通信接口將姿態(tài)數(shù)據(jù)以及GPS 位置信息回傳到STM32MCU 進(jìn)行姿態(tài)結(jié)算和狀態(tài)處理。

3.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計以實時操作系統(tǒng)FreeRTOS[10]為平臺進(jìn)行開發(fā)，因為該操作系統(tǒng)目標(biāo)代碼小，簡單易用且免費開源，編程語言采用C 語言，總體分為通信模塊、電機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)解算模塊。再分別建立初始化任務(wù)、運動任務(wù)、串口通信任務(wù)、傳感器數(shù)據(jù)獲取任務(wù)等，從而實現(xiàn)機(jī)器人的常規(guī)實時運動管理和環(huán)境信息獲取及處理，實現(xiàn)平地行走及障礙翻越功能。

3.2.1 通信模塊。在電路設(shè)計時執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電路以及一些外設(shè)的驅(qū)動電路沒有集成在主控電路上，而是獨立封裝的電調(diào)和獨立的驅(qū)動電路。所以對于電機(jī)的控制方式和其他執(zhí)行器控制采用收發(fā)命令的方式，通信任務(wù)將自動接收總線上的命令并通過相應(yīng)的協(xié)議將控制命令發(fā)送至總線上。

3.2.2 電機(jī)控制模塊。將機(jī)器人身上的電機(jī)控制方式分為兩類：速度控制和角度控制，對于速度控制采用經(jīng)典的增量式PID[11]，而角度控制則采用串級PID 控制[12]并將六個電機(jī)單元抽象為統(tǒng)一的對象，為每個對象開辟獨立內(nèi)存空間用于存放電機(jī)運行參數(shù)以及控制運算時的參數(shù)。

3.2.3 數(shù)據(jù)解算模塊。因為機(jī)器人系統(tǒng)中的執(zhí)行器控制協(xié)議不一，因此需要有針對不同協(xié)議的數(shù)據(jù)解算過程，編寫相應(yīng)的程序為了各個任務(wù)以及主程序獲取不同類別執(zhí)行器的反饋信息以及向發(fā)送模塊傳送不同執(zhí)行器的控制命令。

每個任務(wù)通過調(diào)用以上三個模塊來完成相應(yīng)的邏輯，方便了單獨任務(wù)的程序編寫，降低任務(wù)與任務(wù)之間的耦合程度。

4 仿真驗證

筆者在Solidworks 軟件中對單個輪腿掛載一個輻條的工作情況進(jìn)行直線運動仿真，其結(jié)果截圖如圖5。

圖5 仿真截圖

筆者在Solidworks 軟件中對單個輪腿掛載兩個輻條的工作情況進(jìn)行直線運動仿真，其結(jié)果截圖如圖6。

仿真結(jié)果驗證了本文步態(tài)規(guī)劃的正確性和合理性。

5 結(jié)論

以RHex 機(jī)器人為設(shè)計藍(lán)本，本文設(shè)計的輪腿式機(jī)器人吸收RHex 機(jī)器人的優(yōu)點同時設(shè)計出可更換輪腿輻條數(shù)目的新型六足機(jī)器人，結(jié)合輪式與腿式機(jī)器人的優(yōu)點，可根據(jù)不同應(yīng)用場合掛載不同數(shù)目的輻條以便獲得最高的運動效率和穩(wěn)定性并且該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單易于維護(hù)。同時在SolidWorks 中對所設(shè)計的機(jī)器人進(jìn)行了運動仿真，驗證了本文所提出的機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃的可行性。可對機(jī)械結(jié)構(gòu)和安全防護(hù)方面做深一步研究使之應(yīng)用到小型林場巡檢，地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。

圖6 仿真截圖