雙足步行機器人下肢最小結構的設計與實現

薛仕道，周 娜

（?？诮洕鷮W院，海南 海口 571127）

0 引言

雙足機器人是一種人形機器人,非常適合在人類生活和工作環境中幫助人類完成工作。 雙足步行機器人由于它是一個復雜的動態系統,在步行模式下自動化程度最高,所以雙足機器人下肢的結構決定了機器人能否像人一樣行走,能否達到步態質量,從結構到控制、功能、質量、效率等,對整個機器人影響很大,而驅動設計是下肢結構設計的核心。

關于下肢的結構設計,腿部結構可分為串聯與并聯兩種方式。 串聯結構的一個特點是它的方法更具描述性,也更容易理解,定位正確,因此傳統的雙足機器人結構主要采用串聯,國內很多兩足機器人都采用串聯的結構。

1 國內研究現狀

國內在仿人雙足步行機器人的研究方面也取得了很大的成就,哈爾濱工業大學相繼研制出雙足機器人HIT＿L,HIT＿II,HIT＿II19-231。 國防科技大學研究出了KDW＿ I,KDW＿II 和 KDW＿II 機器人,能夠行走、前進和后退。 北京理工大學黃強教授開發了仿人機器人BHR-1291 和BHR-21301,可以通過傳感器檢測其平衡狀態及其與地面高度的變化,實現在未知地面上的行走,并能夠進行太極拳和劍術的表演；上海交通大學人形機器人SFHR 配備了能夠識別目標和環境的主動視覺系統；清華大學開發了人形機器人THBIP＿132；南京航空航天大學開發了NAIWAR133,雖然靜態步態功能得到認可,但關于半被動步態的研究很少,效果不佳［1］。

2 足行機器人的總體結構

文章根據對人體腿部活動和關節自由度的研究,借鑒國內外兩足機器人自由度的分布情況,對兩足機器人下肢行走結構進行了研究。 其中下肢每條腿6 個自由度(3 個髖關節、1 個膝關節和 2 個踝關節）［2］。

3 雙足機器人下肢結構整體設計方案

簡化的人類下肢機制結構,如圖1 所示。 圖1 沒有展示次要的結構,僅展示完成步態過程的主要機制。細線部分對應人體下肢的骨骼肌,為人體的活動提供力量。 設計理念:步態系統采用兩只腳直立行走,能夠向前直線移動并在原地轉彎。 利用杠桿原理,電動伸縮推桿驅動腿部機構開始擺動,配合PLC 編程控制,實現規則的運動,從而達到行走和轉彎運動的目的。

圖1 人體下肢機構

4 神經反射控制器

4.1 傳統的控制策略

傳統的機器人控制一般采用軌跡規劃來規劃機器人的軌跡,逆運動學計算每個結構的角度,然后應用特定的控制策略,控制結構按照預設的軌跡運動。 通常,機器人使用PD 控制器完成規定的動作,TOWERPRO MG996 含有一組PD 控制器,不過PD 控制器極易把噪音擴大,所以將內置PD 控制器設置成合適的增益,然后和模糊控制器相互配合,可獲得最好的結果［3］。

4.2 仿生學控制介紹

現在,利用仿生學實現半被動行走主要有兩種方法:一種是利用生物中樞模式發生器(Central Pattern Generators,CPG）。 CPG 無須上級控制信號即可使用,其自發產生穩定的、有節奏的運動,所以在研究被動機器人控制方法時,可以建立在此模型的基礎上,比如卡內基梅隆大學的Dynamic Biped Project。 一種是基于神經反射的,借鑒人類神經系統對外界的反射進行對機器人行走的控制,例如斯圖靈大學的 RUNBOT。 不管是CPG 還是神經反射控制,都是利用機器人自身的動態特性,在步態周期內進行隱式計算,結合機器人獨有的動態公式進行耦合計算,這樣不但使控制系統簡單化,也充分發揮了機器人的動態特性。 現在國內通常使用的是基于模型的控制方案,在仿生控制領域的研究欠缺［4］。

5 系統介紹

雙足步行系統由機器人本體和控制系統組成,機器人本體由軀干、大腿和小腿組成,髖關節和膝關節處可以轉動,踝關節和小腿固定,腳底裝有壓力傳感器,用來檢測觸地情況,大腿和小腿還裝有傾角傳感器,用來檢測傾斜角度。 這些傳感器得到的數值反饋給神經反射控制器,再由神經反射控制器輸出髖關節和膝關節的轉動力矩,從而實現機器人的動態穩定步行,整個機器人實體由動力學仿真軟件ADAMS 模擬,關節采用旋轉副連接,腳與地面之間施加了接觸力和摩擦力［5］。

6 雙足步行機器人研究中存在的問題

文章主要研究了人體下肢的結構特點,設計了小型雙足步行機器人的結構,分析了整個機構的最大運動空間和機構的極限條件。 設計了雙足機器人的整體結構,對人體下肢機構、動力源選擇、自由度確定、控制系統等進行了研究。 目前對雙足步行機器人的研究還有很多的弊端:第一,設計了實體結構并提出了控制策略,但不進行實體驗證,僅能進行仿真驗證和分析。 第二,仿真驗證只做了平面環境的分析,并沒有進行斜面以及非平坦地面分析。 第三,將雙足步行機器人下半身結構再增加上半身結構,模擬人類行走的實際平衡及步態,進而上下樓梯、左轉及右轉等［6］,這些都是亟須解決的。

7 結語

雙足步行機器人雖然實現了前進、后退、左右轉彎等一些基本動作,但是后續需要對雙足步行機器人的穩定性、平衡性、易調性、可擴展性、抗干擾性等方面作進一步的研究,優化行走算法,開發具有更多自由度的自主智能雙足步行機器人。