基于系統建模的仿生機器人研究

宋君君

（德州職業技術學院，山東德州 253034）

0 引言

隨著社會經濟的迅速發展和社會生產力水平的進一步提升，仿生設計的重要性被逐漸挖掘。在機械設計過程中充分發揮結構仿生設計的優勢，有助于促進機械設計理念的創新，對促進人類社會的發展進步大有裨益。基于此探析結構仿生設計方法及其在機械領域中的應用，具有十分重要的現實意義。

1 系統設計框架

本設計根據牛的特性，以牛靜態行走作為四足機器人仿生模型，對機器人進行建模，采用先進的3D 打印技術制作仿生機器人“孺子牛”，產品采用Arduino 控制系統實現穩定控制，通過對四足機器人進行優化改良，構建了獨特的仿生運動系統（圖1）。

圖1 仿生機器人

1.1 工作原理

本產品應用運動學分析方法，提升波動步態最大步幅運動時的穩定裕度，使四足機器人以不同速度行走時，對機體的電機控制參數加以修正，保證機器人穩定行走。也應用仿生研究方法，借助中樞模式發生器的組織協調方法與運動中樞的分解功能，運用適用于四足機器人的仿生控制系統作為運動的主要控制裝置。

1.2 硬件結構

（1）機械部分。仿生牛整體的零部件是采用3D 打印技術打印制作，頭部和頸部等大的結構基本由螺絲連接，腿部的關節運動通過舵機控制，語言模塊和超聲波模塊分別位于牛頭頂部和牛眼睛內框。通信的藍牙、Wi-Fi 模塊和控制器在牛的背部。仿生牛整體協調，動作穩定。

（2）電氣部分。機械牛以專門的主板控制行動，以藍牙接收編輯的程序和執行動作的命令使其運動。支持較遠程的操作，相對于較大型的控制器成本小、體積小。機器人可以通過手機、語音進行控制，手機APP 控制界面操作簡單明晰，對機械牛的動作操作達到全方位的細節調整，實現動作過程中的精準管理。

1.3 軟件部分

主控流程如圖2 所示。

圖2 主控流程

控制方式：①電腦操控，使用電腦軟件對該產品進行操控；②語音操控，在5 m 內可以直接語音對話，使該產品進行一系列動作；③手機操控，運用手機APP 可以直接對該產品進行操控。

2 主要用到的關鍵技術

2.1 系統建模結合3D 打印

本產品以靜態牛行走作為四足機器人仿生模型，對機器人進行建模（圖3）。采用3D 打印技術制作模型；通過Arduino 控制系統實現運動控制，構建了獨特的仿生運動系統。依照牛的行走動作來設計此系統，具體為建立矢狀切面的四足機器人模型，即四足機器人前腿觸地壓縮而后腿未觸地階段、前、后腿觸地階段[1]。

圖3 系統建模

2.2 Arduino 控制技術

操作明晰的Arduino 控制系統，采用了Arduino 驅動程序，它是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，對機械牛的動作操作達到全方位的細節調整，實現動作過程中的精準管理。推動操作系統向簡便化和精細化發展。Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino 板）和軟件（Arduino IDE）。本項目所用核心控制硬件為Arduino nano，Arduino IDE 是Arduino 產品的軟件編輯環境。

機器人可以實現“前進”“后退”“右轉”“左轉”“停止動作”“步行”“原地踏步”“坐下”“插手”“自動跟隨”“搖擺動作”“起臥動作”“自動行走”“踢球”等動作。程序中主要有兩種姿態需要計算，涉及兩個不同的計算代碼公式，分別是步行姿態（步行計算代碼公式）和原地踏步姿態（踏步計算代碼公式）。

舵機校準位置，是機器人程序校準模式中舵機要求轉到的位置。即腿部與腳部成一直線，腿部和身體垂直。從側面和前后看，四足和身體都成站立姿勢。H 是腿部舵機軸心到地面距離，Lhip是腿部舵機軸心到腳部舵機軸心的距離，Lleg是腳部舵機軸心到腳部前端的距離（圖4）[2]。腿部長度Lhip和腳部長度Lleg可從零件本身測量；離地高H 為要求的高度數，不能設定得太高或太低。在姿態計算中，Lhip、Lleg和H 為已知數，需在程序起始設定好。

在原地踏步姿態中，需要在運動過程中，腿部舵機軸心與腳部零件前端一直保持在一條直線上且直線垂直地面。要達到這一要求，就要保持圖4 中的L 長度不變，且L 線與H 線保持垂直。a 是腿部舵機實時位置與校準位置的夾角，而b+a 就等于腳部舵機實時位置與校準位置的夾角。

圖4 四足機器人腿部姿態計算

在Arduino 編程中，所有涉及三角函數的計算，其中角的數字都不是角度，而是弧度，因此需要將角度和弧度相互轉換，轉換公式為：弧度=角度×π/1802，π是程序中的圓周率。9g 舵機控制程序中輸入數字變化與實際舵機擺臂角度變化數之間有誤差，經檢測大致為：輸入數字×0.9=實際角度。如果使用的不是9g 舵機，則此公式可能不適用。

由于距離測量誤差和舵機轉動數和實際角度變化數轉換的誤差，在實際運用計算公式時，計算出的結果不一定能使機器人的動作協調平衡，因此也在公式中個別位置增加了補償數，這個數字是在實踐中嘗試得出，不是計算出來的。

3 技術性能指標

（1）動作指標：坐姿、握手、跟隨、原地踏步、站姿、前進、后退、左轉、右轉等動作都可進行。

（2）物料指標：驅動電池采用12 V 交流電源，傳感器采用電源直流3.6 V，控制器采用Arduino。

4 結論

與市場現有的機器人比較，在價格上有明顯差異，通過采用系統建模結合3D 打印技術的產品較為廉價，大幅降低了機器人的成本。在穩定性方面，市場上現有機器人性能與本產品差異不大。