應(yīng)振強(qiáng)　張林　吳振宇

摘 要 為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)足式機(jī)器人的步態(tài)控制，本文提供了基于Freescale K60的一種相對易行的控制器設(shè)計(jì)方案。介紹了控制器任務(wù)調(diào)度方案、基本模塊設(shè)計(jì)、步態(tài)算法設(shè)計(jì)，以及通訊方案。

【關(guān)鍵詞】旋轉(zhuǎn)足式機(jī)器人 步態(tài) 六足機(jī)器人

足式機(jī)器人能夠通過移動足靈活地調(diào)整行走姿態(tài)，具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，但往往速度慢，負(fù)載少；輪式機(jī)器人解決了以上問題，但往往只能應(yīng)用于平地運(yùn)輸。UlucSaranli提出了一種旋轉(zhuǎn)足式的機(jī)器人[1]，使得其能夠兼得兩者的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以全地形奔跑，還可以越障、爬梯、跳躍、甚至用兩腿直立行走。但與此同時，靈活性也帶來了控制的復(fù)雜性，為了使機(jī)器人完成復(fù)雜多樣的任務(wù)，需要編寫方便擴(kuò)展的軟件。本文旨在提供旋轉(zhuǎn)足式機(jī)器人步態(tài)控制器設(shè)計(jì)的一種可行方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

要完成爬梯，越障，運(yùn)動物體跟隨、地形探測等任務(wù)，系統(tǒng)需要配備攝像頭，如果要完成更豐富的任務(wù)，就需要安裝更多的傳感器。應(yīng)付諸多的數(shù)據(jù)需要強(qiáng)勁的處理器，應(yīng)采用嵌入式技術(shù)來解決，而對于完成步態(tài)控制則完全可以通過一款性能較低的處理器，無需嵌入操作系統(tǒng)，直接通過裸機(jī)實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)采用S3C6410處理視覺和行動策略選擇，采用FreescaleK60作為步態(tài)控制器，通過串口獲取上層命令，執(zhí)行相應(yīng)行動策略。位置測量方案采用霍爾傳感器AS5040，電機(jī)驅(qū)動芯片采用BTS7971。Freescale公司Kinetis K60系列單片機(jī)，工作電壓1.71-3.6V，采用ARM Cortex-M4內(nèi)核，其性能可達(dá)到1.25 Dhrystone MIPS /MHz，完全可以勝任步態(tài)控制的工作。另一方面，通過將步態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分離出來，使得步態(tài)控制不會受其他無關(guān)任務(wù)干擾，也提供了統(tǒng)一的接口，可以與各種上層嵌入式系統(tǒng)連接，兩層之間相互獨(dú)立，更加靈活。

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

2 模塊管理者

本系統(tǒng)采用RHexLib的模塊管理者機(jī)制作為任務(wù)調(diào)度的軟件實(shí)現(xiàn)方案。在RHexLib中，模塊定義為需要周期性調(diào)度的任務(wù)單元，通過模塊管理者管理各個模塊的活動，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。模塊通過模塊名和模塊號標(biāo)識，具有兩個屬性和三個狀態(tài)。如果模塊是可以被多個其他模塊使用的，則為多用戶性的，否則默認(rèn)為單用戶性的。另一個屬性輪詢性表明模塊是否需要頻繁被調(diào)用。

一個創(chuàng)建的模塊可能處于未初始化、未激活和活動狀態(tài)。它們之間的轉(zhuǎn)換通過模塊管理者的添加模塊、激活模塊，掛起模塊和釋放模塊四種操作實(shí)現(xiàn)。

下圖為一個模塊的生命周期示意圖2。

RHexLib對模塊的管理類似操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理，模塊的三個狀態(tài)可以對應(yīng)地看做進(jìn)程的阻塞、就緒、執(zhí)行狀態(tài)。同時也存在著以下區(qū)別：

（1）模塊創(chuàng)建后進(jìn)入未初始化狀態(tài)，而進(jìn)程創(chuàng)建后進(jìn)入就緒狀態(tài)。

（2）一個時刻只有一個進(jìn)程處于執(zhí)行狀態(tài)，而可以有多個模塊處于活動狀態(tài)，由模塊管理者決定唯一的模塊占用CPU。

在系統(tǒng)主循環(huán)里，模塊管理者不斷地順序執(zhí)行活動的輪詢性任務(wù)，同時周期性地執(zhí)行非輪詢性任務(wù)。模塊管理者的機(jī)制，一方面便于充分利用CPU，通過減少CPU空閑等待時間提高CPU的利用率；另一方面也使得工程代碼也具有了模塊性，具有便于管理的優(yōu)點(diǎn)。

3 基本模塊

為了完成步態(tài)，需要一系列模塊之間相互協(xié)作，下面介紹完成步態(tài)所需的基本模塊。

位置讀取模塊：本系統(tǒng)采用霍爾傳感器AS5040測量位置，由于電機(jī)攜帶減速箱，而霍爾傳感器安裝在電機(jī)內(nèi)側(cè)，所以無法直接測量外側(cè)足的位置。需要確定足的初始位置，通過傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算相對偏移位置，得到足當(dāng)前的絕對位置。足初始位置的校準(zhǔn)通過堵轉(zhuǎn)檢測模塊實(shí)現(xiàn)。

速度濾波模塊：對測得的速度值采用加權(quán)遞推平均濾波算法，以獲得可靠的速度值，防止異常值影響控制的穩(wěn)定性。

堵轉(zhuǎn)檢測模塊：如果速度的絕對值在小范圍內(nèi)持續(xù)的時間達(dá)到了一定時間值的話，則可判定為堵轉(zhuǎn)。通過堵轉(zhuǎn)檢測可以進(jìn)行碰撞檢測，從而感知地形。

電機(jī)控制模塊：本系統(tǒng)采用BTN7971B制作電機(jī)驅(qū)動，在軟件上，通過調(diào)整驅(qū)動電機(jī)的PWM輸出占空比大小和設(shè)置方向IO輸出電平的高低來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。

位置控制模塊：電機(jī)控制模塊結(jié)合位置讀取模塊得到的位置信息，采用PID控制算法對電機(jī)進(jìn)行控制，使得電機(jī)可以到達(dá)指定的位置。

4 步態(tài)分析

在RHex - A Simple and Highly Mobile Hexapod Robot一論文中，UlucSaranli對RHex進(jìn)行了建模和運(yùn)動分析，RHex的行走步態(tài)是一種交替三腳架控制：一側(cè)中間足和另一側(cè)的前后兩足構(gòu)成一個三腳架，六足機(jī)器人具有左右兩個三角架，任意時刻只需有一個三腳架即可支撐機(jī)器人。在一個三腳架支撐地面時，另一個三腳架擺動，而在支撐三腳架離開地面時，另一個三腳架落地做支撐，兩組三腳架交替進(jìn)行支撐和擺動，通過改變兩側(cè)足的擺動方向控制機(jī)器人的行走。兩側(cè)足同向進(jìn)行前進(jìn)后退，兩側(cè)足反向即可進(jìn)行原地左右轉(zhuǎn)。

其運(yùn)動分析如圖3。

本系統(tǒng)采用一種特殊的交替三腳架控制方式，這種方式易于編程實(shí)現(xiàn)。其特點(diǎn)在于每隔半個周期切換一次速度，兩組足同時切換。如圖4所示。

5 步態(tài)實(shí)現(xiàn)

UlucSaranli在Object-Oriented State Machines論文中提出了一種面向?qū)ο蟮臓顟B(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，這也正是RHexLib中的步態(tài)實(shí)現(xiàn)的解決方案。這個工具使得狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可以很清晰地轉(zhuǎn)換成代碼，實(shí)現(xiàn)對具有分立狀態(tài)的系統(tǒng)，通過監(jiān)視觸發(fā)事件進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換?；谶@種模式，可以方便地編寫狀態(tài)機(jī)協(xié)調(diào)機(jī)器人各個模塊完成步態(tài)執(zhí)行。

本系統(tǒng)沒有移植UlucSaranli的狀態(tài)機(jī)編程工具，而是采用一種較直觀簡潔的方式進(jìn)行控制。抓住六足移動的特殊姿態(tài)，定義姿態(tài)間的切換為一個動作，而步態(tài)為特征姿態(tài)的不斷轉(zhuǎn)換，即一系列動作的組合。本系統(tǒng)將動作作為控制的最小單位，通過設(shè)定各個足的目標(biāo)位置和旋轉(zhuǎn)方向，由動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)動作執(zhí)行時間計(jì)算每一時刻應(yīng)到達(dá)的位置并調(diào)用位置控制模塊，即可執(zhí)行一次動作。通過修改動作執(zhí)行時間可以控制機(jī)器人的速度。endprint

結(jié)合前面的運(yùn)動分析圖，特征姿態(tài)是六個足同時落地的時刻，行走只涉及兩個姿態(tài)的切換，只需要反復(fù)執(zhí)行兩個動作即可實(shí)現(xiàn)。

對于其他步態(tài)也可以按照找到特征姿態(tài)，劃分動作來實(shí)現(xiàn)。這種控制方式具有簡單直觀，易于編程的優(yōu)點(diǎn)。

6 通信方案

完成了基本步態(tài)的實(shí)現(xiàn)后需要指定底層步態(tài)控制器與上層的通信協(xié)議，本系統(tǒng)兩層采用以下方案，如表1。

遠(yuǎn)程控制模塊通過開始符和結(jié)束符確定一條命令的內(nèi)容，一條命令內(nèi)容包括一個字節(jié)的命令符和變長的參數(shù)，參數(shù)可以由上層采用sprintf函數(shù)打印到字符串中，遠(yuǎn)程控制模塊通過sscanf函數(shù)將字符串中的參數(shù)采用相同的格式提取到變量中，由于上層和下層都采用C實(shí)現(xiàn)，可以通過包含相同的頭文件進(jìn)行命令符，命令格式的匹配。

為了方便地觀察機(jī)器人的運(yùn)行情況，可以先獨(dú)立地對下層控制器進(jìn)行調(diào)試，本系統(tǒng)使用藍(lán)牙進(jìn)行無線調(diào)試，通過發(fā)送動作控制指令進(jìn)行對機(jī)器人的控制，并定時發(fā)送請求數(shù)據(jù)指令訪問機(jī)器人相關(guān)的數(shù)據(jù)。

7 仿真方案

本系統(tǒng)采用Webots進(jìn)行仿真測試。Webots是由瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院研制的一款專業(yè)多功能機(jī)器人研發(fā)軟件。如今，世界上已有1146多所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)采用Webots系列軟件進(jìn)行機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究。得益于其集建模、編程、仿真、程序移植為一體的優(yōu)點(diǎn)，我們可以對步態(tài)算法進(jìn)行測試，并快速移植到實(shí)體機(jī)上。如圖5、圖6所示。

通過仿真得到每一時刻兩組足位置的實(shí)際值，可以看出仿真結(jié)果比較理想，移植到樣機(jī)上效果良好，機(jī)器人運(yùn)行較為平穩(wěn)。

8 結(jié)束語

本文介紹了一種相對易行的步態(tài)控制器設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)采用的控制器任務(wù)調(diào)度方案、步態(tài)控制方案，通信方案具有普遍性，可以應(yīng)用到其他機(jī)器人的控制上。經(jīng)樣機(jī)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以完成旋轉(zhuǎn)足式機(jī)器人前進(jìn)后退左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)基本步態(tài)，并可以方便地添加自定義姿態(tài)動作。接下來，我們將結(jié)合本文的研究成果，進(jìn)行特殊步態(tài)的仿真研究，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的運(yùn)動，以幫助提高機(jī)器人對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。

（通訊作者：吳振宇）

參考文獻(xiàn)

[1]U.Saranl?，M.Buehler，and D.E. Koditschek，"RHex：A Simple and Highly Mobile Hexapod Robot，"The International Journal of Robotics Research，vol.20， no.7，pp.616-631，2001.

[2]austriamicrosystems.AS5040 Datasheet[M].Austria：austriamicrosystems，2006.

[3]infineon.BTN7971B Datasheet[M]. Germany：infineon，2008，06.

[4]U.Saranl?.RHexLib_manual-1.0 [EB/OL]http：//sourceforge.net/projects/rhex/files/，2002（08）/2014（08）.

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[6]Buehler M.Dynamic locomotion with one，four and six-legged robots[J]. Journal of the Robotics Society of Japan，2002，20（3）：15-20.

[7]U.Saranl?.Object-Oriented State Machines[EB/OL]http：//www.embedded.com/design/real-world-applications/4023958/Object-Oriented-State-Machines，2002（05）/2014（08）.

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[9]FreescaleSemiconductor.K60 Sub-Family Data Sheet[M].America：Freescale Semiconductor，2010（11）.

作者簡介

應(yīng)振強(qiáng)（1994-），男，浙江省臺州市人。現(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)本科在讀。研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)。

張林（1992-），男，遼寧省開原市人?，F(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)本科在讀。研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)。

通訊作者簡介

吳振宇（1971-），男，現(xiàn)為現(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)闄C(jī)器人自動控制和嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。

作者單位

大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院 遼寧省大連市 116024endprint

結(jié)合前面的運(yùn)動分析圖，特征姿態(tài)是六個足同時落地的時刻，行走只涉及兩個姿態(tài)的切換，只需要反復(fù)執(zhí)行兩個動作即可實(shí)現(xiàn)。

對于其他步態(tài)也可以按照找到特征姿態(tài)，劃分動作來實(shí)現(xiàn)。這種控制方式具有簡單直觀，易于編程的優(yōu)點(diǎn)。

6 通信方案

完成了基本步態(tài)的實(shí)現(xiàn)后需要指定底層步態(tài)控制器與上層的通信協(xié)議，本系統(tǒng)兩層采用以下方案，如表1。

遠(yuǎn)程控制模塊通過開始符和結(jié)束符確定一條命令的內(nèi)容，一條命令內(nèi)容包括一個字節(jié)的命令符和變長的參數(shù)，參數(shù)可以由上層采用sprintf函數(shù)打印到字符串中，遠(yuǎn)程控制模塊通過sscanf函數(shù)將字符串中的參數(shù)采用相同的格式提取到變量中，由于上層和下層都采用C實(shí)現(xiàn)，可以通過包含相同的頭文件進(jìn)行命令符，命令格式的匹配。

為了方便地觀察機(jī)器人的運(yùn)行情況，可以先獨(dú)立地對下層控制器進(jìn)行調(diào)試，本系統(tǒng)使用藍(lán)牙進(jìn)行無線調(diào)試，通過發(fā)送動作控制指令進(jìn)行對機(jī)器人的控制，并定時發(fā)送請求數(shù)據(jù)指令訪問機(jī)器人相關(guān)的數(shù)據(jù)。

7 仿真方案

本系統(tǒng)采用Webots進(jìn)行仿真測試。Webots是由瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院研制的一款專業(yè)多功能機(jī)器人研發(fā)軟件。如今，世界上已有1146多所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)采用Webots系列軟件進(jìn)行機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究。得益于其集建模、編程、仿真、程序移植為一體的優(yōu)點(diǎn)，我們可以對步態(tài)算法進(jìn)行測試，并快速移植到實(shí)體機(jī)上。如圖5、圖6所示。

通過仿真得到每一時刻兩組足位置的實(shí)際值，可以看出仿真結(jié)果比較理想，移植到樣機(jī)上效果良好，機(jī)器人運(yùn)行較為平穩(wěn)。

8 結(jié)束語

本文介紹了一種相對易行的步態(tài)控制器設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)采用的控制器任務(wù)調(diào)度方案、步態(tài)控制方案，通信方案具有普遍性，可以應(yīng)用到其他機(jī)器人的控制上。經(jīng)樣機(jī)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以完成旋轉(zhuǎn)足式機(jī)器人前進(jìn)后退左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)基本步態(tài)，并可以方便地添加自定義姿態(tài)動作。接下來，我們將結(jié)合本文的研究成果，進(jìn)行特殊步態(tài)的仿真研究，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的運(yùn)動，以幫助提高機(jī)器人對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。

（通訊作者：吳振宇）

參考文獻(xiàn)

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[8]Cyber Botics.Webots：the mobile robotics simulation software[EB/OL].http：//www.cyberbotics.com/，2014（08）/2014（08）.

[9]FreescaleSemiconductor.K60 Sub-Family Data Sheet[M].America：Freescale Semiconductor，2010（11）.

作者簡介

應(yīng)振強(qiáng)（1994-），男，浙江省臺州市人?，F(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)本科在讀。研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)。

張林（1992-），男，遼寧省開原市人?，F(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)本科在讀。研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)。

通訊作者簡介

吳振宇（1971-），男，現(xiàn)為現(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)闄C(jī)器人自動控制和嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。

作者單位

大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院 遼寧省大連市 116024endprint

結(jié)合前面的運(yùn)動分析圖，特征姿態(tài)是六個足同時落地的時刻，行走只涉及兩個姿態(tài)的切換，只需要反復(fù)執(zhí)行兩個動作即可實(shí)現(xiàn)。

對于其他步態(tài)也可以按照找到特征姿態(tài)，劃分動作來實(shí)現(xiàn)。這種控制方式具有簡單直觀，易于編程的優(yōu)點(diǎn)。

6 通信方案

完成了基本步態(tài)的實(shí)現(xiàn)后需要指定底層步態(tài)控制器與上層的通信協(xié)議，本系統(tǒng)兩層采用以下方案，如表1。

遠(yuǎn)程控制模塊通過開始符和結(jié)束符確定一條命令的內(nèi)容，一條命令內(nèi)容包括一個字節(jié)的命令符和變長的參數(shù)，參數(shù)可以由上層采用sprintf函數(shù)打印到字符串中，遠(yuǎn)程控制模塊通過sscanf函數(shù)將字符串中的參數(shù)采用相同的格式提取到變量中，由于上層和下層都采用C實(shí)現(xiàn)，可以通過包含相同的頭文件進(jìn)行命令符，命令格式的匹配。

為了方便地觀察機(jī)器人的運(yùn)行情況，可以先獨(dú)立地對下層控制器進(jìn)行調(diào)試，本系統(tǒng)使用藍(lán)牙進(jìn)行無線調(diào)試，通過發(fā)送動作控制指令進(jìn)行對機(jī)器人的控制，并定時發(fā)送請求數(shù)據(jù)指令訪問機(jī)器人相關(guān)的數(shù)據(jù)。

7 仿真方案

本系統(tǒng)采用Webots進(jìn)行仿真測試。Webots是由瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院研制的一款專業(yè)多功能機(jī)器人研發(fā)軟件。如今，世界上已有1146多所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)采用Webots系列軟件進(jìn)行機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究。得益于其集建模、編程、仿真、程序移植為一體的優(yōu)點(diǎn)，我們可以對步態(tài)算法進(jìn)行測試，并快速移植到實(shí)體機(jī)上。如圖5、圖6所示。

通過仿真得到每一時刻兩組足位置的實(shí)際值，可以看出仿真結(jié)果比較理想，移植到樣機(jī)上效果良好，機(jī)器人運(yùn)行較為平穩(wěn)。

8 結(jié)束語

本文介紹了一種相對易行的步態(tài)控制器設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)采用的控制器任務(wù)調(diào)度方案、步態(tài)控制方案，通信方案具有普遍性，可以應(yīng)用到其他機(jī)器人的控制上。經(jīng)樣機(jī)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以完成旋轉(zhuǎn)足式機(jī)器人前進(jìn)后退左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)基本步態(tài)，并可以方便地添加自定義姿態(tài)動作。接下來，我們將結(jié)合本文的研究成果，進(jìn)行特殊步態(tài)的仿真研究，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的運(yùn)動，以幫助提高機(jī)器人對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。

（通訊作者：吳振宇）

參考文獻(xiàn)

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[8]Cyber Botics.Webots：the mobile robotics simulation software[EB/OL].http：//www.cyberbotics.com/，2014（08）/2014（08）.

[9]FreescaleSemiconductor.K60 Sub-Family Data Sheet[M].America：Freescale Semiconductor，2010（11）.

作者簡介

應(yīng)振強(qiáng)（1994-），男，浙江省臺州市人?，F(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)本科在讀。研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)。

張林（1992-），男，遼寧省開原市人?，F(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)本科在讀。研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)。

通訊作者簡介

吳振宇（1971-），男，現(xiàn)為現(xiàn)為大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)闄C(jī)器人自動控制和嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。

作者單位

大連理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院 遼寧省大連市 116024endprint