張永清 王 巖

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

基于武術(shù)擂臺(tái)賽仿人機(jī)器人的開發(fā)研究

張永清 王 巖

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

針對(duì)武術(shù)擂臺(tái)賽仿人組機(jī)器人做了整體的設(shè)計(jì)和功能分析.主要探討和研究機(jī)器人傾倒后自行站立的問題，并給出了一種具體可行的實(shí)施方案和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).

武術(shù)擂臺(tái)賽；仿人機(jī)器人；自行站立

0 引 言

機(jī)器人大賽中的機(jī)器人武術(shù)擂臺(tái)賽是一項(xiàng)具有觀賞性和廣泛影響力的比賽.它集觀賞性、趣味性、科學(xué)性于一體，將機(jī)械專業(yè)、電子電路專業(yè)、計(jì)算機(jī)專業(yè)結(jié)合在一起，對(duì)各高校大學(xué)生具有很強(qiáng)的吸引力.仿人組機(jī)器人以輪式運(yùn)動(dòng)作為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，首先能夠檢測(cè)自身是否傾倒，并在倒下后再自行站立起來；其次檢測(cè)到敵人，進(jìn)行攻擊；再次可以迅速檢測(cè)到擂臺(tái)邊緣，并防止自己掉下擂臺(tái).本文針對(duì)機(jī)器人整體的結(jié)構(gòu)以及傾倒后自動(dòng)恢復(fù)站立狀態(tài)等做了具體的研究和設(shè)計(jì).

1 機(jī)器人功能分析與整體設(shè)計(jì)

仿人組比賽要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人是一個(gè)能夠在臺(tái)上找到敵人并進(jìn)行攻擊，還可以檢測(cè)自身是否摔倒以及能夠自行站立的機(jī)器人.其具體要求如下：

(1)以輪式運(yùn)動(dòng)作為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式；

(2)機(jī)器人利用傳感器檢測(cè)到臺(tái)上的機(jī)器并保證自己不掉下擂臺(tái)；

(3)利用傳感器能夠發(fā)現(xiàn)敵人并確定其準(zhǔn)確位置，直接攻擊敵方機(jī)器人；

(4)能夠檢測(cè)自身是否傾倒，并在倒下后再自行站立起來；

機(jī)器人在比賽中的運(yùn)行流程如下：

圖1 仿人機(jī)器人整體圖

(1)機(jī)器人檢測(cè)到開始信號(hào)后開始運(yùn)動(dòng)；

(2)機(jī)器人通過控制傳感器來識(shí)別自身位置和周邊敵人；

(3)利用機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以一定的速度，完成設(shè)定的路徑和動(dòng)作；

(4)采用周期性控制，機(jī)器人返回第二步(檢測(cè)臺(tái)上信息)，完成N次循環(huán).

仿人機(jī)器人采用四輪驅(qū)動(dòng)方式，頭部裝有測(cè)距傳感器，四肢的結(jié)構(gòu)均由舵機(jī)殼組成，軀干由AVR單片機(jī)組成.兩只手臂上共有六個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，兩條腿上有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)均由舵機(jī)操控.在底盤上安裝四個(gè)電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng).由于擂臺(tái)是由黑到白的漸變圖案，因此根據(jù)灰度值的變化規(guī)律在底盤上按菱形排列裝有四個(gè)灰度傳感器，由反饋的灰度值來識(shí)別機(jī)器人在臺(tái)上的位置.為了使機(jī)器人可以識(shí)別敵人和擂臺(tái)邊緣，在底盤的上方還布置了其他傳感器.例如在機(jī)器人的前方傾斜一定角度安裝一個(gè)磁傳感器，用來檢測(cè)邊緣圍欄.在機(jī)器人前方兩側(cè)安裝測(cè)距傳感器用來識(shí)別并瞄準(zhǔn)敵人.在機(jī)器人的左右兩側(cè)各安裝一個(gè)測(cè)距傳感器，用來識(shí)別左右兩側(cè)的敵人.在機(jī)器人手臂上安裝一個(gè)紅外接近傳感器，用來輔助尋找敵人.在底盤上安裝傾角傳感器，可以更好的識(shí)別機(jī)器人在擂臺(tái)上的位置，如果倒下則進(jìn)行自動(dòng)站立動(dòng)作.機(jī)器人整體圖如圖1所示.

2 傾倒站立的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人在摔倒后自己站立是一個(gè)很重要的功能，實(shí)現(xiàn)該功能對(duì)機(jī)器人的發(fā)展具有重要意義.現(xiàn)代機(jī)器人研究中為了保證機(jī)器人的穩(wěn)定，在其軀體上安裝了陀螺儀，來保持機(jī)器人平穩(wěn)的站立和運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)機(jī)器人受到較大阻力時(shí)，機(jī)器人仍然會(huì)摔倒.因此機(jī)器人需要學(xué)會(huì)如何在摔倒后自行站立起來.機(jī)器人制造商波士頓最近研發(fā)了一款四足機(jī)器人，它與其它先進(jìn)的機(jī)器人不同之處在于不怕跌倒，通過延伸頸部和機(jī)械臂可以使自己站起來.利用該設(shè)計(jì)理念便可以解決仿人機(jī)器人在比賽中被擊倒后重新自行站立起來的問題.

由于比賽中的仿人機(jī)器人采用輪式系統(tǒng)，相比腿式系統(tǒng)解決摔倒后自行站立問題要容易些.腿式系統(tǒng)要求腿部有更多的關(guān)節(jié)和動(dòng)力來控制和保持穩(wěn)定，輪式系統(tǒng)只需控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)摔倒后自行站立的功能.為了使機(jī)械臂在機(jī)器人跌倒后能發(fā)揮最佳作用，需要機(jī)械臂有足夠多的自由度.可以通過增加舵機(jī)的數(shù)量來提高機(jī)械臂的自由度，使機(jī)械臂有更豐富的運(yùn)動(dòng)，例如完成延伸，旋轉(zhuǎn)，前后移動(dòng)等動(dòng)作.機(jī)器人兩個(gè)手臂上分別安裝了三個(gè)舵機(jī)，可以使手臂延伸一定長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度足以支撐機(jī)器人使其恢復(fù)站立狀態(tài).同時(shí)在機(jī)器人的軀干與雙腿的連接處也安裝有兩個(gè)舵機(jī)，使機(jī)器人可以讓身體前傾和后仰，幫助恢復(fù)站立.整個(gè)機(jī)構(gòu)的工作流程如下：

(1)檢測(cè)到機(jī)器人傾倒?fàn)顟B(tài)后，機(jī)械臂轉(zhuǎn)到與身體垂直位置，并展開至機(jī)械臂全長(zhǎng)，該過程中機(jī)械臂將保持與身體成一鈍角.

(2)軀干與腿部的連接舵機(jī)開始工作，使機(jī)器人上身后仰一定角度，由于車輪的支撐作用會(huì)使手臂向著機(jī)器人的身體方向運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)器人重新站立起來.

站立過程如圖2：

圖2 機(jī)器人站立過程示意圖

3 程序設(shè)計(jì)

在比賽中機(jī)器人是一個(gè)不受他人控制的，其所有行動(dòng)由機(jī)器人自行決定.而機(jī)器人的動(dòng)作是由程序控制的，因此，程序設(shè)計(jì)尤為重要.仿人組機(jī)器人的編程思路是在開始時(shí)等待軟開關(guān)信號(hào)，即機(jī)器人在左側(cè)紅外傳感器接收到信號(hào)時(shí)開始運(yùn)動(dòng).機(jī)器人自動(dòng)尋找擂臺(tái)上的其他機(jī)器人，并檢測(cè)是否到達(dá)邊緣，防止自身掉下擂臺(tái).當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到敵人時(shí)，用手臂進(jìn)行攻擊，如果機(jī)器人倒下，則執(zhí)行站立動(dòng)作.整體流程如圖3所示.

機(jī)器人傾倒有兩種可能：前倒和后倒，因此需要設(shè)計(jì)兩組函數(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在兩種情況下自動(dòng)站立的功能.當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到自身后倒時(shí)，機(jī)械手臂上靠近頭部的舵機(jī)執(zhí)行動(dòng)作旋轉(zhuǎn)100°左右，使手臂近似與地面呈45°，然后手臂上靠近頭部的第二個(gè)舵機(jī)開始旋轉(zhuǎn)大概120°，使兩個(gè)手臂展開呈直線狀態(tài)，之后腿部跟軀干之間的舵機(jī)開始工作，使機(jī)器人的軀干及頭部后仰45°，同時(shí)呈直線狀態(tài)的手臂便開始朝機(jī)器人的身體方向運(yùn)動(dòng)，支撐倒下的機(jī)器人使其恢復(fù)站立狀態(tài)，最后機(jī)器人恢復(fù)初始狀態(tài)，整個(gè)動(dòng)作完成.機(jī)器人后倒情況與前倒類似，在此不再贅述.

前倒部分函數(shù)如下：

圖3 程序設(shè)計(jì)流程圖

voidStandA()//qiandao

{MFSetServoPos(3,512,512);

MFSetServoPos(4,75,512);

MFSetServoPos(5,307,512);

MFSetServoPos(6,512,512);

MFSetServoPos(7,949,512);

MFSetServoPos(8,717,512);

MFSetServoPos(11,512,512);

MFSetServoPos(12,512,512);

MFServoAction();

DelayMS(1500);

MFSetServoPos(3,82,812);

MFSetServoPos(6,942,812);

MFSetServoPos(11,462,512);

MFSetServoPos(12,562,512);

MFServoAction();

DelayMS(2000);

MFSetServoPos(4,375,512);

MFSetServoPos(7,649,512);……}

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)器人傾倒后自動(dòng)站立的問題進(jìn)行了深入的研究和探討，并給出了合理的解決方案和部分程序的設(shè)計(jì).機(jī)器人傾倒后自行站立功能對(duì)今后機(jī)器人的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義，未來的機(jī)器人不但可以自己保持平衡，也可以模仿人類在摔倒后自行站立起來，這種技術(shù)的大力推廣，必將會(huì)使更多的機(jī)器人在極其復(fù)雜的地形中得到更加廣泛的應(yīng)用.

[1]付根平,楊宜民,李靜.仿人機(jī)器人的步行控制方法綜述及展望[J].機(jī)床與液壓.2011.23

[2]王劍,秦海力,繩濤,馬宏緒.仿人機(jī)器人的不平整地面落腳控制方法[J].機(jī)器人.2010.02

[3]張利格,黃強(qiáng),楊潔,時(shí)有,王志杰,JAFRI Ali Raza.仿人機(jī)器人復(fù)雜動(dòng)態(tài)動(dòng)作設(shè)計(jì)及相似性研究[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào).2007.05

Research and Development Humanoid Robot based on Martial Arts Contest

ZHANGYong-qing,WANGYan

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei,China 075000)

According to the martial arts contest,the overall design and function of humanoid robot are analyzed in this paper,in which how the robot can stand up on its own after falling is mainly discussed.And a concrete and feasible implementation plan and mechanism design is presented.

martial arts contest;humanoid robot;stand up on its own

2016-10-19

2016年河北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2016160)；2016年度張家口市科技計(jì)劃財(cái)政資助項(xiàng)目(1611066B)；2016年度河北建筑工程學(xué)院校級(jí)科研基金項(xiàng)目(2016XJJYB15)

張永清(1964-)，女，教授，主要研究方向：智能制造、機(jī)器人技術(shù)等.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.025

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