黃 亮， 管貴森， 徐文福, 梁國(guó)偉

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院， 廣東 深圳 518055；2.深圳數(shù)字舞臺(tái)表演機(jī)器人技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院), 廣東 深圳 518055)

面向數(shù)字舞臺(tái)表演的海龜機(jī)器人系統(tǒng)研制

黃 亮1,2， 管貴森1,2， 徐文福1,2, 梁國(guó)偉1,2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院， 廣東 深圳 518055；2.深圳數(shù)字舞臺(tái)表演機(jī)器人技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院), 廣東 深圳 518055)

針對(duì)所創(chuàng)作的機(jī)器人戲劇劇本，研制一套用于數(shù)字舞臺(tái)表演的大型海龜機(jī)器人系統(tǒng). 該機(jī)器人由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，機(jī)械部分由4條3DOF模塊化輕型腿、一套具有連續(xù)曲率的柔性脖子、龜殼開(kāi)合裝置和碳纖維框架組成，所有電機(jī)、電路板等機(jī)電部件安裝于軀干中，通過(guò)同步帶將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞到外端，降低了懸臂部分的尺寸和質(zhì)量，減輕了電機(jī)的負(fù)載. 系統(tǒng)的控制部分由上位機(jī)及嵌入式控制器組成，分別提供頂層的人機(jī)交互和底層的關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)控制功能. 采用重心自調(diào)整的方法規(guī)劃運(yùn)動(dòng)步態(tài)，確保多足運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性. 經(jīng)大量實(shí)驗(yàn),研制、開(kāi)發(fā)了樣機(jī)，完成了機(jī)器人戲劇的公演，所研制的機(jī)器人可以完美地演繹戲劇角色，外形美觀，惹人喜愛(ài)，表演效果極佳.

機(jī)器人戲??；表演機(jī)器人；仿生海龜機(jī)器人；步態(tài)規(guī)劃；數(shù)字舞臺(tái)

機(jī)器人戲劇(robot theater)是近年來(lái)剛提出的概念，指由機(jī)器人或機(jī)器人與人共同演繹的舞臺(tái)表演藝術(shù)[1]，它是文化與科技高度融合的典范，其充分利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)如機(jī)器人技術(shù)、多傳感器融合、全息3D投影等，然后加以藝術(shù)創(chuàng)造和升華[2]，是一種全新的藝術(shù)表現(xiàn)形式. 人和機(jī)器人的互動(dòng)，作為一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域，對(duì)機(jī)器人的形象、動(dòng)作姿態(tài)和情感的表達(dá)提出了非常高的要求[3]. 在戲劇中扮演相應(yīng)角色的機(jī)器人稱(chēng)為表演機(jī)器人(performing robot)，具有極強(qiáng)的觀賞性和趣味性，其涉及機(jī)械、電子、自控、通訊、機(jī)器人學(xué)和仿生材料等多個(gè)領(lǐng)域[4].

最早用于表演的機(jī)器人主要為人形機(jī)器人，包括日本的阿西莫機(jī)器人[5]、法國(guó)的NAO機(jī)器人[6]、韓國(guó)的HUBO機(jī)器人[7]等，它們常用于進(jìn)行舞蹈表演. 另外，學(xué)者們還研制了進(jìn)行單項(xiàng)表演的鋼琴演奏機(jī)器人[8]、小提琴演奏機(jī)器人[9]、伴舞機(jī)器人[10]、歌唱機(jī)器人[11]等. 2014年5月，世界上第一支機(jī)器人重金屬樂(lè)隊(duì)“壓縮機(jī)頭”(compressorhead)亮相莫斯科，該樂(lè)隊(duì)有3名成員，高約1.52 m，包括長(zhǎng)著4條手臂的鼓手“棍子男孩”、長(zhǎng)著79根指頭的吉他手“手指頭”以及貝斯手“骨頭”，全部由廢棄金屬打造. 另外，情感機(jī)器人也可用于表演[12-14]. 中國(guó)在機(jī)器人表演方面起步較晚，目前主要利用國(guó)外的人形機(jī)器人進(jìn)行離線編程，以完成規(guī)定的舞蹈動(dòng)作. 典型代表是參與2016年猴年春晚的優(yōu)必選阿爾法機(jī)器人和參與了2012年龍年春晚的哈爾濱工業(yè)大學(xué)所編排的“機(jī)器人總動(dòng)員”，引起了極大關(guān)注. 然而，如果無(wú)故事情節(jié)的演繹，單純的機(jī)器人舞蹈或彈唱表演，還無(wú)法稱(chēng)之為機(jī)器人戲劇[15]. 實(shí)際上，機(jī)器人戲劇近幾年才真正走上舞臺(tái). 2008年，日本公演了“機(jī)器人是杰斯克的玫瑰花”[16]，由兩臺(tái)機(jī)器人和兩名真人演員同臺(tái)表演. 2010年，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所開(kāi)發(fā)了外觀和動(dòng)作接近人類(lèi)形象和動(dòng)作的人形機(jī)器人HRP-4C[16]，并當(dāng)眾進(jìn)行了表演. 由機(jī)器人參與表演的話劇《再會(huì)》也在日本東京藝術(shù)節(jié)上演，該機(jī)器人擁有棕色明眸，梳著棕色中分長(zhǎng)發(fā)，聲音平靜，與一群真人演員共同完成表演. 已成功上演的機(jī)器人戲劇還包括“我和工作”、“森林深處”等，都給人們留下了深刻的印象[16]. 用于表演的機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃要求極高，雖然舞臺(tái)的環(huán)境不像非結(jié)構(gòu)化環(huán)境需要采用復(fù)雜的規(guī)劃方法[17]，但是，安全性、實(shí)時(shí)性、節(jié)奏性要求更高. 也由于表演的特殊性，關(guān)注的交點(diǎn)也與傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人[18-19]的設(shè)計(jì)有所不同.

實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)作了主人公‘豆芽菜’在各種機(jī)器人小伙伴的幫助下，不遠(yuǎn)萬(wàn)里尋找媽媽的機(jī)器人話劇故事. 本文針對(duì)該劇中龜奶奶的角色，結(jié)合仿生技術(shù)，研制了一套大型海龜機(jī)器人，并建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，規(guī)劃舞臺(tái)表演的步態(tài)，最后進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，并在舞臺(tái)上成功完成了表演. 與以往海龜機(jī)器人[20]或其他四足機(jī)器人[21]不同，本劇中的海龜機(jī)器人工作于舞臺(tái)環(huán)境，除了外形、運(yùn)動(dòng)形式與海龜相似外，機(jī)器人的尺寸、體積要足夠大，且脖子運(yùn)動(dòng)要求十分靈活，在舞臺(tái)上可以與觀眾進(jìn)行友好互動(dòng)[22].

1 面向表演的海龜機(jī)器人技術(shù)要求

海龜機(jī)器人在話劇中扮演主人公豆芽菜的“奶奶”，具有穩(wěn)定行走、多機(jī)器人協(xié)調(diào)、人-機(jī)協(xié)調(diào)、龜殼開(kāi)合、避障、遠(yuǎn)程控制等功能. 除此之外，海龜機(jī)器人滿足如下技術(shù)指標(biāo)要求：系統(tǒng)質(zhì)量<10 kg,外形尺寸小于800 mm600 mm300 mm， 頭-頸部長(zhǎng)度：300 mm，爬行速度≥0.3 m/s，負(fù)載能力(除自重外)2 kg，連續(xù)工作時(shí)間>0.5 h，無(wú)線操作距離>30 m.

2 海龜機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

海龜機(jī)器人系統(tǒng)由軀干、腿部、脖子部、龜殼開(kāi)合、電源及控制器等組成. 為減輕質(zhì)量并保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，軀干采用碳纖維材料框架機(jī)構(gòu)，4條腿成對(duì)稱(chēng)性分布，每條腿部具有3個(gè)自由度，共12個(gè)自由度；龜殼開(kāi)合裝置有1個(gè)自由度，由1個(gè)電機(jī)控制，脖子為柔性結(jié)構(gòu),由4個(gè)有刷電機(jī)牽引繩索驅(qū)動(dòng)控制. 其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 1所示， 3D模型如圖 2所示.

圖1 海龜機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

(a)龜殼合上時(shí)

(b)龜殼打開(kāi)時(shí)

2.2 海龜機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)

海龜機(jī)器人由4個(gè)完全相同的腿部結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)腿部設(shè)計(jì)有3個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)，舵盤(pán)、金屬框架、傳動(dòng)帶等部件. 和傳統(tǒng)關(guān)節(jié)型腿部結(jié)構(gòu)相比，占主要重量的舵機(jī)、電路板等機(jī)電部件安裝于腿的根部與軀干相連的地方，通過(guò)傳動(dòng)帶將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到外端桿件的連接處，大大降低了腿部懸臂部分的尺寸和質(zhì)量，減輕了電機(jī)的負(fù)載，最大程度地提高關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力，使機(jī)器人能夠更加平穩(wěn)的行走，具有傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn). 2.3 海龜機(jī)器人柔性脖子柔性脖子裝置包含動(dòng)力系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、連接部件和本體結(jié)構(gòu). 脖子采用繩索驅(qū)動(dòng)方式，動(dòng)力系統(tǒng)主要為直流有刷電機(jī)和齒輪減速裝置；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；連接部件為輕質(zhì)金屬材料框架，其固定在軀干上，前后分別連接動(dòng)力系統(tǒng)和本體結(jié)構(gòu)；本體結(jié)構(gòu)為彈簧連接在開(kāi)有連接孔的碳纖維固定板上，通過(guò)直流電機(jī)牽引鋼絲繩，進(jìn)而鋼絲繩拉動(dòng)彈簧，即實(shí)現(xiàn)柔性脖子機(jī)構(gòu)按照預(yù)定的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng). 柔性脖子的裝配圖如圖 3所示，總長(zhǎng)400 mm,包含250 mm的本體長(zhǎng)度.

圖3 柔性脖子機(jī)構(gòu)

Fig.3 The mechanism of the flexible neck

2.4 龜殼開(kāi)合機(jī)構(gòu)

根據(jù)舞臺(tái)表演需要，龜殼可以自由開(kāi)合,打開(kāi)后的外形為杜鵑,通過(guò)打開(kāi)的龜殼可以看到海龜身體中的"珍珠",利用固定在機(jī)器人身體內(nèi)部的噴霧器和燈光，打造十分絢麗的視覺(jué)效果. 如圖 4所示，龜殼開(kāi)合機(jī)構(gòu)主要為動(dòng)力系統(tǒng)和連桿機(jī)構(gòu). 動(dòng)力系統(tǒng)由360°舵機(jī)、舵盤(pán)和絲杠組成；而連桿機(jī)構(gòu)為3個(gè)完全相同的曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)龜殼的開(kāi)合.

圖4 龜殼開(kāi)合裝置設(shè)計(jì)

2.5 海龜機(jī)器人控制系統(tǒng)

海龜機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)包括3層，即決策層，處理層和執(zhí)行層，如圖 5所示.

在處理芯片的選擇方面，綜合考慮FPGA、DSP和ARM，在對(duì)比成本、開(kāi)發(fā)難易程度和開(kāi)發(fā)周期后選擇ARM芯片，ARM芯片內(nèi)部集成了多組定時(shí)器和眾多的I/O接口，可以大大簡(jiǎn)化控制的難度和硬件的體積. 在決策層，集成了很多有用的資源，包括USART，64 kB SRAM、512 kB FLASH，12位ADC，16位定時(shí)器，CAN，SPI等，內(nèi)核是ARM CORTEX-M3 CPU. 在處理層，采用NRF24L01無(wú)線通信方式基于SPI接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信連接. 上位機(jī)為一個(gè)簡(jiǎn)單的控制手柄，可以向主控制器發(fā)送指令，定時(shí)器控制接口將PWM信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行器，I/O口電平的高低控制直流有刷電機(jī)，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn). 在執(zhí)行層，腿部的電機(jī)由定時(shí)器1、2、3、4分別控制，龜殼開(kāi)合裝置由高級(jí)定時(shí)器8控制，脖子裝置通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制.

圖5 海龜機(jī)器人控制系統(tǒng)

2.6 運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uc/os-ii操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了海龜機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軟件，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 6.

圖6 運(yùn)動(dòng)控制軟件框圖

運(yùn)用uc/os-ii操作系統(tǒng)的多任務(wù)管理機(jī)制，共需要建立6個(gè)任務(wù)，其中包含兩個(gè)系統(tǒng)本身必須存在的任務(wù)：統(tǒng)計(jì)任務(wù)和空閑任務(wù)，分別用于計(jì)算CPU的利用率和統(tǒng)計(jì)沒(méi)有任務(wù)執(zhí)行時(shí)的計(jì)數(shù). 根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)要求需要新建立的任務(wù)有開(kāi)始任務(wù)、按鍵監(jiān)測(cè)任務(wù)、運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)和NRF24L01無(wú)線通訊任務(wù). 開(kāi)始任務(wù)主要負(fù)責(zé)其余幾項(xiàng)任務(wù)的創(chuàng)建然后自動(dòng)掛起；按鍵監(jiān)測(cè)任務(wù)主要負(fù)責(zé)掃描電路板鍵盤(pán)的按鍵后獲得鍵值并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)；運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)主要負(fù)責(zé)海龜機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)的控制. 即舵機(jī)和直流電機(jī)的控制. 運(yùn)動(dòng)控制程序主要是uc/os-ii操作系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)的創(chuàng)建、掛起和各個(gè)相關(guān)任務(wù)下執(zhí)行函數(shù).

3 機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及其動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 海龜機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃方式

穩(wěn)定性是四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的主要問(wèn)題，按照步態(tài)穩(wěn)定性類(lèi)型可以將四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式分為靜態(tài)穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng). 靜態(tài)運(yùn)動(dòng)即重心垂直投影始終在支撐腿形成的多邊形區(qū)域內(nèi)部;而動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)為重心的垂直投影在某些時(shí)刻可以不必處于支撐腿形成的區(qū)域內(nèi)，而是處于一種動(dòng)態(tài)平衡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程. 控制方法如下：

1)步態(tài)模式選擇. 選擇每條腿的狀態(tài)如爬行、小跑、快跑等，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定了機(jī)器人靜態(tài)運(yùn)動(dòng)或者動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng).

2)步態(tài)規(guī)劃. 規(guī)劃的擺動(dòng)腿著地點(diǎn)的位置、姿態(tài)參數(shù)和支撐腿的抬起位置和姿態(tài)參數(shù)對(duì)機(jī)器人行走的速度、加速度、平滑性和穩(wěn)定性有很大的影響.

3)軌跡規(guī)劃. 規(guī)劃?rùn)C(jī)器人肢體末端點(diǎn)的行走軌跡曲線，這對(duì)行走的速度影響最大.

本機(jī)器選擇爬行步態(tài)作為步態(tài)模式. 理論分析和仿真表明“腿3—腿2—腿4—腿1”的抬跨順序最為穩(wěn)定. 規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)需要首先規(guī)劃步態(tài)周期T、單步長(zhǎng)度即步幅L、抬腿高度H. 設(shè)置運(yùn)動(dòng)周期T=8 s，步幅為L(zhǎng)=140 mm，抬腿高度H=40 mm. 足端的加速度曲線應(yīng)該是平滑的，沒(méi)有大幅度的突變，最大程度上減小海龜機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中擺動(dòng)腿初始接觸地面時(shí)受到的沖擊力，進(jìn)而提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，足端軌跡采用半橢圓和直線組合軌跡，將運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)成半橢圓形.

3.2 典型步態(tài)規(guī)劃

四足機(jī)器人最典型的靜態(tài)行走步態(tài)是爬行步態(tài)，爬行步態(tài)可以采用靜態(tài)穩(wěn)定判據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)的爬行步態(tài). LH、LF、RH、RF分別表示左后腿、左前腿、右后腿、右前腿，這里只研究占空比β= 3/4的臨界連續(xù)爬行狀態(tài)，機(jī)器人擺腿順序依次為L(zhǎng)HLFRHRF，連續(xù)爬行步態(tài)是四足移動(dòng)機(jī)器人爬行的一般情況，為了加快整個(gè)機(jī)器人的步行速度和提高機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性，在擺動(dòng)腿擺動(dòng)的同時(shí)，軀體也相應(yīng)移動(dòng)，但這是以犧牲穩(wěn)定裕度為代價(jià)的. 機(jī)器人其中一肢體抬起后著地的瞬間，另一肢體抬起，按照上面規(guī)定的順序如此循環(huán)反復(fù)，任何時(shí)刻都不存在4條腿同時(shí)著地過(guò)程.

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分為2種狀態(tài)，擺腿狀態(tài)和重心調(diào)整狀態(tài). 處于擺腿狀態(tài)時(shí)，擺動(dòng)腿向前達(dá)到下一著地點(diǎn)，處于重心斜側(cè)調(diào)整狀態(tài)時(shí)，4肢體全部處于著地狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整重心來(lái)增大穩(wěn)定裕度，為了保證機(jī)器人取得足夠的穩(wěn)定裕度，需要在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)加入重心調(diào)整狀態(tài).

連續(xù)爬行步態(tài)穩(wěn)定裕度趨近于零，在實(shí)際情況下，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)向肢體擺動(dòng)側(cè)傾倒，所以要在一個(gè)完整步態(tài)周期內(nèi)增加四足著地支撐階段，來(lái)調(diào)整軀干位置使重心投影在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi). 這種狀態(tài)叫間歇型爬行步態(tài). 步態(tài)示意圖如圖 7所示.

圖7 間歇性爬行步態(tài)示意

3.3 基于斜側(cè)向重心調(diào)整的步態(tài)規(guī)劃

在一般情況下，步態(tài)規(guī)劃假設(shè)一條腿的質(zhì)量比較小，其相對(duì)于軀體的質(zhì)量來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，這種機(jī)器人模型叫做理想模型. 在理想模型下，機(jī)器人重心與幾何中心重合，只需要保證幾何中心保持在支撐多邊形區(qū)域內(nèi)部就可以規(guī)劃出保證穩(wěn)定行走的步態(tài). 然而在實(shí)際情況下，爬行機(jī)器人大都是關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接固連在轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)上，因此每個(gè)肢體相對(duì)于軀體來(lái)說(shuō)是不能忽略的，肢體的運(yùn)動(dòng)影響到機(jī)器人的整體重心位置，進(jìn)而對(duì)海龜機(jī)器人的穩(wěn)定行走產(chǎn)生較大影響，所以在這里只考慮軀干重心的機(jī)器人理想模型步態(tài)規(guī)劃方法不成立. 因此，這里采用基于斜側(cè)向重心調(diào)整的步態(tài)優(yōu)化(也稱(chēng)重心自調(diào)整方法，即COG self-adjusting method).

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使機(jī)器人幾何中心處在三角形支撐區(qū)域內(nèi)部，在某些時(shí)刻重心位置也可能投影到三角形支撐區(qū)域外部，機(jī)器人會(huì)傾倒，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)方法使重心位置在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終維持在三角形支撐區(qū)域內(nèi)，且穩(wěn)定裕度要足夠大，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定行走. 斜側(cè)向調(diào)整重心能有效地解決這個(gè)問(wèn)題，見(jiàn)圖8. 基于此方法優(yōu)化后的步態(tài)抬步態(tài)見(jiàn)圖9.

優(yōu)化步態(tài)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程具體執(zhí)行過(guò)程如下：

1)四足支撐調(diào)整重心前移距離A，同時(shí)向右側(cè)移動(dòng)距離m，消耗時(shí)間0.1T，此時(shí)重心向右偏移；

2)LH腿完成一次抬放動(dòng)作，重心前移距離A，此過(guò)程消耗時(shí)間0.2T；

3)LF腿完成一次抬放動(dòng)作，重心前移距離A，此過(guò)程消耗時(shí)間0.2T；

4)四足支撐調(diào)整重心前移距離A，向左側(cè)移動(dòng)距離m，消耗時(shí)間0.1T，此時(shí)重心向左偏移；

5)RH腿完成一次抬放動(dòng)作，重心前移距離A，消耗時(shí)間0.2T；

6)RF腿完成一次抬放動(dòng)作，重心前移距離A，消耗時(shí)間0.2T.

通過(guò)斜側(cè)向調(diào)整重心的方法，可以使機(jī)器人的重心投影始終在支撐腿著地點(diǎn)形成的多邊形區(qū)域內(nèi)部，進(jìn)而增大了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定裕度. 當(dāng)考慮腿部對(duì)重心位置的影響時(shí)，可以避免失穩(wěn)的情況.

圖8 斜側(cè)向調(diào)整重心方法

圖9 基于重心斜側(cè)向調(diào)整的步態(tài)示意

Fig.9 The schematic plot of the gait generated using the COG self-adjusting method

3.4 基于Webots的動(dòng)力學(xué)仿真

本文基于Cyberbotics公司的Webots軟件建立了海龜機(jī)器人仿真模型，子節(jié)點(diǎn)包含軀干、左前腿、左后腿、右前腿、右后腿、龜殼、脖子、左眼、右眼. 并對(duì)所提出的斜側(cè)向重心調(diào)整步態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行仿真，運(yùn)動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖10.

在仿真平臺(tái)里，海龜機(jī)器人模型的各個(gè)關(guān)節(jié)連接處添加力矩傳感器，力矩傳感器可以實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)中各關(guān)節(jié)的力矩?cái)?shù)值. 利用仿真軟件中自帶的函數(shù)wb_servo_get_motor_force_feedback()采集仿真中的關(guān)節(jié)力矩?cái)?shù)據(jù)，然后保存為數(shù)據(jù)文檔，后續(xù)可在Matlab中進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析. 限于篇幅，在此僅給出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中腿1各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，見(jiàn)圖11，而所有腿部各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩變化范圍列于表1中. 可以看出，最大驅(qū)動(dòng)力矩發(fā)生在各腿的膝關(guān)節(jié)，大約為19 N·m，該數(shù)據(jù)作為電機(jī)選型的參考.

圖10 Webots步態(tài)仿真

圖11 腿1的3個(gè)關(guān)節(jié)力矩

關(guān)節(jié)名稱(chēng)運(yùn)動(dòng)幅度/rad力矩/(N·m)關(guān)節(jié)1-0．36～0．35-8．73～9．58腿1(RF)關(guān)節(jié)2-0．12～0．28-18．53～0．52關(guān)節(jié)3-1．74～-1．19-9．68～8．29關(guān)節(jié)1-0．34～0．38-7．94～7．39腿2(LF)關(guān)節(jié)2-0．12～0．27-18．54～1．23關(guān)節(jié)3-1．81～-1．20-8．19～6．11關(guān)節(jié)1-0．39～0．33-9．42～5．92腿3(LH)關(guān)節(jié)2-0．12～0．27-19．32～3．56關(guān)節(jié)3-1．70～-1．28-10．10～10．52關(guān)節(jié)1-0．34～0．36-4．87～6．72腿4(RH)關(guān)節(jié)2-0．11～0．27-19．12～1．82關(guān)節(jié)3-1．78～-1．28-12．22～9．51

4 樣機(jī)集成及實(shí)驗(yàn)研究

基于上述設(shè)計(jì)，研制了海龜機(jī)器人樣機(jī)，并開(kāi)展了運(yùn)動(dòng)步態(tài)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，完成了舞臺(tái)劇《來(lái)到深圳的豆芽菜》的公演. 舞臺(tái)表演用海龜機(jī)器人的外觀設(shè)計(jì)效果如圖 12所示.

圖12 海龜機(jī)器人外觀設(shè)計(jì)效果圖

海龜機(jī)器人的步態(tài)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)包括直線行走、原地轉(zhuǎn)彎、彎道轉(zhuǎn)彎行走等. 試驗(yàn)結(jié)果在爬行速度，連續(xù)工作時(shí)間、無(wú)線操作距離等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都可以達(dá)到預(yù)期要求. 圖13為機(jī)器人舞臺(tái)表演實(shí)驗(yàn). 圖14為基于斜側(cè)向重心調(diào)整的步態(tài)穩(wěn)定性?xún)?yōu)化實(shí)驗(yàn).

圖13 舞臺(tái)表演實(shí)驗(yàn)

圖14 基于斜側(cè)向重心調(diào)整的步態(tài)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)表明，最終海龜機(jī)器人實(shí)際技術(shù)指標(biāo)如下：

1)系統(tǒng)質(zhì)量：6 kg；

3)頭-頸部長(zhǎng)度：300 mm；

4)爬行速度：0.35 m/s；

5)負(fù)載能力(除自重外)：2 kg；

6)連續(xù)工作時(shí)間：1 h；

7)無(wú)線操作距離：100 m.

5 結(jié) 論

1)針對(duì)所創(chuàng)作的機(jī)器人戲劇，研制了用于表演的海龜機(jī)器人系統(tǒng)，除了從運(yùn)動(dòng)功能上考慮了機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)外，還從藝術(shù)表達(dá)的角度考慮了外觀設(shè)計(jì)、龜殼及柔性脖子的特效設(shè)計(jì)和人機(jī)交互設(shè)計(jì)等.

2)采用基于斜側(cè)向重心調(diào)整的步態(tài)規(guī)劃方法具有較好的通用性，對(duì)于其他四足機(jī)器人、六足機(jī)器人等的穩(wěn)定步態(tài)規(guī)劃均具有重要的參考價(jià)值.

3)機(jī)器人版《來(lái)到深圳的豆芽菜》已經(jīng)公演，表演效果良好，很受觀眾喜歡.

4)探索并實(shí)踐了機(jī)器人戲劇這一新的藝術(shù)表達(dá)形式，為滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的精神文明需求提供了一種新的途徑. 可以預(yù)見(jiàn)，隨著文化和科技的發(fā)展，機(jī)器人戲劇在未來(lái)將越來(lái)越受到人們的關(guān)注，并逐步走進(jìn)普通人的生活. 這將對(duì)戲劇表演的相關(guān)理論體系產(chǎn)生影響，同時(shí)科技與文化的結(jié)合對(duì)技術(shù)和藝術(shù)本身都提出了新的要求，將促進(jìn)科技和文化的創(chuàng)新和發(fā)展.

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(編輯 楊 波)

Development of a turtle robot for performance at digital stage

HUANG Liang1,2, GUAN Guisen1,2, XU Wenfu1,2, LIANG Guowei1,2

(1. Shenzhen Graduate School, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, Guangdong, China;2.Shenzhen Engineering Laboratory of Performance Robots at Digital Stage, Shenzhen 518055, Guangdong, China)

According to the created robot theatre script, a big turtle robotic system was developed for performance at digital stage. This robot includes mechanics system and control system, and the mechanics system is composed of four 3-DOF modularized light weight legs a flexible neck with continuous curvature, a shell opening and closing device and a carbon fiber torso frame. All the mechanotronics devices, including motors, circuit board et al, are installed in the main body. Through the synchronous belt, the motion of the motor is transferred to the outer end, largely reducing the size and weight of the cantilever, then reducing the load of the motor. The control system consists of a PC and an embedded controller, respectively provides the functions of human-computer interaction at high level and the realtime control of each joint at low level. According to the requirement of performance at the stage, a COG self-adjusting gait planning method was presented, assuring the stability during the movement of multiple legs. Finally, the robotic prototype was developed which had beautiful appearance. After the verification based on certain experiments, the robot was used to conduct a number of public performances. The results showed that the developed robot perfectly played the role of the drama performance and provoked audience to love it.

robot theater; performing robot; bionic turtle robot; gait planning; digital stage

10.11918/j.issn.0367-6234.201603124

2016-03-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(61573116)；深圳市文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金(深發(fā)改[2014]1507號(hào))；深圳市基礎(chǔ)研究計(jì)劃(JCYJ20140417172417095，JCYJ 20150529141408781)

黃 亮(1993—)，男，碩士研究生; 徐文福(1979—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師

徐文福， wfxu@hit.edu.cn

TP24

A

0367-6234(2017)07-0020-07