魏益洲

（煙臺(tái)市中英文學(xué)校高三（4）班，山東 煙臺(tái) 264100）

1 足式機(jī)器人簡(jiǎn)介

機(jī)器人的運(yùn)用原理在于通過(guò)對(duì)人類(lèi)行為的模范來(lái)代替人類(lèi)完成一些不需要人類(lèi)或人類(lèi)無(wú)法完成的工作。就當(dāng)前而言，大體可以將機(jī)器人分為足式、履帶式和輪式機(jī)器人。而足式機(jī)器人有著與自然界生物極為相似的形態(tài)，較履帶式和輪式機(jī)器人更具靈活性，因此受到機(jī)器人研究領(lǐng)域的高度重視。就足式機(jī)器人分類(lèi)而言，可以根據(jù)其不同形態(tài)將其分為雙足、四足、六足和八足等四種形態(tài)的機(jī)器人，對(duì)于類(lèi)似于蜈蚣式的機(jī)器人則具有更高的復(fù)雜性。本文重點(diǎn)圍繞六足機(jī)器人進(jìn)行研究探討。

2 足式機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

足式機(jī)器人由兩個(gè)部分構(gòu)成，一部分為六足機(jī)器人本體，另一部分為遠(yuǎn)程控制上位機(jī)，這兩個(gè)部分的功能各不相同。下文將詳細(xì)介紹機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)以及其三個(gè)子系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

足式機(jī)器人設(shè)計(jì)為六足結(jié)構(gòu)，是根據(jù)六足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來(lái)設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定控制。機(jī)器人體型盡量設(shè)計(jì)為扁平結(jié)構(gòu)，可以使其重心降低，移動(dòng)更為穩(wěn)固。機(jī)械設(shè)計(jì)首要目標(biāo)為可靠耐用，主要為抗腐蝕性和抗疲勞性。此外，機(jī)器人作為移動(dòng)平臺(tái)，既要求強(qiáng)度高，又要求輕巧。體積小的機(jī)器人靈活性高，而且可以節(jié)省驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，機(jī)器人的設(shè)計(jì)要盡量減少本體的消耗。在設(shè)計(jì)其框架的時(shí)候，要在高強(qiáng)度和輕量化之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部設(shè)備的保護(hù)，又能支撐起整個(gè)機(jī)身，因此，采用了“日”字形的框架設(shè)計(jì)。

2.2 機(jī)身設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人機(jī)身的控制系統(tǒng)是為了可以接受上位機(jī)發(fā)出的人機(jī)交互指令，并且對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和傳感器信息進(jìn)行獲取和處理。運(yùn)動(dòng)控制分為兩級(jí)，控制器在接收到指令后，對(duì)電動(dòng)機(jī)發(fā)出指令完成運(yùn)動(dòng)。在控制傳感器方面，主控制器的作用是確定信息獲取時(shí)間和內(nèi)容，并確定是否需要回傳信息。主控制器通過(guò)RS485總線(xiàn)構(gòu)成的串行網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)RS232總線(xiàn)構(gòu)成的星形網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接傳感器。

主控制器是上層控制系統(tǒng)，主要控制電氣子系統(tǒng)以及上位機(jī)的通信控制。主控制器屬于下位機(jī)，通常采用PC 104工控機(jī)系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)方案，其優(yōu)勢(shì)在于接口豐富，外圍電路完善，并且自帶供電和通信模塊，具有與PC機(jī)相同的功能。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)中樞，接收到主控制器的指令以后，可以進(jìn)行電機(jī)底層控制，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)效果。驅(qū)動(dòng)器的選擇必須要滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)需求，但是同時(shí)要考慮集成原則，通常采用AMC的裸板驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。這種驅(qū)動(dòng)器開(kāi)放性極佳，可以非常方便地接入外設(shè)，擁有良好的散熱性能。驅(qū)動(dòng)器本身包含電流模式、速度模式以及位置模式等多種控制模式。該驅(qū)動(dòng)器通過(guò)對(duì)輸出電流的限制、控制電機(jī)轉(zhuǎn)速并帶有高溫自動(dòng)停機(jī)設(shè)計(jì)等保護(hù)機(jī)制。

2.3 能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的能源管理系統(tǒng)有電源管理板、鋰電池構(gòu)成。其電源模塊種類(lèi)很多。供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響到機(jī)器人的移動(dòng)性能和其他設(shè)備的正常使用。

電源系統(tǒng)的首要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電流供電，第二是要具備滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行的電池容量，第三要求體積盡量縮小，第四要保證供電的持續(xù)性和電壓的穩(wěn)定性以及充電安全性等?；诖?，本款機(jī)器人設(shè)計(jì)采用磷酸鐵鋰電池。該鋰電池是所有鋰電池中安全性最高的，通過(guò)多種破壞性試驗(yàn)以后仍然保持穩(wěn)定，該鋰電池的能量密度也很高，比鋰聚合物電池稍差；再者，這種鋰電池的電芯可以達(dá)到3.7V的滿(mǎn)電電壓，在實(shí)現(xiàn)總電壓時(shí)可以減少鋰電池的串聯(lián)數(shù)量。

選擇供電電池時(shí)，電池電壓非常關(guān)鍵，一般供電電壓需要滿(mǎn)足系統(tǒng)中電量需求最大的設(shè)備，本款機(jī)器人的電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的電量需求是最大的，所以要選擇與電機(jī)額定電壓相匹配的電池，其他設(shè)備可以通過(guò)DC-DC電源模塊進(jìn)行升壓和降壓后進(jìn)行供電。

2.4 傳感系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

機(jī)器人的控制效果以及監(jiān)測(cè)任務(wù)是通過(guò)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求更高，同時(shí)，也希望能夠方便地增添和改變各項(xiàng)功能，于是設(shè)計(jì)思路跟之前的電源管理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器不同，采用更加保守的策略，集成商用成品，而不是在芯片或者裸板上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。對(duì)于這個(gè)子系統(tǒng)只進(jìn)行簡(jiǎn)潔的概括性介紹。

IMU，直接獲得六軸線(xiàn)加速度和角加速度信息，估算機(jī)器人當(dāng)前的姿態(tài)，進(jìn)而獲得三軸角加速度、線(xiàn)加速度和歐拉角。機(jī)器人的中心位置慣導(dǎo)集成可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)慣導(dǎo)輸出來(lái)分析機(jī)器人的運(yùn)行姿態(tài)。主控制器會(huì)通過(guò)RS232串口獲取相關(guān)信息。

機(jī)器人內(nèi)部裝有GPS模塊，可以通過(guò)外置天線(xiàn)接收定位信號(hào)。通過(guò)GPS模塊可以對(duì)當(dāng)前的地理位置、海拔高度以及UTC時(shí)間進(jìn)行獲取。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以計(jì)算從機(jī)器人開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到當(dāng)前時(shí)刻經(jīng)過(guò)的時(shí)間以及機(jī)器人當(dāng)前位置和運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器人裝備的平面激光掃描儀只有4米有效距離，用于判斷周?chē)恼系K物。機(jī)器人前部的實(shí)驗(yàn)專(zhuān)用激光掃描儀可以實(shí)現(xiàn)180度廣角掃描，性能非常優(yōu)越。

3 足式機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新

3.1 仿生足模擬技術(shù)

當(dāng)前常見(jiàn)的機(jī)器人自由度更廣，行走時(shí)會(huì)出現(xiàn)上下起伏的姿態(tài)，與傳統(tǒng)輪式機(jī)器人或者履帶式機(jī)器人相比，需要其機(jī)械關(guān)節(jié)克服更大的阻力矩，步態(tài)變化中關(guān)鍵的因素就是負(fù)載變化；而且由于行走時(shí)為了達(dá)到穩(wěn)定效果，保持在合理的穩(wěn)定裕度范圍內(nèi)，這種六足機(jī)器人的行走速度相對(duì)緩慢，很難做到連續(xù)轉(zhuǎn)彎，嚴(yán)重影響了機(jī)器人的靈活性。同時(shí)，由于上坡時(shí)會(huì)產(chǎn)生重心偏移，穩(wěn)定裕量也會(huì)相應(yīng)減小，這就需要解決如何提高穩(wěn)定裕量使其在坡道上行走更為穩(wěn)定的問(wèn)題。針對(duì)目前遇到的問(wèn)題，需要在仿生足模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合機(jī)器人本身的情況，采用周期性三角步態(tài)以及定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎技術(shù)來(lái)提高機(jī)器人的靈活性，而且這樣可以使得機(jī)器人在松軟地面的行走能力更強(qiáng)，通過(guò)負(fù)載能力定量調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的更好控制，通過(guò)穩(wěn)定裕量分析對(duì)機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，提高其自然環(huán)境條件下的控制能力。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

傳統(tǒng)生物在進(jìn)行步態(tài)控制的時(shí)候，需要通過(guò)神經(jīng)中樞來(lái)獲取非常繁雜的信息，也就是將感官信息轉(zhuǎn)換為中樞命令，這是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。目前，我們?nèi)匀粺o(wú)法完全獲取動(dòng)物神經(jīng)中樞的全部控制信息。在機(jī)器人設(shè)計(jì)方面，我們可以通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)造一個(gè)模擬動(dòng)物神經(jīng)中樞控制身體關(guān)節(jié)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中樞指令與機(jī)械關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，并讓它自動(dòng)學(xué)習(xí)這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程。因?yàn)槿斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力，在機(jī)器人步態(tài)控制系統(tǒng)中應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力非常有效。機(jī)器人步態(tài)多變的問(wèn)題也因此得到了很好的解決，取得了非常好的仿真效果。但是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)局限性，在仿真機(jī)器人平臺(tái)應(yīng)用的時(shí)候還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和調(diào)整。

4 機(jī)器人的未來(lái)展望

（1）機(jī)器人用于電子商務(wù)。預(yù)計(jì)到2018年，全球?qū)⒂谐^(guò)200家大型物流公司和電子商務(wù)公司在其訂單處理和倉(cāng)儲(chǔ)配送系統(tǒng)中應(yīng)用仿真機(jī)器人，應(yīng)用率有望達(dá)到45%。

（2）智能協(xié)作機(jī)器人。同樣預(yù)計(jì)在2018年，全球部署的機(jī)器人中有超過(guò)三分之一為智能機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)更快的運(yùn)行速度，并實(shí)現(xiàn)與人類(lèi)同時(shí)同地有效協(xié)作。

（3）應(yīng)用范圍突破制造業(yè)。預(yù)計(jì)到2019年，全球?qū)?huì)在超過(guò)三分之一的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)控制和運(yùn)行。

（4）軟件定義的機(jī)器人。預(yù)計(jì)到2020年，全球超過(guò)60%的機(jī)器人將實(shí)現(xiàn)云計(jì)算遠(yuǎn)程控制，其性能將得到大幅度提升，并逐步推動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用軟件市場(chǎng)的發(fā)展。（5）智能機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)。到2020年，商用機(jī)器人中將會(huì)有超過(guò)四成的機(jī)器人通過(guò)智能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)作，其運(yùn)轉(zhuǎn)效率至少翻一番。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，很多領(lǐng)域都已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，如水下勘測(cè)、極限救援以及在生活領(lǐng)域替代人工，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)逐步表現(xiàn)出其超強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿?。在未?lái)隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展越發(fā)迅速，機(jī)器人也將應(yīng)用于更多的場(chǎng)合，為人們帶來(lái)更多的便利。

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