任天麟

(焦作大學，河南 焦作 454150)

0 引言

隨著現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，機器人被應用在很多重要的領域，近年來農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展快速，且隨著技術的革新，機器人逐漸可以適應復雜環(huán)境下的作業(yè)。目前，采摘類作業(yè)機器人的數(shù)量逐漸增多，但其大部分采摘高度作業(yè)范圍有限，能夠適應不同高度需求作業(yè)的機器人還很少。武術的飛腳動作是武術學習中最常見的動作之一，其主要動作分為助跑、起跳、空中動作和落地過程，每個動作過程都可以作為機器人的仿生類人學習的模型。武術飛腳動作在起跳時，其肌肉的收縮和關節(jié)的動作具有明顯的規(guī)律性，如果將其應用到采摘機器人的腿部設計中，可以使采摘機器人腿部具有不同高度的伸縮功能，從而滿足不同高度采摘作業(yè)的需求，對于復雜采摘作業(yè)環(huán)境機器人的研究具有重要的意義。

1 武術飛腳動作分析機器在類人機器人動作控制中的應用

武術的飛腳動作具有一定的技巧性，助跑后踏跳動作完成質(zhì)量的好壞直接影響到騰空高度，它是跳躍動作的重要環(huán)節(jié)。其正確方法是利用人體肌肉在被拉伸時具有的彈力，利用彈性收縮提高在騰空時的初始速度，通過這個力將跳躍時間延長，可使武術飛腳動作具有更長的作用時間，從而達到較高的高度。利用這一原理設計的擂臺比賽機器人有很多，兩款典型的擂臺比賽機器人如圖1所示。

圖1 武術擂臺類人模仿機器人示意圖Fig.1 The sketch diagram of humanoid robot of martial arts arena

該種型號的機器人主要是用于擂臺比武等，其功能主要包括定位自己位置、檢測敵人位置和實現(xiàn)攻擊動作等。將飛腳動作使用在采摘機器人上，其流程如圖2所示。采用武術飛腳動作可以實現(xiàn)采摘機器人的類人仿真功能，從而提高采摘機器人設計的靈活性，利用腿部的伸縮功能，可以實現(xiàn)更高處果實的采摘作業(yè)，提高機器人對復雜作業(yè)環(huán)境的適應能力。

2 采摘機器人調(diào)速方案及動作控制方案

速度控制設計是采摘機器人最主要的功能設計之一，本次調(diào)速方案主要選擇的是PWM調(diào)速方式。根據(jù)設計手冊，直流電機的轉(zhuǎn)速可以表示為

(1)

其中，U為電機的電壓；I為電機的電流；R為電機電路的電阻；Φ為電機線圈的磁通量；K為結構參數(shù)。由公式(1)可知，轉(zhuǎn)速控制的方案主要有兩種：一種是通過磁通量進行控制；另一種是對電壓進行控制。由于磁通量的控制較為復雜，因此常用U的調(diào)速方案是對電壓進行控制，而電壓的控制可以通過脈寬調(diào)制來完成。其調(diào)速原理為

(2)

圖2 類人模仿飛腳伸縮動作的流程示意圖Fig.2 The flow chart of humanoid imitating the telescopic movement of flying feet

圖3 PWM調(diào)速原理示意圖Fig.3 The schematic diagram of PWM speed regulation principle

2.1 PWM調(diào)速方案選擇

目前，主要有3種常用的方法可以改變占空比，包括定寬跳頻、調(diào)高調(diào)頻及定頻調(diào)寬。

1)定寬調(diào)頻法(見圖3)。該方法主要是將t1設置為恒定不變值，改變t2值，使頻率的周期發(fā)生變化。

2)調(diào)高調(diào)頻法。該方法主要是將t1設置為恒定不變值，改變t2值，使頻率和脈寬發(fā)生變化。

3)定頻調(diào)寬法。這種方法是保持頻率恒定，同時改變t1和t1的值，使電壓發(fā)生改變。

這3種方法雖然都可以實現(xiàn)PWM調(diào)速，但如果頻率發(fā)上變化的話，在頻率接近于系統(tǒng)頻率時，系統(tǒng)會產(chǎn)生較大程度的振蕩，因此一般不使用前兩種方法。本次也是選用第3種方法，即定頻調(diào)寬法。

2.2 核心控制芯片選擇

芯片的選擇也有多種方案，下面對每個方案進行分析比較，確定本次設計使用方案。

1)第1種方案是選擇STC89C52單片機作為核心控制器。這款單片機簡單易懂，設計也方便；但該款單片機并沒有AD轉(zhuǎn)換和PWM輸出等，所以沒有采用這款單片機。

2)第2種方案是使用ARM系列的單片機。該型單片機功能非常強大，且處理速度快；但這款單片機的設計和編程較為復雜，而本研究只是采摘機器人腿部伸縮動作的初始化研究，沒要考慮太復雜的控制。ARM系列單片機的設計和使用需要一定的專業(yè)水平才能完成設計，因此暫時沒有考慮選擇這款單片機。

3)第3種方案是選擇STC12C5A60S2單片機。這款單片機可以完全兼容C51單片機，且處理速度也比較快，簡單易懂，還內(nèi)置了AD轉(zhuǎn)換和PWM輸出。因此，本研究選擇了這款單片機作為核心控制器。

2.3 傳感器方案選擇

傳感器的選擇也有多種方案，包括很多方案的組合，本次主要介紹兩種方案。

1)第1種方案是采用3種傳感器的組合，包括紅外接近傳感器、灰度傳感器和超聲波測距傳感器；不過超聲波傳感器的安裝和編程設計較為復雜，本次研究沒有選用這個方案。

2)第2種方案是采用紅外接近傳感器、紅外測距傳感器和灰度傳感器組合。這個組合的硬件安裝相對簡單，軟件編程也不復雜，可以滿足設計要求。

圖4為采摘機器人的硬件系統(tǒng)框圖。其中，硬件電路主要包括復位電路、程序電路、檢測電路和電源電路等，輸出控制部分主要是電機驅(qū)動電路和舵機驅(qū)動電路。假設表示電機控制的高電平，l表示電機控制的低電平，x表示沒有發(fā)出電平，則點擊運行控制的邏輯表如表1所示。

圖4 采摘機器人的硬件系統(tǒng)框圖Fig.4 The hardware system block diagram of picking robot

表1 電機運行控制邏輯表

通過控制輸入端信號來控制直流電機的起停，通過單片機定時器來進行模擬PWM調(diào)速，并根據(jù)果實目標的高度要求，通過電機控制，實現(xiàn)采摘機器人腿部的伸縮動作，進行較高部位果實的采摘。

3 采摘機器人實驗測試

為了驗證武術飛腳動作在采摘機器人上使用的可行性，設計了一款基于武術飛腳動作的腿部可伸縮機器人。為了簡化研究，本次只選用了武術飛腳動作的腿部伸縮作為類人仿生的主要對象，采用舵機控制的方式，通過調(diào)整舵機脈寬實現(xiàn)舵機的角度變化，從而實現(xiàn)采摘機器人腿部的伸縮動作。舵機的角度變化和輸入脈沖信號的關系如圖5所示。

采摘機器人要想實現(xiàn)腿部伸縮動作，需要調(diào)節(jié)關節(jié)處的電機，使舵機獲得1個轉(zhuǎn)動角度，可以改變對應的輸入脈沖信號的占空比，并通過閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，使采摘機器人的位置處于最佳狀態(tài)。

圖6為基于武術飛腳動作設計的一款類人機器人。該機器人腿部關節(jié)處安裝有驅(qū)動電機和舵機，通過電機驅(qū)動可以是舵機旋轉(zhuǎn)成一定的較大，從而調(diào)整腿部的長短。由試驗得到了如圖7所示的各種類人模仿動作。

圖5 舵機轉(zhuǎn)動角度與輸入脈沖信號關系圖Fig.5 The relationship between rotation angle of actuator and input pulse signal

圖6 基于飛腳動作的采摘機器人Fig.6 The picking robot based on the action of flying feet

圖7 各種動作類人仿真Fig.7 The umanoid simulation of various movements

本次設計的采摘機器人可以根據(jù)武術飛腳的各種動作，做類人仿真模擬，實現(xiàn)腿部的各種伸縮動作。為了驗證其可以接觸到不同高度的果實目標，將其放置在真實的果樹環(huán)境下進行實驗測試，測試環(huán)境如圖8所示。

為了測試采摘機器人對不同采摘高度的適應能力，選擇了果實位置不同的果樹，并對采摘高度進行了統(tǒng)計，并繪制出了如圖9所示的采摘方位圖。

圖8 采摘作業(yè)環(huán)境Fig.8 The picking environment

圖9 采摘機器人果實成功采摘范圍圖Fig.9 The successful picking range of fruit picking robot

由圖9可以看出：采摘機器人作業(yè)的高度范圍較大，滿足復雜高度條件下的采摘需求。

4 結論

武術飛腳動作是武術學習的主要特征動作之一，其騰空高度的把握有很多的技巧。本次研究對騰空動作的蹬地技巧進行了分析，并將其使用在了類人采摘機器人的設計過程中，實現(xiàn)了采摘機器人的腿部伸縮功能。為了驗證武術飛腳動作在采摘機器人上使用的可行性，以實際的果實采摘環(huán)境為依托，設計了一款腿部可伸縮的采摘機器人，并測試了其對不同高度果實采摘的作業(yè)范圍，將作業(yè)范圍繪制成了采摘范圍圖。測試結果表明：采摘機器人可以采摘到不同高度范圍的果實，滿足了不同高度采摘作業(yè)的需求，為新型類人仿生采摘機器人的設計提供了技術支持。