王高亮， 王輝輝， 王 強(qiáng)， 孫曉紅

(1 周口師范學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院， 河南 周口 466001； 2 周口師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 河南 周口 466001； 3 河南省激光與光電信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(鄭州大學(xué))， 鄭州 450052)

引言

機(jī)器人學(xué)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)綜合性較強(qiáng)的新學(xué)科，其中涵蓋了諸如計(jì)算機(jī)工程、人工智能系統(tǒng)、電子工程以及生物仿生學(xué)等多門(mén)類在內(nèi)的熱點(diǎn)前沿技術(shù)內(nèi)容。研究中，因?yàn)殡p足機(jī)器人所獨(dú)具的特性，如仿人類動(dòng)作靈活，且對(duì)于非結(jié)構(gòu)性的環(huán)境地形表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，躲避障礙的能力較強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)的盲區(qū)小等優(yōu)良的性能，故而已吸引到研究學(xué)界的多方重視與關(guān)注。在此基礎(chǔ)上，致力于雙足機(jī)器人的進(jìn)一步研究，以及探索其可操控空間和模仿人類運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃都具有相當(dāng)重要的意義。論文中的交叉足機(jī)器人，是基于中國(guó)機(jī)器人大賽交叉足項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)，機(jī)器人在狹長(zhǎng)的賽道上沿直線穩(wěn)定行走，整個(gè)步行過(guò)程中始終要平衡、快速、穩(wěn)定，這就需要雙足機(jī)器人具有較高的機(jī)械精度和穩(wěn)定的控制策略。對(duì)此課題，擬展開(kāi)研究論述如下。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

1.1 結(jié)構(gòu)組成方案

論文中所設(shè)計(jì)的交叉足機(jī)器人需滿足如下功能要求：保持直線穩(wěn)定行走、做出比賽要求的相應(yīng)動(dòng)作、使用舵機(jī)數(shù)不超過(guò)6臺(tái)、尺寸大小不超過(guò)200 mm(長(zhǎng))×200 mm(寬)×300 mm(高)，重量為0.65 kg。

考慮到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡，使得整個(gè)機(jī)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)材料不僅要有較好的剛性強(qiáng)度，也要有較輕的重量。材料采用了鋁制器件，支撐機(jī)器人髖關(guān)節(jié)部位的材料采用了電鍍板，一是電鍍板更輕且不導(dǎo)電，不會(huì)對(duì)整體電路造成影響，硬度、剛性也符合要求，而且易于加工，其上的電鍍孔可以用來(lái)固定控制模塊和電源。腳底板的設(shè)計(jì)也采用了相似的材料，并在機(jī)器人的頂部和足底配置防滑墊，增大摩擦力，有效改善機(jī)器人到達(dá)實(shí)際位置存在偏差的問(wèn)題[1]。

腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)人類實(shí)際行走時(shí)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)模塊使用6臺(tái)舵機(jī)，3個(gè)相連組成一條腿，分別模仿人類的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。其中，踝關(guān)節(jié)只有一個(gè)自由度，而人類的髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)卻有2個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)前后擺動(dòng)、左右擺動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作；此外，膝關(guān)節(jié)也只有一個(gè)自由度，只能前后方向擺動(dòng)。論文設(shè)計(jì)的交叉足機(jī)器人通過(guò)使用不多于6個(gè)自由度就可以完成比賽所要求的動(dòng)作。機(jī)器人胯部結(jié)構(gòu)，只具有一個(gè)前后俯仰自由度，提供連接膝關(guān)節(jié)和軀干的橋梁，主要控制機(jī)器人的向前運(yùn)動(dòng)。總地來(lái)說(shuō)，膝關(guān)節(jié)連接腳部和胯部，和髖關(guān)節(jié)共同控制著機(jī)器人的前向運(yùn)動(dòng)。

軀干部分用于安裝控制模塊和電源模塊，連接著驅(qū)動(dòng)模塊，為了保持整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在軀干部分安裝驅(qū)動(dòng)模塊時(shí),要保證2條腿之間相對(duì)于軀干中心對(duì)稱，2腿之間不能相距太近或太遠(yuǎn)。如果相距太近，交叉足機(jī)器人2條腿行走時(shí)，就會(huì)絆在一起無(wú)法前進(jìn)，太遠(yuǎn)又會(huì)導(dǎo)致行走過(guò)程中，一只腳抬起時(shí)會(huì)受力不均而向另一邊傾倒，因此安裝時(shí)要使腳底板恰好可以通過(guò)腿部而不會(huì)刮擦到最為合適。

1.2 機(jī)器人控制模塊

機(jī)器人的控制模塊就是機(jī)器人的大腦，可由其發(fā)出全部指令，控制機(jī)器人擬將做出的規(guī)定性動(dòng)作，控制板發(fā)出指令到驅(qū)動(dòng)模塊舵機(jī)，使舵機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，從而使機(jī)器人遵照指令含義發(fā)生移動(dòng)。論文設(shè)計(jì)的機(jī)器人的控制模塊采用了16路的舵機(jī)控制器，控制器配有相應(yīng)的上位機(jī)調(diào)試軟件，可以詳細(xì)展現(xiàn)各個(gè)舵機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，大大降低了調(diào)試難度。該控制器支持動(dòng)作組的儲(chǔ)存，可提供128類動(dòng)作組下載，每類動(dòng)作組包含256個(gè)動(dòng)作，總共可以保存上萬(wàn)套動(dòng)作，完全能夠滿足交叉足機(jī)器人的動(dòng)作需求。

如圖1所示，板載動(dòng)作儲(chǔ)存卡是調(diào)試動(dòng)作的儲(chǔ)存單元，也是動(dòng)作指令的發(fā)出地，將調(diào)試好的定義動(dòng)作儲(chǔ)存進(jìn)去，機(jī)器人就可以脫機(jī)運(yùn)行，按照預(yù)編的指令完成各個(gè)動(dòng)作。MINI—USB接口主要通過(guò)連接線與電腦相連，使電腦上的上位機(jī)調(diào)試軟件與機(jī)器人連接，主板電源通訊指示燈顯示供電狀態(tài)和上位機(jī)軟件與機(jī)器人自身的通訊連接。

控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用了上位機(jī)+串口+下位機(jī)的控制系統(tǒng)方案。設(shè)計(jì)中，上位機(jī)控制軟件的主要功能是，對(duì)設(shè)定的交叉足機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃和動(dòng)作位置插入與補(bǔ)充，再按照一定時(shí)間間隔和順序依次發(fā)送給下位機(jī),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)位置精準(zhǔn)的速度控制。下位機(jī)主要功能是，接收上位機(jī)發(fā)出的動(dòng)作指令信號(hào)，控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人按指令規(guī)劃完成步行動(dòng)作[2]。

圖1 控制板

1.3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊是機(jī)器人的動(dòng)作執(zhí)行部分，驅(qū)動(dòng)模塊的運(yùn)行情況直接決定了機(jī)器人的行走狀態(tài)。目前機(jī)器人運(yùn)用的有液壓、氣壓、電機(jī)驅(qū)動(dòng)3種驅(qū)動(dòng)方式[3]，論文選用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由舵盤(pán)、位置反饋電位計(jì)、減速齒輪、直流電機(jī)組成[4]。舵機(jī)通常按180°、270°和360°來(lái)給出分類，該交叉足機(jī)器人采用了比較靈活的180°舵機(jī)。舵機(jī)工作時(shí)接收來(lái)自主控制板的電子信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。舵機(jī)的主要參數(shù)有扭矩、速度、尺寸和重量。運(yùn)行時(shí)的工作原理是：信號(hào)到達(dá)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓，在其內(nèi)部設(shè)有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期大致為10 ms，寬度為0.75 ms的基準(zhǔn)信號(hào)[5]，將得到的偏置電壓和電位器的電壓進(jìn)行比較，得到電壓差并輸出結(jié)果。電壓差的正負(fù)決定舵機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。電壓差為零時(shí)，舵機(jī)靜止。舵機(jī)的控制信號(hào)為PWM信號(hào)，通過(guò)占空比的變化而使舵機(jī)改變位置[6]。

本次研發(fā)中涉及的舵機(jī)參數(shù)有: 重量，60 g；尺寸，40.0 mm×20.0 mm×40.5 mm ；速度，0.16 sec/60°@4.8 V、0.14 sec/60°@6 V ；失速扭矩，13.5 kg/cm @4.8 V 、15 kg/cm @6 V、17 kg/cm @7.2 V；工作電壓，8-7.2 Volts ；工作電流，150 mA；工作電流需大于>100 mA。

該機(jī)器人選用了供電電壓6 V，扭矩15 kg/cm的數(shù)字舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)模塊，該舵機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，扭力大，精度高，完全滿足該交叉足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)要求。

1.4 機(jī)器人能源供給模塊

機(jī)器人的能源供給模塊可以源源不斷地為機(jī)器人提供電力輸入，機(jī)器人的各種行為動(dòng)作才會(huì)成為可能。同時(shí)，該模塊也要給控制板電路和驅(qū)動(dòng)模塊的舵機(jī)輸送電能動(dòng)力，因此，良好的電源選擇對(duì)于機(jī)器人的供電穩(wěn)定性和機(jī)體系統(tǒng)穩(wěn)定性均將起到重要的補(bǔ)益作用。

該交叉足機(jī)器人選用了7.4 V，容量2 000 mA的鋰離子電池作為能源供給模塊，但是舵機(jī)的供電電壓為6 V ，如果直接用該電源給舵機(jī)供電,舵機(jī)在高于額定值電壓下工作容易發(fā)生抖舵或者燒毀，故而為了保護(hù)舵機(jī)，特別加入了串聯(lián)1.2 V降壓芯片，使經(jīng)過(guò)降壓芯片到達(dá)舵機(jī)供電端的輸出電壓穩(wěn)定在6 V左右的安全數(shù)值。經(jīng)過(guò)測(cè)試可知，能夠滿足交叉足機(jī)器人的供電需求。能源供給的實(shí)物設(shè)計(jì)則如圖2所示。

(a)降壓芯片和控制板

(b)電源

圖2設(shè)計(jì)實(shí)物圖

Fig.2Designphysicalgraph

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是與控制板相匹配的，通過(guò)數(shù)據(jù)線與安裝齊整的交叉足機(jī)器人的控制模塊相連，在其控制界面上有通訊連接顯示窗口，有相應(yīng)的舵機(jī)調(diào)試窗口，可以拖動(dòng)滑標(biāo)、也可輸入數(shù)據(jù)使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，界面下方還配有每一步調(diào)試數(shù)據(jù)的顯示。在調(diào)試完成后，保存并下載相應(yīng)的程序到控制板里，然后點(diǎn)擊脫機(jī)運(yùn)行便可使機(jī)器人按照原先設(shè)定好的程序去執(zhí)行各類動(dòng)作。界面布局設(shè)計(jì)可如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件圖示

3 機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃及相關(guān)動(dòng)作的設(shè)計(jì)

步態(tài)規(guī)劃的合理性直接決定著該機(jī)器人行走時(shí)的穩(wěn)定性和姿態(tài)的美觀性。通常，步態(tài)規(guī)劃要研究討論多個(gè)方面，如機(jī)器人行走路線的地形，機(jī)器人得到運(yùn)動(dòng)軌跡等因素。但本文設(shè)計(jì)則重點(diǎn)考慮了仿生學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定性這2個(gè)方面。模仿人類行走時(shí)關(guān)節(jié)的擺動(dòng)，通過(guò)測(cè)量和分析來(lái)決定機(jī)器人行走時(shí)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的合適角度，從而使機(jī)器人可以像人類一樣平穩(wěn)地行走。首先通過(guò)對(duì)人類在行走時(shí)腿部動(dòng)作進(jìn)行拆解分析，例如人類在行走時(shí)通過(guò)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的帶動(dòng)使一只腳先離開(kāi)地面，接著向前擺動(dòng)再落下，人類就是通過(guò)2條腿的如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)達(dá)到了前行的目的。

模擬人類行走，過(guò)程分解如圖4所示。起步時(shí)機(jī)器人首先雙腿略微彎曲然后左腿抬起，準(zhǔn)備向前邁步，接著右腿前傾，放下左腳，完成第一步的行走。在抬腳邁步的過(guò)程中，要保持腳底板和機(jī)器人頂部的電鍍板與地面平行，這樣可以保持交叉足機(jī)器人行走時(shí)姿態(tài)的美觀性。接著抬右腳、向前移動(dòng)、放下、抬左腳、向前移動(dòng)、放下時(shí)保持立正的姿勢(shì)，這樣就完成了3步走的動(dòng)作[7]。

圖4 步態(tài)規(guī)劃圖

機(jī)器人3步走之后，接著向前翻滾3次，立正再前進(jìn)3步，接續(xù)后翻滾3次完成比賽的路程。在行進(jìn)了向前3步走后，即需開(kāi)始往前翻滾。前滾翻的動(dòng)作為保持穩(wěn)定，讓機(jī)器人的頂部先觸地，保持穩(wěn)定后先抬起一只腳，讓一只腳先翻過(guò)去踏到地面之后，然后再讓另一只腳翻過(guò)去，接著站起來(lái)立正，這樣做的好處是機(jī)器人向前翻滾的時(shí)候可以保持動(dòng)作的平穩(wěn)流暢，避免出現(xiàn)因動(dòng)作過(guò)大導(dǎo)致的路線偏移。只要完成了這2個(gè)動(dòng)作的規(guī)劃，其余的動(dòng)作就跟這2步一樣，只是一個(gè)周期接著一個(gè)周期地順序執(zhí)行即可。動(dòng)作流程的研究設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5動(dòng)作運(yùn)行流程圖

Fig.5Flowchartofmotionoperation

4 機(jī)器人的動(dòng)作調(diào)試

將交叉足機(jī)器人的控制板通過(guò)數(shù)據(jù)線與電腦相連，打開(kāi)上位機(jī)調(diào)試界面的COM端口連接，嘗試連接各個(gè)端口至控制板上的通訊指示燈亮，并稍微移動(dòng)舵機(jī)調(diào)試滑塊，舵機(jī)有轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象則表示通訊連接良好。

在步態(tài)和動(dòng)作規(guī)劃交付后，接著就是動(dòng)作的調(diào)試進(jìn)程。將規(guī)劃的動(dòng)作通過(guò)機(jī)器人的行為實(shí)際展現(xiàn)出來(lái)。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)步態(tài)的調(diào)試時(shí)，首先開(kāi)啟的就是單關(guān)節(jié)調(diào)試。單關(guān)節(jié)調(diào)試的目的是為了測(cè)試各關(guān)節(jié)電路連接及機(jī)構(gòu)是否正常工作，舵機(jī)是否順利通過(guò)磨合及測(cè)量各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動(dòng)范圍，其次為了標(biāo)記各臺(tái)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)正、反方向，測(cè)試各臺(tái)舵機(jī)是否能夠準(zhǔn)確調(diào)到零位。在此之后，將轉(zhuǎn)入實(shí)際的動(dòng)作調(diào)試。先是逐個(gè)動(dòng)作的觸發(fā)調(diào)試，調(diào)試成功并全部保存后，就是將所有動(dòng)作串連起來(lái)整體運(yùn)行一次，檢視動(dòng)作是否流暢。在調(diào)試過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題需及時(shí)處理，同時(shí)參照步態(tài)規(guī)劃數(shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)舵機(jī)的運(yùn)行參數(shù)給予修正，通過(guò)反復(fù)的運(yùn)行調(diào)試，使交叉足機(jī)器人達(dá)到穩(wěn)定步行的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)用性上說(shuō)，該機(jī)器人滿足了模擬人類步行的相關(guān)要求，由于舵機(jī)控制原因，靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上人類的動(dòng)作行為能力。但隨著科技發(fā)展，雙足機(jī)器人必將在未來(lái)可為多種實(shí)際場(chǎng)合發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵協(xié)助作用?？蓪?duì)其描述如下。

(1)可以利用人工制造的假腿或可以操控的步行座椅給殘疾人提供代步工具，能使殘疾人如正常人一樣在不同的環(huán)境中自由行走，從而減少對(duì)其它人的依賴。

(2)雙足機(jī)器人可適用的作業(yè)范疇廣闊，不僅能和人們一起合作完成某項(xiàng)工作，而且由于其具有人類的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，因此無(wú)需特別改造，即可投付使用。

(3)特別的環(huán)境下能夠替代人工作業(yè)，例如核電站內(nèi)機(jī)器的維修、建筑高層的玻璃擦洗、管道監(jiān)測(cè)、維修、遙控?fù)岆U(xiǎn)救災(zāi)、敵軍偵察和間諜工作、排除地雷、排除爆炸物等性質(zhì)用途的相關(guān)工作。

(4)在教學(xué)、大眾服務(wù)和藝術(shù)行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。例如跳舞機(jī)器人、服務(wù)員機(jī)器人等。

由于該交叉足機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，僅可以實(shí)現(xiàn)行走、翻滾等動(dòng)作，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力上存在一定不足，所以在此基礎(chǔ)上仍有諸多問(wèn)題亟待研究解決。比如可以給機(jī)器人加裝陀螺儀來(lái)提升機(jī)器人的穩(wěn)定性，加裝紅外傳感器使其具備避障的能力，引入聲音、圖像使其可與外界環(huán)境交互等等。因此，后續(xù)研究還需深入鉆研其構(gòu)造機(jī)理和相關(guān)技術(shù)，掌握該領(lǐng)域發(fā)展走向，才能融入創(chuàng)新、匠心獨(dú)運(yùn)地設(shè)計(jì)制造出符合、且引領(lǐng)未來(lái)需求的智能機(jī)器人。