高 麗 彭 熙 劉 明

（1.華中師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 武漢 430079）（2.湖北省高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 武漢 430079）（3.湖北省人工智能與智慧學(xué)習(xí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430079）

1 引言

近年來(lái)，人形機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人研究的一個(gè)熱點(diǎn)。人形機(jī)器人的步態(tài)控制一直是人形機(jī)器人研究的一個(gè)難點(diǎn)［1～3］。目前國(guó)內(nèi)外高校的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)一般結(jié)合自己的專業(yè)來(lái)開(kāi)設(shè)，其中技術(shù)能力較弱的學(xué)校只開(kāi)設(shè)機(jī)器人動(dòng)作演示、機(jī)器人組裝實(shí)驗(yàn)，研究能力較強(qiáng)的學(xué)校則開(kāi)設(shè)機(jī)器人控制等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［4～6］。

仿人機(jī)器人具有與人類相似的軀干結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)能力，能夠在人類的工作環(huán)境中替代人類進(jìn)行工作，將人類從體力勞動(dòng)、機(jī)械重復(fù)作業(yè)等低級(jí)勞動(dòng)以及高危、高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)中解放出來(lái)，提高生產(chǎn)力水平和工作效率，提升人類的生活質(zhì)量，使人類能夠?qū)Ｗ⒂诟呒?jí)智慧活動(dòng)，促進(jìn)生產(chǎn)力的合理配置和社會(huì)發(fā)展［7～9］。

目前人形機(jī)器人大多只存在于實(shí)驗(yàn)室里。要想讓機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入人們的日常生活，代替人們完成日常工作。必須要讓機(jī)器人適應(yīng)外界復(fù)雜的環(huán)境。機(jī)器人在行走過(guò)程中，如何應(yīng)對(duì)復(fù)雜的路面化境就是亟待解決的問(wèn)題之一。人形機(jī)器人的行走步態(tài)是機(jī)器人研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要想讓機(jī)器人完成對(duì)復(fù)雜路面的適應(yīng)，最重要的兩項(xiàng)技術(shù)就是——機(jī)器人姿態(tài)控制以及機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃。姿態(tài)控制包括讓機(jī)器人知道自己目前所朝方向，是否需要轉(zhuǎn)彎，是否傾斜等等，以此為基礎(chǔ)機(jī)器人才能做出調(diào)整，讓自己身體保持平衡，進(jìn)而才能邁步行走，如何邁步行走即是步態(tài)規(guī)劃技術(shù)要考慮的問(wèn)題。

要想使機(jī)器人能夠感知自身姿態(tài)，就需要兩個(gè)部分。一是要有能接受外界信息的硬件設(shè)施，另一個(gè)就是在收集到外界信息后要結(jié)合算法進(jìn)行解算。

2.1 硬件的選取

姿態(tài)信息收集的傳感器，一般為慣性傳感器。例如三軸加速度傳感器、陀螺儀等等。某個(gè)單一的慣性傳感器是很難將機(jī)器人的姿態(tài)描述清楚的，所以需要多種傳感器配合。本實(shí)驗(yàn)選取JY901 姿態(tài)角度傳感器，選取的是集成高精度的陀螺儀、加速度計(jì)以及地磁場(chǎng)傳感器，協(xié)同工作收集姿態(tài)信息，傳遞給控制板進(jìn)行解算。圖1所示。

圖1 連接示意圖

2.2 姿態(tài)解算原理

對(duì)于機(jī)器人姿態(tài)的計(jì)算是利用慣性傳感器所傳回的四元數(shù)信息，計(jì)算歐拉角。其計(jì)算原理及公式如下：

四元數(shù)是一個(gè)簡(jiǎn)單的超復(fù)數(shù)，在三維中的旋轉(zhuǎn)可以用單位四元數(shù)來(lái)描述。四元數(shù)的定義為Q=a+=q0+q1i+q2j+q3k。MPU6050 一類慣性傳感器，可直接輸出四元數(shù)，我們則利用四元數(shù)進(jìn)一步求出歐拉角。

歐拉角是指在一個(gè)固連于剛體的坐標(biāo)系中，由剛體的旋轉(zhuǎn)分別產(chǎn)生俯仰角、滾動(dòng)角、航向角組成的一組獨(dú)立角參量。

首先，我們需要使用四元數(shù)表示的旋轉(zhuǎn)矩陣，根據(jù)公式可知：

已知求只需做一次矩陣逆變換便可求出：

對(duì)比兩式可解出

通過(guò)四元數(shù)計(jì)算出歐拉角即可直觀反映出機(jī)器人姿態(tài)。

硬件收集信息+算法解算，就可以得到機(jī)器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)，完成機(jī)器人姿態(tài)的控制。

3 人形機(jī)器人步態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)效果

3.1 人形機(jī)器人步態(tài)自由度的設(shè)置

設(shè)計(jì)人形機(jī)器人的步態(tài)，使其能夠在平地上完成所有的行走過(guò)程，實(shí)現(xiàn)前行、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。本文設(shè)計(jì)出的機(jī)器人腿部共有12 個(gè)自由度，每條腿各6個(gè)，即踝關(guān)節(jié)前向和扭轉(zhuǎn)2個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)前向1個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)有前向、側(cè)向旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向3個(gè)自由度，共有18個(gè)自由度［10～12］。自由度的設(shè)置如圖2所示。

圖2 機(jī)器人CCNU-1自由度配置示意圖

3.2 人形機(jī)器人連續(xù)步態(tài)的設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，我們可以規(guī)劃出所設(shè)計(jì)的人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和行走步驟。

首先將機(jī)器人站立，使其重心垂直于與地面，然后假設(shè)先以右腳支撐，邁左腿，這樣可以將機(jī)器人的重心轉(zhuǎn)移到右腿。要實(shí)現(xiàn)這一目的，應(yīng)該拖動(dòng)軟件中的13號(hào)舵機(jī)模塊的滾動(dòng)條（如圖3所示），使機(jī)器人的重心右移，其效果如圖4所示。

圖3 編程軟件中的第13號(hào)舵機(jī)模塊

圖4 機(jī)器人重心右移后的效果圖

根據(jù)慣性傳感器所傳回的四元數(shù)信息，計(jì)算出機(jī)器當(dāng)前俯仰角、滾動(dòng)角、航向角。對(duì)角度數(shù)值加以判斷，歸納當(dāng)前姿態(tài)情況，并根據(jù)不同情況做出不同反應(yīng)。若已符合目標(biāo)姿態(tài)，停止姿態(tài)調(diào)整，保持姿態(tài)不動(dòng)；若未符合目標(biāo)條件，則做出相應(yīng)調(diào)整策略。完成調(diào)整后，循環(huán)程序，再次收集姿態(tài)信息加以判斷［13～15］。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 程序設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)流程圖，機(jī)器人動(dòng)作姿態(tài)的變化，由各個(gè)舵機(jī)的控制來(lái)完成。如表1 所示。

表1 人形機(jī)器人動(dòng)作控制

根據(jù)姿態(tài)解算結(jié)果，向機(jī)器人舵機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，機(jī)器人做出相應(yīng)動(dòng)作，調(diào)整姿態(tài)，即達(dá)到連續(xù)步態(tài)的效果。圖6 所示為機(jī)器人連續(xù)步態(tài)過(guò)程的分階段圖解。

圖6 人形機(jī)器人的連續(xù)步態(tài)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

利用慣性傳感器所傳回的四元數(shù)信息，計(jì)算歐拉角，控制人形機(jī)器人的各種姿態(tài)。在自己設(shè)計(jì)機(jī)器人模型的基礎(chǔ)上，掌握人形機(jī)器人步態(tài)設(shè)計(jì)的基本要領(lǐng)和步態(tài)技巧以及工作原理。提高了學(xué)生綜合分析能力和解決問(wèn)題的能力，本文設(shè)計(jì)的方案和計(jì)算方法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用和檢驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性、可靠性和穩(wěn)定性，取得了良好的效果。這一實(shí)踐環(huán)節(jié)大大提高了學(xué)生的就業(yè)質(zhì)量，培養(yǎng)了更多的實(shí)踐創(chuàng)新人才。