沈?yàn)榍?/p>

（江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能工程技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003）

0 引言

雙足步行機(jī)器人是典型的類(lèi)人機(jī)器人，它憑借運(yùn)動(dòng)靈活、躲避障礙能力強(qiáng)及運(yùn)動(dòng)盲區(qū)小等諸多優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)雙足行走、跨越障礙、上下樓梯等類(lèi)人動(dòng)作，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)性環(huán)境地形，取代人類(lèi)在惡劣環(huán)境下完成具有危險(xiǎn)性的工作，因此受到許多研究者的關(guān)注，成為當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和智能控制成為重點(diǎn)研究方向。如韓軍等[2]設(shè)計(jì)了一種擺腰式無(wú)膝雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析；王高亮等[3]設(shè)計(jì)了一種可以翻滾的交叉足步行機(jī)器人；周江琛等[4]基于變質(zhì)心高度策略，衛(wèi)春芳等[5]采用多電機(jī)協(xié)同控制，施群等[6]在可變環(huán)境下使用智能仿生算法，董勝等[7]基于運(yùn)動(dòng)發(fā)散分量動(dòng)力學(xué)分別研究了雙足機(jī)器人的行走策略、步態(tài)規(guī)劃與位姿控制等問(wèn)題。本文則進(jìn)行了一種可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)人的交叉步行走的機(jī)器人設(shè)計(jì)，分別從機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和軟件程序3個(gè)方面詳細(xì)論述了機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)工作具有一定的實(shí)際應(yīng)用及推廣價(jià)值。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先對(duì)人類(lèi)的腿部關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。人類(lèi)腿部關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)組成。其中除膝關(guān)節(jié)只具有1 個(gè)自由度外（即繞3 軸的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)），髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)各具有2 個(gè)自由度（二者可分別繞1 軸和2軸、4軸和5軸轉(zhuǎn)動(dòng)）?？紤]到過(guò)多的自由度會(huì)影響機(jī)器人雙足行走的穩(wěn)定性，并增加后續(xù)步態(tài)規(guī)劃的復(fù)雜性，此處進(jìn)行自由度的簡(jiǎn)化，將髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)各去除1個(gè)自由度，形成單腿3自由度、雙腿6自由度的設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

圖1 人腿關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，為完成6 自由度的運(yùn)動(dòng)需求，分別在機(jī)器人雙腿的6 個(gè)關(guān)節(jié)處安裝6 個(gè)舵機(jī)，每?jī)蓚€(gè)舵機(jī)之間用剛性連接件連接，螺栓緊固，形成機(jī)器人的“大腿”與“小腿”；每3 個(gè)舵機(jī)組成“1 條腿”，分別模仿人類(lèi)的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。舵機(jī)間的連接件選用鋁材，質(zhì)量較輕且具有一定強(qiáng)度，如圖3所示。對(duì)于機(jī)器人的腳底板，為增強(qiáng)行走穩(wěn)定性，選擇加寬加厚的鋁板，如圖4所示。實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，鋁制的機(jī)器人腳底板與地板間的摩擦因數(shù)小，容易出現(xiàn)腳底板與地板摩擦力不足、機(jī)器人行走偏航的問(wèn)題，此時(shí)還可在腳底板底部加裝橡皮墊，用于防滑，增大與地面的摩擦力，可顯著提升機(jī)器人的直線行走能力。

圖2 雙足步行機(jī)器人三維造型圖和實(shí)物圖

圖3 鋁制連接件

圖4 鋁制腳底板

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，基于6 自由度的雙腿可以進(jìn)行雙足行走的步態(tài)規(guī)劃。設(shè)計(jì)中以人類(lèi)在行走過(guò)程中先邁左腿、再邁右腿、最后實(shí)現(xiàn)兩腳合并為例，設(shè)計(jì)過(guò)程如圖5所示：首先左腿髖關(guān)節(jié)向前運(yùn)動(dòng)，達(dá)到圖5（b）圖姿態(tài)；左腿抬起的同時(shí)膝關(guān)節(jié)彎曲至圖5（c）姿態(tài)；然后使左腿前傾踝關(guān)節(jié)落地，完成邁左腿動(dòng)作至圖5（d）；同時(shí)右腿髖關(guān)節(jié)向前運(yùn)動(dòng)，使右腿抬起的同時(shí)膝關(guān)節(jié)彎曲，完成圖5（e）、（f）姿態(tài)；然后使右腿前傾踝關(guān)節(jié)落地，完成邁右腿動(dòng)作至圖5（g），最后實(shí)現(xiàn)左右兩腳合并，完成“走一步”動(dòng)作。由于機(jī)器人的行走可以看作是多個(gè)步態(tài)的組合，因此，在規(guī)劃好一個(gè)步態(tài)之后，其他步態(tài)仿效此步態(tài)即可。

圖5 雙足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃圖

上述機(jī)器人的雙足運(yùn)動(dòng)方案，只是對(duì)人類(lèi)在雙腿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中髖、膝及踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的大致模仿，與真實(shí)的人類(lèi)步行在細(xì)節(jié)之處仍存在很多不同，因此無(wú)法像人類(lèi)一樣時(shí)刻保持身體平衡與運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。在實(shí)際制作機(jī)器人時(shí)，還需進(jìn)行多次調(diào)試，以確定機(jī)器人在行走過(guò)程中每個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的最佳角度，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程分述如下。

2.1 主控模塊

主控模塊是機(jī)器人的“大腦”，負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)和運(yùn)行上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的程序，控制舵機(jī)按照預(yù)設(shè)參數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，實(shí)現(xiàn)雙足行走等相關(guān)動(dòng)作。本次機(jī)器人設(shè)計(jì)的主控制模塊選取24 路舵機(jī)控制板，如圖6 所示。其主要由供電模塊、下載模塊及存儲(chǔ)模塊組成。MINI-USB 接口提供舵機(jī)控制板與上位機(jī)相連，可實(shí)現(xiàn)程序下載功能；程序調(diào)試好后可存儲(chǔ)至板載256 kB 存儲(chǔ)卡內(nèi)；供電模塊上電后，機(jī)器人就可脫機(jī)運(yùn)行。

圖6 24路舵機(jī)控制板

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊主要由6個(gè)180°數(shù)字舵機(jī)組成，如圖7所示，其主要參數(shù)為：自重約44 g，整體尺寸為40.5 mm ×20.5 mm ×38 mm，工作速度為0.14～0.16 s/60°，扭矩為4.2～5 kg/cm，額定電壓為4.5～5.5 V，正常工作電流200 mA。該舵機(jī)扭矩經(jīng)理論測(cè)算和實(shí)物測(cè)試能夠帶動(dòng)鋁制連接件運(yùn)動(dòng)，性能可靠，同時(shí)具有堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能，堵轉(zhuǎn)3 s后可自動(dòng)降低電流，以保護(hù)內(nèi)部馬達(dá)及電板，能夠較好地滿足本次雙足步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)及應(yīng)用需求。

圖7 180°數(shù)字舵機(jī)

圖8 7.4 V航模電池

2.3 供電模塊

機(jī)器人設(shè)計(jì)選擇7.4 V 航模鋰電池供電，如圖8 所示，由于舵機(jī)控制板內(nèi)已配置有降壓模塊，可將電源電壓穩(wěn)定在3～5.5 V 安全數(shù)值范圍內(nèi)，故無(wú)須外接降壓模塊。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該電源完全能夠符合雙足步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)運(yùn)行要求。

3 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

圖9 上位機(jī)軟件操作界面

步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)完成后，就可以進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)了。本次設(shè)計(jì)通過(guò)與圖6所示舵機(jī)控制板配套的上位機(jī)軟件進(jìn)行。該軟件可安裝在電腦運(yùn)行，圖9所示為軟件的設(shè)計(jì)操作界面。軟件通過(guò)電腦USB口與舵機(jī)控制板的MINI-USB口相連，實(shí)現(xiàn)程序?qū)懭?。?lián)機(jī)成功后，可通過(guò)鼠標(biāo)滑動(dòng)滑桿或者輸入數(shù)值范圍調(diào)節(jié)舵機(jī)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)不同角度的轉(zhuǎn)動(dòng)；每調(diào)試一段指令后，可點(diǎn)擊“插入”按鈕，便可在“命令列表”內(nèi)自動(dòng)生成動(dòng)作指令。當(dāng)機(jī)器人的整套程序調(diào)試完畢后，可點(diǎn)擊“下載”按鈕，程序便能夠自動(dòng)寫(xiě)入至舵機(jī)控制板上的板載動(dòng)作存儲(chǔ)卡中。拔下下載線，打開(kāi)機(jī)器人電源開(kāi)關(guān)，機(jī)器人便可按照之前設(shè)置的程序完成相應(yīng)的動(dòng)作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了一種交叉足步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程與實(shí)現(xiàn)方法，按上述設(shè)計(jì)流程和方法制作的交叉足步行機(jī)器人，經(jīng)實(shí)物制作測(cè)試能夠?qū)崿F(xiàn)既定的雙足交叉行走功能。設(shè)計(jì)工作為今后從事雙足機(jī)器人更為復(fù)雜的翻轉(zhuǎn)、跳躍動(dòng)作積累了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為從事相似原理的類(lèi)人仿生機(jī)器人的研究提供了有益借鑒。