覃潤基，楊其城

（長春工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130000）

0 引 言

隨著科技水平的提高，除去傳統(tǒng)固定環(huán)境下工作的工業(yè)機(jī)器人，現(xiàn)已發(fā)展出了各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下作業(yè)的有自主決策能力的智能機(jī)器人，如航天機(jī)器人、救援機(jī)器人、巡邏機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等[1]，這些脫離了固定工作環(huán)境的機(jī)器人需要有更高的環(huán)境適應(yīng)能力。目前，大多數(shù)移動(dòng)機(jī)器人都是采用傳統(tǒng)輪式或履帶式[2]的移動(dòng)方式，而多足機(jī)器人憑借更好的適應(yīng)能力與機(jī)動(dòng)性，一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，相比于履帶式和輪式機(jī)器人，多足機(jī)器人能通過不同的支撐點(diǎn)來獲取有效動(dòng)力[3]。合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、適當(dāng)?shù)恼{(diào)整步態(tài)，能讓多足機(jī)器人穩(wěn)定移動(dòng)。

目前在多足機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)方法中，最常見的是基于機(jī)器人重心的靜穩(wěn)定性方法，即要求機(jī)器人重心時(shí)刻保持在支撐區(qū)域內(nèi)，但這限制了機(jī)器人行走的流暢性。零力矩點(diǎn)（Zero Moment Point, ZMP）穩(wěn)定性理論[4]已廣泛應(yīng)用于雙足機(jī)器人的平衡控制問題處理當(dāng)中。目前，對多足機(jī)器人步態(tài)方面的研究有以下幾種：從仿生學(xué)角度對四足機(jī)器人的腿部擺動(dòng)軌跡進(jìn)行研究[5]、基于ZMP穩(wěn)定性理論對四足機(jī)器人機(jī)身運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化[6]、在耗能最優(yōu)方面研究多足機(jī)器人綜合步態(tài)[7]、為了提高四足機(jī)器人爬行穩(wěn)定性和速度對步態(tài)進(jìn)行優(yōu)化[8]、能夠越過障礙的多足機(jī)器人步態(tài)設(shè)計(jì)[9]、多足機(jī)器人的跳躍步態(tài)設(shè)計(jì)[10]。

參考上述對多足機(jī)器人步態(tài)研究成果，本文記錄了使用LSC-20舵機(jī)控制器控制LD-1501MG舵機(jī)調(diào)整多足機(jī)器人步態(tài)的過程。首先，擬定一個(gè)能夠使多足機(jī)器人平穩(wěn)站立的姿態(tài)，作為默認(rèn)的初始姿態(tài)，即每一個(gè)動(dòng)作周期的最后一個(gè)姿態(tài)；其次，設(shè)計(jì)出一個(gè)基于默認(rèn)姿態(tài)下的行進(jìn)姿態(tài)，調(diào)整機(jī)器人每步獨(dú)立動(dòng)作中的舵機(jī)參數(shù)，在保證機(jī)身平穩(wěn)的同時(shí)，確保機(jī)器人在行進(jìn)過程中的穩(wěn)定；最后，將站立姿態(tài)與行進(jìn)姿態(tài)相結(jié)合、優(yōu)化，在保證機(jī)身重心穩(wěn)定的同時(shí)，機(jī)器人足部行進(jìn)動(dòng)作流暢、平滑、迅速，使整個(gè)行進(jìn)過程的開始與結(jié)束都順利進(jìn)行。

1 多足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)選擇

本文使用的機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有六足機(jī)器人當(dāng)中十分常見，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由2個(gè)舵機(jī)和連接塊組成，依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)抬腿。該結(jié)構(gòu)控制較為簡單，相比于其他結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)抬腿只需要使用1個(gè)舵機(jī)，節(jié)省空間且減輕整體重量。

圖1 多足機(jī)器人的腿部機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 LSC-20舵機(jī)控制器及其軟件

本文使用LSC-20舵機(jī)控制器，如圖2所示。搭配對應(yīng)的軟件“LSC-20 Controller”能夠?qū)崿F(xiàn)對最多18個(gè)舵機(jī)的控制，即6個(gè)由3個(gè)舵機(jī)控制的腿部，使每條腿的每個(gè)部位都能夠最大幅度的擺動(dòng)。該控制器同時(shí)具備藍(lán)牙模塊和ps2手柄的接口。配套的軟件“LSC-20 Controller”使用簡單，界面直觀簡潔明了，省去了較為繁瑣的編程步驟，如圖3所示。

圖2 LSC-20舵機(jī)控制器

圖3 LSC-20上位機(jī)

3 軟件控制

控制板第一次連接電腦時(shí)，電腦會自動(dòng)安裝對應(yīng)驅(qū)動(dòng)。鏈接舵機(jī)與控制器后，打開控制軟件“LSC-20 Controller”，若界面中機(jī)器人的眼睛變綠，則表示軟件與控制器正常連接并啟動(dòng)成功。

舵機(jī)滑塊調(diào)整窗口如圖4所示。界面中，每條腿上的3個(gè)小窗口是舵機(jī)滑塊調(diào)整窗口，范圍為500～2 500（默認(rèn)為中位1 500）。點(diǎn)擊滑竿白色區(qū)域，滑塊向著鼠標(biāo)方向移動(dòng)，按住不放則連續(xù)移動(dòng)；也可以直接拖動(dòng)滑塊，滑塊滑動(dòng)的時(shí)候，舵機(jī)位置值也會隨之變化。記錄舵機(jī)參數(shù)只需要記錄界面中顯示的數(shù)據(jù)便可。

圖4 舵機(jī)滑塊調(diào)整窗口

4 步態(tài)調(diào)整

對多足機(jī)器人的每條腿編號，如圖5所示。將1號、4號腿歸為A組，2號、3號腿歸為B組。

圖5 給舵機(jī)4條腿編號

先將其調(diào)整為站立姿態(tài)，待穩(wěn)定后，記錄每個(gè)舵機(jī)的舵機(jī)位置參數(shù)，如圖6中黑色選中部分，作為初始姿態(tài)。

調(diào)整前進(jìn)步態(tài)，先改動(dòng)A組腿部舵機(jī)的數(shù)據(jù)，使其抬起后將舵機(jī)數(shù)據(jù)添加到動(dòng)作組中，以此類推，將A，B兩組腿各抬起一次記為一步。當(dāng)機(jī)器人完成“前進(jìn)一步”的動(dòng)作后回歸到初始姿態(tài)中，即該前進(jìn)動(dòng)作組的第一行舵機(jī)參數(shù)應(yīng)與最后一行舵機(jī)參數(shù)設(shè)置相同。“前進(jìn)一步”動(dòng)作組由以下4個(gè)步驟組成：

（1）抬起A組腿并且向前方轉(zhuǎn)動(dòng)45°；

（2）放下A組腿；

（3）抬起B(yǎng)組腿，同時(shí)A組腿向后方向移動(dòng)回到最初的位置；

（4）放下B組腿。

在已經(jīng)調(diào)整完成的“前進(jìn)一步”動(dòng)作組基礎(chǔ)上，若要銜接上前進(jìn)第二步，則只需要簡單地在動(dòng)作（3）中加入B組腿的前進(jìn)動(dòng)作，即：

（3）抬起B(yǎng)組腿并且向前方轉(zhuǎn)動(dòng)45°，同時(shí)A組腿回到初始位置；

（4）抬起A組腿，同時(shí)B組腿回到初始位置；

（5）放下A組腿。

此為“連續(xù)前進(jìn)兩步”動(dòng)作組。由此可見，若該機(jī)器人需要持續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，只需要在對應(yīng)的動(dòng)作中，將A，B兩組的腿部動(dòng)作互換，即可完成持續(xù)前進(jìn)動(dòng)作。

調(diào)整為前進(jìn)兩步后停止的舵機(jī)數(shù)據(jù)如圖6所示。將經(jīng)過調(diào)整試驗(yàn)后的動(dòng)作組拆分為兩個(gè)部分：靜止部分和前進(jìn)部分。將兩個(gè)部分結(jié)合后，便可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)前進(jìn)、隨時(shí)停止。

圖6 完整動(dòng)作組舵機(jī)參數(shù)

5 結(jié) 語

在學(xué)習(xí)和參考了各種多足機(jī)器人的行進(jìn)步態(tài)后，本文應(yīng)用LSC-20 Controller對多足機(jī)器人進(jìn)行簡單的步態(tài)調(diào)整。經(jīng)調(diào)試，該軟件對多足機(jī)器人的步態(tài)調(diào)整起到了很大的幫助作用，但在功能多樣性方面有待進(jìn)一步完善。