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        基于LSC-20控制的多足機(jī)器人步態(tài)調(diào)整

        2021-10-10 02:57:06覃潤基楊其城
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:舵機(jī)腿部步態(tài)

        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)移動機(jī)器人都是采用傳統(tǒng)輪式或履帶式[2]的移動方式,而多足機(jī)器人憑借更好的適應(yīng)能力與機(jī)動性,一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點,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來獲取有效動力[3]。合理的設(shè)計結(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。

        目前在多足機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計方法中,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(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[9]、多足機(jī)器人的跳躍步態(tài)設(shè)計[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),即每一個動作周期的最后一個姿態(tài);其次,設(shè)計出一個基于默認(rèn)姿態(tài)下的行進(jìn)姿態(tài),調(diào)整機(jī)器人每步獨(dú)立動作中的舵機(jī)參數(shù),在保證機(jī)身平穩(wěn)的同時,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,機(jī)器人足部行進(jìn)動作流暢、平滑、迅速,使整個行進(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個舵機(jī)和連接塊組成,依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)來實現(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個舵機(jī)的控制,即6個由3個舵機(jī)控制的腿部,使每條腿的每個部位都能夠最大幅度的擺動。該控制器同時具備藍(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,電腦會自動安裝對應(yīng)驅(qū)動。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)。點擊滑竿白色區(qū)域,滑塊向著鼠標(biāo)方向移動,按住不放則連續(xù)移動;也可以直接拖動滑塊,滑塊滑動的時候,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”的動作后回歸到初始姿態(tài)中,即該前進(jìn)動作組的第一行舵機(jī)參數(shù)應(yīng)與最后一行舵機(jī)參數(shù)設(shè)置相同?!扒斑M(jìn)一步”動作組由以下4個步驟組成:

        (1)抬起A組腿并且向前方轉(zhuǎn)動45°;

        (2)放下A組腿;

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

        (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作(3)中加入B組腿的前進(jìn)動作,即:

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

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

        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)整試驗后的動作組拆分為兩個部分:靜止部分和前進(jìn)部分。將兩個部分結(jié)合后,便可實現(xiàn)隨時前進(jìn)、隨時停止。

        圖6 完整動作組舵機(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。

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