李 卓，葉天遲，時(shí)巖松

(吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130052)

在如今這個(gè)人工智能的時(shí)代，隨著電子、傳感器、通信、以及控制等方面技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多種類的機(jī)器人進(jìn)入到人類的生產(chǎn)生活中。固定式機(jī)器人與移動(dòng)式機(jī)器人的區(qū)別在于二者的結(jié)構(gòu)以及功能不同。本文涉及到的雙足行走機(jī)器人屬于移動(dòng)式機(jī)器人。其相較于其他移動(dòng)方式的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，他可以實(shí)現(xiàn)在坑洼路面行走，并且功耗消耗較小。

本次課題的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)雙足行走機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定控制。設(shè)計(jì)了雙足行走機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)，研究了雙足行走機(jī)器人的姿態(tài)算法和穩(wěn)定性判據(jù)。即使機(jī)器人能夠穩(wěn)定進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)步行，又使機(jī)器人在受到干擾時(shí)可以進(jìn)行自身姿態(tài)調(diào)節(jié)。

一、步態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)

雙足行走機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)制高點(diǎn)，其作為模仿人類行走方式的一種機(jī)器人，它的靈活性和運(yùn)動(dòng)能力都很突出，它可以在地面條件惡劣的環(huán)境下進(jìn)行移動(dòng)，適應(yīng)性強(qiáng)。機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)決定著雙足行走機(jī)器人性能的好壞，因此，機(jī)器人的步態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)要滿足以下幾個(gè)要求：

一是集成度較高的控制系統(tǒng)；二是數(shù)據(jù)處理的能力要非常高效；三是要采用更加便于擴(kuò)展和修復(fù)的模塊；四是當(dāng)系統(tǒng)某一模塊發(fā)生故障時(shí)不影響其他模塊工作，即系統(tǒng)的魯棒性要高；五是要有便于連接的接口，方便進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)。

(一)總體方案設(shè)計(jì)

機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：主控板、舵機(jī)模塊、平衡調(diào)節(jié)模塊、通信模塊、上位機(jī)、電源模塊。整個(gè)控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

(二)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要包括主控電路、舵機(jī)控制電路、傳感器電路、電源電路等。選擇的控制器是STM32F103RBT6，舵機(jī)選用的是LDX-218數(shù)字舵機(jī)和LDX-227數(shù)字舵機(jī)。當(dāng)舵機(jī)控制板接收到主控板發(fā)送的各個(gè)舵機(jī)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間等信息后，將其轉(zhuǎn)化為PWM脈沖信號(hào)，然后將PWM脈沖信號(hào)傳輸給舵機(jī)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)角度。傳感器電路選用六軸傳感器MPU6050獲取機(jī)器人在空間中的位置姿態(tài)信息，然后通過(guò)IIC總線將數(shù)據(jù)傳輸給主控器。這樣設(shè)計(jì)能夠?qū)﹄p足行走機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)檢測(cè)，并且使雙足行走機(jī)器人具有重力感應(yīng)功能，能夠在擾動(dòng)下實(shí)現(xiàn)自身平衡，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人在空間中的位置姿態(tài)信息以及加速度。

(三)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)初始化完成后，位置姿態(tài)轉(zhuǎn)檢測(cè)程序啟動(dòng)，對(duì)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位置自姿態(tài)信息進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到的信息通過(guò)IIC總線傳送給主控板。主控板利用姿態(tài)解算算法進(jìn)行姿態(tài)解算，根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)查詢其是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果處于穩(wěn)定狀態(tài)，主控制板將發(fā)送動(dòng)作指令給舵機(jī)控制板，舵機(jī)控制板與主控板通過(guò)串口進(jìn)行通信。如果舵機(jī)控制板與主控板成功通信，則舵機(jī)控制板執(zhí)行動(dòng)作指令，控制舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將動(dòng)作指令執(zhí)行完畢。動(dòng)作指令執(zhí)行完畢一次后將周期性重復(fù)進(jìn)行。如果不處于穩(wěn)定狀態(tài)，將自動(dòng)對(duì)其步態(tài)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整完畢后會(huì)出現(xiàn)調(diào)整標(biāo)志，如果調(diào)整標(biāo)志有效，則表示機(jī)器人已經(jīng)重新恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。主控制板將調(diào)整后的步態(tài)參數(shù)傳送給舵機(jī)控制板。然后舵機(jī)控制板執(zhí)行動(dòng)作指令控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)完成動(dòng)作。動(dòng)作完成一次后進(jìn)行周期性重復(fù)。

2.RCG姿態(tài)解算算法。在RCG姿態(tài)解算算法中，角度數(shù)據(jù)φ是通過(guò)將陀螺儀采集到的角速度進(jìn)行積分變換得到的。將角速度發(fā)送到卡爾曼濾波器進(jìn)行求解是為了更好地清除計(jì)算中的總偏差，然后獲得更準(zhǔn)確的角度數(shù)據(jù)。根據(jù)加速度計(jì)采集的加速度通過(guò)去重力分量和方向余弦矩陣處理得到的加速度來(lái)表示機(jī)器人本身的加速度。最后，將角速度，角度和加速度用作機(jī)器人的步態(tài)參數(shù)信息輸入到機(jī)器人的主控板中。將角速度送入卡爾曼濾波器進(jìn)行處理是為了消除計(jì)算中的累計(jì)的誤差，從而得到更加精確的角度數(shù)據(jù)。機(jī)器人自身的加速度是通過(guò)將加速度計(jì)采集到的加速度經(jīng)過(guò)去重力分量和方向余弦矩陣處理得到的。最后，角速度、角度、加速度共同作為機(jī)器人空間位置姿態(tài)信息輸入機(jī)器人主控制器。

3.ZMP穩(wěn)定性判據(jù)。ZMP穩(wěn)定性判據(jù)的主要內(nèi)容是：機(jī)器人行走時(shí)，零力矩點(diǎn)始終在支撐多邊形內(nèi)，水平翻彎扭矩為零，則機(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài)。為了更好地避免ZMP位于支撐多邊形邊界上的情況，通常將距支撐多邊形邊界一定距離用作穩(wěn)定裕度。在整個(gè)行走過(guò)程中，機(jī)器人的ZMP點(diǎn)會(huì)隨著時(shí)間不斷變化位置。穩(wěn)定性裕度定義為從ZMP點(diǎn)到支撐表面邊緣的最短路徑。如果ZMP點(diǎn)落在支撐的平行表面上，則穩(wěn)定裕度為正，機(jī)器人狀態(tài)穩(wěn)定，否則穩(wěn)定裕度為負(fù)，行走不穩(wěn)定。

二、虛擬樣機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

(一)虛擬樣機(jī)的建立

根據(jù)simulink中的整體步態(tài)規(guī)劃來(lái)構(gòu)建控制系統(tǒng)實(shí)體模型。ADAMS提供了機(jī)器人的3D模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型和動(dòng)畫(huà)仿真；Matlab提供控制算法并輸出每個(gè)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)ADAMS/Controls提供的接口，Matlab將舵機(jī)的控制命令傳遞給ADAMS。ADAMS會(huì)將反映虛擬樣機(jī)的虛擬傳感器的信息內(nèi)容實(shí)時(shí)反饋到Matlab，并生成閉環(huán)控制系統(tǒng)。并在ADMAS中，通過(guò)數(shù)據(jù)、繪圖和動(dòng)畫(huà)顯示和保存結(jié)果。

(二)機(jī)器人上樓梯仿真實(shí)驗(yàn)

在此處的系統(tǒng)軟件中，機(jī)器人高約35厘米，每步高約1厘米，步行周期為90秒。首先，右腿是支撐腿，左腿是搖擺腿，然后重心移到左腳。在此，整個(gè)過(guò)程都使用機(jī)器人手臂的搖晃使重心發(fā)生移動(dòng)并調(diào)整了整體平衡，然后第一步成功，圖2顯示了虛擬樣機(jī)左、右腿上樓梯的動(dòng)作序列。

圖2 機(jī)器人邁右腿、邁左腿動(dòng)作序列

使用ADAMS的內(nèi)置ADAMS / PostProcessor控制模塊，模擬機(jī)器人的虛擬樣機(jī)質(zhì)心和踝關(guān)節(jié)上的支撐點(diǎn)在3D空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。為了更好地觀察和分析每個(gè)方向機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將ADAMS數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出到Matlab，從而生成x、y和z方向的步行軌跡。左腳踝的軌跡如圖3所示。

圖3 左腳踝運(yùn)動(dòng)軌跡

機(jī)器人主體的軌跡沿x軸規(guī)則變化。y軸和z軸方向之間的偏差穩(wěn)定且有所改善，并且有輕微的振動(dòng)。一方面，機(jī)器人本身必須穩(wěn)定，并且根據(jù)調(diào)整后的姿勢(shì)可以提高整個(gè)步行過(guò)程的整體可靠性。另一方面，機(jī)器人腳底和地板的材料都設(shè)置為剛體，即虛擬樣機(jī)的腳底與路面碰撞后，外觀和尺寸保持不變。并且肯定了剛體在現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)際上并不可用，它們只是一個(gè)理想化的概念模型。由于所有物體在受到力作用后都會(huì)或多或少地變形，因此在物理原型中，機(jī)器人腳底的輕微變形可以起到調(diào)節(jié)作用，從而提高行走的穩(wěn)定性。

三、機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了檢測(cè)機(jī)器人在正常行走時(shí)突然受到外力干擾打破原來(lái)穩(wěn)定狀態(tài)后能否很迅速地進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，設(shè)計(jì)進(jìn)行了直立行走狀態(tài)下的外力干擾實(shí)驗(yàn)。

機(jī)器人從站立狀態(tài)進(jìn)入向前行走狀態(tài)，然后受到外力干擾失去穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)步態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)檢測(cè)到姿勢(shì)變化時(shí)，進(jìn)行姿勢(shì)調(diào)整。調(diào)整完成后，恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，最后恢復(fù)站立狀態(tài)。根據(jù)圖4中數(shù)據(jù)，可以看出，使用RCG姿態(tài)解算算法進(jìn)行步態(tài)穩(wěn)定控制，能夠及時(shí)檢測(cè)到機(jī)器人的姿態(tài)變化并且迅速進(jìn)行調(diào)節(jié)，恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 角度數(shù)據(jù)變化圖

機(jī)器人上樓梯實(shí)驗(yàn)的測(cè)試成功的驗(yàn)證了本次步態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的有效性，緊接著又進(jìn)行了平坦路面直立行走實(shí)驗(yàn)、研究加速度參量作用實(shí)驗(yàn)、直立行走狀態(tài)下的外力干擾實(shí)驗(yàn)三個(gè)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了RCG姿態(tài)解算算法修正機(jī)器人步態(tài)偏差的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力地證實(shí)了RCG姿態(tài)解算算法能夠及時(shí)修正姿態(tài)偏差，具有較高的可靠性和可行性，也充分的體現(xiàn)了本次設(shè)計(jì)的步態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的性能是良好的。

四、總結(jié)

在機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)為了更好地提高解決不平衡情況的機(jī)器人的時(shí)效性，明確提出了一種消除重力分量的機(jī)器人姿態(tài)控制優(yōu)化算法—RCG姿態(tài)算法，數(shù)據(jù)處理方法在整個(gè)過(guò)程中都使用加速度傳感器和卡爾曼濾波修正角度偏差。并使用定向余弦矩陣將機(jī)器人傳感器的平面坐標(biāo)下的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換至世界坐標(biāo)系下。

使用ADAMS進(jìn)行即時(shí)動(dòng)態(tài)模型仿真，構(gòu)建MATLAB和ADAMS協(xié)同仿真服務(wù)平臺(tái)，在兩個(gè)仿真軟件之間建立橋梁，完成所有測(cè)試階段的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并在協(xié)作仿真模擬服務(wù)平臺(tái)下進(jìn)行機(jī)器人在總體步態(tài)計(jì)劃模式下的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換成相關(guān)曲線，從而比較總體步態(tài)實(shí)際效果。最終進(jìn)行測(cè)試，證明系統(tǒng)采用的方法可以提高機(jī)器人對(duì)不平衡情況的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。