交叉足步行机器人设计

王高亮， 王辉辉， 王 强， 孙晓红

(1 周口师范学院 物理与电信工程学院， 河南 周口 466001； 2 周口师范学院 机械与电气工程学院， 河南 周口 466001； 3 河南省激光与光电信息技术重点实验室(郑州大学)， 郑州 450052)

引言

机器人学是近年来发展起来的一门综合性较强的新学科，其中涵盖了诸如计算机工程、人工智能系统、电子工程以及生物仿生学等多门类在内的热点前沿技术内容。研究中，因为双足机器人所独具的特性，如仿人类动作灵活，且对于非结构性的环境地形表现出良好的适应性，躲避障碍的能力较强，运动的盲区小等优良的性能，故而已吸引到研究学界的多方重视与关注。在此基础上，致力于双足机器人的进一步研究，以及探索其可操控空间和模仿人类运动的步态规划都具有相当重要的意义。论文中的交叉足机器人，是基于中国机器人大赛交叉足项目要求设计，机器人在狭长的赛道上沿直线稳定行走，整个步行过程中始终要平衡、快速、稳定，这就需要双足机器人具有较高的机械精度和稳定的控制策略。对此课题，拟展开研究论述如下。

1 机器人结构组成

1.1 结构组成方案

论文中所设计的交叉足机器人需满足如下功能要求：保持直线稳定行走、做出比赛要求的相应动作、使用舵机数不超过6台、尺寸大小不超过200 mm(长)×200 mm(宽)×300 mm(高)，重量为0.65 kg。

考虑到机器人的运动状态及运动轨迹，使得整个机体结构的设计材料不仅要有较好的刚性强度，也要有较轻的重量。材料采用了铝制器件，支撑机器人髋关节部位的材料采用了电镀板，一是电镀板更轻且不导电，不会对整体电路造成影响，硬度、刚性也符合要求，而且易于加工，其上的电镀孔可以用来固定控制模块和电源。脚底板的设计也采用了相似的材料，并在机器人的顶部和足底配置防滑垫，增大摩擦力，有效改善机器人到达实际位置存在偏差的问题[1]。

腿部结构设计根据人类实际行走时关节的运动，驱动模块使用6台舵机，3个相连组成一条腿，分别模仿人类的髋关节、膝关节和踝关节。其中，踝关节只有一个自由度，而人类的髋关节和踝关节却有2个自由度，可以实现前后摆动、左右摆动、转动等动作；此外，膝关节也只有一个自由度，只能前后方向摆动。论文设计的交叉足机器人通过使用不多于6个自由度就可以完成比赛所要求的动作。机器人胯部结构，只具有一个前后俯仰自由度，提供连接膝关节和躯干的桥梁，主要控制机器人的向前运动。总地来说，膝关节连接脚部和胯部，和髋关节共同控制着机器人的前向运动。

躯干部分用于安装控制模块和电源模块，连接着驱动模块，为了保持整体的结构稳定，在躯干部分安装驱动模块时,要保证2条腿之间相对于躯干中心对称，2腿之间不能相距太近或太远。如果相距太近，交叉足机器人2条腿行走时，就会绊在一起无法前进，太远又会导致行走过程中，一只脚抬起时会受力不均而向另一边倾倒，因此安装时要使脚底板恰好可以通过腿部而不会刮擦到最为合适。

1.2 机器人控制模块

机器人的控制模块就是机器人的大脑，可由其发出全部指令，控制机器人拟将做出的规定性动作，控制板发出指令到驱动模块舵机，使舵机按照预先设定的参数转动一定的角度，从而使机器人遵照指令含义发生移动。论文设计的机器人的控制模块采用了16路的舵机控制器，控制器配有相应的上位机调试软件，可以详细展现各个舵机的运行参数，大大降低了调试难度。该控制器支持动作组的储存，可提供128类动作组下载，每类动作组包含256个动作，总共可以保存上万套动作，完全能够满足交叉足机器人的动作需求。

如图1所示，板载动作储存卡是调试动作的储存单元，也是动作指令的发出地，将调试好的定义动作储存进去，机器人就可以脱机运行，按照预编的指令完成各个动作。MINI—USB接口主要通过连接线与电脑相连，使电脑上的上位机调试软件与机器人连接，主板电源通讯指示灯显示供电状态和上位机软件与机器人自身的通讯连接。

控制系统总体结构采用了上位机+串口+下位机的控制系统方案。设计中，上位机控制软件的主要功能是，对设定的交叉足机器人动作进行规划和动作位置插入与补充，再按照一定时间间隔和顺序依次发送给下位机,从而实现机器人关节位置精准的速度控制。下位机主要功能是，接收上位机发出的动作指令信号，控制机器人各个关节舵机的实际运动，使机器人按指令规划完成步行动作[2]。

图1 控制板

1.3 机器人驱动模块

驱动模块是机器人的动作执行部分，驱动模块的运行情况直接决定了机器人的行走状态。目前机器人运用的有液压、气压、电机驱动3种驱动方式[3]，论文选用的是电机驱动控制。舵机是一种位置伺服的驱动电机，由舵盘、位置反馈电位计、减速齿轮、直流电机组成[4]。舵机通常按180°、270°和360°来给出分类，该交叉足机器人采用了比较灵活的180°舵机。舵机工作时接收来自主控制板的电子信号，转动一定的角度，从而实现运动。舵机的主要参数有扭矩、速度、尺寸和重量。运行时的工作原理是：信号到达调制芯片，获得直流偏置电压，在其内部设有一个基准电路，产生周期大致为10 ms，宽度为0.75 ms的基准信号[5]，将得到的偏置电压和电位器的电压进行比较，得到电压差并输出结果。电压差的正负决定舵机正转或反转。电压差为零时，舵机静止。舵机的控制信号为PWM信号，通过占空比的变化而使舵机改变位置[6]。

本次研发中涉及的舵机参数有: 重量，60 g；尺寸，40.0 mm×20.0 mm×40.5 mm ；速度，0.16 sec/60°@4.8 V、0.14 sec/60°@6 V ；失速扭矩，13.5 kg/cm @4.8 V 、15 kg/cm @6 V、17 kg/cm @7.2 V；工作电压，8-7.2 Volts ；工作电流，150 mA；工作电流需大于>100 mA。

该机器人选用了供电电压6 V，扭矩15 kg/cm的数字舵机作为驱动模块，该舵机运行稳定，扭力大，精度高，完全满足该交叉足机器人的驱动要求。

1.4 机器人能源供给模块

机器人的能源供给模块可以源源不断地为机器人提供电力输入，机器人的各种行为动作才会成为可能。同时，该模块也要给控制板电路和驱动模块的舵机输送电能动力，因此，良好的电源选择对于机器人的供电稳定性和机体系统稳定性均将起到重要的补益作用。

该交叉足机器人选用了7.4 V，容量2 000 mA的锂离子电池作为能源供给模块，但是舵机的供电电压为6 V ，如果直接用该电源给舵机供电,舵机在高于额定值电压下工作容易发生抖舵或者烧毁，故而为了保护舵机，特别加入了串联1.2 V降压芯片，使经过降压芯片到达舵机供电端的输出电压稳定在6 V左右的安全数值。经过测试可知，能够满足交叉足机器人的供电需求。能源供给的实物设计则如图2所示。

(a)降压芯片和控制板

(b)电源

图2设计实物图

Fig.2Designphysicalgraph

2 上位机软件设计

上位机软件是与控制板相匹配的，通过数据线与安装齐整的交叉足机器人的控制模块相连，在其控制界面上有通讯连接显示窗口，有相应的舵机调试窗口，可以拖动滑标、也可输入数据使舵机转动，界面下方还配有每一步调试数据的显示。在调试完成后，保存并下载相应的程序到控制板里，然后点击脱机运行便可使机器人按照原先设定好的程序去执行各类动作。界面布局设计可如图3所示。

图3 上位机软件图示

3 机器人的步态规划及相关动作的设计

步态规划的合理性直接决定着该机器人行走时的稳定性和姿态的美观性。通常，步态规划要研究讨论多个方面，如机器人行走路线的地形，机器人得到运动轨迹等因素。但本文设计则重点考虑了仿生学和力学稳定性这2个方面。模仿人类行走时关节的摆动，通过测量和分析来决定机器人行走时舵机转动的合适角度，从而使机器人可以像人类一样平稳地行走。首先通过对人类在行走时腿部动作进行拆解分析，例如人类在行走时通过髋关节和膝关节的带动使一只脚先离开地面，接着向前摆动再落下，人类就是通过2条腿的如此反复运动达到了前行的目的。

模拟人类行走，过程分解如图4所示。起步时机器人首先双腿略微弯曲然后左腿抬起，准备向前迈步，接着右腿前倾，放下左脚，完成第一步的行走。在抬脚迈步的过程中，要保持脚底板和机器人顶部的电镀板与地面平行，这样可以保持交叉足机器人行走时姿态的美观性。接着抬右脚、向前移动、放下、抬左脚、向前移动、放下时保持立正的姿势，这样就完成了3步走的动作[7]。

图4 步态规划图

机器人3步走之后，接着向前翻滚3次，立正再前进3步，接续后翻滚3次完成比赛的路程。在行进了向前3步走后，即需开始往前翻滚。前滚翻的动作为保持稳定，让机器人的顶部先触地，保持稳定后先抬起一只脚，让一只脚先翻过去踏到地面之后，然后再让另一只脚翻过去，接着站起来立正，这样做的好处是机器人向前翻滚的时候可以保持动作的平稳流畅，避免出现因动作过大导致的路线偏移。只要完成了这2个动作的规划，其余的动作就跟这2步一样，只是一个周期接着一个周期地顺序执行即可。动作流程的研究设计如图5所示。

图5动作运行流程图

Fig.5Flowchartofmotionoperation

4 机器人的动作调试

将交叉足机器人的控制板通过数据线与电脑相连，打开上位机调试界面的COM端口连接，尝试连接各个端口至控制板上的通讯指示灯亮，并稍微移动舵机调试滑块，舵机有转动现象则表示通讯连接良好。

在步态和动作规划交付后，接着就是动作的调试进程。将规划的动作通过机器人的行为实际展现出来。在进行运动步态的调试时，首先开启的就是单关节调试。单关节调试的目的是为了测试各关节电路连接及机构是否正常工作，舵机是否顺利通过磨合及测量各个关节实际运动范围，其次为了标记各台舵机运动正、反方向，测试各台舵机是否能够准确调到零位。在此之后，将转入实际的动作调试。先是逐个动作的触发调试，调试成功并全部保存后，就是将所有动作串连起来整体运行一次，检视动作是否流畅。在调试过程中若发现问题需及时处理，同时参照步态规划数据并结合实际情况对舵机的运行参数给予修正，通过反复的运行调试，使交叉足机器人达到稳定步行的要求。

5 结束语

从实用性上说，该机器人满足了模拟人类步行的相关要求，由于舵机控制原因，灵活性远远比不上人类的动作行为能力。但随着科技发展，双足机器人必将在未来可为多种实际场合发挥不可替代的关键协助作用。可对其描述如下。

(1)可以利用人工制造的假腿或可以操控的步行座椅给残疾人提供代步工具，能使残疾人如正常人一样在不同的环境中自由行走，从而减少对其它人的依赖。

(2)双足机器人可适用的作业范畴广阔，不仅能和人们一起合作完成某项工作，而且由于其具有人类的运动特点，因此无需特别改造，即可投付使用。

(3)特别的环境下能够替代人工作业，例如核电站内机器的维修、建筑高层的玻璃擦洗、管道监测、维修、遥控抢险救灾、敌军侦察和间谍工作、排除地雷、排除爆炸物等性质用途的相关工作。

(4)在教学、大众服务和艺术行业等领域的应用。例如跳舞机器人、服务员机器人等。

由于该交叉足机器人结构相对简单，仅可以实现行走、翻滚等动作，对环境的适应能力上存在一定不足，所以在此基础上仍有诸多问题亟待研究解决。比如可以给机器人加装陀螺仪来提升机器人的稳定性，加装红外传感器使其具备避障的能力，引入声音、图像使其可与外界环境交互等等。因此，后续研究还需深入钻研其构造机理和相关技术，掌握该领域发展走向，才能融入创新、匠心独运地设计制造出符合、且引领未来需求的智能机器人。