基于Arduino控制的气动软体仿生四足机器人结构设计及步态规划

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(1.河南科技大学 机电工程学院， 河南 洛阳 471003； 2.河南科技大学 数学与统计学院， 河南 洛阳 471003；3.河南省机器人及智能系统重点实验室， 河南 洛阳 471003)

引言

随着科技的高速发展，机器人已经成为人类探索未知领域必不可少的工具之一[1]，多年来，国内外学者对多足机器人进行了深入研究和开发，取得了可喜进展[2]。如今工作环境越来越复杂，在反恐防暴，太空探索、搜救，以及与人类一起操作等许多未知的工作环境下，传统多足机器人由于采用刚性连杆结构，使用受到限制[3-5]。得益于3D打印技术的进步和仿生机器人研究的深入，软体机器人研究成为业内研究的热点，得到广泛的关注[6]。软体机器人本体采用柔性材料，可连续变形，从原理上具有无限自由度[7-8]。JORAN W等[9]设计的一款基于人工肌肉的机器人皮肤，可以包裹任意软体，诱导所需的运动和变形，用于设计具有不同功能或步态的多个可控软体机器人，以适应不同环境的需求。隋立明等[10-11]设计的一种基于气动软体驱动器的爬行机器人，模仿环节动物的纵肌与环肌功能，通过蠕动的方式实现平面或管道中的运动。

目前多足机器人研究的方案有这样几个特点：

(1) 传统的基于连杆机构设计的关节机器人，刚性有余，柔性不足，机构设计复杂并且驱动控制难度大；

(2) 基于自然界软体动物的特征所设计的各种仿生软体机器人设计能够实现蠕动、游动等爬行动作，但刚性不足输出力有限，且转向步态控制不够灵活。

综合上述情况，本研究所提出的基于仿生四足机器人结构设计具有以下特点：

(1) 每一条腿由中间的钢丝立柱和周围4根并行配置的人工肌肉组成，实现了仿生的刚柔混合结构设计，由于利用钢丝弹性变形从而无需设计转向关节，结构简单；

(2) 整个平台配置的4条腿通过逻辑组合，可以实现多种步态以及原地转向的特征，相比于传统刚性连杆机构多足机器人，控制方案简单、可靠。

本研究基于仿生刚柔混合驱动原理，提出并设计了一种具备二自由度转向控制的刚柔混合驱动单腿结构，并进行了四足机器人组合步态规划理论分析和实验研究，为今后软体仿生机器人的研究提供了基础。

1 机构设计及腿部分析

1.1 机构设计

气动仿生软体四足机器人整体结构如图1所示，该仿生机器人由1块主体板、16根气动人工肌肉单元、4块底脚板组成，考虑在未充气状态下的支撑问题，在四足的中心加上4根外径为4 mm的钢丝。根据图1制作出实物如图2所示，气动软管与气阀之间安装有节流阀，通过旋钮可调节充气、排气速度。

1.2 腿部分析

对腿部结构分析，腿部摆动原理如图3所示。

1.气动软管 2.连接附件1 3.气动人工肌肉4.连接附件2 5.底脚板 6.钢丝 7.主体板图1 气动仿生软体四足机器人结构

图2 气动仿生软体四足机器人实物

图3 腿部摆动原理

当未充气时气动肌肉处于放松状态，在腿部设计中加上1根钢丝。根据气动人工肌肉的工作原理，单个方向使用2根气动人工肌肉，1根充气收缩，对侧排气，拉动钢丝变形从而实现腿部的摆动。

根据腿部摆动原理对腿部摆动进行分析，如图4所示。

图4 腿部运动分析

每1对气动人工肌肉都是一侧充气，一侧排气，即一侧拉伸，一侧收缩，如图4所示，设置气压为0.3 MPa,每一条腿可在前后左右4个方向上摆动40°的范围。

2 控制原理及步态规划

2.1 控制方案设计

气动仿生软体四足机器人的控制原理如图5所示。

图5 四足机器人控制原理图

四足机器人采用开环控制，连上气源，将编写好的程序导入到Arduino Mega 2560中，使用Joystick手柄按键控制机器人的步态，当手柄按下按键时给Arduino控制板1个电位信号，程序中设计好的开关顺序来改变Arduino的IO口输出状态，通过继电器模块将信号发送给电磁阀组，通过阀的开关改变机器人4条腿中16个气动肌肉单元的伸缩变化，从而实现机器人步态变化。

2.2 气动人工肌肉分布

气动仿生软体四足机器人中的气动人工肌肉布局如图6所示，采用菱形布局，用数字1～16代表气动肌肉，在每个方向上使用2根人工肌肉，在前进过程中，3、4，7、8，11、12，13、14不参与充放气，当1充气收缩，2拉伸，1收缩产生的收缩力拉动钢丝发生形变，左前腿向前迈出。在左转过程中1、2，5、6，9、10，15、16不参与充放气，当3充气收缩，4拉伸，3收缩产生的收缩力拉动钢丝发生形变，左前腿向左迈出。

图6 气动肌肉分布图

2.3 步态规划及控制

前进、后退步态相似，以前进步态为例，根据图6所示的肌肉分布，左前腿、右前腿同时向前迈进，其余2条腿保持不动(如图7b所示)，接着左前腿、右前腿向后摆动(如图7c所示)，左后腿、右后腿同时向前迈进，左前腿、右前腿保持原状态(如图7d所示)，接着左后腿、右后腿向后摆动(如图7e所示),重复上述动作，实现机器人的直线行走。

图7 前进状态示意图

根据本研究所设计机器人特点，当1，3同时充气时，会同时产生横向和纵向的牵引力，使用相同的气压，能使机器人的腿向与竖直方向45°角的方向摆动，如图8所示。

图8 转弯步态规划

图8a为初始状态，首先左前腿和右后腿向左前方摆动，右前腿和左后腿不动(如图8b所示)，随后左前腿和右后腿向右后方摆动(如图8c所示)，接着右前腿和左后腿向左前方摆动，左前腿和右后腿不动(如图8d所示)，最后右前腿和左后腿向右后方摆动(如图8d所示)，完成一个动作循环，重复上述动作，实现机器人的转弯步态。

根据图7中规划的前进步态，对气动肌肉充气、排气顺序进行设计，每一个气动人工肌肉都由电磁阀控制，阀通电对应气动人工肌肉充气，阀断电时保持原有状态，图7前进过程中各个状态对应的气动人工肌肉通气状态(即电磁阀通电状态)如表1所示。

表1 前进步态电磁阀通电状态

根据图8中规划的转弯步态，图8转弯过程中各个状态对应的气动人工肌肉通气状态(即电磁阀通电状态)如表2所示。

表2 转弯步态电磁阀通电状态

3 实验验证

首先对气动人工肌肉可行性进行验证，如图9所示，当气动人工肌肉充气时，内层橡胶管充气膨胀，在膨胀过程中受外层编织网压迫，橡胶管的变形只能在径向产生，橡胶管的直径变大，整体收缩，与执行机构相连，就会产生收缩力[12]，多个气动人工肌肉可以按任意方向、位置组合，不需要整齐的排列[13]。

图9 人工肌肉的可行性验证

通过实验验证人工肌肉可以产生收缩力，驱动四足摆动。

接着对所规划的步态进行验证，首先对前进步态进行验证，调压到0.25 MPa，结果如图10所示。

图10 前进步态验证

通过手柄控制，图10a～图10f为图7中规划的前进过程中各个状态。图10中，a为初始状态，b为左前腿、右前腿同时向前迈进，c时左前腿、右前腿向后摆动，d左后腿、右后腿同时向前迈进，e时向后摆动，完成1个动作周期，经验证设计的前进步态可行。图11a～图11e为图8中规划的转弯过程中各个状态。在图11中，a为初始状态，b时左前腿和右后腿向左前方摆动、右前腿和左后腿不动，c时左前腿和右后腿向右后方摆动，d时右前腿和左后腿向左前方摆动，e时右前腿和左后腿向右后方摆动，完成一个动作周期，经验证设计的转弯步态可行。

图11 转弯步态验证

4 结论

本研究所设计的新型气动仿生软体四足机器人使用了气动人工肌肉，采用了Arduino控制，通过对16路开关量的顺序控制来协调16根气动人工肌肉的充气、排气顺序，从而实现了机器人前进、后退、转弯等多种步态，与传统连杆多足机器人相比结构简单，操作灵活，充分体现了软体仿生机器人多自由度的灵活性，在实验中发现通过调整气压的大小，充放气的速度，理论上可以实现各种复杂的移动步态，例如4条腿按顺时针方向45°向外摆动，实现机器人的原地旋转，可应用于更加复杂的工作环境。

本研究提供了一种仿生软体机器人的设计方案，丰富了气动人工肌肉的应用，验证了气动人工肌肉应用在多足机器人移动中的可行性，同时为气动人工肌肉和仿生机器人的研究提供了参考。