六足仿生机器人步态规划与控制系统设计*
2021-05-18
（长春师范大学工程学院，吉林 长春 130032）
仿生六足机器人作为仿生机器人的典型代表，具有丰富的步态和肢体结构，它运动灵活、可靠性高，在排险、救援、服务等领域有着广泛的应用前景。随着火灾和地震等自然灾害频发，救援工作也随之成为重中之重，而在面对这些不规则的地形时，六足机器人就更具有优势，可以无障碍穿过坑洼不平石子路面和较浅的积水路面，这一点是传统轮式机器人无法比拟的。设计六足机器人可以适应各种恶劣的环境，并完成救援任务，并且具有较强的行动能力[1]。
1 六足机器人工作原理
足是昆虫的运动器官。昆虫有3 对足，分别在前胸、中胸和后胸各有一对，相应地称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它们来抓住物体。行走是以一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备替换。前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使虫体转向。这种行走方式使昆虫可以随时随地停止下来，因为重心总是落在三角支架之内。借鉴了这种自然界中昆虫的运动原理来实现机器人的运动。机器人每一足都需要三个舵机，然后使用软件控制舵机角度，让机器人每次行走都能形成三角步态[2-3]。
2 机械结构设计
2.1 步行机构理论设计
步行机构对于设计机器人是极为重要的，设计时保证机械足正常行走的要求及实际三维建模进行选择，并且根据实际情况进行了设计，如图1 所示为六足机器人一条腿的机构原理图。L 是机器人底板，A、B、C 是机械足的三个舵机，EF、FG 是机械足的大腿和小腿，它们将保证每条腿能够最大限度地划过以底盘关节为原点的三维空间。舵机A 使机械足前后划动，舵机B 和C 保证机械足最大限度的抬高和张开，且在FG 踏于地面时，舵机B 和C将给予机器人底盘以最大的支持力。
图1 步行腿机构原理图
2.2 步行腿机构设计参数
1）连杆尺寸EF=86mm，FG=148mm，舵机A 距地板高度LA=100mm。
2）估算机身高度设置为H=250mm，LCG=300mm，在正前方运行时，前腿和后腿之间不会发生相互干涉，为了保证两足之间有足够的距离，则两伸出臂的距离为350mm。
3）电机轴与连杆的动力输入轴能够紧密配合。在材料的选择上，杆用的是5mm 的金属板，金属板宽度均是8mm，这样可以尽量减轻机构的重量。舵机输出轴配合孔采用线切割加工，可以保证紧密配合。
2.3 步行腿机构系统统合
六足机器人两侧的步行腿系统均相同，行走时一侧一条腿与另一侧的前后两条腿运动步态一致，每次均有三条腿同时着地，构成三角形结构，稳定机身。该六足机器人通过曲柄摇杆机构将电机驱动力转换为步行腿向上的摆动，在小腿上安装有压力传感器，并在小腿上安装有舵机，舵机接受压力传感器传来的信号，驱动舵机工作，使小腿开始摆动，实现机器人前行。
3 步态规划设计
六足机器人是对六足昆虫运动形态的观察，结合机器人技术创造出的多足式仿生机器人。六足机器人有良好的地形适应力，其立足点离散与地面接触面积较小，可以在不同的地形都选择出最好的支撑点，由于其足的特点，其机身轨迹可与足轨迹解耦，所以在崎岖的地形下可以保证机身的相对平稳。
“目前，大部分六足机器人采用了仿昆虫的结构，6 条腿分布在身体的两侧，身体左侧的前、后足及右侧的中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架，依靠大腿前后划动实现支撑和摆动过程”[4]。如图2 是六足仿生机器人的仿真步态。
图2 六足仿生机器人仿真步态
在设计机器人步态时，通过对三角步态的分析，以及对大多数六足昆虫实际行走的过障碍分析，发现如需完成三角步态，必须每一条腿连接躯干处需要两个舵机，一个控制足的转动，一个控制足的起伏，在连接支撑部分处，只需一个舵机，就可以完成下半部分足的起伏。故，机器人每一足都需要三个舵机，然后使用软件控制舵机角度，让机器人每次行走都能形成三角步态，在调整出一次步态之后就可以通过循环指令得出多次行走的步态。
4 六足机器人功能执行
4.1 总体设计方案
六足机器人机械结构设计上拟采用18 个20kg 金属舵机为动力源，通过激光雕刻机雕刻亚克力板制成的板料为肢体。总体设计上以两块亚克力板为仿生机器人主体，控制器及电路安装在中层位置，顶层设计安装肢体以及放置物件的平台及其他工具，以应对仿生机器人不同的用途。设计的主体亚克力板为长六边形形状，六个舵机通过螺栓连接固定在六个顶点上，模拟昆虫的六足形状。该舵机可实现0°～180°旋转角，实现肢体的前后移动功能。另外六个舵机分别通过板料与第一个舵机实现连接固定，作为肢体的第二个关节，并连接板料作为第二节肢体，该舵机实现肢体的抬升功能。结构尺寸的设计上应该以昆虫的步态分析规划为原则，避免腿部机构的碰撞与磨损[5-8]。机器人控制系统原理图如图3 所示。
图3 机器人控制系统原理图
六足机器人电路设计以12V 电源供电，通过降压模块分配给各个模块。拟通过Mega2560 主控板烧录程序，通过算法实现机构的运动，SSC-32 路舵机驱动器与主控板实现双向通信，将信号传递给各个舵机，执行相关动作对于运动状态进行采集，反馈给主控板，并对状态进行相应的调整与矫正，保证动作的正常执行。还可将六足机器人与HC-05 蓝牙模块连接，通过手机APP 发布指令完成相应动作。
4.2 控制系统设计
4.2.1 硬件设计
系统电路设计主要以Arduino Mega 2560 为主控板，Arduino 能通过不同的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他装置来反馈，影响环境。它采用USB 接口的核心单片机，具有54 位输入输出口，使用于需要大量IO 接口的设计。
SSC-32 路舵机控制是专为机械手、多足机器人等多舵机使用而量身定做的多路舵机控制器。集成了USB 接口，可与多系统进行通信。舵机供电电压为5.3V～7.2V。腿部执行机构采用两个舵机串联而成，分别控制腿部前后与升降运动。舵机是一个集成了直流电机、电机控制单元、减速箱等，并封装成一个便于安装的伺服单元，通过输入特定的控制信号实现角度精准控制的电机系统。而SSC-32 路舵机控制板可以控制32 个模拟/数字舵机，引脚0～31 分别对应32 个舵机接口，其中丝印G 排对应GND，丝印VS2/VS1 对应舵机电源正极，丝印PULSE 对应舵机信号线。与Arduino 相连的时候，舵机控制板的TX 接至Arduino 的引脚0；RX 接至Arduino 的引脚1；GND 连接至Arduino 的GND。实现主控板与SSC-32 路舵机控制模块的通信。
HC-05 是一种集成蓝牙功能的PCBA 板，可用于无线通讯，通讯结构为UART3.3VTTL 电平，内置PCB 天线，工作电压3V～3.6V。与Mega 2560 串行口连接，上电后利用手机自带蓝牙连接配对，通过用户发送的指令控制主控板完成相关动作。
4.2.2 软件设计
本设计电路通过编译程序，烧录文件于Arduino Mega 2560 中。程序调用舵机库文件
4.2.3 系统调试
检查各器件的额定电压，调整降压模块输出5V 电压，将Mega2560、SSC-32 路舵机驱动、HC-05 蓝牙模块以及12 个舵机用杜邦线排布好并连接。通过上位机打开舵机位置监视窗口，调整舵机初始位置，使舵机处于中值位置，避免干涉。一切正常后，则进行软件调试，通过USB线连接电脑，使用Arduino IDE 编译软件程序，检查编译结果，最后将程序烧录进主控板。通过舵机指令的不同搭配，实现六足机器人前进、转弯、翻越障碍等多个动作，最终实现整个系统的功能。
5 优化结构设计
针对目前市面上六足机器人具备的功能，本设计在该基础上能够实现搬运加持、清障、减震救援为一体，在实现相应功能的同时对机器人的各个部分进行优化调整。在结构上机器人的六足弹簧缓冲、底盘稳定，六肢根部为旋转关节，灵活转动，实现在救援过程或者其他实践过程中的稳定工作。
机器人的运动轨迹通过远程操控加红外感应进行实时操作和轨迹的更正修改，以确保机器人行动的准确性和高效性。此外在机器人救援的过程中对于伤者的及时救助对生命的挽救起到了举足轻重的作用，在机器人的背部专门设置一片区域用于放置急救药物和食物，为受困人员采取的简单急救和食物供给以便等待下一步救援。此外机器人在外形上近似于生物，尽可能实现对机器人的外观最大的优化，同时为了能够满足机器人在较狭窄的空间活动自如，需将其各关节进行结构优化，使它的尺寸和布局更加合理。
6 结论
本项目基于仿生甲虫的结构和功能，设计了六足减灾救援仿生机器人的躯体和腿部机构。腿机构由六条腿组成，沿躯体中轴线两边对称分布，每腿由三个旋转关节组成的三自由度串联机构。整个机器人有18 个舵机控制，使它适用于各种恶劣的环境中，并且能完成救援任务。
