基于弧形腿的可调多辐条六足机器人设计研究

张又元 王 琢 张子超 赵汉青 刘佳鑫 李丹丹*

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨150040）

常见的机器人运动方式有轮式、履带式和足式，这三种运动方式各有优缺点，轮式移动效率最高，但是在较为崎岖的地形上运行不便。相反足式机器人的越障能力明显优于轮式机器人，但是运动效率较低无法快速移动。履带式机器人虽然集成了前两者的优点但是其结构复杂，比较笨重。结合轮式与足式特点设计轮腿复合式机器人可以协调不同腿的动作使机器人在高速行驶的基础上增加一定的越障能力。其中美国密歇根大学研制的RHex 系列六足机器人较具有代表性。

本文以RHex 为设计蓝本设计多辐条的六足机器人结构，在运行的稳定性以及速度上强于RHex，并通过仿真对机器人特性进行研究。

1 多辐条弧形腿六足机器人结构设计

借鉴RHex[1-2]机器人的构造本文所设计的六足机器人机械结构分为机体部分和轮腿部分如图1 所示。机体部分由铝合金板材拼接而成，整体尺寸为818mm×427mm×156mm，内部装有传感器模块、电机驱动模块、控制电路和电源四部分。机身两侧对称分布有六个直流电机为轮腿提供动力。其中位于中间的电机座分布较前后电机座分布向外平移一定宽度，这样可以避免运动过程中中间轮腿与前后两个轮腿相互阻碍导致电机堵转。每个弧形单足半径为122mm，弧长287.46mm，所对圆心角度为135°。电机联轴器和弧形足均为钢制，保证其耐久度。

图1 多辐条弧形腿六足机器人结构示意图

联轴器设计大体为柱状体，以轴心为交点的正交方向上分别开有四个卡槽用来安装辐条连接件，每个辐条可以定制成不同弧度，使得机器人可随机更换弧形辐条以及增加辐条数目，目前可实现六足六幅条，六足十二辐条以及六足二十四幅条三种工作形态，这样可以有效提高机器人的运行速度和运行稳定性。

机器人的每个足的髋部由一个M3508 直流无刷减速电机驱动，该电机减速箱减速比为19：1，并配有相应的C620 驱动电调可实现正弦波驱动。

2 机器人步态分析

对于仿生类机器人，步态是指机器人的各个腿（足）按照一定的时间次序周期性摆动。研究步态前先明确如下几个概念[3]：

（1）摆动相：腿（足）底离开地面迈步到再次落地之间的时间；

（2）支撑相：腿（足）底接触地面承受重力的时间；

（3）步态周期：腿（足）完成一个完整步的时间；

（4）占空比：各个腿（足）处于支撑相的时间与步态周期的比值。

2.1直线行走步态分析

将机器人的六足按逆时针编号，如图2 所示。人们研究发现多足生物的两相行走过程可以使用弹簧倒立摆模型（SLIP 模型）来预测[4-5]，笔者在哈尔滨工业大学对其正确性的验证[6]基础上增加多辐条设计并设计其运动步态。当每个足部安装一个辐条或是两个辐条时机器人的运动其实是模仿“六足纲”昆虫移动。机器人每个轮腿只有一个髋部自由度，进行过程中采用异步步态中的三足交替步态[7]。这种步态常用于在较为平坦的路面上行走，每条腿的支撑相与摆动相比例约为1：1，占空比为50%。

图2 轮腿编号

每个轮腿挂载一个辐条或者两个辐条时将机器人运动状态分为启动态和运行态。因为确定好初始位姿后有助于运行态的步态分析，提高运行效率。同时还因为M3508 电机并不能获得转子的绝对位置。启动态中设计了两个动作，启动时命令所有轮腿顺时针慢速旋转至弧形腿于地面相切并将其标记为第一个动作，此时分别记录六个电机的位置编码信息P1。随后六足同时转动克服机体自身重力做功至机器人站立并将其为第二个动作，这个动作要求各个电机相对各自的位置编码P1逆时针旋转π/2 到位置编码P2处。

运行态中我们将6 足分为呈三角分布的两组，1、3、5 号足为O1组，2、4、6 号足为O2组，工作状态简述如下：

（1）直线运行时一个步态周期前半周期中1、3、5 号足处于支撑相，2、4、6 号足向前摆动。

（2）后半周期两组足交换工作，1、3、5 号足向前摆动，2、4、6号足处于支撑相。

但是在实际运动过程中，为了提高运作效率，还需分析两组轮腿的配合过程。单个轮腿挂载一个辐条时O1组向前转动的同时O2组以低于O1组的转速转动，保证在O1组轮腿与地面相切时，O2组轮腿足尖即将离开地面，这样才能使得工作状态切换平滑且减小对电机的冲击。

图3 一个辐条时工作状态切换

单个轮腿挂载两个辐条时，以O2组轮腿的弦与地面垂直且O1组的弦与地面水平为轮腿旋转周期的起始点，两组轮腿的相位差为π/2，当O1组轮腿向前摆动时，O2组轮腿也以同样的转速向前摆动但始终接触地面来支撑机体，当O1组轮腿与地面相切时O2组轮腿足尖也即将离开地面从而实现工作状态1）切换至工作状态2）此后两组轮腿的相位差始终保持π/2。

这时腿部所需力矩为：

图4 切换时参数

计算得到T=2.6N·m 可认为电机在运作过程中持续以该扭矩输出，而M3508 电机所能提供的持续最大扭矩3N·m 证实了设计的可行性，经综合考虑可在每个轮腿的足底包裹海绵胶以此来吸收工作状态1）和2）切换时地面的冲击，并且对于每个电机单位采用PID 闭环控制以提高电机输出能效比。当机器人单足挂载四个辐条时便可不必使用三足交替步态，可采用近似轮式控制方式的同步步态，这种情况将在控制难度上得以简化并且运动效率和稳定性大幅提升。

2.2 越障步态分析

当每个轮腿挂载1 个辐条或者2 个辐条时采用同步步态运动，将六个轮腿按前（F）、中（M）、后（B）分为三组，每次运动时同一组的左右两边的轮腿处于同一相（即同支撑相或同摆动相），以爬台阶为例，一个完整的工作状态如下：

（1）F 组处于摆动相至Fl和Fr都接触到台阶并运动至支撑相，这个过程中M组和B 组处于支撑相支撑机体。

（2）在（1）过程结束后，F 组与B 组处于支撑相支撑机体，M组重复（1）中F 组的工作流程。

（3）在（2）过程结束后，F 组与M组处于支撑相支撑机体，B组重复（2）中M组的工作流程。

当每个轮腿挂载四个辐条时便采用轮式机器人的控制方式，直接控制六个轮腿以某种转速驱动机器人翻越障碍。

3 机器人控制系统设计

3.1 硬件电路系统设计

硬件电路系统设计主要分为控制电路部分和驱动电路部分。控制电路的主控芯片采用Cortex-M4 内核的STM32F407 系列32 位微处理器，该芯片拥有高达168MHz 主频和1MB 闪存以及多路DMA 通道[8]，并设计相应的外围驱动电路。电机驱动电路采用C620 电调配合中心板。控制方案采用CAN 总线分布式控制[9]。C620 电调负责驱动M3508 电机的同时采集电机内部的霍尔传感器数据得知电机转子的转速，位置和实际温度并将这些信息通过CAN 总线回传到STM32MCU 用于对于每个电机控制任务实现转速闭环控制和转速位置双闭环控制。传感器模块通过IIC 总线和串行通信接口将姿态数据以及GPS 位置信息回传到STM32MCU 进行姿态结算和状态处理。

3.2 软件设计

软件设计以实时操作系统FreeRTOS[10]为平台进行开发，因为该操作系统目标代码小，简单易用且免费开源，编程语言采用C 语言，总体分为通信模块、电机控制模块、数据解算模块。再分别建立初始化任务、运动任务、串口通信任务、传感器数据获取任务等，从而实现机器人的常规实时运动管理和环境信息获取及处理，实现平地行走及障碍翻越功能。

3.2.1 通信模块。在电路设计时执行机构的驱动电路以及一些外设的驱动电路没有集成在主控电路上，而是独立封装的电调和独立的驱动电路。所以对于电机的控制方式和其他执行器控制采用收发命令的方式，通信任务将自动接收总线上的命令并通过相应的协议将控制命令发送至总线上。

3.2.2 电机控制模块。将机器人身上的电机控制方式分为两类：速度控制和角度控制，对于速度控制采用经典的增量式PID[11]，而角度控制则采用串级PID 控制[12]并将六个电机单元抽象为统一的对象，为每个对象开辟独立内存空间用于存放电机运行参数以及控制运算时的参数。

3.2.3 数据解算模块。因为机器人系统中的执行器控制协议不一，因此需要有针对不同协议的数据解算过程，编写相应的程序为了各个任务以及主程序获取不同类别执行器的反馈信息以及向发送模块传送不同执行器的控制命令。

每个任务通过调用以上三个模块来完成相应的逻辑，方便了单独任务的程序编写，降低任务与任务之间的耦合程度。

4 仿真验证

笔者在Solidworks 软件中对单个轮腿挂载一个辐条的工作情况进行直线运动仿真，其结果截图如图5。

图5 仿真截图

笔者在Solidworks 软件中对单个轮腿挂载两个辐条的工作情况进行直线运动仿真，其结果截图如图6。

仿真结果验证了本文步态规划的正确性和合理性。

5 结论

以RHex 机器人为设计蓝本，本文设计的轮腿式机器人吸收RHex 机器人的优点同时设计出可更换轮腿辐条数目的新型六足机器人，结合轮式与腿式机器人的优点，可根据不同应用场合挂载不同数目的辐条以便获得最高的运动效率和稳定性并且该机器人结构简单易于维护。同时在SolidWorks 中对所设计的机器人进行了运动仿真，验证了本文所提出的机器人步态规划的可行性。可对机械结构和安全防护方面做深一步研究使之应用到小型林场巡检，地质勘探等领域。

图6 仿真截图