小型仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)及步態(tài)規(guī)劃

1 引言
    機(jī)器人是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，有著極其廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)是綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息融合技術(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、仿生科學(xué)以及人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，它不僅涉及到線性、非線性、基于多種傳感器信息控制以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)，而且還包括復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模、數(shù)字仿真技術(shù)及混合系統(tǒng)的控制研究等方面的技術(shù)。
    仿人形機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題，而雙足機(jī)器人是仿人形機(jī)器人研究的前奏。步行技術(shù)是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，是一種高度自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，雙足步行系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。相對(duì)輪式、履帶式機(jī)器人，它具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，可進(jìn)入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺(tái)階、斜坡及在不平整的地面上工作，以及護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)和一般家庭的家政服務(wù)。另一方面，由于雙足機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動(dòng)器和多傳感器的特點(diǎn)，而且一般都具有冗余的自由度，這些特點(diǎn)對(duì)其控制問(wèn)題帶來(lái)很大難度，為各種控制和優(yōu)化方法提供理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使其成為一個(gè)令人矚目的研究方向，因此對(duì)雙足步行機(jī)器人行走規(guī)劃?rùn)C(jī)器控制的研究不僅具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
    以小型雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，介紹一款小型雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)，包括自由度配置，動(dòng)力源核材料選擇，并針對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行靜態(tài)步行規(guī)劃。

2 小型雙足機(jī)器人本體設(shè)計(jì)
    作為一種雙足機(jī)器人研究平臺(tái)，要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠滿足研究者對(duì)雙足機(jī)器人的基本要求，即機(jī)器人具備穩(wěn)定行走的能力，為研究雙足機(jī)器人的行走方法步態(tài)規(guī)劃提供平臺(tái)。圖1為所設(shè)計(jì)的雙足機(jī)器人的平面圖。機(jī)器人共有18個(gè)自由度，頭部的前方和左右兩側(cè)都裝有超聲波傳感器，用來(lái)檢測(cè)障礙物，頭頂裝有聲敏傳感器，用來(lái)檢測(cè)聲音。

2．1 機(jī)器人自由度配置
    鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度研究仿人機(jī)器人腿部自由度配置。得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下的兩足步行結(jié)構(gòu)自由度配置方案。他認(rèn)為髖部和踝部各設(shè)置2個(gè)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處再增加一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，使得腳板在不規(guī)則的表面落地；膝關(guān)節(jié)設(shè)置 1個(gè)自由度，方便上下臺(tái)階。則每條腿要設(shè)置7個(gè)自由度。
    根據(jù)鄭元芳理論，可規(guī)劃出所設(shè)計(jì)的類人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和行走步驟：重心左移(假設(shè)先邁右腿，左腳支撐)、右腿抬起、右腿放下、重心移到兩腿間、重心右移、左腿抬起、左腿放下、重心移到兩腿間，共分8個(gè)階段。這里設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有避障功能，因此髖關(guān)節(jié)的側(cè)向旋轉(zhuǎn)自由度必不可少。所設(shè)計(jì)的機(jī)器人不考慮在不規(guī)則地面上行走問(wèn)題，所以可以不設(shè)置踝關(guān)節(jié)的側(cè)向旋轉(zhuǎn)自由度。這樣設(shè)計(jì)出的機(jī)器人雖然不能站在不規(guī)則的地面上，但可以在平地上完成所有的行走過(guò)程，實(shí)現(xiàn)前行、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。
    這樣設(shè)計(jì)出的機(jī)器人腿部共有12個(gè)自由度，每條腿各6個(gè)，即踝關(guān)節(jié)前向和扭轉(zhuǎn)2個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)前向1個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)有前向、側(cè)向旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向3個(gè)自由度。自由度的設(shè)置如圖2所示。

2．2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)元件的選擇
    在驅(qū)動(dòng)元件的選擇上，早期研究者曾試圖模仿人的肌肉運(yùn)動(dòng)方式用氣動(dòng)人工肌肉作為雙足步行機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件，這種氣動(dòng)人工肌肉通過(guò)橡膠管充氣膨脹引起的收縮來(lái)代替人體肌纖維的收縮運(yùn)動(dòng)，但由于技術(shù)水平的限制，人工肌肉在體積和力學(xué)特性等方面都與真正肌肉有較大差距，實(shí)際效果并不好。目前，大部分機(jī)器人采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。伺服電機(jī)具有速度快、扭矩大的特點(diǎn)，并配備雙向接口，能夠監(jiān)測(cè)當(dāng)前電機(jī)位置，因此得到廣泛應(yīng)用，并取得良好效果。
    微型伺服電機(jī)內(nèi)部包括一個(gè)小型直流馬達(dá)、一組變速齒輪、一個(gè)反饋可調(diào)電位器及一塊電子控制板，是一種可定位的直流電機(jī)，當(dāng)接收到一個(gè)位置指令時(shí)，就會(huì)運(yùn)動(dòng)到指定的位置。微型伺服電機(jī)馬達(dá)具有高力矩、高性能、控制簡(jiǎn)單、裝配靈活、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。從各方面因素考慮，本設(shè)計(jì)選用微型伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。該設(shè)計(jì)選用Robotis公司生產(chǎn)的AX-12+伺服電機(jī)，電機(jī)之間通過(guò)串口通信，由主控制器打包傳輸通信數(shù)據(jù)。

3 雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃
    目前雙足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃一般采用兩種方法：一種是應(yīng)用數(shù)學(xué)手段通過(guò)建立機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行規(guī)劃，另一種方法是模擬人的行走過(guò)程及人的生理結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)采用后者。人類步行運(yùn)動(dòng)是以一條腿交替地作為支撐，向前擺動(dòng)另一條腿，并伴以軀干和手臂的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。其過(guò)程和機(jī)理非常復(fù)雜。研究表明：雙足機(jī)器人在平穩(wěn)步行的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)上身軀和下肢的運(yùn)動(dòng)解耦，并易于對(duì)下身軀的各個(gè)關(guān)節(jié)角進(jìn)行角度規(guī)劃，因此可利用解耦控制分別控制上身軀和下身軀的運(yùn)動(dòng)，并且對(duì)下身軀的各個(gè)關(guān)節(jié)角實(shí)施規(guī)劃。因此。分析和模擬人類的步行運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)抓住下肢的主要?jiǎng)幼魈攸c(diǎn)和要領(lǐng)。
3．1 人體步態(tài)周期研究
    人體在行走的過(guò)程中，其重心不斷地周期性移動(dòng)和改變，在任何時(shí)刻至少有一只腳與地面接觸，而其中一段是兩只腳同時(shí)著地。單支撐和雙支撐交替進(jìn)行，但只有單支撐和雙支撐在行走周期中所占比例合理，才能保持身體平衡。以一個(gè)周期為研究對(duì)象，比例分配如圖3所示。

3．2 根據(jù)周期比例利用通用軟件規(guī)劃步態(tài)
    由圖3可知，在一個(gè)完整的步態(tài)周期里包括2個(gè)雙支撐和2個(gè)單支撐時(shí)間，設(shè)置雙支撐占周期的20％，單支撐占周期的80％。對(duì)于單腿來(lái)說(shuō)，整個(gè)周期里只有一個(gè)擺動(dòng)周期，占周期的40％，支撐周期由一個(gè)單支撐和兩個(gè)雙支撐組成。占周期的60％。兩條腿的髖關(guān)節(jié)角度必須滿足式(1)，才能保持行走時(shí)身體平衡。

  
    式中，r為髖關(guān)節(jié)的相關(guān)系數(shù)，n為自由度，xi和yi分別是人類和機(jī)器人在第i次運(yùn)動(dòng)的髖關(guān)節(jié)角度，x和y分別是人類和機(jī)器人在一個(gè)周期內(nèi)髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的平均值。根據(jù)式(1)利用目前通用的機(jī)器人行為編輯軟件進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果如圖4所示。

    根據(jù)圖4所示的步態(tài)規(guī)劃與仿真圖對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行行走試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人在行走之前要有立正的準(zhǔn)備姿勢(shì)，使其重心與身體所在平面與地面垂直，通過(guò)調(diào)整膝關(guān)節(jié)角度實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定行走，證明了該算法可行。

4 結(jié)論
    設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀的小型雙足機(jī)器人本體，機(jī)器人共18個(gè)自由度，每條腿6個(gè)，每條臂3個(gè)，可用作科學(xué)研究平臺(tái)，也可用于機(jī)器人比賽。使用行為編輯軟件步態(tài)規(guī)劃所設(shè)計(jì)的機(jī)器人，所規(guī)劃的步態(tài)模式具有軌跡可達(dá)性和運(yùn)動(dòng)可控性，反映一種連續(xù)穩(wěn)定的自然行走模式。仿人模式的步態(tài)規(guī)劃方法從模仿人的角度很好反映擬人體生物機(jī)械的高效步行機(jī)理。采用模糊控制和專家控制理論，以步態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)為輸入，非時(shí)間參考量軌跡的修正量為輸出，涮節(jié)機(jī)器人的瞬時(shí)步行速度和雙腳著地的周期比例，在線實(shí)時(shí)修正步態(tài)，機(jī)器人可在不改變空間運(yùn)動(dòng)路徑的情況下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步行。