張永清 王 巖

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

基于武術擂臺賽仿人機器人的開發(fā)研究

張永清 王 巖

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

針對武術擂臺賽仿人組機器人做了整體的設計和功能分析.主要探討和研究機器人傾倒后自行站立的問題，并給出了一種具體可行的實施方案和機構設計.

武術擂臺賽；仿人機器人；自行站立

0 引 言

機器人大賽中的機器人武術擂臺賽是一項具有觀賞性和廣泛影響力的比賽.它集觀賞性、趣味性、科學性于一體，將機械專業(yè)、電子電路專業(yè)、計算機專業(yè)結合在一起，對各高校大學生具有很強的吸引力.仿人組機器人以輪式運動作為機器人的運動方式，首先能夠檢測自身是否傾倒，并在倒下后再自行站立起來；其次檢測到敵人，進行攻擊；再次可以迅速檢測到擂臺邊緣，并防止自己掉下擂臺.本文針對機器人整體的結構以及傾倒后自動恢復站立狀態(tài)等做了具體的研究和設計.

1 機器人功能分析與整體設計

仿人組比賽要求所設計的機器人是一個能夠在臺上找到敵人并進行攻擊，還可以檢測自身是否摔倒以及能夠自行站立的機器人.其具體要求如下：

(1)以輪式運動作為機器人的運動方式；

(2)機器人利用傳感器檢測到臺上的機器并保證自己不掉下擂臺；

(3)利用傳感器能夠發(fā)現敵人并確定其準確位置，直接攻擊敵方機器人；

(4)能夠檢測自身是否傾倒，并在倒下后再自行站立起來；

機器人在比賽中的運行流程如下：

圖1 仿人機器人整體圖

(1)機器人檢測到開始信號后開始運動；

(2)機器人通過控制傳感器來識別自身位置和周邊敵人；

(3)利用機器人的運動機構以一定的速度，完成設定的路徑和動作；

(4)采用周期性控制，機器人返回第二步(檢測臺上信息)，完成N次循環(huán).

仿人機器人采用四輪驅動方式，頭部裝有測距傳感器，四肢的結構均由舵機殼組成，軀干由AVR單片機組成.兩只手臂上共有六個運動關節(jié)，兩條腿上有兩個運動關節(jié)，各關節(jié)均由舵機操控.在底盤上安裝四個電動機來驅動車輪轉動.由于擂臺是由黑到白的漸變圖案，因此根據灰度值的變化規(guī)律在底盤上按菱形排列裝有四個灰度傳感器，由反饋的灰度值來識別機器人在臺上的位置.為了使機器人可以識別敵人和擂臺邊緣，在底盤的上方還布置了其他傳感器.例如在機器人的前方傾斜一定角度安裝一個磁傳感器，用來檢測邊緣圍欄.在機器人前方兩側安裝測距傳感器用來識別并瞄準敵人.在機器人的左右兩側各安裝一個測距傳感器，用來識別左右兩側的敵人.在機器人手臂上安裝一個紅外接近傳感器，用來輔助尋找敵人.在底盤上安裝傾角傳感器，可以更好的識別機器人在擂臺上的位置，如果倒下則進行自動站立動作.機器人整體圖如圖1所示.

2 傾倒站立的機構設計

機器人在摔倒后自己站立是一個很重要的功能，實現該功能對機器人的發(fā)展具有重要意義.現代機器人研究中為了保證機器人的穩(wěn)定，在其軀體上安裝了陀螺儀，來保持機器人平穩(wěn)的站立和運動，但當機器人受到較大阻力時，機器人仍然會摔倒.因此機器人需要學會如何在摔倒后自行站立起來.機器人制造商波士頓最近研發(fā)了一款四足機器人，它與其它先進的機器人不同之處在于不怕跌倒，通過延伸頸部和機械臂可以使自己站起來.利用該設計理念便可以解決仿人機器人在比賽中被擊倒后重新自行站立起來的問題.

由于比賽中的仿人機器人采用輪式系統，相比腿式系統解決摔倒后自行站立問題要容易些.腿式系統要求腿部有更多的關節(jié)和動力來控制和保持穩(wěn)定，輪式系統只需控制機械臂的運動就可以實現摔倒后自行站立的功能.為了使機械臂在機器人跌倒后能發(fā)揮最佳作用，需要機械臂有足夠多的自由度.可以通過增加舵機的數量來提高機械臂的自由度，使機械臂有更豐富的運動，例如完成延伸，旋轉，前后移動等動作.機器人兩個手臂上分別安裝了三個舵機，可以使手臂延伸一定長度，該長度足以支撐機器人使其恢復站立狀態(tài).同時在機器人的軀干與雙腿的連接處也安裝有兩個舵機，使機器人可以讓身體前傾和后仰，幫助恢復站立.整個機構的工作流程如下：

(1)檢測到機器人傾倒狀態(tài)后，機械臂轉到與身體垂直位置，并展開至機械臂全長，該過程中機械臂將保持與身體成一鈍角.

(2)軀干與腿部的連接舵機開始工作，使機器人上身后仰一定角度，由于車輪的支撐作用會使手臂向著機器人的身體方向運動，從而使機器人重新站立起來.

站立過程如圖2：

圖2 機器人站立過程示意圖

3 程序設計

在比賽中機器人是一個不受他人控制的，其所有行動由機器人自行決定.而機器人的動作是由程序控制的，因此，程序設計尤為重要.仿人組機器人的編程思路是在開始時等待軟開關信號，即機器人在左側紅外傳感器接收到信號時開始運動.機器人自動尋找擂臺上的其他機器人，并檢測是否到達邊緣，防止自身掉下擂臺.當機器人檢測到敵人時，用手臂進行攻擊，如果機器人倒下，則執(zhí)行站立動作.整體流程如圖3所示.

機器人傾倒有兩種可能：前倒和后倒，因此需要設計兩組函數來實現機器人在兩種情況下自動站立的功能.當機器人檢測到自身后倒時，機械手臂上靠近頭部的舵機執(zhí)行動作旋轉100°左右，使手臂近似與地面呈45°，然后手臂上靠近頭部的第二個舵機開始旋轉大概120°，使兩個手臂展開呈直線狀態(tài)，之后腿部跟軀干之間的舵機開始工作，使機器人的軀干及頭部后仰45°，同時呈直線狀態(tài)的手臂便開始朝機器人的身體方向運動，支撐倒下的機器人使其恢復站立狀態(tài)，最后機器人恢復初始狀態(tài)，整個動作完成.機器人后倒情況與前倒類似，在此不再贅述.

前倒部分函數如下：

圖3 程序設計流程圖

voidStandA()//qiandao

{MFSetServoPos(3,512,512);

MFSetServoPos(4,75,512);

MFSetServoPos(5,307,512);

MFSetServoPos(6,512,512);

MFSetServoPos(7,949,512);

MFSetServoPos(8,717,512);

MFSetServoPos(11,512,512);

MFSetServoPos(12,512,512);

MFServoAction();

DelayMS(1500);

MFSetServoPos(3,82,812);

MFSetServoPos(6,942,812);

MFSetServoPos(11,462,512);

MFSetServoPos(12,562,512);

MFServoAction();

DelayMS(2000);

MFSetServoPos(4,375,512);

MFSetServoPos(7,649,512);……}

4 結 語

本文針對機器人傾倒后自動站立的問題進行了深入的研究和探討，并給出了合理的解決方案和部分程序的設計.機器人傾倒后自行站立功能對今后機器人的發(fā)展具有深遠意義，未來的機器人不但可以自己保持平衡，也可以模仿人類在摔倒后自行站立起來，這種技術的大力推廣，必將會使更多的機器人在極其復雜的地形中得到更加廣泛的應用.

[1]付根平,楊宜民,李靜.仿人機器人的步行控制方法綜述及展望[J].機床與液壓.2011.23

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[3]張利格,黃強,楊潔,時有,王志杰,JAFRI Ali Raza.仿人機器人復雜動態(tài)動作設計及相似性研究[J].自動化學報.2007.05

Research and Development Humanoid Robot based on Martial Arts Contest

ZHANGYong-qing,WANGYan

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei,China 075000)

According to the martial arts contest,the overall design and function of humanoid robot are analyzed in this paper,in which how the robot can stand up on its own after falling is mainly discussed.And a concrete and feasible implementation plan and mechanism design is presented.

martial arts contest;humanoid robot;stand up on its own

2016-10-19

2016年河北省教育廳重點項目(ZD2016160)；2016年度張家口市科技計劃財政資助項目(1611066B)；2016年度河北建筑工程學院校級科研基金項目(2016XJJYB15)

張永清(1964-)，女，教授，主要研究方向：智能制造、機器人技術等.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.025

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