沈為清

（江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能工程技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003）

0 引言

雙足步行機器人是典型的類人機器人，它憑借運動靈活、躲避障礙能力強及運動盲區(qū)小等諸多優(yōu)勢，可以實現(xiàn)雙足行走、跨越障礙、上下樓梯等類人動作，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)性環(huán)境地形，取代人類在惡劣環(huán)境下完成具有危險性的工作，因此受到許多研究者的關(guān)注，成為當前機器人領(lǐng)域的研究熱點之一[1]。結(jié)構(gòu)設(shè)計和智能控制成為重點研究方向。如韓軍等[2]設(shè)計了一種擺腰式無膝雙足機器人的機械結(jié)構(gòu)，并進行了結(jié)構(gòu)的運動分析；王高亮等[3]設(shè)計了一種可以翻滾的交叉足步行機器人；周江琛等[4]基于變質(zhì)心高度策略，衛(wèi)春芳等[5]采用多電機協(xié)同控制，施群等[6]在可變環(huán)境下使用智能仿生算法，董勝等[7]基于運動發(fā)散分量動力學(xué)分別研究了雙足機器人的行走策略、步態(tài)規(guī)劃與位姿控制等問題。本文則進行了一種可以實現(xiàn)類人的交叉步行走的機器人設(shè)計，分別從機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和軟件程序3個方面詳細論述了機器人的設(shè)計過程，設(shè)計工作具有一定的實際應(yīng)用及推廣價值。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先對人類的腿部關(guān)節(jié)進行運動分析。人類腿部關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)組成。其中除膝關(guān)節(jié)只具有1 個自由度外（即繞3 軸的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動），髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)各具有2 個自由度（二者可分別繞1 軸和2軸、4軸和5軸轉(zhuǎn)動）?？紤]到過多的自由度會影響機器人雙足行走的穩(wěn)定性，并增加后續(xù)步態(tài)規(guī)劃的復(fù)雜性，此處進行自由度的簡化，將髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)各去除1個自由度，形成單腿3自由度、雙腿6自由度的設(shè)計方案，如圖2所示。

圖1 人腿關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，為完成6 自由度的運動需求，分別在機器人雙腿的6 個關(guān)節(jié)處安裝6 個舵機，每兩個舵機之間用剛性連接件連接，螺栓緊固，形成機器人的“大腿”與“小腿”；每3 個舵機組成“1 條腿”，分別模仿人類的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。舵機間的連接件選用鋁材，質(zhì)量較輕且具有一定強度，如圖3所示。對于機器人的腳底板，為增強行走穩(wěn)定性，選擇加寬加厚的鋁板，如圖4所示。實際調(diào)試過程中，鋁制的機器人腳底板與地板間的摩擦因數(shù)小，容易出現(xiàn)腳底板與地板摩擦力不足、機器人行走偏航的問題，此時還可在腳底板底部加裝橡皮墊，用于防滑，增大與地面的摩擦力，可顯著提升機器人的直線行走能力。

圖2 雙足步行機器人三維造型圖和實物圖

圖3 鋁制連接件

圖4 鋁制腳底板

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，基于6 自由度的雙腿可以進行雙足行走的步態(tài)規(guī)劃。設(shè)計中以人類在行走過程中先邁左腿、再邁右腿、最后實現(xiàn)兩腳合并為例，設(shè)計過程如圖5所示：首先左腿髖關(guān)節(jié)向前運動，達到圖5（b）圖姿態(tài)；左腿抬起的同時膝關(guān)節(jié)彎曲至圖5（c）姿態(tài)；然后使左腿前傾踝關(guān)節(jié)落地，完成邁左腿動作至圖5（d）；同時右腿髖關(guān)節(jié)向前運動，使右腿抬起的同時膝關(guān)節(jié)彎曲，完成圖5（e）、（f）姿態(tài)；然后使右腿前傾踝關(guān)節(jié)落地，完成邁右腿動作至圖5（g），最后實現(xiàn)左右兩腳合并，完成“走一步”動作。由于機器人的行走可以看作是多個步態(tài)的組合，因此，在規(guī)劃好一個步態(tài)之后，其他步態(tài)仿效此步態(tài)即可。

圖5 雙足步行機器人步態(tài)規(guī)劃圖

上述機器人的雙足運動方案，只是對人類在雙腿運動過程中髖、膝及踝關(guān)節(jié)運動的大致模仿，與真實的人類步行在細節(jié)之處仍存在很多不同，因此無法像人類一樣時刻保持身體平衡與運動平穩(wěn)。在實際制作機器人時，還需進行多次調(diào)試，以確定機器人在行走過程中每個舵機轉(zhuǎn)動的最佳角度，保證機器人運動的平穩(wěn)性。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括主控模塊、驅(qū)動模塊和電源模塊設(shè)計。設(shè)計過程分述如下。

2.1 主控模塊

主控模塊是機器人的“大腦”，負責(zé)接收、存儲和運行上位機發(fā)送過來的程序，控制舵機按照預(yù)設(shè)參數(shù)轉(zhuǎn)動一定角度，實現(xiàn)雙足行走等相關(guān)動作。本次機器人設(shè)計的主控制模塊選取24 路舵機控制板，如圖6 所示。其主要由供電模塊、下載模塊及存儲模塊組成。MINI-USB 接口提供舵機控制板與上位機相連，可實現(xiàn)程序下載功能；程序調(diào)試好后可存儲至板載256 kB 存儲卡內(nèi)；供電模塊上電后，機器人就可脫機運行。

圖6 24路舵機控制板

2.2 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊主要由6個180°數(shù)字舵機組成，如圖7所示，其主要參數(shù)為：自重約44 g，整體尺寸為40.5 mm ×20.5 mm ×38 mm，工作速度為0.14～0.16 s/60°，扭矩為4.2～5 kg/cm，額定電壓為4.5～5.5 V，正常工作電流200 mA。該舵機扭矩經(jīng)理論測算和實物測試能夠帶動鋁制連接件運動，性能可靠，同時具有堵轉(zhuǎn)保護功能，堵轉(zhuǎn)3 s后可自動降低電流，以保護內(nèi)部馬達及電板，能夠較好地滿足本次雙足步行機器人的設(shè)計及應(yīng)用需求。

圖7 180°數(shù)字舵機

圖8 7.4 V航模電池

2.3 供電模塊

機器人設(shè)計選擇7.4 V 航模鋰電池供電，如圖8 所示，由于舵機控制板內(nèi)已配置有降壓模塊，可將電源電壓穩(wěn)定在3～5.5 V 安全數(shù)值范圍內(nèi)，故無須外接降壓模塊。經(jīng)過實際測試，該電源完全能夠符合雙足步行機器人的設(shè)計運行要求。

3 軟件設(shè)計與調(diào)試

圖9 上位機軟件操作界面

步行機器人的機械結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計完成后，就可以進行軟件設(shè)計了。本次設(shè)計通過與圖6所示舵機控制板配套的上位機軟件進行。該軟件可安裝在電腦運行，圖9所示為軟件的設(shè)計操作界面。軟件通過電腦USB口與舵機控制板的MINI-USB口相連，實現(xiàn)程序?qū)懭?。?lián)機成功后，可通過鼠標滑動滑桿或者輸入數(shù)值范圍調(diào)節(jié)舵機參數(shù)，實現(xiàn)舵機不同角度的轉(zhuǎn)動；每調(diào)試一段指令后，可點擊“插入”按鈕，便可在“命令列表”內(nèi)自動生成動作指令。當機器人的整套程序調(diào)試完畢后，可點擊“下載”按鈕，程序便能夠自動寫入至舵機控制板上的板載動作存儲卡中。拔下下載線，打開機器人電源開關(guān)，機器人便可按照之前設(shè)置的程序完成相應(yīng)的動作。

4 結(jié)束語

本文論述了一種交叉足步行機器人的設(shè)計過程與實現(xiàn)方法，按上述設(shè)計流程和方法制作的交叉足步行機器人，經(jīng)實物制作測試能夠?qū)崿F(xiàn)既定的雙足交叉行走功能。設(shè)計工作為今后從事雙足機器人更為復(fù)雜的翻轉(zhuǎn)、跳躍動作積累了經(jīng)驗，同時為從事相似原理的類人仿生機器人的研究提供了有益借鑒。