教學(xué)用雙足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及軟硬件設(shè)計(jì)

張 蔓， 高宇博， 鄧佳玉， 魏慶媛， 趙英妤

(哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028)

研究與設(shè)計(jì)

教學(xué)用雙足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及軟硬件設(shè)計(jì)

張 蔓， 高宇博， 鄧佳玉， 魏慶媛， 趙英妤

(哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028)

闡述了教學(xué)用步行機(jī)器人的自由度選擇及步態(tài)規(guī)劃，分析了六自由度雙足機(jī)器人行走規(guī)律，用CAXA軟件畫(huà)出自由度分部圖，運(yùn)用三點(diǎn)規(guī)劃法確定了擺動(dòng)腿踝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)的3個(gè)步態(tài)姿態(tài)點(diǎn)，配合多項(xiàng)式插值法確定踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。選擇32路舵機(jī)控制器為主控板，并給出直線(xiàn)行走程序。

教學(xué)；雙足機(jī)器人；步態(tài)；規(guī)劃

機(jī)器人是一種智能化機(jī)械裝置，廣泛應(yīng)用在危險(xiǎn)、繁重的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。固定式機(jī)器人通常應(yīng)用在產(chǎn)品流水線(xiàn)上，移動(dòng)機(jī)器人則可應(yīng)用在各種環(huán)境當(dāng)中，用于勘察、搬運(yùn)、星球探測(cè)等[1]。步行機(jī)器人在移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用最廣泛，其特點(diǎn)是適應(yīng)各類(lèi)地形地貌，具有行走速度快、能耗小、體積小等優(yōu)點(diǎn)。雙足機(jī)器人(又稱(chēng)仿人形機(jī)器人，類(lèi)人機(jī)器人)是步行機(jī)器人的一種，和其他移動(dòng)機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人在步行環(huán)境的適應(yīng)性上具有巨大優(yōu)勢(shì)，可平地行走，也可以上下臺(tái)階，跨越障礙。目前步行機(jī)器人主要應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)、智能假肢等方面，由于其結(jié)構(gòu)類(lèi)似人類(lèi)，賦予其豐富的傳感器系統(tǒng)后則可代替人類(lèi)去特殊的危險(xiǎn)領(lǐng)域作業(yè)，如太空探測(cè)、海底探測(cè)、核污染現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)等，因此研究雙足機(jī)器人具有非常重要的意義。

1 雙足機(jī)器人自由度選擇

一般來(lái)說(shuō)，雙足機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)的基本功能有直線(xiàn)行走，上下樓梯、轉(zhuǎn)彎行走等，本文機(jī)器人需實(shí)現(xiàn)的只有直線(xiàn)行走功能。直線(xiàn)行走分為以下6個(gè)步驟：左腿抬起，重心右移；左腿落下，重心左移；右腿抬起，右腿落下。通常機(jī)器人雙腿活動(dòng)關(guān)節(jié)分為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)行走單組動(dòng)作只需髖關(guān)節(jié)的俯仰自由度和踝關(guān)節(jié)的俯仰自由度，連貫動(dòng)作調(diào)試時(shí)還需踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度，以保持動(dòng)作的連貫性。雙足機(jī)器人自由度分配如圖1所示，髖關(guān)節(jié)分配一個(gè)俯仰自由度，以Y軸為軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)；膝關(guān)節(jié)沒(méi)有自由度；踝關(guān)節(jié)分配一個(gè)俯仰自由度，圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)；踝關(guān)節(jié)分配一個(gè)偏轉(zhuǎn)自由度，以X軸為軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)。每條腿3個(gè)自由度，由于機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以雙腿共6個(gè)自由度，建立的坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1 雙足機(jī)器人自由度分配1.髖關(guān)節(jié)俯仰自由度；2.踝關(guān)節(jié)俯仰自由度；3.踝關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)自由度

2 雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定行走狀態(tài)分為靜平衡和動(dòng)平衡。 靜態(tài)平衡的條件是機(jī)器人的重心始終保持在著地腿支撐區(qū)域；動(dòng)態(tài)平衡的條件是機(jī)器人的重心保持在ZMP(零力矩)區(qū)域。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)保持靜態(tài)平衡狀態(tài)一般速度較慢，而保持運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)則速度較快。本文討論的是最基本的靜平衡狀態(tài)。

如何實(shí)現(xiàn)靜態(tài)平衡取決于機(jī)器人的行走姿態(tài)和規(guī)律，也就是機(jī)器人的步態(tài)。步態(tài)是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中步行者(人、動(dòng)物或機(jī)器人)的肢體在時(shí)間和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系，根據(jù)人類(lèi)行走的規(guī)律，確定雙足機(jī)器人各關(guān)節(jié)角的函數(shù)，分析行走過(guò)程中各關(guān)節(jié)姿態(tài)的變化規(guī)律，使機(jī)器人的重心保持在支撐區(qū)域內(nèi)。為了方便計(jì)算和分析，假設(shè)機(jī)器人兩腿髖關(guān)節(jié)軸連線(xiàn)始終與地面平行，運(yùn)動(dòng)中腳底板一直保持和地面平行[2-4]。

機(jī)器人直線(xiàn)行走是一個(gè)具有周期性的單步行走，在步行周期里分單腿支撐狀態(tài)和雙腿支撐狀態(tài)。采用三點(diǎn)分析法，選擇同一關(guān)節(jié)在擺動(dòng)腿離地時(shí)刻、腿抬到最高處時(shí)刻、腿落地時(shí)刻的坐標(biāo)參數(shù)，計(jì)算出數(shù)值帶入5次多項(xiàng)式中得到各個(gè)關(guān)節(jié)角的變化規(guī)律[5-6]。假設(shè)一個(gè)步行周期時(shí)間為T(mén)M，雙足支撐時(shí)間為T(mén)R，單步距離為L(zhǎng)′，踝關(guān)節(jié)抬腿最高處為H；假設(shè)左腿支撐，右腿擺動(dòng)，以左腿踝關(guān)節(jié)在支撐面上豎直方向的投影為原點(diǎn)，則支撐腿踝關(guān)節(jié)坐標(biāo)為(Xzh，Zzh)，右腿一個(gè)步行周期開(kāi)始的瞬間時(shí)刻右腿踝關(guān)節(jié)坐標(biāo)為(-L′，HKS)，右腿髖關(guān)節(jié)坐標(biāo)為(-L′/2，HKG)，右腿抬到最高點(diǎn)時(shí)刻右腿踝關(guān)節(jié)坐標(biāo)為(XG，H)，右腿髖關(guān)節(jié)坐標(biāo)為(XK，HW)，右腿落地時(shí)刻右腿踝關(guān)節(jié)坐標(biāo)為(L′，HKS)，右腿髖關(guān)節(jié)坐標(biāo)為(L′/2，HKG)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的雙足機(jī)器人數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 雙足機(jī)器人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

質(zhì)量/kg身高/cm步行周期TM/s雙足支撐時(shí)間TR/s單步距離L′/cm踝關(guān)節(jié)抬腿最高處H/cm髖關(guān)節(jié)抬腿最高處HW/cm腳踝高HKS/cm髖關(guān)節(jié)高HW/cm092430369174515

擺動(dòng)腿踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)式為：

a1+a2t+a3t2+a4t3+a5t4+a6t5

由已知條件可求出踝關(guān)節(jié)在雙足支撐期間和單步周期內(nèi)X軸的位移、速度和加速度的值，帶入公式可得到擺動(dòng)腿踝關(guān)節(jié)在X軸上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。同理，可求出擺動(dòng)腿髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3 雙足機(jī)器人硬件選擇及軟件編程

雙足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器選用舵機(jī)，舵機(jī)采用閉環(huán)系統(tǒng)，利用接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制，具體體積小，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。舵機(jī)有三根線(xiàn)，分別是電源線(xiàn)、地線(xiàn)、控制信號(hào)線(xiàn)。舵機(jī)通常由0.5 ～2.5 ms的PWM方波控制，其旋轉(zhuǎn)角度為0～180°，驅(qū)動(dòng)由32路伺服電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)，該控制器以ATMEL公司的Atmega16單片機(jī)為核心，采用雙電源輸入以避免信號(hào)干擾。

軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是伺服電機(jī)上位機(jī)軟件，通過(guò)指令控制雙足機(jī)器人直線(xiàn)行走。雙足機(jī)器人直線(xiàn)行走程序如下：

T700 #0P1491#1P1507#2P1500#16P1502#17P1469#18P1456T700T700 #0P1200#1P1480#2P1500#16P1350#17P1520#18P1490T700

T700 #0P1380#1P1200#2P1200#16P1300#17P1520#18P1490T700

T800 #0P1329#1P1289#2P1225#16P1350#17P1020#18P1158T800

T800 #0P1599#1P1118#2P1111#16P1630#17P1250#18P1328T800

T700 #0P1638#1P1480#2P1500#16P1766#17P1230#18P1250T700

T700 #0P1660#1P1480#2P1500#16P1600#17P1800#18P1790T700

T700 #0P1611#1P1959#2P1794#16P1640#17P1763#18P1792T700

T700 #0P1348#1P1759#2P1564#16P1350#17P1900#18P1920T700

T700 #0P1280#1P1740#2P1710#16P1300#17P1520#18P1490T700

T800 #0P1380#1P1200#2P1200#16P1300#17P1520#18P1490T800

T800 #0P1329#1P1289#2P1225#16P1350#17P1020#18P1158T800

T800 #0P1599#1P1118#2P1111#16P1630#17P1250#18P1328T800

T700 #0P1638#1P1480#2P1500#16P1766#17P1230#18P1250T700

T700 #0P1660#1P1480#2P1500#16P1600#17P1800#18P1790T700

T700 #0P1611#1P1959#2P1794#16P1640#17P1763#18P1792T700

T700 #0P1348#1P1759#2P1564#16P1350#17P1900#18P1920T700

T700 #0P1280#1P1740#2P1710#16P1300#17P1520#18P1490T700

T700 #0P1491#1P1507#2P1500#16P1502#17P1469#18P1456T700

[1] 于欣龍譯.愛(ài)上Arduino[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 張毅.移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)與制作[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2013.

[3] 朱碩迪.六自由度雙足競(jìng)步機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及軌跡跟蹤[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2015.

[4] 王曙光.移動(dòng)機(jī)器人原理與設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[5] 孟浩，王妍瑋.基于A(yíng)rduino的雙足仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014，41(2)：38-40.

[6] 辛穎，薛偉，楊鐵濱，等.慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型在機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐與應(yīng)用[J].森林工程，2012，28(1)：81-83+86.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

Teaching-type Bipedal Walking Robot Gait Planningand Software and Hardware Design

ZHANG Man， GAO Yu-bo， DENG Jia-yu， WEI Qing-yuan， ZHAO Ying-yu

(Harbin Institute of Petroleum，Harbin Heilongjiang 150028，China)

The freedom degree choice and gait planning of teaching-type bipedal walking robots are stated，the walking pattern of six DOF biped robots is analyzed，CAXA software is used to draw the segment graph of the degree of freedom，a three-point planning method is used to determine the three gait posture points of the swinging leg ankle joints and hip joints，and a polynomial interpolation method is adopted to determine the movement of ankle joints.A 32-way steering servo controller is used as the main control board and straight line walking procedures are given.

teaching；biped robot；gait；planning

2016-12-05

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程教學(xué)改革項(xiàng)目：哈爾濱石油學(xué)院課程改革與建設(shè)項(xiàng)目；黑龍江省高等教育學(xué)會(huì)“十三五”高等教育科研課題(規(guī)劃課題)項(xiàng)目“機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科創(chuàng)新教育體系研究與實(shí)踐”(16G446)

張 蔓(1975-)，女，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱石油學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院講師，碩士，主要從事機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)及研究工作，E-mail：zhangman25873@qq.com。

TP242

A

2095-2953(2017)03-0038-02