淺析足式機器人的構(gòu)造原理

魏益洲

（煙臺市中英文學(xué)校高三（4）班，山東 煙臺 264100）

1 足式機器人簡介

機器人的運用原理在于通過對人類行為的模范來代替人類完成一些不需要人類或人類無法完成的工作。就當(dāng)前而言，大體可以將機器人分為足式、履帶式和輪式機器人。而足式機器人有著與自然界生物極為相似的形態(tài)，較履帶式和輪式機器人更具靈活性，因此受到機器人研究領(lǐng)域的高度重視。就足式機器人分類而言，可以根據(jù)其不同形態(tài)將其分為雙足、四足、六足和八足等四種形態(tài)的機器人，對于類似于蜈蚣式的機器人則具有更高的復(fù)雜性。本文重點圍繞六足機器人進行研究探討。

2 足式機器人系統(tǒng)設(shè)計

足式機器人由兩個部分構(gòu)成，一部分為六足機器人本體，另一部分為遠(yuǎn)程控制上位機，這兩個部分的功能各不相同。下文將詳細(xì)介紹機器人本體的結(jié)構(gòu)以及其三個子系統(tǒng)功能的設(shè)計內(nèi)容。

2.1 機構(gòu)設(shè)計

足式機器人設(shè)計為六足結(jié)構(gòu)，是根據(jù)六足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來設(shè)計的，可以實現(xiàn)對機器人的穩(wěn)定控制。機器人體型盡量設(shè)計為扁平結(jié)構(gòu)，可以使其重心降低，移動更為穩(wěn)固。機械設(shè)計首要目標(biāo)為可靠耐用，主要為抗腐蝕性和抗疲勞性。此外，機器人作為移動平臺，既要求強度高，又要求輕巧。體積小的機器人靈活性高，而且可以節(jié)省驅(qū)動動力，機器人的設(shè)計要盡量減少本體的消耗。在設(shè)計其框架的時候，要在高強度和輕量化之間找到一個平衡點，既能實現(xiàn)對內(nèi)部設(shè)備的保護，又能支撐起整個機身，因此，采用了“日”字形的框架設(shè)計。

2.2 機身設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計

機器人機身的控制系統(tǒng)是為了可以接受上位機發(fā)出的人機交互指令，并且對機器人的運動狀態(tài)和傳感器信息進行獲取和處理。運動控制分為兩級，控制器在接收到指令后，對電動機發(fā)出指令完成運動。在控制傳感器方面，主控制器的作用是確定信息獲取時間和內(nèi)容，并確定是否需要回傳信息。主控制器通過RS485總線構(gòu)成的串行網(wǎng)絡(luò)來連接電機驅(qū)動器，通過RS232總線構(gòu)成的星形網(wǎng)絡(luò)來連接傳感器。

主控制器是上層控制系統(tǒng)，主要控制電氣子系統(tǒng)以及上位機的通信控制。主控制器屬于下位機，通常采用PC 104工控機系統(tǒng)作為設(shè)計方案，其優(yōu)勢在于接口豐富，外圍電路完善，并且自帶供電和通信模塊，具有與PC機相同的功能。

電機驅(qū)動器是機器人的驅(qū)動中樞，接收到主控制器的指令以后，可以進行電機底層控制，實現(xiàn)驅(qū)動效果。驅(qū)動器的選擇必須要滿足驅(qū)動需求，但是同時要考慮集成原則，通常采用AMC的裸板驅(qū)動產(chǎn)品為電機驅(qū)動器。這種驅(qū)動器開放性極佳，可以非常方便地接入外設(shè)，擁有良好的散熱性能。驅(qū)動器本身包含電流模式、速度模式以及位置模式等多種控制模式。該驅(qū)動器通過對輸出電流的限制、控制電機轉(zhuǎn)速并帶有高溫自動停機設(shè)計等保護機制。

2.3 能源管理系統(tǒng)設(shè)計

機器人的能源管理系統(tǒng)有電源管理板、鋰電池構(gòu)成。其電源模塊種類很多。供電系統(tǒng)的設(shè)計直接影響到機器人的移動性能和其他設(shè)備的正常使用。

電源系統(tǒng)的首要目標(biāo)是實現(xiàn)強電流供電，第二是要具備滿足系統(tǒng)運行的電池容量，第三要求體積盡量縮小，第四要保證供電的持續(xù)性和電壓的穩(wěn)定性以及充電安全性等。基于此，本款機器人設(shè)計采用磷酸鐵鋰電池。該鋰電池是所有鋰電池中安全性最高的，通過多種破壞性試驗以后仍然保持穩(wěn)定，該鋰電池的能量密度也很高，比鋰聚合物電池稍差；再者，這種鋰電池的電芯可以達到3.7V的滿電電壓，在實現(xiàn)總電壓時可以減少鋰電池的串聯(lián)數(shù)量。

選擇供電電池時，電池電壓非常關(guān)鍵，一般供電電壓需要滿足系統(tǒng)中電量需求最大的設(shè)備，本款機器人的電機動力系統(tǒng)的電量需求是最大的，所以要選擇與電機額定電壓相匹配的電池，其他設(shè)備可以通過DC-DC電源模塊進行升壓和降壓后進行供電。

2.4 傳感系統(tǒng)集成設(shè)計

機器人的控制效果以及監(jiān)測任務(wù)是通過傳感器來實現(xiàn)的。這個系統(tǒng)對可靠性的要求更高，同時，也希望能夠方便地增添和改變各項功能，于是設(shè)計思路跟之前的電源管理和電機驅(qū)動器不同，采用更加保守的策略，集成商用成品，而不是在芯片或者裸板上進行開發(fā)。對于這個子系統(tǒng)只進行簡潔的概括性介紹。

IMU，直接獲得六軸線加速度和角加速度信息，估算機器人當(dāng)前的姿態(tài)，進而獲得三軸角加速度、線加速度和歐拉角。機器人的中心位置慣導(dǎo)集成可以實現(xiàn)通過慣導(dǎo)輸出來分析機器人的運行姿態(tài)。主控制器會通過RS232串口獲取相關(guān)信息。

機器人內(nèi)部裝有GPS模塊，可以通過外置天線接收定位信號。通過GPS模塊可以對當(dāng)前的地理位置、海拔高度以及UTC時間進行獲取。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以計算從機器人開始運動到當(dāng)前時刻經(jīng)過的時間以及機器人當(dāng)前位置和運動。

機器人裝備的平面激光掃描儀只有4米有效距離，用于判斷周圍的障礙物。機器人前部的實驗專用激光掃描儀可以實現(xiàn)180度廣角掃描，性能非常優(yōu)越。

3 足式機器人技術(shù)創(chuàng)新

3.1 仿生足模擬技術(shù)

當(dāng)前常見的機器人自由度更廣，行走時會出現(xiàn)上下起伏的姿態(tài)，與傳統(tǒng)輪式機器人或者履帶式機器人相比，需要其機械關(guān)節(jié)克服更大的阻力矩，步態(tài)變化中關(guān)鍵的因素就是負(fù)載變化；而且由于行走時為了達到穩(wěn)定效果，保持在合理的穩(wěn)定裕度范圍內(nèi)，這種六足機器人的行走速度相對緩慢，很難做到連續(xù)轉(zhuǎn)彎，嚴(yán)重影響了機器人的靈活性。同時，由于上坡時會產(chǎn)生重心偏移，穩(wěn)定裕量也會相應(yīng)減小，這就需要解決如何提高穩(wěn)定裕量使其在坡道上行走更為穩(wěn)定的問題。針對目前遇到的問題，需要在仿生足模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合機器人本身的情況，采用周期性三角步態(tài)以及定點轉(zhuǎn)彎技術(shù)來提高機器人的靈活性，而且這樣可以使得機器人在松軟地面的行走能力更強，通過負(fù)載能力定量調(diào)整，實現(xiàn)對機器人的更好控制，通過穩(wěn)定裕量分析對機器人的步態(tài)進行優(yōu)化，提高其自然環(huán)境條件下的控制能力。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

傳統(tǒng)生物在進行步態(tài)控制的時候，需要通過神經(jīng)中樞來獲取非常繁雜的信息，也就是將感官信息轉(zhuǎn)換為中樞命令，這是一個非常復(fù)雜的過程。目前，我們?nèi)匀粺o法完全獲取動物神經(jīng)中樞的全部控制信息。在機器人設(shè)計方面，我們可以通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)造一個模擬動物神經(jīng)中樞控制身體關(guān)節(jié)的系統(tǒng)，實現(xiàn)中樞指令與機械關(guān)節(jié)運動的轉(zhuǎn)換，并讓它自動學(xué)習(xí)這個轉(zhuǎn)換過程。因為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力，在機器人步態(tài)控制系統(tǒng)中應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對提高機器人的環(huán)境適應(yīng)能力非常有效。機器人步態(tài)多變的問題也因此得到了很好的解決，取得了非常好的仿真效果。但是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實時局限性，在仿真機器人平臺應(yīng)用的時候還需要進一步實驗和調(diào)整。

4 機器人的未來展望

（1）機器人用于電子商務(wù)。預(yù)計到2018年，全球?qū)⒂谐^200家大型物流公司和電子商務(wù)公司在其訂單處理和倉儲配送系統(tǒng)中應(yīng)用仿真機器人，應(yīng)用率有望達到45%。

（2）智能協(xié)作機器人。同樣預(yù)計在2018年，全球部署的機器人中有超過三分之一為智能機器人，可以實現(xiàn)更快的運行速度，并實現(xiàn)與人類同時同地有效協(xié)作。

（3）應(yīng)用范圍突破制造業(yè)。預(yù)計到2019年，全球?qū)诔^三分之一的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)機器人自動控制和運行。

（4）軟件定義的機器人。預(yù)計到2020年，全球超過60%的機器人將實現(xiàn)云計算遠(yuǎn)程控制，其性能將得到大幅度提升，并逐步推動機器人應(yīng)用軟件市場的發(fā)展。（5）智能機器人網(wǎng)絡(luò)。到2020年，商用機器人中將會有超過四成的機器人通過智能網(wǎng)絡(luò)進行協(xié)作，其運轉(zhuǎn)效率至少翻一番。

5 結(jié)語

目前，很多領(lǐng)域都已經(jīng)開始應(yīng)用機器人技術(shù)，如水下勘測、極限救援以及在生活領(lǐng)域替代人工，機器人技術(shù)已經(jīng)逐步表現(xiàn)出其超強的發(fā)展?jié)摿?。在未來隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展越發(fā)迅速，機器人也將應(yīng)用于更多的場合，為人們帶來更多的便利。

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