新型雙足氣體平衡機(jī)器人的設(shè)計(jì)*

□ 吳 逸 □ 張秋菊 □ 譚閩海 □ 周逸群 □ 喬永瑞 □ 潘鵬丞 □ 方 娟

江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無(wú)錫214122

我國(guó)仿人機(jī)器人研制起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。目前，在人形機(jī)器人領(lǐng)域中，平衡性能研究的主要內(nèi)容有平衡性理論基礎(chǔ)、步態(tài)規(guī)劃、平衡恢復(fù)和關(guān)節(jié)力矩約束條件分析等，更為普遍的是在機(jī)器人中通過(guò)附加配件、彈簧、氣缸、機(jī)械阻尼等來(lái)增加平衡性能［1］。但目前平衡理論應(yīng)用到實(shí)際人形機(jī)器人中還存在很多問(wèn)題，如平衡效果不太理想，因此依然需要進(jìn)行更深入的研究。王海燕［2］對(duì)國(guó)內(nèi)仍處于空白階段且具有負(fù)重能力的液壓驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、步態(tài)生成方法及穩(wěn)定性控制等方面開(kāi)展了深入研究。韓亞麗等［3］研究了一種基于零力矩點(diǎn)預(yù)觀(guān)控制系統(tǒng)雙足機(jī)器人穩(wěn)定行走步行模式的生成方法。郭美玲等［4］設(shè)計(jì)了一種全新運(yùn)動(dòng)方式的搜救機(jī)器人，當(dāng)遇到塌方障礙時(shí)可以通過(guò)彈跳和飄浮運(yùn)動(dòng)來(lái)穿越障礙物，到達(dá)需要探測(cè)地點(diǎn)，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，節(jié)能環(huán)保，應(yīng)用范圍廣。雙足機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域最前沿的類(lèi)型之一［5］，而雙足穩(wěn)定行走則是雙足機(jī)器人研究領(lǐng)域的首要目標(biāo)［6］。所以，良好的平衡系統(tǒng)對(duì)于改善雙足機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性、操作性能至關(guān)重要。筆者設(shè)計(jì)了一種新型雙足氣體平衡機(jī)器人，采用氣體來(lái)增加雙足機(jī)器人的平衡性能，使其能平衡穩(wěn)定行走。

1 總體方案

1.1 承載氣體與下肢材料選擇

關(guān)于氣體平衡機(jī)器人，方案設(shè)計(jì)的核心技術(shù)是利用氣體浮力平衡機(jī)器人自身的質(zhì)量?；诤?jiǎn)易性和安全性原則考慮，筆者選用了氦氣作為氣球的氣源，在保證氣球密封性的同時(shí)，盡可能增大氣球的體積，以及內(nèi)部氣體壓力，以提升氣球的浮力性能。筆者初步設(shè)計(jì)了雙足氣體平衡機(jī)器人的腿部尺寸，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，應(yīng)用MATLAB軟件完成運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算并生成數(shù)據(jù)，采用Pro/E軟件建立雙足氣體平衡機(jī)器人腿部模型，并完成仿真［7］。在試驗(yàn)過(guò)程中，筆者對(duì)雙足氣體平衡機(jī)器人的下肢用料進(jìn)行改善，經(jīng)多次試驗(yàn)后，采用傘骨代替最初設(shè)計(jì)的木棍作為雙足氣體平衡機(jī)器人的下肢，原因是傘骨的整體質(zhì)量較木棍（包括銜接部分）要輕，并且它的單個(gè)平面自由度較木棍更加平穩(wěn)，更重要的是傘骨有著豎直狀態(tài)下的自我恢復(fù)能力。筆者通過(guò)三維打印技術(shù)打印出雙足氣體平衡機(jī)器人傘骨下肢，在關(guān)節(jié)連接處使用鉸鏈結(jié)構(gòu)，同樣能夠完成試驗(yàn)要求。

1.2 行走功能

目前機(jī)器人行走的主流驅(qū)動(dòng)方式是關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人關(guān)節(jié)是機(jī)器人的基礎(chǔ)部件，其性能的好壞直接影響機(jī)器人的性能［8］；且電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)具有能量傳遞方便、信號(hào)傳遞迅速和標(biāo)準(zhǔn)程度高的優(yōu)點(diǎn)［9］。但筆者沒(méi)有選擇與目前大多數(shù)雙足機(jī)器人一樣的關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，因?yàn)樵跈C(jī)器人下肢每個(gè)關(guān)節(jié)處安裝電機(jī)，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)速配合來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走，除了較高的成本及復(fù)雜的程序和結(jié)構(gòu)配合外，單是笨重的電機(jī)便無(wú)法達(dá)到筆者的預(yù)期目的。為此筆者專(zhuān)注如何簡(jiǎn)化伺服驅(qū)動(dòng)裝置，最終得出方案：由于雙足氣體平衡機(jī)器人下肢承受的重力大部分來(lái)自于電機(jī)，所以下肢的質(zhì)心在電機(jī)安裝位置，筆者選用SG90質(zhì)量為9 g的舵機(jī)安裝在雙足氣體平衡機(jī)器人下肢底端位置，使下肢質(zhì)心集中在底端，用繩子一端纏繞在舵機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片上，能夠承載一定的轉(zhuǎn)矩，另一端綁在雙足氣體平衡機(jī)器人大腿部位。當(dāng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片端離雙足氣體平衡機(jī)器人大腿捆綁部位距離最近時(shí)，繩子處于繃直狀態(tài)，這樣使雙足氣體平衡機(jī)器人在行走過(guò)程中，繩子始終處于繃直狀態(tài)，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)葉片會(huì)通過(guò)繩子的牽引帶動(dòng)雙足氣體平衡機(jī)器人下肢抬起，同時(shí)雙足氣體平衡機(jī)器人的質(zhì)心明顯前移，有向前移動(dòng)的趨勢(shì)，足夠帶動(dòng)雙足氣體平衡機(jī)器人上半部分向前移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)行走功能。

雙足氣體平衡機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理如圖1所示。

▲圖1 雙足氣體平衡機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理

1.3 避障功能

雙足機(jī)器人具有較高的避障行走能力，能夠?qū)崿F(xiàn)在各種不同復(fù)雜地面上行走，在仿人雙足機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景［10-12］。為了實(shí)現(xiàn)避障行走功能，雙足氣體平衡機(jī)器人需對(duì)其所在位置信息做出反饋，筆者使用HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器來(lái)完成這一功能。這種超聲波測(cè)距傳感器的質(zhì)量較輕，在雙足氣體平衡機(jī)器人的承受范圍內(nèi)，同時(shí)它可以通過(guò)發(fā)射和接收超聲波，感應(yīng)5～200 cm的距離。筆者只要調(diào)節(jié)HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器能夠感應(yīng)到的最小距離，再通過(guò)編程控制SG90舵機(jī)差速轉(zhuǎn)動(dòng)，可使雙足氣體平衡機(jī)器人兩下肢行走改變方向，改變直行的狀態(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)其避障功能。筆者在機(jī)器人的不同位置安裝超聲波測(cè)距傳感器，經(jīng)多次試驗(yàn)得出結(jié)論，超聲波測(cè)距傳感器固定在下肢頂端橫桿處和安裝在下肢底端舵機(jī)旁，均可對(duì)距離進(jìn)行相對(duì)精確的測(cè)量。最終筆者使用Arduino Mega2560單片機(jī)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，完成了雙足氣體平衡機(jī)器人避障功能的設(shè)計(jì)。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 機(jī)械裝置

雙足氣體平衡機(jī)器人模型如圖2所示，其主要結(jié)構(gòu)有氣球、SG90舵機(jī)、HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器、傘骨等。

2.2 機(jī)械控制

當(dāng)左右舵機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，雙足氣體平衡機(jī)器人穩(wěn)定直線(xiàn)行走。當(dāng)HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器檢測(cè)到雙足氣體平衡機(jī)器人的前面有障礙物，且障礙物在5 cm時(shí)，超聲波測(cè)距傳感器將信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)做出反應(yīng)，發(fā)出轉(zhuǎn)彎信號(hào)，舵機(jī)差速轉(zhuǎn)彎。

▲圖2 氣體平衡機(jī)器人模型

雙足氣體平衡機(jī)器人行走控制流程如圖3所示，超聲波測(cè)距傳感器測(cè)距試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

▲圖3 雙足氣體平衡機(jī)器人行走控制流程

▲圖4 超聲波測(cè)驗(yàn)距傳感器測(cè)距試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖4可以看出，在0～18 s時(shí)，HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器測(cè)得的雙足氣體平衡機(jī)器人離障礙物的距離隨雙足氣體平衡機(jī)器人向障礙物的移動(dòng)而遞減；當(dāng)在18～20 s時(shí)，雙足氣體平衡機(jī)器人與障礙物距離小于5 cm時(shí)，雙足氣體平衡機(jī)器人開(kāi)始轉(zhuǎn)彎，雙足氣體平衡機(jī)器人與障礙物距離逐漸增大，當(dāng)超聲波測(cè)距傳感器測(cè)得雙足氣體平衡機(jī)器人與障礙物距離大于設(shè)定閾值后，判定為轉(zhuǎn)彎完成，雙足氣體平衡機(jī)器人又開(kāi)始直行，直到遇到下一個(gè)障礙物，再重復(fù)上述過(guò)程。

3 操作過(guò)程

首先給氣球充氦氣，使氣球的浮力約等于雙足氣體平衡機(jī)器人下肢承受的重力，然后通過(guò)Arduino Mega2560單片機(jī)將事先編好的程序輸入到驅(qū)動(dòng)板，使輸出的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)雙足氣體平衡機(jī)器人與前面障礙物的距離小于閾值時(shí)，超聲波測(cè)距傳感器即反饋信號(hào)給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)，使雙足氣體平衡機(jī)器人兩足舵機(jī)差速轉(zhuǎn)動(dòng)，使雙足氣體平衡機(jī)器人轉(zhuǎn)彎。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的這種新型雙足氣體平衡機(jī)器人主要是由獨(dú)特的角度解決目前輕型人形雙足機(jī)器人的平衡問(wèn)題，為雙足機(jī)器人質(zhì)心的控制提供了一種可行的方法。通過(guò)氣體浮力平衡機(jī)器人的重力，使其保持平衡狀態(tài)，即使暫時(shí)失去平衡還是可以通過(guò)氣體浮力來(lái)恢復(fù)平衡。再通過(guò)質(zhì)心移動(dòng)驅(qū)使機(jī)器人行走。同時(shí)，通過(guò)輕巧精妙的機(jī)械設(shè)計(jì)，降低了雙足機(jī)器人兩腿控制的難度?？偠灾p足氣體平衡機(jī)器人是應(yīng)用氣體浮力去解決人形機(jī)器人行走時(shí)候的平衡問(wèn)題，具有深刻的研究意義，有很大的應(yīng)用價(jià)值。