基于武術(shù)飛腳動(dòng)作學(xué)習(xí)的類人采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)

任天麟

(焦作大學(xué)，河南 焦作 454150)

0 引言

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人被應(yīng)用在很多重要的領(lǐng)域，近年來農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展快速，且隨著技術(shù)的革新，機(jī)器人逐漸可以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)。目前，采摘類作業(yè)機(jī)器人的數(shù)量逐漸增多，但其大部分采摘高度作業(yè)范圍有限，能夠適應(yīng)不同高度需求作業(yè)的機(jī)器人還很少。武術(shù)的飛腳動(dòng)作是武術(shù)學(xué)習(xí)中最常見的動(dòng)作之一，其主要?jiǎng)幼鞣譃橹?、起跳、空中?dòng)作和落地過程，每個(gè)動(dòng)作過程都可以作為機(jī)器人的仿生類人學(xué)習(xí)的模型。武術(shù)飛腳動(dòng)作在起跳時(shí)，其肌肉的收縮和關(guān)節(jié)的動(dòng)作具有明顯的規(guī)律性，如果將其應(yīng)用到采摘機(jī)器人的腿部設(shè)計(jì)中，可以使采摘機(jī)器人腿部具有不同高度的伸縮功能，從而滿足不同高度采摘作業(yè)的需求，對(duì)于復(fù)雜采摘作業(yè)環(huán)境機(jī)器人的研究具有重要的意義。

1 武術(shù)飛腳動(dòng)作分析機(jī)器在類人機(jī)器人動(dòng)作控制中的應(yīng)用

武術(shù)的飛腳動(dòng)作具有一定的技巧性，助跑后踏跳動(dòng)作完成質(zhì)量的好壞直接影響到騰空高度，它是跳躍動(dòng)作的重要環(huán)節(jié)。其正確方法是利用人體肌肉在被拉伸時(shí)具有的彈力，利用彈性收縮提高在騰空時(shí)的初始速度，通過這個(gè)力將跳躍時(shí)間延長，可使武術(shù)飛腳動(dòng)作具有更長的作用時(shí)間，從而達(dá)到較高的高度。利用這一原理設(shè)計(jì)的擂臺(tái)比賽機(jī)器人有很多，兩款典型的擂臺(tái)比賽機(jī)器人如圖1所示。

圖1 武術(shù)擂臺(tái)類人模仿機(jī)器人示意圖Fig.1 The sketch diagram of humanoid robot of martial arts arena

該種型號(hào)的機(jī)器人主要是用于擂臺(tái)比武等，其功能主要包括定位自己位置、檢測(cè)敵人位置和實(shí)現(xiàn)攻擊動(dòng)作等。將飛腳動(dòng)作使用在采摘機(jī)器人上，其流程如圖2所示。采用武術(shù)飛腳動(dòng)作可以實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的類人仿真功能，從而提高采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)的靈活性，利用腿部的伸縮功能，可以實(shí)現(xiàn)更高處果實(shí)的采摘作業(yè)，提高機(jī)器人對(duì)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力。

2 采摘機(jī)器人調(diào)速方案及動(dòng)作控制方案

速度控制設(shè)計(jì)是采摘機(jī)器人最主要的功能設(shè)計(jì)之一，本次調(diào)速方案主要選擇的是PWM調(diào)速方式。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以表示為

(1)

其中，U為電機(jī)的電壓；I為電機(jī)的電流；R為電機(jī)電路的電阻；Φ為電機(jī)線圈的磁通量；K為結(jié)構(gòu)參數(shù)。由公式(1)可知，轉(zhuǎn)速控制的方案主要有兩種：一種是通過磁通量進(jìn)行控制；另一種是對(duì)電壓進(jìn)行控制。由于磁通量的控制較為復(fù)雜，因此常用U的調(diào)速方案是對(duì)電壓進(jìn)行控制，而電壓的控制可以通過脈寬調(diào)制來完成。其調(diào)速原理為

(2)

圖2 類人模仿飛腳伸縮動(dòng)作的流程示意圖Fig.2 The flow chart of humanoid imitating the telescopic movement of flying feet

圖3 PWM調(diào)速原理示意圖Fig.3 The schematic diagram of PWM speed regulation principle

2.1 PWM調(diào)速方案選擇

目前，主要有3種常用的方法可以改變占空比，包括定寬跳頻、調(diào)高調(diào)頻及定頻調(diào)寬。

1)定寬調(diào)頻法(見圖3)。該方法主要是將t1設(shè)置為恒定不變值，改變t2值，使頻率的周期發(fā)生變化。

2)調(diào)高調(diào)頻法。該方法主要是將t1設(shè)置為恒定不變值，改變t2值，使頻率和脈寬發(fā)生變化。

3)定頻調(diào)寬法。這種方法是保持頻率恒定，同時(shí)改變t1和t1的值，使電壓發(fā)生改變。

這3種方法雖然都可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速，但如果頻率發(fā)上變化的話，在頻率接近于系統(tǒng)頻率時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大程度的振蕩，因此一般不使用前兩種方法。本次也是選用第3種方法，即定頻調(diào)寬法。

2.2 核心控制芯片選擇

芯片的選擇也有多種方案，下面對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行分析比較，確定本次設(shè)計(jì)使用方案。

1)第1種方案是選擇STC89C52單片機(jī)作為核心控制器。這款單片機(jī)簡單易懂，設(shè)計(jì)也方便；但該款單片機(jī)并沒有AD轉(zhuǎn)換和PWM輸出等，所以沒有采用這款單片機(jī)。

2)第2種方案是使用ARM系列的單片機(jī)。該型單片機(jī)功能非常強(qiáng)大，且處理速度快；但這款單片機(jī)的設(shè)計(jì)和編程較為復(fù)雜，而本研究只是采摘機(jī)器人腿部伸縮動(dòng)作的初始化研究，沒要考慮太復(fù)雜的控制。ARM系列單片機(jī)的設(shè)計(jì)和使用需要一定的專業(yè)水平才能完成設(shè)計(jì)，因此暫時(shí)沒有考慮選擇這款單片機(jī)。

3)第3種方案是選擇STC12C5A60S2單片機(jī)。這款單片機(jī)可以完全兼容C51單片機(jī)，且處理速度也比較快，簡單易懂，還內(nèi)置了AD轉(zhuǎn)換和PWM輸出。因此，本研究選擇了這款單片機(jī)作為核心控制器。

2.3 傳感器方案選擇

傳感器的選擇也有多種方案，包括很多方案的組合，本次主要介紹兩種方案。

1)第1種方案是采用3種傳感器的組合，包括紅外接近傳感器、灰度傳感器和超聲波測(cè)距傳感器；不過超聲波傳感器的安裝和編程設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，本次研究沒有選用這個(gè)方案。

2)第2種方案是采用紅外接近傳感器、紅外測(cè)距傳感器和灰度傳感器組合。這個(gè)組合的硬件安裝相對(duì)簡單，軟件編程也不復(fù)雜，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4為采摘機(jī)器人的硬件系統(tǒng)框圖。其中，硬件電路主要包括復(fù)位電路、程序電路、檢測(cè)電路和電源電路等，輸出控制部分主要是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。假設(shè)表示電機(jī)控制的高電平，l表示電機(jī)控制的低電平，x表示沒有發(fā)出電平，則點(diǎn)擊運(yùn)行控制的邏輯表如表1所示。

圖4 采摘機(jī)器人的硬件系統(tǒng)框圖Fig.4 The hardware system block diagram of picking robot

表1 電機(jī)運(yùn)行控制邏輯表

通過控制輸入端信號(hào)來控制直流電機(jī)的起停，通過單片機(jī)定時(shí)器來進(jìn)行模擬PWM調(diào)速，并根據(jù)果實(shí)目標(biāo)的高度要求，通過電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人腿部的伸縮動(dòng)作，進(jìn)行較高部位果實(shí)的采摘。

3 采摘機(jī)器人實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證武術(shù)飛腳動(dòng)作在采摘機(jī)器人上使用的可行性，設(shè)計(jì)了一款基于武術(shù)飛腳動(dòng)作的腿部可伸縮機(jī)器人。為了簡化研究，本次只選用了武術(shù)飛腳動(dòng)作的腿部伸縮作為類人仿生的主要對(duì)象，采用舵機(jī)控制的方式，通過調(diào)整舵機(jī)脈寬實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的角度變化，從而實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人腿部的伸縮動(dòng)作。舵機(jī)的角度變化和輸入脈沖信號(hào)的關(guān)系如圖5所示。

采摘機(jī)器人要想實(shí)現(xiàn)腿部伸縮動(dòng)作，需要調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)處的電機(jī)，使舵機(jī)獲得1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，可以改變對(duì)應(yīng)的輸入脈沖信號(hào)的占空比，并通過閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，使采摘機(jī)器人的位置處于最佳狀態(tài)。

圖6為基于武術(shù)飛腳動(dòng)作設(shè)計(jì)的一款類人機(jī)器人。該機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)處安裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以是舵機(jī)旋轉(zhuǎn)成一定的較大，從而調(diào)整腿部的長短。由試驗(yàn)得到了如圖7所示的各種類人模仿動(dòng)作。

圖5 舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與輸入脈沖信號(hào)關(guān)系圖Fig.5 The relationship between rotation angle of actuator and input pulse signal

圖6 基于飛腳動(dòng)作的采摘機(jī)器人Fig.6 The picking robot based on the action of flying feet

圖7 各種動(dòng)作類人仿真Fig.7 The umanoid simulation of various movements

本次設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人可以根據(jù)武術(shù)飛腳的各種動(dòng)作，做類人仿真模擬，實(shí)現(xiàn)腿部的各種伸縮動(dòng)作。為了驗(yàn)證其可以接觸到不同高度的果實(shí)目標(biāo)，將其放置在真實(shí)的果樹環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如圖8所示。

為了測(cè)試采摘機(jī)器人對(duì)不同采摘高度的適應(yīng)能力，選擇了果實(shí)位置不同的果樹，并對(duì)采摘高度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并繪制出了如圖9所示的采摘方位圖。

圖8 采摘作業(yè)環(huán)境Fig.8 The picking environment

圖9 采摘機(jī)器人果實(shí)成功采摘范圍圖Fig.9 The successful picking range of fruit picking robot

由圖9可以看出：采摘機(jī)器人作業(yè)的高度范圍較大，滿足復(fù)雜高度條件下的采摘需求。

4 結(jié)論

武術(shù)飛腳動(dòng)作是武術(shù)學(xué)習(xí)的主要特征動(dòng)作之一，其騰空高度的把握有很多的技巧。本次研究對(duì)騰空動(dòng)作的蹬地技巧進(jìn)行了分析，并將其使用在了類人采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)了采摘機(jī)器人的腿部伸縮功能。為了驗(yàn)證武術(shù)飛腳動(dòng)作在采摘機(jī)器人上使用的可行性，以實(shí)際的果實(shí)采摘環(huán)境為依托，設(shè)計(jì)了一款腿部可伸縮的采摘機(jī)器人，并測(cè)試了其對(duì)不同高度果實(shí)采摘的作業(yè)范圍，將作業(yè)范圍繪制成了采摘范圍圖。測(cè)試結(jié)果表明：采摘機(jī)器人可以采摘到不同高度范圍的果實(shí)，滿足了不同高度采摘作業(yè)的需求，為新型類人仿生采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。