基于STM32的四足仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

梁美彥

(山西大學(xué) 電子信息工程系，山西 太原 030013)

0 引 言

足式機(jī)器人由于具有足部離散性強(qiáng)，行走時(shí)不需要連續(xù)路徑的特點(diǎn)，相比輪式和履帶式機(jī)器人有更大的自由度和適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化地形的能力[1]，適用于抗震救災(zāi)、資源開(kāi)發(fā)利用、進(jìn)行放射性以及水下科學(xué)實(shí)驗(yàn)等特殊情況，因此成為國(guó)內(nèi)外人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn). 四足步行機(jī)器人作為典型的多足機(jī)器人，相比兩足機(jī)器人，可靠性和穩(wěn)定性高，控制復(fù)雜度和結(jié)構(gòu)冗余度比六足和八足機(jī)器人小，還具有多種運(yùn)動(dòng)形式，能廣泛適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化地面行走，穩(wěn)定性較好. 因此，開(kāi)展四足機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義.

四足仿生機(jī)器人的代表性成果有：1967年，美國(guó)南加州大學(xué)McGhee R. B.等設(shè)計(jì)的一種四足機(jī)器人樣機(jī)，通過(guò)有限控制算法，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定行走[2]，同期，還提出用步態(tài)矩陣的方法，來(lái)研究機(jī)器人的步態(tài)特征[3]； 1968年，美國(guó)通用電氣公司的Mosher研制了當(dāng)時(shí)第一臺(tái)具有控制功能的四足步行機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)抬腿、跨越、邁步、避障等多種功能[4]； 1986年，美國(guó)麻省理工的Raibert設(shè)計(jì)了一種四足機(jī)器人，采用可伸縮的腿部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了緩沖、跳躍等動(dòng)態(tài)平衡，能使用trot，pace和bound步態(tài)快速穩(wěn)定前進(jìn)[5].

截止20世紀(jì)末，雖然各大研究機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了不同的改進(jìn)，但這些研究都是基于機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)和行為算法的研究. 2003年，日本電氣通信大學(xué)Fukuoka Y等提出了神經(jīng)振蕩子模型的控制策略，是當(dāng)時(shí)控制方面突破性的研究成果. 該課題組將神經(jīng)振蕩子模型控制策略用于仿狗機(jī)器人“Tekken”系列，在搭載激光和CCD攝像機(jī)等導(dǎo)航傳感設(shè)備的前提下，成功實(shí)現(xiàn)了在封閉回廊中躲避障礙物快速行走，并能辨別和避讓前方存在的目標(biāo)[6]，其中，Tekken-4實(shí)現(xiàn)了在不規(guī)則地面上動(dòng)態(tài)自適應(yīng)步行.

在機(jī)器人研究方面較為突出的成果是：2006年波士頓動(dòng)力公司研制的新型四足仿生機(jī)器人Big Dog，它采用純機(jī)械方法設(shè)計(jì)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施動(dòng)力輸出，可以跳躍1 m寬的壕溝，爬越35°的斜坡，行走速度為10 km/h，能夠滿足步兵分隊(duì)徒步急行軍的速度要求. Big Dog負(fù)荷大，在負(fù)重150 kg時(shí)，能在非結(jié)構(gòu)化地形下自適應(yīng)的行走，并保持運(yùn)動(dòng)性能不變. Big Dog的這些卓越的性能，成為當(dāng)時(shí)國(guó)際四足機(jī)器人領(lǐng)域的翹楚[7-11].

國(guó)內(nèi)四足機(jī)器人代表性的成果有：清華大學(xué)汪勁松等[12]研制的QW-1四足全方位步行機(jī)器人； 上海交通大學(xué)的馬培蓀課題組研制的JTUWM系列四足機(jī)器人[13,14]等，其中，JTUWM-III采用開(kāi)鏈?zhǔn)酵冉Y(jié)構(gòu)來(lái)模仿四足動(dòng)物的行走特點(diǎn), 腿部關(guān)節(jié)在直流伺服電機(jī)的控制下，步行速度約為0.18 km/h，實(shí)現(xiàn)了trot，pace等多種步態(tài)行走，可以穩(wěn)定步行10個(gè)周期以上，在足底設(shè)置了PVDF壓電薄膜式力傳感器，結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)力反饋信息進(jìn)行處理，提高了運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性[15].

目前，從事仿生機(jī)器人研究的機(jī)構(gòu)還有北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[16]、國(guó)防科技大學(xué)[17]、山東大學(xué)[18]、北京理工大學(xué)[19]、東南大學(xué)、北京科技大學(xué)以及沈陽(yáng)自動(dòng)化所等[20]. 然而，由于四足機(jī)器人是多變量、強(qiáng)耦合、非線性的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程的建立和計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，同時(shí)涉及機(jī)械、控制、計(jì)算技術(shù)等多門(mén)學(xué)科，控制難度較高. 所以，目前針對(duì)四足機(jī)器人的研究基本處于實(shí)驗(yàn)室階段，研究的內(nèi)容大多是基于機(jī)器人理論仿真和運(yùn)動(dòng)步態(tài)的研究，機(jī)器人樣機(jī)較少，智能化程度不夠. 另外，從國(guó)內(nèi)外四足機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，機(jī)器人向更加小型化、智能化、多用途以及自適應(yīng)的方向發(fā)展. 因此，研制一種智能化程度較高的小型四足仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走意義重大. 基于上述分析，本研究提出一種基于STM32的四足仿烏龜行走機(jī)器人系統(tǒng)及其控制策略，通過(guò)動(dòng)力學(xué)建模、步態(tài)及穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的穩(wěn)定行走、原地轉(zhuǎn)彎、游泳等動(dòng)作, 通過(guò)搭載的藍(lán)牙通信模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人的無(wú)線控制.

1 四足仿生機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

一般而言，機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)主要由機(jī)械部分、控制部分和傳感器裝置3部分組成：機(jī)械部分由機(jī)體結(jié)構(gòu)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)組成，這部分的功能是支撐機(jī)器人并執(zhí)行相關(guān)任務(wù)； 控制部分是足式機(jī)器人的核心，這部分的功能是發(fā)送和接收信號(hào)，命令并協(xié)調(diào)相關(guān)執(zhí)行結(jié)構(gòu)按照時(shí)序進(jìn)行作業(yè). 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接決定了機(jī)器人動(dòng)作的精度和整體的性能； 傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、記錄和控制等要求. 這3部分相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的所有功能.

本文設(shè)計(jì)的四足仿烏龜機(jī)器人，以STM32單片機(jī)為核心控制器，通過(guò)舵機(jī)控制板對(duì)LDX-218數(shù)字舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相關(guān)動(dòng)作和功能. 機(jī)器人樣機(jī)通過(guò)與藍(lán)牙模塊的通信，實(shí)現(xiàn)了基于PS2手柄對(duì)機(jī)器人的無(wú)線控制. 圖 1 為四足仿生機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案.

設(shè)計(jì)完成的四足機(jī)器人如圖 2 所示，該機(jī)器人按照功能分為4個(gè)模塊：無(wú)線通信模塊、核心控制模塊、舵機(jī)模塊以及電源模塊. 無(wú)線通信模塊包括藍(lán)牙模塊和PS2手柄模塊，這部分通過(guò)PS2手柄發(fā)送無(wú)線控制信號(hào)，藍(lán)牙模塊接收后，再轉(zhuǎn)發(fā)送給核心控制模塊； 核心控制模塊由STM32單片機(jī)和控制板組成，功能是與其藍(lán)牙模塊通信，接收控制命令并譯碼，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的總體協(xié)調(diào)控制； 舵機(jī)模塊接收來(lái)自核心控制器譯碼的命令，并執(zhí)行事先定義的動(dòng)作組，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作組包括步行、轉(zhuǎn)彎、扭轉(zhuǎn)、抬前臂、游泳以及俯臥-起身等； 電源模塊采用大容量的鋰電池，給機(jī)器人樣機(jī)系統(tǒng)總體供電，最高電壓為8.5 V，整機(jī)續(xù)航可達(dá)150 min.

圖 2 四足步行器人Fig.2 Quadruped walking robot

2 基于拉格朗日方程的動(dòng)力學(xué)建模

為了使機(jī)器人能夠自主穩(wěn)定的行走，適應(yīng)復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化的地形，需要對(duì)機(jī)器人腿部連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，以確定機(jī)器人腿部各個(gè)關(guān)節(jié)力矩與組成該機(jī)構(gòu)的各個(gè)桿件之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，這是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、精確控制的基礎(chǔ)，也是步態(tài)規(guī)劃的基礎(chǔ).

本文采用拉格朗日方程對(duì)六足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，由于四足機(jī)器人腿部采用開(kāi)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，每條腿有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，故四足機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)具有8自由度的力學(xué)系統(tǒng). 建立如圖 3 所示的直角坐標(biāo)系，忽略桿件轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的微小形變，腿部模型可以簡(jiǎn)化為二連桿的剛體結(jié)構(gòu). 直角坐標(biāo)系中：x方向?yàn)闄C(jī)器人的前進(jìn)方向；y方向與運(yùn)動(dòng)方向垂直，為機(jī)器人的橫向；z方向垂直于x-y平面； 機(jī)器人平臺(tái)高度為H； 機(jī)器人腿部的連桿質(zhì)量由內(nèi)向外分別為m1和m2； 對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1,L2； 由長(zhǎng)度和質(zhì)量關(guān)系可以計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I1,I2； 連桿偏離原方向旋轉(zhuǎn)的角位移分別為θ1,θ2.

圖 3 機(jī)器人腿部模型Fig.3 The dynamic model of the robot leg

對(duì)于機(jī)器人其中一條二連桿的腿機(jī)構(gòu)而言，其動(dòng)能為

選擇機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平面為基準(zhǔn)，忽略各關(guān)節(jié)之間的彈性摩擦，其勢(shì)能為

則該腿的拉格朗日函數(shù)為

L=Ek-Ep.

由拉格朗日方程得到該腿各關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為

利用該動(dòng)力學(xué)模型，可以通過(guò)四足機(jī)器人腿部各個(gè)桿件的運(yùn)動(dòng)情況，推算出機(jī)器人各腿相應(yīng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩，從而對(duì)機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行控制和分析.

通過(guò)對(duì)四足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模，建立了單腿各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩與腿部桿件運(yùn)動(dòng)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系. 在此基礎(chǔ)上，機(jī)器人系統(tǒng)整體的優(yōu)化控制還與腿的邁步順序、各腿之間的協(xié)調(diào)控制、步行中的占空比以及穩(wěn)定裕度等因素有關(guān). 因此，還需要根據(jù)四足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)和動(dòng)作姿態(tài)特征，確定四足機(jī)器人在行走過(guò)程中采用的步態(tài)，而步態(tài)設(shè)置的合理與否直接決定了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的可實(shí)現(xiàn)性.

3 四足機(jī)器人的步態(tài)

步態(tài)是在步行過(guò)程中，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在時(shí)序和空域上的一種周期性協(xié)調(diào)關(guān)系，可以用各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的一組時(shí)間軌跡來(lái)描述. 步態(tài)規(guī)劃就是根據(jù)仿生機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性，規(guī)劃出每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡. 按照所規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡，機(jī)器人能完成行走功能并且保持平衡. 對(duì)仿生機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃使其能夠穩(wěn)定步行是仿生機(jī)器人研究的關(guān)鍵. 四足仿生機(jī)器人常見(jiàn)的步態(tài)有步行、對(duì)角小跑、同側(cè)遛步和奔跑. 這4種步態(tài)的支撐相和擺動(dòng)相的相位關(guān)系如圖 4 所示.

設(shè)機(jī)器人步行周期相位差為1，則4種步態(tài)的特征分別為：

步行步態(tài)：四足機(jī)器人4條腿按照?qǐng)D 4(a) 中依次擺動(dòng)，每條腿相位差為0.25，機(jī)器人采用該步態(tài)時(shí)，占空比β>0.5, 是一種慢速爬行的步態(tài)；

對(duì)角小跑步態(tài)：四足機(jī)器人處于對(duì)角線上的兩條腿動(dòng)作完全一致，同處于支撐相或擺動(dòng)相，支撐相和擺動(dòng)相之間相位差為0.5，如圖 4(b) 所示. 該步態(tài)占空比β=0.5，兼具速度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性；

同側(cè)遛步步態(tài)：四足機(jī)器人同側(cè)兩條腿動(dòng)作完全一致，同處于擺動(dòng)相或同時(shí)處于支撐相，支撐相和擺動(dòng)相之間的相位差為0.5，如圖4(c)所示，該步態(tài)的缺點(diǎn)是穩(wěn)定裕度較?。?/p>

奔跑步態(tài)，四足機(jī)器人前面兩條腿動(dòng)作一致，同處于支撐相或擺動(dòng)相，支撐相和擺動(dòng)相之間的相位差為0.5，如圖4(d)所示，該步態(tài)占空比0<β<0.5, 該步態(tài)速度較高，但是穩(wěn)定性相對(duì)較差.

圖 4 步態(tài)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the gait

四足步行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性以及姿態(tài)時(shí)變的特點(diǎn)，因而機(jī)器人行走步態(tài)的穩(wěn)定性是機(jī)器人設(shè)計(jì)中首要考慮的因素，其次才是對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的要求.

經(jīng)上述分析可知，對(duì)角小跑步態(tài)占空比小而且可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走，兼具速度、穩(wěn)定性、適應(yīng)性于一體，因此，本文設(shè)計(jì)的四足仿生步行機(jī)器人主要采用對(duì)角小跑步態(tài)行走.

4 控制模塊的設(shè)計(jì)

四足步行機(jī)器人其基本運(yùn)動(dòng)形式為其肢體結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的往復(fù)加減速運(yùn)動(dòng)，控制難度通常大于輪式和履帶式機(jī)器人，控制模塊的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵. 本文選用STM32F103RBT6主控芯片，其運(yùn)行速度快，控制精度高，同時(shí)搭配基于STM32的24路舵機(jī)控制板，如圖 5 所示，對(duì)機(jī)器人的8個(gè)舵機(jī)進(jìn)行獨(dú)立控制，以保證各個(gè)動(dòng)作執(zhí)行的流暢性和精度.

控制模塊開(kāi)啟后，首先PS2手柄發(fā)送無(wú)線控制信號(hào)，經(jīng)藍(lán)牙模塊接收后，轉(zhuǎn)發(fā)到STM32單片機(jī)； 然后，舵機(jī)控制板與STM32主控芯片進(jìn)行通信，將控制信號(hào)傳送到舵機(jī)控制器； 最后，所有被控舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度信息，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人相應(yīng)的動(dòng)作組，同時(shí)舵機(jī)還能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息反饋，總體控制流程框圖如圖 6 所示.

圖 5 舵機(jī)控制板Fig.5 Steering control panel

圖 6 系統(tǒng)控制框圖Fig.6 Block diagram of the control system

對(duì)機(jī)器人動(dòng)作姿態(tài)的設(shè)置要通過(guò)上位機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn). 先將舵機(jī)控制板與上位機(jī)連接后，初始化所有舵機(jī)的狀態(tài)，并將機(jī)器人所有舵機(jī)映射到上位機(jī)軟件中，再根據(jù)拉格朗日建模結(jié)果和步態(tài)選擇，對(duì)每一個(gè)動(dòng)作姿態(tài)對(duì)應(yīng)的8個(gè)舵機(jī)進(jìn)行配置，并記錄舵機(jī)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，最后形成一套動(dòng)作組代碼，將該代碼寫(xiě)入芯片，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的相應(yīng)動(dòng)作姿態(tài).

組成四足步行機(jī)器人樣機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)器人機(jī)械框架結(jié)構(gòu)、舵機(jī)模塊和藍(lán)牙模塊3個(gè)部分，如圖 7 所示.

圖 7 硬件結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of the hardware

機(jī)械框架結(jié)構(gòu)如圖 7(a) 所示. 由于四足步行機(jī)器人系統(tǒng)為開(kāi)鏈?zhǔn)絼?dòng)力學(xué)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)械框架結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)動(dòng)精度有很高的要求. 為了實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人的精確控制，需要采用高性能的硬件機(jī)械結(jié)構(gòu)，而機(jī)械結(jié)構(gòu)需要折衷考慮機(jī)器人的硬度、重量、質(zhì)量分布等因素. 綜合考慮后，機(jī)器人機(jī)身選用1～2 mm厚的硬鋁合金結(jié)構(gòu)，其硬度高、強(qiáng)度大； 同時(shí)采用了機(jī)體輕量化設(shè)計(jì)，重量比傳統(tǒng)四足機(jī)器人減少將近40%.

舵機(jī)由減速齒輪組、電機(jī)、電位器、控制電路和外殼組成，將這些結(jié)構(gòu)封裝后，能夠?qū)崿F(xiàn)將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為角度信息的電機(jī)系統(tǒng). 由于舵機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，因此，舵機(jī)的性能決定了機(jī)器人能否精確完成動(dòng)作. 根據(jù)四足機(jī)器人的重量，并綜合考慮材料散熱性、總體質(zhì)量分布、承載力、扭矩、抖動(dòng)、控制以及整體協(xié)調(diào)控制等因素，采用LDX-218型數(shù)字舵機(jī)，如圖7(b) 所示，其工作原理是：由輸出的PWM信號(hào)，控制脈寬信號(hào)在0.5～2.5 ms范圍變化，從而控制舵機(jī)在0～180°的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，輸入信號(hào)和輸出角度基本呈線性關(guān)系，具有精度高、扭矩大、反應(yīng)靈敏，運(yùn)行平穩(wěn)、線性度高等特點(diǎn). 因此，實(shí)驗(yàn)采用LDX-218型數(shù)字舵機(jī)來(lái)控制機(jī)器人動(dòng)作姿態(tài)，可以滿足實(shí)驗(yàn)的需求. 舵機(jī)工作電壓為7.4 V，該電壓下產(chǎn)生的扭矩為17 kg·cm，每旋轉(zhuǎn)60°需要0.16 s，其具體參數(shù)如表 1 所示.

表 1 舵機(jī)參數(shù)

藍(lán)牙通信能夠在10 m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，具有抑制同頻干擾、保證可靠傳輸、隨機(jī)噪聲影響小等特點(diǎn). 藍(lán)牙模塊在沒(méi)有建立連接前，網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備處于待命狀態(tài)，并以1.28 s為間隔進(jìn)行周期性監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)鏈接被喚醒后，就在32個(gè)跳頻頻點(diǎn)上監(jiān)聽(tīng)信息. 圖7(c)為四足機(jī)器人的藍(lán)牙模塊，它用于等待接收來(lái)自PS2手柄的無(wú)線控制信號(hào)，并將收到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā).

5 結(jié)果和討論

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究通過(guò)對(duì)機(jī)器人腿部的拉格朗日動(dòng)力學(xué)建模和步態(tài)規(guī)劃，設(shè)計(jì)了四足仿烏龜機(jī)器人原理樣機(jī)，其質(zhì)量為1.5 kg，主要參數(shù)見(jiàn)表 2.

表 2 機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)尺寸

圖 8 機(jī)器人姿態(tài)與對(duì)應(yīng)的舵機(jī)編形圖Fig.8 The pose of the robot and the corresponding steering

設(shè)計(jì)完成后的機(jī)器人與舵機(jī)的完整映射如圖 8 所示. 圖 8 中(a)和(b)為機(jī)器人站立的狀態(tài)和對(duì)應(yīng)的舵機(jī)編形圖，(c)和(d)為機(jī)器人平臥的狀態(tài)和對(duì)應(yīng)的舵機(jī)編形圖，從圖8可以讀出機(jī)器人在不同的狀態(tài)下舵機(jī)的轉(zhuǎn)角. 四足仿生機(jī)器人通過(guò)以STM32為核心的24路伺服舵機(jī)控制板對(duì)8個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制(一個(gè)預(yù)留舵機(jī))來(lái)實(shí)現(xiàn)其所有動(dòng)作組姿態(tài).

5.1.1 步行和轉(zhuǎn)彎測(cè)試

步行穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)彎性能是衡量足式機(jī)器人性能的重要指標(biāo)，決定了機(jī)器人深入復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化地形執(zhí)行任務(wù)的能力. 圖 9 為機(jī)器人的步行實(shí)驗(yàn)，圖9中(a)～(f)為機(jī)器人前進(jìn)，(g)～(l)為機(jī)器人后退，從前進(jìn)和后退的過(guò)程圖可知：機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定步行，步行速度約為5 cm/s，在步行過(guò)程中采用的是對(duì)角小跑步態(tài). 實(shí)驗(yàn)表明：即使在理想光滑水平路面的情況下，在機(jī)器人前進(jìn)和后退的運(yùn)動(dòng)軌跡也不是嚴(yán)格意義上的直線，這是由于四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式與輪式和履帶式機(jī)器人不同，不存在理論意義上的勻速直線運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)行走路徑不是規(guī)則的直線運(yùn)動(dòng)，而是呈不規(guī)則的曲線向前運(yùn)動(dòng).

圖 10 為機(jī)器人轉(zhuǎn)彎性能的實(shí)驗(yàn)，圖 10(a)～(f)為機(jī)器人左轉(zhuǎn)，圖 10(g)～(l)為機(jī)器人右轉(zhuǎn)，從轉(zhuǎn)彎過(guò)程圖可以看出，機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了原地轉(zhuǎn)彎，在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中采用的也是對(duì)角小跑步態(tài)，四足機(jī)器人的原地轉(zhuǎn)彎能力有助于機(jī)器人通過(guò)崎嶇路面中遇到的死角，是機(jī)器人機(jī)動(dòng)性的重要體現(xiàn).

圖 9 機(jī)器人步行實(shí)驗(yàn)Fig.9 Walking experiment

圖 10 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)Fig.10 Turning experiment

5.1.2 復(fù)雜動(dòng)作測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在復(fù)雜環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化地形行走時(shí)，具備基本步行和轉(zhuǎn)彎功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要通過(guò)增加動(dòng)作姿態(tài)來(lái)提高機(jī)器人的智能化程度和實(shí)用性. 因此，在基本動(dòng)作的基礎(chǔ)上，設(shè)置了一系列的復(fù)雜動(dòng)作姿態(tài)，這些姿態(tài)包括抬臂，俯臥、扭轉(zhuǎn)以及游泳等功能. 圖 11 和圖 12 為機(jī)器人執(zhí)行復(fù)雜動(dòng)作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖 11(a)～(f)為四足機(jī)器人抬臂動(dòng)作，機(jī)器人抬起前臂后，可以自由在方位向往復(fù)旋轉(zhuǎn)30°角左右，此動(dòng)作將用于放射性實(shí)驗(yàn)中樣品的放置和移動(dòng)； 圖 11(g)～(l)為機(jī)器人俯臥-起身的動(dòng)作，通過(guò)前臂兩個(gè)舵機(jī)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于機(jī)器人在未知環(huán)境條件下工作，遇到各種不確定危險(xiǎn)的可能性很大，比如大風(fēng)和揚(yáng)沙等天氣，此動(dòng)作有利于機(jī)器人減小風(fēng)阻.

圖 11 抬臂和俯臥-起身實(shí)驗(yàn)Fig.11 Lifting arm and push-ups experiment

圖 12 中(a)～(f)為機(jī)器人游泳動(dòng)作測(cè)試，機(jī)器人在執(zhí)行該動(dòng)作時(shí)，前面兩條腿和后面兩條腿分為兩組，分別運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)可以產(chǎn)生一個(gè)向后的力，推動(dòng)機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)，為仿生烏龜機(jī)器人用于兩棲實(shí)驗(yàn)建立了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)； (g)～(l)為機(jī)器人左右扭轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)，該動(dòng)作將作為擴(kuò)展動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，在以后的實(shí)驗(yàn)中，將大大提高機(jī)器人的靈活性和機(jī)動(dòng)性.

圖 12 游泳和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)Fig.12 Swimming and torsion experiment

5.2 討 論

本研究通過(guò)對(duì)機(jī)器人腿部連桿結(jié)構(gòu)理論建模和步態(tài)分析，設(shè)計(jì)了基于STM32的四足仿生步行機(jī)器人樣機(jī)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定步行以及附加動(dòng)作組，但還存在幾方面需要完善：① 雖然機(jī)體采用了薄鋁合金結(jié)構(gòu)以及輕量化的設(shè)計(jì)，但是由于機(jī)體重心顛簸起伏次數(shù)較多，機(jī)械傳動(dòng)消耗和無(wú)謂消耗會(huì)引起高能耗的問(wèn)題，同時(shí)產(chǎn)生的無(wú)用能耗會(huì)使機(jī)體過(guò)熱，可以通過(guò)選擇相對(duì)纖薄的材料來(lái)降低本身的重量或者采用彈性腿裝置，來(lái)減少無(wú)謂能耗； ② 四足仿生機(jī)器人腿部采用兩節(jié)連桿結(jié)構(gòu)，身高較低，足部與地面接觸面大，對(duì)凹凸不平的地面適應(yīng)性差，摩擦力也較大，因此，下一步將根據(jù)實(shí)際地形改善腿部機(jī)械結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化機(jī)器人的足部結(jié)構(gòu)，從而增加機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)性能； ③ 在復(fù)雜工況下執(zhí)行任務(wù)時(shí)，準(zhǔn)確獲知環(huán)境信息并采取對(duì)策是移動(dòng)機(jī)器人廣泛應(yīng)用的前提，可以通過(guò)增加一些高精度輔助傳感裝置，對(duì)獲取的信息綜合分析后，再結(jié)合人工智能的算法，使機(jī)器人自適應(yīng)地采取對(duì)策，從而大大提高機(jī)器人的魯棒性； ④ 本文對(duì)四足仿生機(jī)器人動(dòng)作組姿態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究都是在相對(duì)平坦的環(huán)境下完成的，由于實(shí)際地形與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境差異較大，因此，還需要在復(fù)雜地形環(huán)境下做進(jìn)一步的研究.

6 結(jié) 論

本文提出將拉格朗日動(dòng)力學(xué)建模與步態(tài)分析相結(jié)合，研制了四足仿生步行機(jī)器人樣機(jī). 首先，在對(duì)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程，建立了關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與腿部各桿件運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)關(guān)系； 其次，在研究四足步行機(jī)器人步態(tài)的基礎(chǔ)上，權(quán)衡其步行穩(wěn)定性、速度以及適應(yīng)性等條件后，確定了四足機(jī)器人采用對(duì)角小跑步態(tài)運(yùn)動(dòng)，這是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)和精確控制的基礎(chǔ)； 最后，通過(guò)搭建合適的軟件環(huán)境和硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于STM32的單片機(jī)作為核心控制器的四足仿生步行機(jī)器人樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究. 研究結(jié)果表明：機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了步行、轉(zhuǎn)彎、扭轉(zhuǎn)、抬前臂、游泳以及俯臥-起身等動(dòng)作，在此基礎(chǔ)上，平臺(tái)搭載的藍(lán)牙通信模塊可以實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人的無(wú)線控制. 基于無(wú)線控制的四足仿生機(jī)器人，可以突破復(fù)雜環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化地形的限制，被用于抗震救災(zāi)、資源開(kāi)發(fā)、水下探險(xiǎn)、放射性實(shí)驗(yàn)等危險(xiǎn)環(huán)境執(zhí)行任務(wù)，代替人工高效作業(yè)，其實(shí)用性強(qiáng)，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.