四足機(jī)器人行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)探索

趙曉艷，王磊，李凱麗，董燕麗

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西 晉中 030800）

1 研究目的與意義

設(shè)計(jì)來(lái)源于第十八屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽ROBOCON賽事。本屆比賽以“快馬加鞭”為主題，靈感來(lái)自古代傳遞信息的驛傳制度?，F(xiàn)如今，信息的光速傳遞，促使互聯(lián)網(wǎng)形成的邏輯上單一且巨大的全球化信息網(wǎng)絡(luò)能讓我們不受空間限制，并且可以通過(guò)多種多樣的形式進(jìn)行信息的交換。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2．1 行走系統(tǒng)方案的確定

四足機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)的自由度數(shù)量決定了腿部的靈活性，關(guān)節(jié)自由度越多，腿部結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，成本也會(huì)隨之增加，控制難度也會(huì)比較困難，但是，腿部的靈活性會(huì)大大提高；反之，關(guān)節(jié)自由度越少，腿部結(jié)構(gòu)就越簡(jiǎn)單，成本也會(huì)降低，比較好控制，但是，腿部靈活性也會(huì)降低。腿部結(jié)構(gòu)的方案有兩種方案：

（1）腿部關(guān)節(jié)自由度共三個(gè)。髖部與機(jī)器人軀干連接的為髖關(guān)節(jié)橫擺自由度，該關(guān)節(jié)能保證髖部與軀干有一個(gè)側(cè)向的運(yùn)動(dòng)；髖部與大腿連接的為髖關(guān)節(jié)俯仰自由度，該關(guān)節(jié)能保證大腿做前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)；大腿與小腿連接的為膝關(guān)節(jié)俯仰自由度，該關(guān)節(jié)能保證行進(jìn)時(shí)，小腿落地時(shí)姿態(tài)的調(diào)整運(yùn)動(dòng)。

（2）腿部關(guān)節(jié)自由度共兩個(gè)。髖部與大腿連接的髖關(guān)節(jié)俯仰自由度有兩個(gè)，以保證腿部可以承受機(jī)器人更多的重量，大腿與小腿之間的膝關(guān)節(jié)俯仰自由度為從動(dòng)自由度。

從靈活性來(lái)說(shuō)，第一種方案最佳，但是，從控制難度、成本以及扭矩來(lái)說(shuō)，第二種方案更合適，所以，第二種方案為首選方案。

2．2 平衡系統(tǒng)方案的確定

四足機(jī)器人極易受到場(chǎng)地障礙和外部沖擊的作用導(dǎo)致重心不穩(wěn)定而摔倒，所以在突發(fā)狀況的時(shí)候，如何能讓四足機(jī)器人快速地恢復(fù)平穩(wěn)行走狀態(tài)，是四足機(jī)器人能否完成任務(wù)的關(guān)鍵。平衡系統(tǒng)的方案共有三種：

（1）采用六軸姿態(tài)陀螺儀安置在四足機(jī)器人的中心，通過(guò)計(jì)算Z軸的偏移量，然后，進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)達(dá)到四足機(jī)器人相對(duì)的平衡狀態(tài)。

（2）四條腿的旁邊安裝光流傳感器，對(duì)四個(gè)光流傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出偏移量，然后，通過(guò)補(bǔ)償達(dá)到四足機(jī)器人的相對(duì)平衡狀態(tài)。

（3）與方案二的原理一致，將光流傳感器換成氣壓計(jì)，即可達(dá)到同樣的效果。

方案二、方案三都需要使用4個(gè)傳感器才可以達(dá)到效果，光流傳感器對(duì)光線的要求比較嚴(yán)格，光線變化會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；四足機(jī)器人的最大浮動(dòng)范圍0～1000mm，氣壓計(jì)的變化量很小，不容易被檢測(cè)到，容易失誤。方案一通過(guò)陀螺儀內(nèi)置的算法可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地將Z軸的偏移量讀取回來(lái)，并且使四足機(jī)器人快速反應(yīng)，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 四足機(jī)器人行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

因?yàn)榭紤]到設(shè)計(jì)、控制以及成本的問(wèn)題，髖部橫擺的自由度就被舍棄，只有髖部俯仰的自由度是一個(gè)主動(dòng)自由度，其他膝關(guān)節(jié)以及足端均為被動(dòng)自由度。

3．1．1 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為減輕腿部結(jié)構(gòu)的重量，大腿部分為兩塊3mm厚的碳板，通過(guò)法蘭盤直接連接到電機(jī)，碳板沒有做鏤空設(shè)計(jì)，以此提升大腿強(qiáng)度，兩塊碳板中間間隔5mm，方便膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)。小腿部分為一塊5mm厚的6061鋁板制作，中間鏤空設(shè)計(jì)，用于減輕腿部結(jié)構(gòu)的重量。膝關(guān)節(jié)的大腿部分兩塊碳板上均套有擋邊軸承，小腿部分套有黃銅套，中間用螺絲固定，擋邊軸承和黃銅套都能起到滑動(dòng)的作用，能讓膝關(guān)節(jié)靈活地活動(dòng)。

因?yàn)镽M3508無(wú)刷減速電機(jī)不能將電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速和方向反饋回來(lái)，為了將轉(zhuǎn)速和方向的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，在電機(jī)軸上設(shè)計(jì)了一個(gè)5mm寬的同步帶輪，而且不影響腿部結(jié)構(gòu)與電機(jī)軸的連接，另一端連接在一個(gè)絕對(duì)值編碼器上，通過(guò)絕對(duì)值編碼器，將電機(jī)軸上的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，并且反饋給從機(jī)。

3．1．2 足端結(jié)構(gòu)與姿態(tài)的設(shè)計(jì)

為了能使四足機(jī)器人穩(wěn)定地運(yùn)行，足端設(shè)計(jì)為一個(gè)平面，因?yàn)橥炔康倪\(yùn)動(dòng)方式是模仿馬的運(yùn)動(dòng)方式，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，足端是在做向后蹬的運(yùn)動(dòng)，所以平面的前半部分與小腿相連；平面的后半部分用壓簧與小腿進(jìn)行連接，模仿腳后跟先著地，然后，在向后運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中整個(gè)腳掌落地。足端設(shè)計(jì)為一個(gè)平面與小腿連接，用壓簧輔助足端形成一個(gè)穩(wěn)定的姿態(tài)，保證整個(gè)腿部的運(yùn)動(dòng)可以穩(wěn)定地著地，并向前運(yùn)動(dòng)。

足端下面還加有一個(gè)“鍵盤軸”作為一個(gè)觸發(fā)機(jī)構(gòu)，當(dāng)整條腿落地后，“鍵盤軸”會(huì)觸發(fā)一次，并返回一個(gè)數(shù)據(jù)以代表腿部已經(jīng)落地，以此保證每次腳部都會(huì)踩到地面上。

3．2 四足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃

3．2．1 穿越障礙穩(wěn)定步態(tài)的設(shè)計(jì)

四足機(jī)器人在翻越障礙的時(shí)候應(yīng)該是靜態(tài)穩(wěn)定性的，這就要求步態(tài)應(yīng)該有比較慢的前進(jìn)速度和平穩(wěn)的重心。

當(dāng)采用行走步態(tài)時(shí)，行進(jìn)速度相對(duì)比較緩慢，要保證四足機(jī)器人可以平穩(wěn)地翻越障礙，就必須保證當(dāng)其中一條腿抬起時(shí)，機(jī)器人的重心必須落在支撐地面的三條腿所在的三角區(qū)域內(nèi)，否則，四足機(jī)器人就會(huì)有傾斜或翻倒的情況發(fā)生。因?yàn)椴荒鼙ＷC每次四足機(jī)器人走到障礙前都是同一個(gè)位置且重心的移動(dòng)難以掌握，所以行走步態(tài)不是很適合翻越障礙的任務(wù)。

根據(jù)動(dòng)物上臺(tái)階的一些特性，我們使用了一種較為特殊的方式翻越臺(tái)階障礙，四足機(jī)器人在平路采用較低的姿態(tài)再加對(duì)角小跑的步態(tài)快速地行走到臺(tái)階前，然后，迅速抬高軀體，兩條前腿迅速收縮并向前邁步，兩條后腿向前傾斜，讓兩條前腿直接邁到臺(tái)階上，并保持重心在整個(gè)軀體的正中心，再將兩條前腿迅速收起并向前邁步，讓兩條前腿跨過(guò)臺(tái)階，兩條后腿也以同樣的方式跨過(guò)臺(tái)階。

走到繩索障礙的時(shí)候，也可以使用和翻越障礙同樣的辦法跳過(guò)去，也可以采用對(duì)角小跑的步態(tài)，直接走過(guò)去，因?yàn)槔K索障礙的高度較低，且寬度極窄，軀體較低的情況下也不會(huì)蹭到繩索，導(dǎo)致機(jī)器人失去重心而倒地。相對(duì)臺(tái)階障礙來(lái)說(shuō)，繩索障礙就可以有多種方案選擇，最終我們選擇最簡(jiǎn)單的光電開關(guān)檢測(cè)方案。

3．2．2 直行及轉(zhuǎn)彎步態(tài)的設(shè)計(jì)

平路上直行采用對(duì)角小跑的步態(tài)前進(jìn)，并用架在車頭攝像頭open MV識(shí)別場(chǎng)地上的白線，將可能走偏的四足機(jī)器人糾正回來(lái)，使其一直保持走在白線上。當(dāng)遇到轉(zhuǎn)彎路段時(shí)，通過(guò)攝像頭采集并返回的數(shù)據(jù)，四足機(jī)器人左右腿通過(guò)緩慢的差速運(yùn)動(dòng)，使其轉(zhuǎn)彎，并使得軀體中線一直與白線重合。

3．2．3 坡面步態(tài)的設(shè)計(jì)

四足機(jī)器人所要攀爬的坡面傾角達(dá)到了14°，如果整個(gè)軀體與坡面平行，就會(huì)導(dǎo)致重心后移，兩條后腿上的壓力激增，使得后腿的步態(tài)不能達(dá)到預(yù)期的效果，就此原因，將對(duì)角小跑的步態(tài)進(jìn)行一些少許改動(dòng)，讓后腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)持續(xù)為直立后蹬狀態(tài)，前腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)持續(xù)為半蹲狀態(tài)，整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)依然為對(duì)角小跑狀態(tài)，能夠使四足機(jī)器人在坡面上也可以平穩(wěn)快速地運(yùn)動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)因重心后移導(dǎo)致的向后翻倒的狀態(tài)。

3．2．4 電機(jī)的控制設(shè)計(jì)

電機(jī)的精度決定了四足機(jī)器人能否按正常的步態(tài)沿著直線行走，為了方便控制，選用了大疆公司的M系列電機(jī)，功率有220W的M3508電機(jī)、44W的M2006電機(jī)，并配以14:1的減速比，可以輸出482rpm的轉(zhuǎn)速，滿足四足機(jī)器人所需要求。8個(gè)M3508電機(jī)搭配2個(gè)電調(diào)中心板使用，中心板控制方式如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)四足機(jī)器人的行走系統(tǒng)，選用了對(duì)角小跑的步態(tài)行走，判斷障礙物的位置，通過(guò)跳躍的步態(tài)方式翻越場(chǎng)地內(nèi)的障礙，步態(tài)規(guī)劃對(duì)四足機(jī)器人的行走、翻越場(chǎng)地內(nèi)的障礙和爬坡能力有著密不可分的作用。選用合適的步態(tài)以及腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，再配合大功率的無(wú)刷減速電機(jī)，使四足機(jī)器人平穩(wěn)地行走。

在改進(jìn)被障礙絆倒、行走不穩(wěn)定導(dǎo)致的各種問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)械和電氣控制密不可分，需要特別緊密的配合。