仿生八自由度四足機器人仿真與結構設計

付曉云，王欣威，慕 麗

(沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽 110159)

在自然界或現(xiàn)實生活中，存在許多人類無法到達的地方和可能危及人類生命的特殊場合，如原始森林、地震救援現(xiàn)場等。對這類復雜區(qū)域的深入了解與研究，往往需要機器人的介入。相比于輪式和履帶式機器人，足式機器人的著地點是分散的，可以根據檢測與計算在地面上選擇最佳的支撐點，因此足式機器人對崎嶇路面、復雜地形具有很強的適應性。其中，四足機器人是一種對復雜地形和環(huán)境具有高度適應性和實際工程應用價值的移動式機器人，比雙足直立行走機器人的承載能力強、穩(wěn)定性好；又比六足、八足步行機器人結構簡單。因此，受到科研人員的普遍重視。

近年來，有一系列仿生機器人出現(xiàn)，通過模仿生物的運動方式進行相應的結構運動，出現(xiàn)了關于仿生類足式機器人的研究[1]；足的數目與其載重能力相關，足數越多載重能力越強，但運動速度越慢，因此四足機器人具有較好的適應性和靈活性[2]。本文所設計的四足機器人除實現(xiàn)前進、后退、左轉和右轉等基本運動外，還加入傳感檢測設備來實現(xiàn)四足機器人的搜尋探測、避障運輸等功能。

1 總體方案設計

1.1 四足機器人的設計

四足機器人是典型的機電一體化產品，主要包括圖1所示四個部分。采用以機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件(automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS)為主的現(xiàn)代機械設計方法，先在Solidworks中建立模型，然后導入ADAMS進行仿真；同時驗證其運動功能并改進機械結構，再根據仿真結果搭建實際機器人的機械結構。

圖1 四足機器人架構

本次設計的四足機器人在完成前進、后退、左轉和右轉等基本功能的基礎上，能實現(xiàn)搜尋探測和避障運輸等多種自動控制功能，通過上位機實現(xiàn)四足機器人功能的控制，包括手動控制和自動控制兩種方式。

1.2 四足機器人的步態(tài)設計

機器人的步態(tài)是指機器人各個腿關節(jié)及相應的配合關節(jié)的支持狀態(tài)與轉移狀態(tài)隨時間變化的順序集合。對于勻速前進的機器人，步態(tài)呈周期性變化，這種步態(tài)稱之為周期步態(tài)；而能根據傳感器獲取地面狀況和自身的姿態(tài)，進而產生實時步態(tài)的被稱為隨機步態(tài)或實時步態(tài)。一般情況下，要求機器人在實現(xiàn)運動的基礎上，能夠維持穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，機器人在行走時必須有不少于三條的支撐足來平衡自身機體，且重心的投影必須在 3 或 4 個支持點所圍成的多邊形內。基于以上要求，機器人的動力學設計運用ADAMS進行結構的運動學與動力學仿真。本文的四足機器人運動采用仿烏龜“八”字步態(tài)設計，從而實現(xiàn)需求的運動步態(tài)；斜對角的兩只腿同時轉動或同時支撐，在控制運動時呈現(xiàn)出“八”字狀態(tài)，在兩側看來內八和外八交替進行。直行步態(tài)結構如圖2所示。

圖2 直行步態(tài)結構設計

圖2中，以頭部左側髖關節(jié)為1號，順時針排1～4號，同理，以頭部左側膝關節(jié)為5號舵機，順時針排5～8號。

直行運動步態(tài)包括以下四個步驟。

第一步：所有舵機全部處于所調位置起始部位，等待運動。

第二步：2、4舵機斜對角支撐腿著地并向后滑動，在和地面接觸時依靠摩擦力推動四足機器人前進；同時1、3號擺動腿抬起，并向前擺動。完成半個步態(tài)的前進。

第三步：所有舵機皆處于所調位置起始部位，等待運動。

第四步：1、3舵機斜對角支撐腿著地并向后滑動，在和地面接觸時依靠摩擦力推動四足機器人前進；同時2、4號擺動腿抬起，并向前擺動。完成整個步態(tài)的前進。

1.3 四足機器人的總體控制方案

采用myRIO控制器和上位機編程，設計一款無線控制的、能手動和自動功能切換的多功能仿生四足烏龜式機器人，上位機控制界面如圖3所示。

圖3 上位機控制界面

myRIO控制器能實現(xiàn)傳感器信號采集、舵機控制、通信等功能。上位機基于Labview編程，采用生產者與消費者模式設計控制軟件，對myRIO無線控制并多線程運行；以Labview中的網絡流技術實現(xiàn)無線控制與數據傳輸功能、上位機與下位機的數據交互。

在四足機器人的控制中，前進、后退、左轉與右轉是四足機器人的基本運動，同時也是最重要的一個控制程序。作為上位機的手動控制面板，前進、后退、左轉和右轉的功能必不可少；在上位機選擇每個功能按鈕，按下時將會觸發(fā)一個事件的程序，每個事件結構下有一個不同的值。事件結構觸發(fā)后，會通過網絡流將上位機的數據傳送到下位機，下位機在接收到不同的值時，依次進行判斷并找到與傳輸值相同的子程序執(zhí)行。進行自動控制時，數據傳輸的過程與手動過程基本一致，將手動控制與自動控制放在同一程序中，并且實現(xiàn)手動與自動等多種功能的切換是本控制方案的一個重點部分。

四足機器人利用傳感器檢測周圍障礙物，當識別到前方有障礙時，將會依靠傳感器判斷障礙的大小，并選擇避障路線。

2 機械結構的建模與運動學仿真

2.1 機械結構的建模

利用SolidWorks進行四足機器人的三維實體建模，找到結構的缺陷，修改設計方案，確定最終設計方案，如圖4所示。

圖4 四足機器人總體設計方案

2.2 運動學仿真

在確定結構設計方案，完成三維建模基礎上，運用ADAMS進行結構的運動學仿真，仿真的主要內容包括：已知各關節(jié)變量，求機器人在X、Y、Z方向用2s行走一步的位移、轉動速度、各個關節(jié)的運動曲線，檢驗機器人能否滿足在一定空間內工作的要求，同時驗證運動的準確性和平穩(wěn)性。

將四足機器人三維結構導入ADAMS，添加相應的約束和運動副，添加驅動，完成四足機器人在ADAMS中建模，模型如圖5所示。

圖5 四足機器人在ADAMS中的模型

在搭建好結構與設置好約束和運動后，進行仿真分析。對單個舵機的運動參數位移、速度、加速度仿真結果如圖6～圖8所示。

圖6 位移曲線

圖7 速度曲線

圖8 加速度曲線

由圖6可以看出，機器人的運動位移基本為線性，只有少許波動，所設計的機器人運動步態(tài)較為平穩(wěn)，基本達到了設計要求。由圖7和圖8看到，舵機的運動速度曲線、加速度曲線有一定的突變，對于機器人運動會造成一定程度的影響，同時會對舵機造成沖擊，進而影響其使用壽命[3]。因而，在使用中要進一步完善對驅動函數的設置。

3 四足機器人硬件結構設計

3.1 硬件設備控制器和傳感器及執(zhí)行機構

3.1.1 myRIO基本架構

采用美國國家儀器公司的myRIO-1900作為四足機器人控制器，該控制器提供10條模擬輸入，6條模擬輸出，40條數字輸入和輸出[4]；支持SPI、I2C、UART和PWM輸出等功能，此外myRIO-1900可通過USB和無線方式實現(xiàn)與編程設備的連接。圖9為myRIO基本架構圖。

圖9 myRIO基本架構

3.1.2 所用主要傳感器

采用紅外測距儀實現(xiàn)位移檢測[5]；選用超聲傳感器實現(xiàn)避障功能；配備必要的視覺傳感器攝像頭[6]；紅外傳感器在使用前需要對其輸入輸出參數和測量范圍進行標定[7]。

3.1.3 執(zhí)行元件舵機介紹

根據運動要求，仿生機器人選擇標準舵機作為執(zhí)行元件。本文選用樂幻索爾公司生產的180°機器人DIY LDX-218舵機，該舵機為金屬齒輪數字舵機，控制精度高、線性度好、響應速度快[8]。

采用PWM信號實現(xiàn)對舵機轉動的控制，利用輸入到電機的占空比來改變作用在電機兩端平均電壓的大小，進而控制電機的轉速。轉速與占空比理論上為線性關系；在實際應用中需要對其參數進行標定。

3.2 機械結構搭建

根據仿真結果，利用機械部件搭建四足機器人。依次搭建四足機器人的上部分和四條足，并連接兩部分完成四足機器人的完整結構，如圖10所示。

圖10 四足機器人實物

4 控制功能與實現(xiàn)

4.1 利用網絡流，實現(xiàn)無線控制

為實現(xiàn)上位機對myRIO的實時操作與控制，利用網絡流功能，通過無線傳輸協(xié)議，將上位機的數據傳輸到控制器中，實現(xiàn)上位機與下位機的通信，進而完成對下位機的控制[9]。

4.2 舵機并聯(lián)控制

四足機器人采用舵機并聯(lián)的驅動方式，使整個程序占用較小的內存，運行速度加快。采用模塊化的編程技術，將8個PWM及其數學轉換式轉換成一個子程序，在調用時，僅僅輸入幾個控制角度的參數即可[10]。

4.3 舵機基本運動程序

在四足機器人的控制中，四足機器人的前進、后退、左轉與右轉是最基本、最重要的控制程序[11]。運動時，支撐腿著地，控制舵機角度使其擺動腿懸在空中，這樣擺動腿在下降時，原支撐腿準備抬起，從而在和地面接觸時依靠摩擦力推動四足機器人前進。以左轉運動為例，展示基本運動的控制程序，如圖11所示。

圖11 左轉控制程序

4.4 搜尋探測程序

利用搜尋探測功能可完成對人類不便或不能到達區(qū)域的探測活動，圖12為搜尋探測所示部分程序。

圖12 搜尋探測部分程序

4.5 避障運輸程序

四足機器人在識別到前方有障礙時，會依靠傳感器判斷障礙的大小，并選擇路線避讓，且能根據障礙的大小做出相應的計算，程序如圖13所示。

圖13 避障程序

5 結束語

設計的仿生四足機器人實現(xiàn)了前進、后退、左轉、右轉等基本運動。此外利用Labview2016編寫程序，加入傳感檢測器實現(xiàn)了四足機器人的搜尋探測、避障等功能。本文的研究對后續(xù)深入研究足式機器人的功能控制及應用可行性具有較好的參考價值。