雙足步行機器人下肢最小結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)

薛仕道，周 娜

（海口經(jīng)濟學(xué)院，海南 海口 571127）

0 引言

雙足機器人是一種人形機器人,非常適合在人類生活和工作環(huán)境中幫助人類完成工作。 雙足步行機器人由于它是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng),在步行模式下自動化程度最高,所以雙足機器人下肢的結(jié)構(gòu)決定了機器人能否像人一樣行走,能否達到步態(tài)質(zhì)量,從結(jié)構(gòu)到控制、功能、質(zhì)量、效率等,對整個機器人影響很大,而驅(qū)動設(shè)計是下肢結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心。

關(guān)于下肢的結(jié)構(gòu)設(shè)計,腿部結(jié)構(gòu)可分為串聯(lián)與并聯(lián)兩種方式。 串聯(lián)結(jié)構(gòu)的一個特點是它的方法更具描述性,也更容易理解,定位正確,因此傳統(tǒng)的雙足機器人結(jié)構(gòu)主要采用串聯(lián),國內(nèi)很多兩足機器人都采用串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在仿人雙足步行機器人的研究方面也取得了很大的成就,哈爾濱工業(yè)大學(xué)相繼研制出雙足機器人HIT＿L,HIT＿II,HIT＿II19-231。 國防科技大學(xué)研究出了KDW＿ I,KDW＿II 和 KDW＿II 機器人,能夠行走、前進和后退。 北京理工大學(xué)黃強教授開發(fā)了仿人機器人BHR-1291 和BHR-21301,可以通過傳感器檢測其平衡狀態(tài)及其與地面高度的變化,實現(xiàn)在未知地面上的行走,并能夠進行太極拳和劍術(shù)的表演；上海交通大學(xué)人形機器人SFHR 配備了能夠識別目標(biāo)和環(huán)境的主動視覺系統(tǒng)；清華大學(xué)開發(fā)了人形機器人THBIP＿132；南京航空航天大學(xué)開發(fā)了NAIWAR133,雖然靜態(tài)步態(tài)功能得到認可,但關(guān)于半被動步態(tài)的研究很少,效果不佳［1］。

2 足行機器人的總體結(jié)構(gòu)

文章根據(jù)對人體腿部活動和關(guān)節(jié)自由度的研究,借鑒國內(nèi)外兩足機器人自由度的分布情況,對兩足機器人下肢行走結(jié)構(gòu)進行了研究。 其中下肢每條腿6 個自由度(3 個髖關(guān)節(jié)、1 個膝關(guān)節(jié)和 2 個踝關(guān)節(jié)）［2］。

3 雙足機器人下肢結(jié)構(gòu)整體設(shè)計方案

簡化的人類下肢機制結(jié)構(gòu),如圖1 所示。 圖1 沒有展示次要的結(jié)構(gòu),僅展示完成步態(tài)過程的主要機制。細線部分對應(yīng)人體下肢的骨骼肌,為人體的活動提供力量。 設(shè)計理念:步態(tài)系統(tǒng)采用兩只腳直立行走,能夠向前直線移動并在原地轉(zhuǎn)彎。 利用杠桿原理,電動伸縮推桿驅(qū)動腿部機構(gòu)開始擺動,配合PLC 編程控制,實現(xiàn)規(guī)則的運動,從而達到行走和轉(zhuǎn)彎運動的目的。

圖1 人體下肢機構(gòu)

4 神經(jīng)反射控制器

4.1 傳統(tǒng)的控制策略

傳統(tǒng)的機器人控制一般采用軌跡規(guī)劃來規(guī)劃機器人的軌跡,逆運動學(xué)計算每個結(jié)構(gòu)的角度,然后應(yīng)用特定的控制策略,控制結(jié)構(gòu)按照預(yù)設(shè)的軌跡運動。 通常,機器人使用PD 控制器完成規(guī)定的動作,TOWERPRO MG996 含有一組PD 控制器,不過PD 控制器極易把噪音擴大,所以將內(nèi)置PD 控制器設(shè)置成合適的增益,然后和模糊控制器相互配合,可獲得最好的結(jié)果［3］。

4.2 仿生學(xué)控制介紹

現(xiàn)在,利用仿生學(xué)實現(xiàn)半被動行走主要有兩種方法:一種是利用生物中樞模式發(fā)生器(Central Pattern Generators,CPG）。 CPG 無須上級控制信號即可使用,其自發(fā)產(chǎn)生穩(wěn)定的、有節(jié)奏的運動,所以在研究被動機器人控制方法時,可以建立在此模型的基礎(chǔ)上,比如卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Dynamic Biped Project。 一種是基于神經(jīng)反射的,借鑒人類神經(jīng)系統(tǒng)對外界的反射進行對機器人行走的控制,例如斯圖靈大學(xué)的 RUNBOT。 不管是CPG 還是神經(jīng)反射控制,都是利用機器人自身的動態(tài)特性,在步態(tài)周期內(nèi)進行隱式計算,結(jié)合機器人獨有的動態(tài)公式進行耦合計算,這樣不但使控制系統(tǒng)簡單化,也充分發(fā)揮了機器人的動態(tài)特性。 現(xiàn)在國內(nèi)通常使用的是基于模型的控制方案,在仿生控制領(lǐng)域的研究欠缺［4］。

5 系統(tǒng)介紹

雙足步行系統(tǒng)由機器人本體和控制系統(tǒng)組成,機器人本體由軀干、大腿和小腿組成,髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處可以轉(zhuǎn)動,踝關(guān)節(jié)和小腿固定,腳底裝有壓力傳感器,用來檢測觸地情況,大腿和小腿還裝有傾角傳感器,用來檢測傾斜角度。 這些傳感器得到的數(shù)值反饋給神經(jīng)反射控制器,再由神經(jīng)反射控制器輸出髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動力矩,從而實現(xiàn)機器人的動態(tài)穩(wěn)定步行,整個機器人實體由動力學(xué)仿真軟件ADAMS 模擬,關(guān)節(jié)采用旋轉(zhuǎn)副連接,腳與地面之間施加了接觸力和摩擦力［5］。

6 雙足步行機器人研究中存在的問題

文章主要研究了人體下肢的結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計了小型雙足步行機器人的結(jié)構(gòu),分析了整個機構(gòu)的最大運動空間和機構(gòu)的極限條件。 設(shè)計了雙足機器人的整體結(jié)構(gòu),對人體下肢機構(gòu)、動力源選擇、自由度確定、控制系統(tǒng)等進行了研究。 目前對雙足步行機器人的研究還有很多的弊端:第一,設(shè)計了實體結(jié)構(gòu)并提出了控制策略,但不進行實體驗證,僅能進行仿真驗證和分析。 第二,仿真驗證只做了平面環(huán)境的分析,并沒有進行斜面以及非平坦地面分析。 第三,將雙足步行機器人下半身結(jié)構(gòu)再增加上半身結(jié)構(gòu),模擬人類行走的實際平衡及步態(tài),進而上下樓梯、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)等［6］,這些都是亟須解決的。

7 結(jié)語

雙足步行機器人雖然實現(xiàn)了前進、后退、左右轉(zhuǎn)彎等一些基本動作,但是后續(xù)需要對雙足步行機器人的穩(wěn)定性、平衡性、易調(diào)性、可擴展性、抗干擾性等方面作進一步的研究,優(yōu)化行走算法,開發(fā)具有更多自由度的自主智能雙足步行機器人。