小型類人足球機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張菁 王君 燕必希 張重陽 胡馨元 吳欣穎

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京，100192）

0 引言

近年來，足球機(jī)器人已成為科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有標(biāo)志性和挑戰(zhàn)性的研究方向之一?！敖ㄔ煲恢耆灾鞯念惾藱C(jī)器人球隊(duì)，并在本世紀(jì)中葉戰(zhàn)勝人類世界杯冠軍隊(duì)伍”是以體育競技為載體的RoboCup（Robot World Cup，機(jī)器人世界杯）的終極目標(biāo)[1]。但是，高昂的構(gòu)建成本使得直接在類人機(jī)器人上的技術(shù)研究難以開展，而構(gòu)建小型化的平臺則提供了一種解決方案[2]。

RoboCup 技術(shù)規(guī)范的最新版是2019 年版，該版要求小型類人足球機(jī)器人的身高范圍在40cm～100cm 內(nèi)[3]。受本體空間狹小及關(guān)節(jié)驅(qū)動能力有限等問題的影響，小型類人足球機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在諸多難點(diǎn)。機(jī)器人腿部是身體的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，更是執(zhí)行相關(guān)步態(tài)指令時必不可少的結(jié)構(gòu)，合理的腿部機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠保證機(jī)器人的可靠性和靈活性。RoboCup 小型類人足球機(jī)器人組別的比賽已經(jīng)開展了10 余年，比賽中涌現(xiàn)出了大量設(shè)計(jì)新穎的機(jī)器人樣機(jī)平臺，其中腿部6 自由度的結(jié)構(gòu)方案被廣泛采用。6 自由度的腿部結(jié)構(gòu)能夠使得腿部末端在機(jī)器人的工作區(qū)間中達(dá)到任意的位置和姿態(tài)[4]，適用性較強(qiáng)。但是，6 自由度的腿部結(jié)構(gòu)有多種自由度配置方案，不同方案的穩(wěn)定性之間存在著較大差距，其中，YRP（yaw-roll -pitch，偏航—橫滾—俯仰）型和RPY（roll-pitch-yaw，橫滾—俯仰—偏航）型兩種方案較為普遍。2007 年，法國Aldebaran Robotics 公司推出的NAO 機(jī)器人采用了腿部6 自由度YRP 型配置方案及特殊的45°耦合機(jī)構(gòu)，成為了RoboCup 的標(biāo)準(zhǔn)平臺。2009-2010 年，來自德國的RoboCup 參賽隊(duì)伍Darmstadt Dribblers 采用了自主設(shè)計(jì)的機(jī)器人硬件，且機(jī)器人的腿部也采用了6 自由度YRP 型配置方案，具有較高的靈活性，使得該隊(duì)伍連續(xù)兩年均以大比分的優(yōu)勢奪得小型類人足球機(jī)器人組別的冠軍。2016-2019 年，法國參賽隊(duì)伍Rhoban 的機(jī)器人同樣采用腿部6 自由度YRP 型配置方案，并且憑借高水平的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力連續(xù)4 年奪得該組別的冠軍。

本文通過分析本校機(jī)器人當(dāng)前腿部結(jié)構(gòu)存在的問題，結(jié)合仿生學(xué)理論和步態(tài)調(diào)試需求，將膝關(guān)節(jié)處的偏航驅(qū)動器上移至髖關(guān)節(jié)處，使機(jī)器人腿部原有的RPY 型自由度配置方案優(yōu)化為YRP 型方案；同時設(shè)計(jì)了各關(guān)節(jié)間的連接零件，更改了膝關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動器的配置方向，從而不僅保證了新方案下各自由度的協(xié)調(diào)配合，而且使機(jī)器人的總高度基本不變，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人腿部空間設(shè)計(jì)合理性的提升、步態(tài)設(shè)計(jì)的簡化、步態(tài)執(zhí)行穩(wěn)定性的提高、驅(qū)動器保護(hù)措施的改善等。

1 腿部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 腿部自由度配置方案

對類人機(jī)器人的研究其實(shí)也是人類對自身的一種研究。人體的構(gòu)造是經(jīng)過長期自然發(fā)展形成的，具有能量最優(yōu)、關(guān)節(jié)配置最優(yōu)等眾多的最優(yōu)性[5]。美籍華人機(jī)器人學(xué)家鄭元芳教授從仿生學(xué)的角度對類人機(jī)器人腿部的自由度配置進(jìn)行了研究[4]：髖關(guān)節(jié)處和踝關(guān)節(jié)處應(yīng)各設(shè)置2 個自由度，使機(jī)器人可以在直立和行走時保持平衡；膝關(guān)節(jié)處應(yīng)設(shè)置1 個自由度，達(dá)到調(diào)節(jié)擺動腿的著地高度和機(jī)器人重心高度的目的。此外，髖關(guān)節(jié)處應(yīng)再增加1個偏航自由度以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。

目前，本校小型類人足球機(jī)器人腿部自由度配置采用RPY 型方案，如圖1(a)所示。該方案中腿部的偏航驅(qū)動器位于膝關(guān)節(jié)處，不僅使膝關(guān)節(jié)臃腫笨重，影響機(jī)器人的靈活性[6]，而且存在步態(tài)調(diào)試復(fù)雜、穩(wěn)定性較差等問題。此外，該方案中的膝關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動器處于橫向配置的狀態(tài)，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)在機(jī)器人摔倒時所受到的沖擊較大，加速了舵機(jī)的磨損與老化，同時也存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

綜合考慮鄭元芳教授的仿生學(xué)理論[4]、機(jī)器人當(dāng)前腿部結(jié)構(gòu)存在的問題以及步態(tài)調(diào)試的需求，本文將機(jī)器人腿部自由度的配置方案優(yōu)化為YRP 型方案，如圖1(b)所示。兩種方案中各關(guān)節(jié)的自由度配置數(shù)量如表1 所示。

表1 兩種方案中各關(guān)節(jié)的自由度分配表

機(jī)器人各自由度之間的連接形式分為串行連接和并行連接。其中，串行連接具有體積小、運(yùn)動空間大的特點(diǎn)，可用于腿部膝關(guān)節(jié)處；并行連接雖然空間體積較大，但運(yùn)動靈活、承載力也較大，可用于腿部髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處。在確定機(jī)器人腿部的自由度配置方案及連接形式后，即可繪制出如圖2 所示的自由度結(jié)構(gòu)分布示意圖[7]。

1.2 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人腿部各關(guān)節(jié)驅(qū)動器選用韓國Robotis公司生產(chǎn)的數(shù)字舵機(jī)MX 系列。根據(jù)YRP 型自由度配置方案，筆者構(gòu)造出腿部關(guān)節(jié)的自由度模型，如圖3(a)所示；結(jié)合舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和尺寸，并考慮零件板材的加工工藝[8]，設(shè)計(jì)出各關(guān)節(jié)處驅(qū)動舵機(jī)之間的連接零件，如圖3(b)所示；在SolidWorks軟件中將設(shè)計(jì)好的各個零件與舵機(jī)進(jìn)行裝配，并將橫向配置的膝關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動器更改為縱向配置，得到機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的三維模型，如圖3(c)所示。

1.3 樣機(jī)整體組裝

將設(shè)計(jì)好的機(jī)器人腿部與其他結(jié)構(gòu)連接，組裝機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。同時，提取出結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)合理性驗(yàn)證等相關(guān)研究。各關(guān)鍵尺寸的數(shù)據(jù)及其經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的差值如表2 所示，其中，Hthigh為機(jī)器人大腿長度、Hshank為小腿長度、Hleg為整體腿長、Htop為身高、HCOM為重心高度。

表2 機(jī)器人各關(guān)鍵尺寸的數(shù)據(jù)及差值

由表2 可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的機(jī)器人大腿長度增加了32.0mm，小腿長度不變，導(dǎo)致整體腿長增加了32.0mm。由于原結(jié)構(gòu)中髖關(guān)節(jié)與胸腔之間的空間被合理縮小，機(jī)器人身高基本不變，僅增加了2.7mm。機(jī)器人重心高度也未發(fā)生太大變化，僅上升了7.0mm。計(jì)算并比較結(jié)構(gòu)優(yōu)化所更改的10 個連接零件的質(zhì)量可知，機(jī)器人的總質(zhì)量減少了85.7g。綜上所述，經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，機(jī)器人的腿長、身高和重心高度稍略有增加，總質(zhì)量略有減少。

1.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化規(guī)范性分析

機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化涉及到RoboCup 最新版技術(shù)規(guī)范[3]的相關(guān)要求如下：

計(jì)算出結(jié)構(gòu)優(yōu)化后變更的相關(guān)參數(shù)，并與RoboCup最新版技術(shù)規(guī)范的對應(yīng)要求進(jìn)行比較驗(yàn)證，如表3 所示。

表3 機(jī)器人變更的參數(shù)及驗(yàn)證

由表3 可知，機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化后變更的相關(guān)參數(shù)均符合RoboCup 最新版技術(shù)規(guī)范的對應(yīng)要求。

1.5 整機(jī)組裝

機(jī)器人優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)通過合理性驗(yàn)證后，筆者在SolidWorks 軟件中將三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)為可用于切割加工的二維圖紙。接下來根據(jù)圖紙完成10 個連接零件的加工制作，具體包括側(cè)擺支架2 個、大腿內(nèi)側(cè)板2 個、大腿外側(cè)板2 個、髖關(guān)節(jié)前支架2 個和髖關(guān)節(jié)前支架板2 個，加工后的連接零件如圖5 所示。

用加工后的連接零件取代原結(jié)構(gòu)下對應(yīng)位置的零件，根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的自由度配置方案進(jìn)行組裝，得到優(yōu)化后的機(jī)器人樣機(jī)如圖6 所示。

2 步態(tài)調(diào)試實(shí)驗(yàn)

對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)調(diào)試的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，首先編輯出該機(jī)器人的步態(tài)文件，包括直立行走、左腳踢球、右腳踢球等。部分步態(tài)執(zhí)行情況如圖7、圖8 所示。

通過理論分析可知，該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案并未更改髖關(guān)節(jié)處3 個旋轉(zhuǎn)軸軸線相交于一點(diǎn)的特征，保持了腿部自由度總數(shù)不變，同時也并未改變逆運(yùn)動學(xué)的求解難度[9]。筆者通過將髖關(guān)節(jié)與胸腔之間的空間由35.5mm 合理縮小為7.5mm，確保機(jī)器人身高基本不變，僅增加了2.7mm；通過將膝關(guān)節(jié)橫向配置的俯仰驅(qū)動器更改為縱向配置，使膝關(guān)節(jié)的寬度由79.0mm 合理縮小為40.2mm，減小了膝關(guān)節(jié)在機(jī)器人摔倒時所受到的沖擊，改善了驅(qū)動器的保護(hù)措施。另外，通過將膝關(guān)節(jié)處的偏航驅(qū)動器上移至髖關(guān)節(jié)處，有效提升了腿部空間設(shè)計(jì)的合理性以及機(jī)器人的仿生設(shè)計(jì)程度。

在步態(tài)調(diào)試的實(shí)驗(yàn)過程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的機(jī)器人能夠穩(wěn)定、流暢地執(zhí)行參加RoboCup 小型類人足球機(jī)器人組別比賽的所需步態(tài)。在執(zhí)行直立行走步態(tài)時，機(jī)器人起步瞬間的作用力明顯減小，有效緩解了因驅(qū)動器瞬時負(fù)載過大而導(dǎo)致的機(jī)器人失穩(wěn)現(xiàn)象。機(jī)器人行走時的抬腿高度明顯減小，從而使行走時的動作幅度有所減小，穩(wěn)定性有所提高，增強(qiáng)了機(jī)器人行走時軀干保持直立的程度，減少了行走時因身體大幅晃動以致摔倒的次數(shù)，延長了機(jī)器人的工作壽命。此外，機(jī)器人在每個行走周期內(nèi)的步態(tài)幀數(shù)由35 幀減少至28 幀，行走步頻有明顯的提高，從而實(shí)現(xiàn)了高步頻下的穩(wěn)定、快速行走，同時也驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的可行性和正確性。

3 結(jié)語

本文為符合RoboCup 技術(shù)規(guī)范的小型類人足球機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)提供了一種新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過將腿部RPY 型6 自由度配置方案優(yōu)化為YRP 型方案，重新設(shè)計(jì)各關(guān)節(jié)間的連接零件，將橫向配置的膝關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動器更改為縱向配置并改裝樣機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了類人足球機(jī)器人腿部的仿生設(shè)計(jì)程度，改善了驅(qū)動器的保護(hù)措施。在保持逆運(yùn)動學(xué)求解難度不變的前提下，有效提升了腿部空間設(shè)計(jì)的合理性，具有提高腿部空間設(shè)計(jì)合理性、簡化步態(tài)設(shè)計(jì)、提高穩(wěn)定性等重要作用。

不過，在設(shè)計(jì)大腿與小腿間的連接零件時，為了保證機(jī)器人身高的基本不變而“犧牲”了一定的大腿后擺空間。目前，該結(jié)構(gòu)下機(jī)器人大腿后擺的最大角度約為43°32′，雖然仍能滿足步態(tài)設(shè)計(jì)需求，但是會影響機(jī)器人的遠(yuǎn)距離踢球能力。后續(xù)的研究工作將對該部分的零件進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，以滿足機(jī)器人遠(yuǎn)距離踢球的需求。