小型仿人機器人的設計及步態(tài)規劃

1 引言
機器人是一門(mén)綜合性很強的學(xué)科，有著(zhù)極其廣泛的研究和應用領(lǐng)域。機器人技術(shù)是綜合計算機技術(shù)、信息融合技術(shù)、機構學(xué)、傳感技術(shù)、仿生科學(xué)以及人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，它不僅涉及到線(xiàn)性、非線(xiàn)性、基于多種傳感器信息控制以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)，而且還包括復雜機電系統的建模、數字仿真技術(shù)及混合系統的控制研究等方面的技術(shù)。
仿人形機器人是機器人技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題，而雙足機器人是仿人形機器人研究的前奏。步行技術(shù)是人與大多數動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，是一種高度自動(dòng)化的運動(dòng)，雙足步行系統具有非常復雜的動(dòng)力學(xué)特性，具有很強的環(huán)境適應性。相對輪式、履帶式機器人，它具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，可進(jìn)入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺階、斜坡及在不平整的地面上工作，以及護理老人、康復醫學(xué)和一般家庭的家政服務(wù)。另一方面，由于雙足機器人具有多關(guān)節、多驅動(dòng)器和多傳感器的特點(diǎn)，而且一般都具有冗余的自由度，這些特點(diǎn)對其控制問(wèn)題帶來(lái)很大難度，為各種控制和優(yōu)化方法提供理想的實(shí)驗平臺，使其成為一個(gè)令人矚目的研究方向，因此對雙足步行機器人行走規劃機器控制的研究不僅具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有一定的現實(shí)意義。
以小型雙足機器人的設計為重點(diǎn)，介紹一款小型雙足機器人的設計，包括自由度配置，動(dòng)力源核材料選擇，并針對所設計的機器人進(jìn)行靜態(tài)步行規劃。

2 小型雙足機器人本體設計
作為一種雙足機器人研究平臺，要求所設計的機器人能夠滿(mǎn)足研究者對雙足機器人的基本要求，即機器人具備穩定行走的能力，為研究雙足機器人的行走方法步態(tài)規劃提供平臺。圖1為所設計的雙足機器人的平面圖。機器人共有18個(gè)自由度，頭部的前方和左右兩側都裝有超聲波傳感器，用來(lái)檢測障礙物，頭頂裝有聲敏傳感器，用來(lái)檢測聲音。

2．1 機器人自由度配置
鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度研究仿人機器人腿部自由度配置。得出關(guān)節扭矩最小條件下的兩足步行結構自由度配置方案。他認為髖部和踝部各設置2個(gè)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節處再增加一個(gè)回轉自由度，使得腳板在不規則的表面落地；膝關(guān)節設置 1個(gè)自由度，方便上下臺階。則每條腿要設置7個(gè)自由度。
根據鄭元芳理論，可規劃出所設計的類(lèi)人機器人的運動(dòng)過(guò)程和行走步驟：重心左移(假設先邁右腿，左腳支撐)、右腿抬起、右腿放下、重心移到兩腿間、重心右移、左腿抬起、左腿放下、重心移到兩腿間，共分8個(gè)階段。這里設計的機器人具有避障功能，因此髖關(guān)節的側向旋轉自由度必不可少。所設計的機器人不考慮在不規則地面上行走問(wèn)題，所以可以不設置踝關(guān)節的側向旋轉自由度。這樣設計出的機器人雖然不能站在不規則的地面上，但可以在平地上完成所有的行走過(guò)程，實(shí)現前行、后退、轉彎等動(dòng)作。
這樣設計出的機器人腿部共有12個(gè)自由度，每條腿各6個(gè)，即踝關(guān)節前向和扭轉2個(gè)自由度，膝關(guān)節前向1個(gè)自由度，髖關(guān)節有前向、側向旋轉和轉向3個(gè)自由度。自由度的設置如圖2所示。

2．2 機器人驅動(dòng)元件的選擇
在驅動(dòng)元件的選擇上，早期研究者曾試圖模仿人的肌肉運動(dòng)方式用氣動(dòng)人工肌肉作為雙足步行機的驅動(dòng)元件，這種氣動(dòng)人工肌肉通過(guò)橡膠管充氣膨脹引起的收縮來(lái)代替人體肌纖維的收縮運動(dòng)，但由于技術(shù)水平的限制，人工肌肉在體積和力學(xué)特性等方面都與真正肌肉有較大差距，實(shí)際效果并不好。目前，大部分機器人采用伺服電機作為驅動(dòng)元件。伺服電機具有速度快、扭矩大的特點(diǎn)，并配備雙向接口，能夠監測當前電機位置，因此得到廣泛應用，并取得良好效果。
微型伺服電機內部包括一個(gè)小型直流馬達、一組變速齒輪、一個(gè)反饋可調電位器及一塊電子控制板，是一種可定位的直流電機，當接收到一個(gè)位置指令時(shí)，就會(huì )運動(dòng)到指定的位置。微型伺服電機馬達具有高力矩、高性能、控制簡(jiǎn)單、裝配靈活、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。從各方面因素考慮，本設計選用微型伺服電機作為驅動(dòng)元件。該設計選用Robotis公司生產(chǎn)的AX-12+伺服電機，電機之間通過(guò)串口通信，由主控制器打包傳輸通信數據。

3 雙足機器人步態(tài)規劃
目前雙足機器人的步態(tài)規劃一般采用兩種方法：一種是應用數學(xué)手段通過(guò)建立機器人的數學(xué)模型進(jìn)行規劃，另一種方法是模擬人的行走過(guò)程及人的生理結構。該設計采用后者。人類(lèi)步行運動(dòng)是以一條腿交替地作為支撐，向前擺動(dòng)另一條腿，并伴以軀干和手臂的運動(dòng)而實(shí)現的。其過(guò)程和機理非常復雜。研究表明：雙足機器人在平穩步行的條件下，能夠實(shí)現上身軀和下肢的運動(dòng)解耦，并易于對下身軀的各個(gè)關(guān)節角進(jìn)行角度規劃，因此可利用解耦控制分別控制上身軀和下身軀的運動(dòng)，并且對下身軀的各個(gè)關(guān)節角實(shí)施規劃。因此。分析和模擬人類(lèi)的步行運動(dòng)時(shí)，應重點(diǎn)抓住下肢的主要動(dòng)作特點(diǎn)和要領(lǐng)。
3．1 人體步態(tài)周期研究
人體在行走的過(guò)程中，其重心不斷地周期性移動(dòng)和改變，在任何時(shí)刻至少有一只腳與地面接觸，而其中一段是兩只腳同時(shí)著(zhù)地。單支撐和雙支撐交替進(jìn)行，但只有單支撐和雙支撐在行走周期中所占比例合理，才能保持身體平衡。以一個(gè)周期為研究對象，比例分配如圖3所示。

3．2 根據周期比例利用通用軟件規劃步態(tài)
由圖3可知，在一個(gè)完整的步態(tài)周期里包括2個(gè)雙支撐和2個(gè)單支撐時(shí)間，設置雙支撐占周期的20％，單支撐占周期的80％。對于單腿來(lái)說(shuō)，整個(gè)周期里只有一個(gè)擺動(dòng)周期，占周期的40％，支撐周期由一個(gè)單支撐和兩個(gè)雙支撐組成。占周期的60％。兩條腿的髖關(guān)節角度必須滿(mǎn)足式(1)，才能保持行走時(shí)身體平衡。

式中，r為髖關(guān)節的相關(guān)系數，n為自由度，xi和yi分別是人類(lèi)和機器人在第i次運動(dòng)的髖關(guān)節角度，x和y分別是人類(lèi)和機器人在一個(gè)周期內髖關(guān)節運動(dòng)角度的平均值。根據式(1)利用目前通用的機器人行為編輯軟件進(jìn)行步態(tài)規劃，規劃結果如圖4所示。

根據圖4所示的步態(tài)規劃與仿真圖對所設計的機器人進(jìn)行行走試驗。試驗結果表明，機器人在行走之前要有立正的準備姿勢，使其重心與身體所在平面與地面垂直，通過(guò)調整膝關(guān)節角度實(shí)現機器人的穩定行走，證明了該算法可行。

4 結論
設計了一款結構緊湊、外形美觀(guān)的小型雙足機器人本體，機器人共18個(gè)自由度，每條腿6個(gè)，每條臂3個(gè)，可用作科學(xué)研究平臺，也可用于機器人比賽。使用行為編輯軟件步態(tài)規劃所設計的機器人，所規劃的步態(tài)模式具有軌跡可達性和運動(dòng)可控性，反映一種連續穩定的自然行走模式。仿人模式的步態(tài)規劃方法從模仿人的角度很好反映擬人體生物機械的高效步行機理。采用模糊控制和專(zhuān)家控制理論，以步態(tài)穩定狀態(tài)為輸入，非時(shí)間參考量軌跡的修正量為輸出，涮節機器人的瞬時(shí)步行速度和雙腳著(zhù)地的周期比例，在線(xiàn)實(shí)時(shí)修正步態(tài)，機器人可在不改變空間運動(dòng)路徑的情況下實(shí)現動(dòng)態(tài)穩定步行。