用于創(chuàng)新實踐教學(xué)的擬人行走智能機器人設(shè)計

傅宇楊 李知菲

摘要：將智能機器人用于大學(xué)生的創(chuàng)新實踐教學(xué)，能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生掌握智能機器人的核心技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。本文詳細(xì)論述了用于浙江師范大學(xué)計算機專業(yè)創(chuàng)新實踐教學(xué)課堂中擬人行走智能機器人的設(shè)計，機器人基于Arduino控制器，可以進(jìn)行擬人化行走。從后續(xù)教學(xué)應(yīng)用的反饋上證明了，設(shè)計的機器人滿足了實踐教學(xué)要求，達(dá)到了創(chuàng)新實驗?zāi)康摹?/p>

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實踐教學(xué)；智能機器人；擬人行走；步態(tài)設(shè)計；Arduino控制器

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）10-0102-03

引言

我國從2009年開始，用工荒和勞動力成本上漲的情況頻繁發(fā)生，以勞動密集型企業(yè)為主的中國制造業(yè)進(jìn)入發(fā)展的瓶頸期。因此，我國先后發(fā)布了《中國制造2025》《機器人產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》等重要文件，明確提出大力發(fā)展智能機器人，實現(xiàn)中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級戰(zhàn)略。有專家預(yù)計，到2017年我國機器人的使用量將達(dá)42.8萬臺，其中工業(yè)機器人將成為市場主力。

為了響應(yīng)巨大的市場需求，高等院校中的電子、機械或計算機等相關(guān)專業(yè)紛紛開展各種形式的智能機器人教學(xué)或科研。浙江師范大學(xué)自2013年起在計算機專業(yè)為本科生開設(shè)了選修的智能機器人創(chuàng)新實踐教學(xué)課程（2學(xué)分），筆者從多年的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對擬人機器人類項目較感興趣。同時，人形機器人也是智能機器人的重要研究形態(tài)之一。因此，我們依托計算機專業(yè)的虛擬現(xiàn)實與動作捕捉實驗室，進(jìn)行了擬人機器人開發(fā)，建立了機器人步態(tài)數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了機器人擬人化行走，并將此智能機器人用于本科生的創(chuàng)新實踐教學(xué)，取得了不錯的效果。

擬人行走智能機器人的結(jié)構(gòu)

本文的研究對象參考了哈爾濱石油學(xué)院的17個舵機機器人[1]，因此它也是一個搭載了17個LD-2015數(shù)字舵機的雙足仿人機器人。與傳統(tǒng)的模擬舵機相比，數(shù)字舵機的控制精度和響應(yīng)速度更加具有優(yōu)勢。該數(shù)字舵機可產(chǎn)生15kg的扭力，因此可滿足機器人行走的需要。機器人組裝使用的都是一體化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)支架一體成型，使機器人更加堅固，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高。其總體結(jié)構(gòu)如下頁圖1所示。

機器人步態(tài)模型的建立和行走設(shè)計

根據(jù)人行走的實際情況，結(jié)合所研究的機器人，我們定義了下肢各個關(guān)節(jié)運動時的角度范圍，防止機器人下肢各個關(guān)節(jié)處的舵機干擾。所設(shè)置的各個關(guān)節(jié)的運動范圍[2]見下頁表，在橫向平面內(nèi)向外為負(fù)，在縱向平面內(nèi)向后為負(fù)。

為了方便對機器人進(jìn)行運動分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，我們只保留關(guān)節(jié)以及連接關(guān)節(jié)的連桿，圖2是其示意圖。[3]

為了建立運動學(xué)模型，我們以髖關(guān)節(jié)為原點形成主坐標(biāo)系。接著再分別以膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)為原點，建立右手坐標(biāo)系，采用D-H方法[4]建立機器人運動學(xué)模型。假設(shè)髖關(guān)節(jié)在運動時保持在一定的水平面上，忽略其在垂直高度上的變化。機器人在髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的連接有一個固定的夾角，我們?nèi)∑鋬烧叩闹本€距離l0=50，而膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的距離l1=40。圖3為擺動腿的坐標(biāo)圖。

由擺動腿的坐標(biāo)圖可以發(fā)現(xiàn)，其主要是繞X軸旋轉(zhuǎn)，而其旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

根據(jù)所建立的擺動腿坐標(biāo)系圖，得膝關(guān)節(jié)的位置矩陣為：

故其D-H矩陣如下：

再從膝關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)，主要也是繞X軸旋轉(zhuǎn)，故其旋轉(zhuǎn)矩陣不變，而踝關(guān)節(jié)的位置矩陣為：

故其D-H矩陣如下：

由以上可得：

根據(jù)D-H矩陣的特性，由其中的位置矩陣可得，腳踝關(guān)節(jié)在基坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：

機器人行走的步態(tài)設(shè)計[5]就是機器人的每條腿按照設(shè)定的順序，進(jìn)行角度變化的過程。然后，每條腿不斷循環(huán)設(shè)定好的步態(tài)，也就實現(xiàn)了機器人的步行運動。為此，我們根據(jù)人類的行走特點，再結(jié)合機器人的特點，將步態(tài)設(shè)計為以下幾個主要動作：

首先，左腳腳踝關(guān)節(jié)在橫向平面內(nèi)往外傾，使得重心左移，為下一步的左腳單腳支撐身體做準(zhǔn)備；

接著，右腳大腿抬起，小腿也在縱向平面內(nèi)往前移動，致使右腳的重心在縱向平面內(nèi)往前移動；

然后，左腳髖關(guān)節(jié)在縱向平面內(nèi)進(jìn)行俯仰，使得上半身往前微傾，從而使得上半身的重心也向前移動；

此時，機器人身體的大部分重心基本已經(jīng)完成了向前移動，緊接著，我們恢復(fù)左腳腳踝關(guān)節(jié)在橫向平面內(nèi)原來的角度，使得右腳重新落地，至此，我們已經(jīng)完成一只腳的步態(tài)設(shè)計。

在步態(tài)設(shè)計時，我們假設(shè)機器人前行的平面為縱向平面，而機器人的橫向移動則是在橫向平面。

機器人穩(wěn)定性驗證

機器人行走時，最重要的就是單腳支撐整個身體時，是否能保持整個多自由度系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，我們進(jìn)行了踝扭矩的計算，用以判斷在該情況下單腳的踝關(guān)節(jié)滾動角度能否保持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。根據(jù)運動中的情況，我們可以計算單腳踝關(guān)節(jié)承受的最大扭矩，用以判斷舵機有無過載。對此，我們進(jìn)行如下模型簡化及假設(shè)。

假設(shè)踝關(guān)節(jié)的滾動角度為θ，而模型的總重則簡化為圖4所示的三部分。關(guān)于O點的扭矩如下：

根據(jù)上述⑧式和⑨式，我們就可以計算出單腳支撐時，腳踝關(guān)節(jié)的扭矩，從而知道該處舵機負(fù)載。如果計算所得的扭矩超過舵機額定負(fù)載，則需要重新設(shè)定關(guān)節(jié)舵機的角度，防止因過大負(fù)載而造成舵機不可修復(fù)的損壞。

實驗結(jié)果

根據(jù)所建立的運動學(xué)模型，我們得到機器人行走時，擺動腿在基坐標(biāo)系的各個位置，再根據(jù)腳踝扭矩計算，用以判斷自己所設(shè)計的各個關(guān)節(jié)角度序列是否滿足穩(wěn)定的要求，這樣就避免了不斷重復(fù)試驗各個關(guān)節(jié)的角度調(diào)節(jié)，使得舵機損壞。

根據(jù)上述建立的模型以及穩(wěn)定性驗證，我們得到了部分舵機所轉(zhuǎn)過角度的動作序列（如圖5）。

結(jié)束語

我們在建立了機器人行走的步態(tài)模型后，基于Arduino控制器完成了擬人機器人的開發(fā)，并對所設(shè)計的機器人進(jìn)行了擬人行走的穩(wěn)定性驗證。開發(fā)的機器人用于創(chuàng)新教學(xué)實踐，選修該課程項目的學(xué)生在利用所開發(fā)的機器人完成擬人化機器人行走動作設(shè)計及編程實現(xiàn)后，在一定程度上獲得了成就感，更加有熱情投入到項目中的學(xué)習(xí)，為以后開發(fā)出機器人更多動作序列提供了可能性。本文的研究也為學(xué)生將機器人技術(shù)帶到工業(yè)或者生活上，以及以后的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)[6]開拓了新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟浩，王妍瑋.基于Arduino的雙足仿人機器人設(shè)計[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2014，42（2）：38-40.

[2]張洪賓.雙足步行機器人的步態(tài)規(guī)劃與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[D].廣州：華南理工大學(xué)，2016.

[3]查望華.雙足機器人運動控制系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

[4]ZHUANG Yu-feng，LIU Dong-qiang，WANG Jun-guang.Dynamic modeling and analyzing of a walking robot[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2014，21（1）：122-128.

[5]魏君.基于ARM小型雙足機器人的設(shè)計與研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2016.

[6]吳振宇，劉禹彤，馮林.機器人實踐教學(xué)體系改革探索[J].實驗室研究與探索，2017，36（6）：192-195.

作者簡介：傅宇楊，男，碩士研究生，研究方向為智能機器人、自然人機交互；李知菲，男，講師，研究方向為虛擬現(xiàn)實與動作捕捉、智能機器人、深度學(xué)習(xí)。

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目號：201510345012）。