雙足行走機(jī)器人的組裝在中職課堂教學(xué)中的實(shí)踐研究

郝超群

摘要：機(jī)器人是綜合了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，隨著機(jī)器人技術(shù)的突飛猛進(jìn)，機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)逐漸向社會(huì)普及，尤其是進(jìn)入教育領(lǐng)域后受到了很大的重視。本研究是基于創(chuàng)意之星平臺(tái)設(shè)計(jì)和組裝的行走機(jī)器人，結(jié)合課堂教學(xué)實(shí)際內(nèi)容，通過對(duì)雙足行走機(jī)器人的研究與使用，讓學(xué)生更加深入的了解機(jī)器人在教育方面的應(yīng)用。課程內(nèi)容在理實(shí)一體化的基礎(chǔ)上讓學(xué)生探索行走機(jī)器人的特點(diǎn)及相關(guān)的應(yīng)用，注重培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生團(tuán)結(jié)合作意識(shí)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；雙足行走；團(tuán)隊(duì)協(xié)作；信息融合；

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）24-0179-03

1 前言

近年來，隨著政府和教育部對(duì)人工智能領(lǐng)域越來越重視，在眾多研究專家、學(xué)者以及一些發(fā)達(dá)省市的重點(diǎn)中職院校的大力推動(dòng)下，智能機(jī)器人有了顯著的發(fā)展。機(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用已成為學(xué)生綜合實(shí)踐和技術(shù)課程的良好載體。國家級(jí)的相關(guān)部門和組織每年都會(huì)定期組織各類有關(guān)機(jī)器人的比賽，如“全國中小學(xué)電腦制作活動(dòng)”“全國職業(yè)院校技能大賽”中工業(yè)機(jī)器人競賽項(xiàng)目、中國科協(xié)主辦的“中國青少年機(jī)器人大賽”等，進(jìn)一步促進(jìn)了機(jī)器人教育的發(fā)展。通過技能大賽、興趣社團(tuán)活動(dòng)等，鍛煉展示學(xué)生的組織管理、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、工作效率等職業(yè)能力，促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的普及和發(fā)展。

2 雙足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)

首先，雙足步行機(jī)器人的移動(dòng)方式比其他機(jī)器人要靈活很多，無論是在不平整地面或是其他惡劣條件下，雙足機(jī)器人都有更好的機(jī)動(dòng)性。

其次，雙足行走機(jī)器人的具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，還有多變量、變結(jié)構(gòu)、非線性等特點(diǎn)，其步行系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)在的不穩(wěn)定系統(tǒng)。因此，控制工程領(lǐng)域的專家學(xué)者將雙足行走機(jī)器人作為一個(gè)非常好的研究對(duì)象，來開展雙足步行技術(shù)的研究，從而推動(dòng)控制理論的發(fā)展和控制技術(shù)的進(jìn)步。

再次，步行是人類的一種基本活動(dòng)能力，對(duì)雙足步行技術(shù)進(jìn)行深入的研究有助于生物醫(yī)學(xué)工程和體育運(yùn)動(dòng)科學(xué)的發(fā)展?，F(xiàn)今社會(huì)有部分人因?yàn)榧膊』蛞馔馐鹿蕟适Щ顒?dòng)能力，可借助行走機(jī)器人幫助其恢復(fù)活動(dòng)能力。

3 雙足行走機(jī)器人的搭建過程

雙足行走機(jī)器人的搭建過程主要包括前期的材料準(zhǔn)備、硬件介紹、不同的組裝嘗試。

3.1 材料準(zhǔn)備

基于PXA270的雙足行走機(jī)器人在搭建時(shí)，主要使用到的零部件名稱及具體數(shù)量等如表1所示。

3.2 硬件介紹

雙足行走機(jī)器人的搭建，需要用到MultiFLEX2-PXA270控制器、CSD舵機(jī)、語音控制器和一些必要的零部件。

1） MultiFLEX2-PXA270 控制器

MultiFLEX2-PXA270控制器功能損耗較小、運(yùn)算速度較同種設(shè)備性能強(qiáng)且體積小，容易放置，適合應(yīng)用于中小型機(jī)器人系統(tǒng)中。該控制器擁有支持32位的高性能嵌入式處理器，內(nèi)置Linux操作系統(tǒng)，可以直接放入設(shè)計(jì)的雙足機(jī)器人體內(nèi)。

2） CDS系列舵機(jī)

CDS系列機(jī)器人舵機(jī)，是一種集電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、總線式通信接口為一體的集成伺服單元，它不僅可以使用舵機(jī)模式工作，還能使用電機(jī)模式。舵機(jī)模式時(shí)它可以在0°-300°的范圍內(nèi)擺動(dòng)。

3） 機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件

所有組裝用到的零部件均采用統(tǒng)一的ConnFLEX花鍵式結(jié)構(gòu)連接。其特點(diǎn)是：零件可以無縫連接，穩(wěn)定性能強(qiáng)，零件硬度大。

3.3 雙足機(jī)器人的組裝

學(xué)生剛開始組裝時(shí)，仿照人類身體的基本關(guān)節(jié)，參照樣例先設(shè)計(jì)出機(jī)器人模型。（如圖1所示）

在機(jī)器人下肢的設(shè)計(jì)上，為下肢分配了8個(gè)舵機(jī)，髖關(guān)節(jié)處2個(gè)舵機(jī)，膝關(guān)節(jié)處4個(gè)舵機(jī)，踝關(guān)節(jié)處2個(gè)舵機(jī)。髖關(guān)節(jié)處的舵機(jī)，主要與機(jī)器人的控制器相連接，并負(fù)責(zé)上肢重心的前移。膝關(guān)節(jié)處的舵機(jī)，是為了更好地與髖關(guān)節(jié)的舵機(jī)配合，同樣是負(fù)責(zé)機(jī)器人上肢重心的前移。而踝關(guān)節(jié)的舵機(jī)，與髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是垂直的，此舉是為了機(jī)器人在抬腳時(shí)，能夠?qū)⑸眢w的重心偏移到另外一只腳上。上肢的設(shè)計(jì)上，我給機(jī)器人的左臂和右臂都加上了一個(gè)舵機(jī)，目的是踝關(guān)節(jié)的舵機(jī)在讓機(jī)器人偏移重心的時(shí)候，左臂和右臂的舵機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，配合機(jī)器人重心的偏移。

4 雙足行走機(jī)器人行走步態(tài)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

4.1 抬腿階段

抬腿階段一共可以分成四種步態(tài)，分別是站立、下蹲、邁步、落腳，事先規(guī)劃、定點(diǎn)膝關(guān)節(jié)和末端的運(yùn)動(dòng)軌跡，再在ADAMS仿真軟件中檢測(cè)零力矩點(diǎn)的位置，將用這個(gè)結(jié)果來驗(yàn)證所給軌跡是否可以實(shí)行。

機(jī)器人膝關(guān)節(jié)的功能主要是彎腿呈下蹲狀態(tài)，然后膝關(guān)節(jié)就可以保持在固定高度，左右方向偏轉(zhuǎn)重心即可。

機(jī)器人在抬腿階段的時(shí)候，左腳可以作為支撐腳，在水平的地面上保持靜止?fàn)顟B(tài)。

而右腳在抬腿階段就可以作為擺動(dòng)腳，它的運(yùn)動(dòng)過程為：右腳靜止→右腳起步（上抬一定高度）→右腳落地。

綜上研究和分析，設(shè)計(jì)要抬腿階段的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)示意圖可以如圖2所示：

4.2 跨步階段

跨步階段是雙足行走機(jī)器人的兩條腿，作為支撐腿和擺動(dòng)腿交替擺動(dòng)的階段，它具有一定的周期性的。到目前為止，已經(jīng)規(guī)劃好了抬腿階段的步態(tài)軌跡并且通過公式計(jì)算出抬腿階段的各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，然后可以得到跨步階段中各個(gè)舵機(jī)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角變化情況。雙足機(jī)器人的行走，每一步都會(huì)包括三個(gè)步態(tài)，分別是機(jī)器人重心的偏移、擺動(dòng)腿抬起、前邁以及擺動(dòng)腿的落地。在抬腿階段的基礎(chǔ)上，可以直接實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的這三個(gè)步態(tài)。

1） 重心的偏移：要想讓雙足行走機(jī)器人的重心發(fā)生偏移，只需要轉(zhuǎn)動(dòng)以膝關(guān)節(jié)兩端的轉(zhuǎn)角和兩個(gè)踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角構(gòu)成的平行四邊形的這四個(gè)轉(zhuǎn)角，而其他位置的轉(zhuǎn)角只要保持不變即可。跨步階段的第一個(gè)行走步態(tài)的各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角保持上一個(gè)街步態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)角不變，再將剩下的膝關(guān)節(jié)兩端的轉(zhuǎn)角，連同另外兩個(gè)踝關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)角，按照之前步態(tài)的膝關(guān)節(jié)兩端的轉(zhuǎn)角取反就可以了。

2） 擺動(dòng)腿抬起以及前邁：在設(shè)計(jì)雙足機(jī)器人抬腿階段的抬腿動(dòng)作時(shí)，膝關(guān)節(jié)處的重心前移給這個(gè)步態(tài)創(chuàng)造了可能性，在重心完成偏移之后，雙足機(jī)器人可以直接抬腿向前邁出而不會(huì)因?yàn)樽陨碇匦倪^于靠后而抬不了腿。

3） 擺動(dòng)腿的落地：這是機(jī)器人行走步態(tài)周期的最后一個(gè)步態(tài)，該步態(tài)可對(duì)照上一個(gè)周期中的步態(tài)落地時(shí)各對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，擺動(dòng)腿的各個(gè)關(guān)節(jié)參照上一周期中擺動(dòng)腿的各個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角角度，支撐腿各關(guān)節(jié)參照前一個(gè)周期中支撐腿的各個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角角度。

4.3 并腳階段

這個(gè)階段的雙足機(jī)器人步態(tài)只有三個(gè)，它們分別為機(jī)器人重心的右移，跨左腿，雙腳落地然后雙腿直立。這個(gè)階段的步態(tài)規(guī)劃，我們可以直接將跨步階段中的右腿作為支撐腿，左腿作為擺動(dòng)腿的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些簡單修改就可以。機(jī)器人的雙腳落地然后雙腿直立就表示雙足機(jī)器人回復(fù)到了初始階段，各個(gè)關(guān)節(jié)上舵機(jī)的轉(zhuǎn)角也都恢復(fù)到初始狀態(tài)。

5 雙足機(jī)器人的測(cè)試

雙足機(jī)器人的前期工作全部完成之后，對(duì)其中的所有模塊進(jìn)行了隨機(jī)抽取測(cè)試?，F(xiàn)決定測(cè)試2個(gè)步驟過程中的舵機(jī)情況，分別是雙足行走機(jī)器人前進(jìn)模塊中的左腿抬起動(dòng)作和左腳跨出之后的步距情況。

5.1 左腿抬起角度測(cè)試

測(cè)試項(xiàng)目：雙足機(jī)器人左腿抬起角度

正確結(jié)果：左腿膝關(guān)節(jié)處的9號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到50°

測(cè)試過程：雙足行走機(jī)器人前進(jìn)模塊中的左腿抬起動(dòng)作，主要是依靠左腿膝關(guān)節(jié)處的9號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)而完成的，從以下（圖3）的對(duì)比中可以看出，初步設(shè)計(jì)時(shí)完成左腿抬起動(dòng)作，9號(hào)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度需要從140°轉(zhuǎn)到50°。為了驗(yàn)證機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行過程中，9號(hào)舵機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，特進(jìn)行角度測(cè)量工作。

下圖（圖4）是雙足行走機(jī)器人前進(jìn)模塊中的左腿抬起動(dòng)作測(cè)試狀態(tài)圖，在機(jī)器人可以平穩(wěn)做完此模塊動(dòng)作的前提下，對(duì)9號(hào)舵機(jī)的角度進(jìn)行測(cè)量。首先是雙足行走機(jī)器人在完成重心右移的動(dòng)作后，對(duì)9號(hào)舵機(jī)進(jìn)行的第一次測(cè)量，此時(shí)的舵機(jī)角度是139°。當(dāng)機(jī)器人完成左腿抬起動(dòng)作之后，再對(duì)9號(hào)舵機(jī)進(jìn)行了第二次測(cè)量，此時(shí)舵機(jī)的角度是52°，在允許的誤差范圍內(nèi)，則認(rèn)定9號(hào)舵機(jī)的工作情況是正常的。

5.2 左腳跨出步距測(cè)試

測(cè)試項(xiàng)目：雙足機(jī)器人前進(jìn)模塊左腳跨出步距

正確結(jié)果：左腳跨出步距為10CM

測(cè)試過程：雙足行走機(jī)器人的前進(jìn)模塊，分為兩大步驟，第一步是機(jī)器人的左腳跨出一定的步距之后，再將右腳收回和左腳并攏；第二步是機(jī)器人的右腳跨出一定步距之后，將左腳收回和右腳并攏。以上兩個(gè)步態(tài)動(dòng)作的連續(xù)完成以后，這才說明雙足行走機(jī)器人的前進(jìn)模塊已經(jīng)完成。此次要測(cè)試的就是機(jī)器人在完成第一個(gè)步驟之后，跨出的步距和初步設(shè)計(jì)時(shí)的構(gòu)想有沒有偏差。下圖（圖5）就是雙足行走機(jī)器人在狀態(tài)初始化時(shí)和完成第一個(gè)步驟之后的兩種狀態(tài)的一個(gè)對(duì)比。

根據(jù)步態(tài)規(guī)劃時(shí)的計(jì)算公式，在機(jī)器人完成第一個(gè)步驟之后，跨出的步距應(yīng)該是10CM ?，F(xiàn)在我通過一把直尺的測(cè)量，得到的步距是15CM ，很明顯，在數(shù)值上，步距有一個(gè)偏差。通過反復(fù)觀看機(jī)器人完成第一個(gè)步驟的動(dòng)作，發(fā)現(xiàn)在重心前移的過程中，雙足機(jī)器人會(huì)有一個(gè)前傾的慣性動(dòng)作，嘗試將重心前移的速度放慢，然后再次觀察機(jī)器人的動(dòng)作并且測(cè)量新的步距，重新得到的數(shù)據(jù)在允許的誤差范圍之內(nèi)，此次的步距測(cè)試圓滿成功。

6 實(shí)驗(yàn)總結(jié)及展望

該課程在實(shí)施過程中，教師要以開放的思維和姿態(tài)，充分利用課程資源（如3D動(dòng)畫等）中反映產(chǎn)業(yè)升級(jí)和技術(shù)進(jìn)步的元素。教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與，將班級(jí)學(xué)生3-4人分為一個(gè)學(xué)習(xí)小組，注重學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力和發(fā)展?jié)摿?，?duì)個(gè)別學(xué)生進(jìn)行差異化教學(xué)，進(jìn)行項(xiàng)目化的學(xué)習(xí)，體現(xiàn)出“專業(yè)與產(chǎn)業(yè)對(duì)接、課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接、教學(xué)過程與生產(chǎn)對(duì)接”，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程變成接近企業(yè)生產(chǎn)的過程，促進(jìn)工學(xué)結(jié)合。

機(jī)器人的教學(xué)活動(dòng)，有助于引導(dǎo)學(xué)生從事實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動(dòng)。機(jī)器人開放式、模塊化的學(xué)習(xí)平臺(tái)，讓學(xué)生可以靈活的按照個(gè)人創(chuàng)意來組裝機(jī)器人并實(shí)現(xiàn)其功能，激發(fā)學(xué)生思維活力，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，主動(dòng)探索、積極討論、發(fā)散思維。對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力起到積極促進(jìn)作用。機(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用，在學(xué)生參加創(chuàng)新競賽的過程中，讓學(xué)生主動(dòng)了解更多的前沿技術(shù)，從而達(dá)到將機(jī)器人科技普及推廣的作用。

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