六足仿生機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

（長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林 長春 130032）

仿生六足機(jī)器人作為仿生機(jī)器人的典型代表，具有豐富的步態(tài)和肢體結(jié)構(gòu)，它運(yùn)動(dòng)靈活、可靠性高，在排險(xiǎn)、救援、服務(wù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著火災(zāi)和地震等自然災(zāi)害頻發(fā)，救援工作也隨之成為重中之重，而在面對這些不規(guī)則的地形時(shí)，六足機(jī)器人就更具有優(yōu)勢，可以無障礙穿過坑洼不平石子路面和較淺的積水路面，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)輪式機(jī)器人無法比擬的。設(shè)計(jì)六足機(jī)器人可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，并完成救援任務(wù)，并且具有較強(qiáng)的行動(dòng)能力[1]。

1 六足機(jī)器人工作原理

足是昆蟲的運(yùn)動(dòng)器官。昆蟲有3 對足，分別在前胸、中胸和后胸各有一對，相應(yīng)地稱為前足、中足和后足。每個(gè)足由基節(jié)、轉(zhuǎn)節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)、跗節(jié)和前跗節(jié)幾部分組成。在最末節(jié)的端部還長著兩個(gè)又硬又尖的爪，可以用它們來抓住物體。行走是以一側(cè)的前、后足與另一側(cè)的中足為一組。這樣就形成了一個(gè)三角形支架結(jié)構(gòu)，當(dāng)這三條腿放在地面并向后蹬時(shí)，另外三條腿即抬起向前準(zhǔn)備替換。前足用爪固定物體后拉動(dòng)蟲體向前，中足用來支持并舉起所屬一側(cè)的身體，后足則推動(dòng)蟲體前進(jìn)，同時(shí)使蟲體轉(zhuǎn)向。這種行走方式使昆蟲可以隨時(shí)隨地停止下來，因?yàn)橹匦目偸锹湓谌侵Ъ苤畠?nèi)。借鑒了這種自然界中昆蟲的運(yùn)動(dòng)原理來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人每一足都需要三個(gè)舵機(jī)，然后使用軟件控制舵機(jī)角度，讓機(jī)器人每次行走都能形成三角步態(tài)[2-3]。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 步行機(jī)構(gòu)理論設(shè)計(jì)

步行機(jī)構(gòu)對于設(shè)計(jì)機(jī)器人是極為重要的，設(shè)計(jì)時(shí)保證機(jī)械足正常行走的要求及實(shí)際三維建模進(jìn)行選擇，并且根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖1 所示為六足機(jī)器人一條腿的機(jī)構(gòu)原理圖。L 是機(jī)器人底板，A、B、C 是機(jī)械足的三個(gè)舵機(jī)，EF、FG 是機(jī)械足的大腿和小腿，它們將保證每條腿能夠最大限度地劃過以底盤關(guān)節(jié)為原點(diǎn)的三維空間。舵機(jī)A 使機(jī)械足前后劃動(dòng)，舵機(jī)B 和C 保證機(jī)械足最大限度的抬高和張開，且在FG 踏于地面時(shí)，舵機(jī)B 和C將給予機(jī)器人底盤以最大的支持力。

圖1 步行腿機(jī)構(gòu)原理圖

2.2 步行腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

1）連桿尺寸EF=86mm，F(xiàn)G=148mm，舵機(jī)A 距地板高度LA=100mm。

2）估算機(jī)身高度設(shè)置為H=250mm，LCG=300mm，在正前方運(yùn)行時(shí)，前腿和后腿之間不會發(fā)生相互干涉，為了保證兩足之間有足夠的距離，則兩伸出臂的距離為350mm。

3）電機(jī)軸與連桿的動(dòng)力輸入軸能夠緊密配合。在材料的選擇上，桿用的是5mm 的金屬板，金屬板寬度均是8mm，這樣可以盡量減輕機(jī)構(gòu)的重量。舵機(jī)輸出軸配合孔采用線切割加工，可以保證緊密配合。

2.3 步行腿機(jī)構(gòu)系統(tǒng)統(tǒng)合

六足機(jī)器人兩側(cè)的步行腿系統(tǒng)均相同，行走時(shí)一側(cè)一條腿與另一側(cè)的前后兩條腿運(yùn)動(dòng)步態(tài)一致，每次均有三條腿同時(shí)著地，構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定機(jī)身。該六足機(jī)器人通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為步行腿向上的擺動(dòng)，在小腿上安裝有壓力傳感器，并在小腿上安裝有舵機(jī)，舵機(jī)接受壓力傳感器傳來的信號，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作，使小腿開始擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前行。

3 步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)

六足機(jī)器人是對六足昆蟲運(yùn)動(dòng)形態(tài)的觀察，結(jié)合機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)造出的多足式仿生機(jī)器人。六足機(jī)器人有良好的地形適應(yīng)力，其立足點(diǎn)離散與地面接觸面積較小，可以在不同的地形都選擇出最好的支撐點(diǎn)，由于其足的特點(diǎn)，其機(jī)身軌跡可與足軌跡解耦，所以在崎嶇的地形下可以保證機(jī)身的相對平穩(wěn)。

“目前，大部分六足機(jī)器人采用了仿昆蟲的結(jié)構(gòu)，6 條腿分布在身體的兩側(cè)，身體左側(cè)的前、后足及右側(cè)的中足為一組，右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個(gè)三角形支架，依靠大腿前后劃動(dòng)實(shí)現(xiàn)支撐和擺動(dòng)過程”[4]。如圖2 是六足仿生機(jī)器人的仿真步態(tài)。

圖2 六足仿生機(jī)器人仿真步態(tài)

在設(shè)計(jì)機(jī)器人步態(tài)時(shí)，通過對三角步態(tài)的分析，以及對大多數(shù)六足昆蟲實(shí)際行走的過障礙分析，發(fā)現(xiàn)如需完成三角步態(tài)，必須每一條腿連接軀干處需要兩個(gè)舵機(jī)，一個(gè)控制足的轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)控制足的起伏，在連接支撐部分處，只需一個(gè)舵機(jī)，就可以完成下半部分足的起伏。故，機(jī)器人每一足都需要三個(gè)舵機(jī)，然后使用軟件控制舵機(jī)角度，讓機(jī)器人每次行走都能形成三角步態(tài)，在調(diào)整出一次步態(tài)之后就可以通過循環(huán)指令得出多次行走的步態(tài)。

4 六足機(jī)器人功能執(zhí)行

4.1 總體設(shè)計(jì)方案

六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上擬采用18 個(gè)20kg 金屬舵機(jī)為動(dòng)力源，通過激光雕刻機(jī)雕刻亞克力板制成的板料為肢體。總體設(shè)計(jì)上以兩塊亞克力板為仿生機(jī)器人主體，控制器及電路安裝在中層位置，頂層設(shè)計(jì)安裝肢體以及放置物件的平臺及其他工具，以應(yīng)對仿生機(jī)器人不同的用途。設(shè)計(jì)的主體亞克力板為長六邊形形狀，六個(gè)舵機(jī)通過螺栓連接固定在六個(gè)頂點(diǎn)上，模擬昆蟲的六足形狀。該舵機(jī)可實(shí)現(xiàn)0°～180°旋轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)肢體的前后移動(dòng)功能。另外六個(gè)舵機(jī)分別通過板料與第一個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)連接固定，作為肢體的第二個(gè)關(guān)節(jié)，并連接板料作為第二節(jié)肢體，該舵機(jī)實(shí)現(xiàn)肢體的抬升功能。結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)上應(yīng)該以昆蟲的步態(tài)分析規(guī)劃為原則，避免腿部機(jī)構(gòu)的碰撞與磨損[5-8]。機(jī)器人控制系統(tǒng)原理圖如圖3 所示。

圖3 機(jī)器人控制系統(tǒng)原理圖

六足機(jī)器人電路設(shè)計(jì)以12V 電源供電，通過降壓模塊分配給各個(gè)模塊。擬通過Mega2560 主控板燒錄程序，通過算法實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，SSC-32 路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器與主控板實(shí)現(xiàn)雙向通信，將信號傳遞給各個(gè)舵機(jī)，執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作對于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行采集，反饋給主控板，并對狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整與矯正，保證動(dòng)作的正常執(zhí)行。還可將六足機(jī)器人與HC-05 藍(lán)牙模塊連接，通過手機(jī)APP 發(fā)布指令完成相應(yīng)動(dòng)作。

4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主要以Arduino Mega 2560 為主控板，Arduino 能通過不同的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他裝置來反饋，影響環(huán)境。它采用USB 接口的核心單片機(jī)，具有54 位輸入輸出口，使用于需要大量IO 接口的設(shè)計(jì)。

SSC-32 路舵機(jī)控制是專為機(jī)械手、多足機(jī)器人等多舵機(jī)使用而量身定做的多路舵機(jī)控制器。集成了USB 接口，可與多系統(tǒng)進(jìn)行通信。舵機(jī)供電電壓為5.3V～7.2V。腿部執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)舵機(jī)串聯(lián)而成，分別控制腿部前后與升降運(yùn)動(dòng)。舵機(jī)是一個(gè)集成了直流電機(jī)、電機(jī)控制單元、減速箱等，并封裝成一個(gè)便于安裝的伺服單元，通過輸入特定的控制信號實(shí)現(xiàn)角度精準(zhǔn)控制的電機(jī)系統(tǒng)。而SSC-32 路舵機(jī)控制板可以控制32 個(gè)模擬/數(shù)字舵機(jī)，引腳0～31 分別對應(yīng)32 個(gè)舵機(jī)接口，其中絲印G 排對應(yīng)GND，絲印VS2/VS1 對應(yīng)舵機(jī)電源正極，絲印PULSE 對應(yīng)舵機(jī)信號線。與Arduino 相連的時(shí)候，舵機(jī)控制板的TX 接至Arduino 的引腳0；RX 接至Arduino 的引腳1；GND 連接至Arduino 的GND。實(shí)現(xiàn)主控板與SSC-32 路舵機(jī)控制模塊的通信。

HC-05 是一種集成藍(lán)牙功能的PCBA 板，可用于無線通訊，通訊結(jié)構(gòu)為UART3.3VTTL 電平，內(nèi)置PCB 天線，工作電壓3V～3.6V。與Mega 2560 串行口連接，上電后利用手機(jī)自帶藍(lán)牙連接配對，通過用戶發(fā)送的指令控制主控板完成相關(guān)動(dòng)作。

4.2.2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)電路通過編譯程序，燒錄文件于Arduino Mega 2560 中。程序調(diào)用舵機(jī)庫文件作為頭文件。動(dòng)作指令使用程序段#PST控制，其中：為舵機(jī)通道號，0～31，為脈沖寬度，單位微秒（us），500～2 500，中值狀態(tài)為1 500us。S、T 分別為運(yùn)行時(shí)間和速度，可自選。為結(jié)束回車符，ASCII碼中的13。此外在動(dòng)作組中使用如#1 P2000 #2 P1000 T2000 的指令。表示通道1 運(yùn)動(dòng)到2 000us 位置，通道2 移動(dòng)到1 000us 的位置，2 個(gè)都同時(shí)在2 000us 內(nèi)完成。可控制多個(gè)舵機(jī)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，協(xié)調(diào)舵機(jī)速度，完成復(fù)雜的步態(tài)，進(jìn)行動(dòng)作組的自由搭配。通過與藍(lán)牙模塊的連接，用戶可通過APP 端控制機(jī)器人行動(dòng)。

4.2.3 系統(tǒng)調(diào)試

檢查各器件的額定電壓，調(diào)整降壓模塊輸出5V 電壓，將Mega2560、SSC-32 路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、HC-05 藍(lán)牙模塊以及12 個(gè)舵機(jī)用杜邦線排布好并連接。通過上位機(jī)打開舵機(jī)位置監(jiān)視窗口，調(diào)整舵機(jī)初始位置，使舵機(jī)處于中值位置，避免干涉。一切正常后，則進(jìn)行軟件調(diào)試，通過USB線連接電腦，使用Arduino IDE 編譯軟件程序，檢查編譯結(jié)果，最后將程序燒錄進(jìn)主控板。通過舵機(jī)指令的不同搭配，實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、翻越障礙等多個(gè)動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對目前市面上六足機(jī)器人具備的功能，本設(shè)計(jì)在該基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)搬運(yùn)加持、清障、減震救援為一體，在實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的同時(shí)對機(jī)器人的各個(gè)部分進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。在結(jié)構(gòu)上機(jī)器人的六足彈簧緩沖、底盤穩(wěn)定，六肢根部為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在救援過程或者其他實(shí)踐過程中的穩(wěn)定工作。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡通過遠(yuǎn)程操控加紅外感應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作和軌跡的更正修改，以確保機(jī)器人行動(dòng)的準(zhǔn)確性和高效性。此外在機(jī)器人救援的過程中對于傷者的及時(shí)救助對生命的挽救起到了舉足輕重的作用，在機(jī)器人的背部專門設(shè)置一片區(qū)域用于放置急救藥物和食物，為受困人員采取的簡單急救和食物供給以便等待下一步救援。此外機(jī)器人在外形上近似于生物，盡可能實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的外觀最大的優(yōu)化，同時(shí)為了能夠滿足機(jī)器人在較狹窄的空間活動(dòng)自如，需將其各關(guān)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使它的尺寸和布局更加合理。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目基于仿生甲蟲的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計(jì)了六足減災(zāi)救援仿生機(jī)器人的軀體和腿部機(jī)構(gòu)。腿機(jī)構(gòu)由六條腿組成，沿軀體中軸線兩邊對稱分布，每腿由三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成的三自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)。整個(gè)機(jī)器人有18 個(gè)舵機(jī)控制，使它適用于各種惡劣的環(huán)境中，并且能完成救援任務(wù)。