四足機器人行走系統(tǒng)設(shè)計研究

四足機器人行走系統(tǒng)設(shè)計研究 摘要：仿生機器人是機器人這一大領(lǐng)域的一個重要分支。本文根據(jù)全國大學(xué)生機器人大賽ROBOCON賽事規(guī)則的需求，設(shè)計了一款四足機器人，采用STM32F407VET6作為主控制器，對其行走系統(tǒng)和平衡控制做了研究。針對四足機器人的行走系統(tǒng)，選用了對角小跑的步態(tài)進行行走，通過跳躍的步態(tài)方式進行翻越場地內(nèi)的障礙，并且介紹了四足機器人的平衡系統(tǒng)。并在上位機對各方面功能進行仿真，實現(xiàn)了四足機器人全自動行走以及翻越障礙。關(guān)鍵詞：四足機器人；步態(tài)；平衡1研究目的與意義設(shè)計來源于第十八屆全國大學(xué)生機器人大賽ROBOCON賽事。本屆比賽以"快馬加鞭"為主題，靈感來自古代傳遞信息的驛傳制度?，F(xiàn)如今，信息的光速傳遞，促使互聯(lián)網(wǎng)形成的邏輯上單一且巨大的全球化信息網(wǎng)絡(luò)能讓我們不受空間限制，并且可以通過多種多樣的形式進行信息的交換。2總體方案設(shè)計2.1行走系統(tǒng)方案的確定四足機器人腿部關(guān)節(jié)的自由度數(shù)量決定了腿部的靈活性，關(guān)節(jié)自由度越多，腿部結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，成本也會隨之增加，控制難度也會比較困難，但是，腿部的靈活性會大大提高；反之，關(guān)節(jié)自由度越少，腿部結(jié)構(gòu)就越簡單，成本也會降低，比較好控制，但是，腿部靈活性也會降低。腿部結(jié)構(gòu)的方案有兩種方案：（1）腿部關(guān)節(jié)自由度共三個。髖部與機器人軀干連接的為髖關(guān)節(jié)橫擺自由度，該關(guān)節(jié)能保證髖部與軀干有一個側(cè)向的運動；髖部與大腿連接的為髖關(guān)節(jié)俯仰自由度，該關(guān)節(jié)能保證大腿做前進的運動；大腿與小腿連接的為膝關(guān)節(jié)俯仰自由度，該關(guān)節(jié)能保證行進時，小腿落地時姿態(tài)的調(diào)整運動。（2）腿部關(guān)節(jié)自由度共兩個。髖部與大腿連接的髖關(guān)節(jié)俯仰自由度有兩個，以保證腿部可以承受機器人更多的重量，大腿與小腿之間的膝關(guān)節(jié)俯仰自由度為從動自由度。從靈活性來說，第一種方案最佳，但是，從控制難度、成本以及扭矩來說，第二種方案更合適，所以，第二種方案為首選方案。2.2平衡系統(tǒng)方案的確定四足機器人極易受到場地障礙和外部沖擊的作用導(dǎo)致重心不穩(wěn)定而摔倒，所以在突發(fā)狀況的時候，如何能讓四足機器人快速地恢復(fù)平穩(wěn)行走狀態(tài)，是四足機器人能否完成任務(wù)的關(guān)鍵。平衡系統(tǒng)的方案共有三種：（1）采用六軸姿態(tài)陀螺儀安置在四足機器人的中心，通過計算Z軸的偏移量，然后，進行補償來達到四足機器人相對的平衡狀態(tài)。（2）四條腿的旁邊安裝光流傳感器，對四個光流傳感器的數(shù)據(jù)進行比對，計算出偏移量，然后，通過補償達到四足機器人的相對平衡狀態(tài)。（3）與方案二的原理一致，將光流傳感器換成氣壓計，即可達到同樣的效果。方案二、方案三都需要使用4個傳感器才可以達到效果，光流傳感器對光線的要求比較嚴格，光線變化會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；四足機器人的最大浮動范圍01000mm，氣壓計的變化量很小，不容易被檢測到，容易失誤。方案一通過陀螺儀內(nèi)置的算法可以實時、準(zhǔn)確地將Z軸的偏移量讀取回來，并且使四足機器人快速反應(yīng)，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。3四足機器人行走系統(tǒng)設(shè)計3.1腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計因為考慮到設(shè)計、控制以及成本的問題，髖部橫擺的自由度就被舍棄，只有髖部俯仰的自由度是一個主動自由度，其他膝關(guān)節(jié)以及足端均為被動自由度。3.1.1關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計為減輕腿部結(jié)構(gòu)的重量，大腿部分為兩塊3mm厚的碳板，通過法蘭盤直接連接到電機，碳板沒有做鏤空設(shè)計，以此提升大腿強度，兩塊碳板中間間隔5mm，方便膝關(guān)節(jié)的設(shè)計。小腿部分為一塊5mm厚的6061鋁板制作，中間鏤空設(shè)計，用于減輕腿部結(jié)構(gòu)的重量。膝關(guān)節(jié)的大腿部分兩塊碳板上均套有擋邊軸承，小腿部分套有黃銅套，中間用螺絲固定，擋邊軸承和黃銅套都能起到滑動的作用，能讓膝關(guān)節(jié)靈活地活動。因為RM3508無刷減速電機不能將電機軸的轉(zhuǎn)速和方向反饋回來，為了將轉(zhuǎn)速和方向的數(shù)據(jù)提取出來，在電機軸上設(shè)計了一個5mm寬的同步帶輪，而且不影響腿部結(jié)構(gòu)與電機軸的連接，另一端連接在一個絕對值編碼器上，通過絕對值編碼器，將電機軸上的數(shù)據(jù)提取出來，并且反饋給從機。3.1.2足端結(jié)構(gòu)與姿態(tài)的設(shè)計為了能使四足機器人穩(wěn)定地運行，足端設(shè)計為一個平面，因為腿部的運動方式是模仿馬的運動方式，在運動的過程中，足端是在做向后蹬的運動，所以平面的前半部分與小腿相連；平面的后半部分用壓簧與小腿進行連接，模仿腳后跟先著地，然后，在向后運動的過程中整個腳掌落地。足端設(shè)計為一個平面與小腿連接，用壓簧輔助足端形成一個穩(wěn)定的姿態(tài)，保證整個腿部的運動可以穩(wěn)定地著地，并向前運動。足端下面還加有一個"鍵盤軸"作為一個觸發(fā)機構(gòu)，當(dāng)整條腿落地后，"鍵盤軸"會觸發(fā)一次，并返回一個數(shù)據(jù)以代表腿部已經(jīng)落地，以此保證每次腳部都會踩到地面上。3.2四足機器人的步態(tài)規(guī)劃3.2.1穿越障礙穩(wěn)定步態(tài)的設(shè)計四足機器人在翻越障礙的時候應(yīng)該是靜態(tài)穩(wěn)定性的，這就要求步態(tài)應(yīng)該有比較慢的前進速度和平穩(wěn)的重心。當(dāng)采用行走步態(tài)時，行進速度相對比較緩慢，要保證四足機器人可以平穩(wěn)地翻越障礙，就必須保證當(dāng)其中一條腿抬起時，機器人的重心必須落在支撐地面的三條腿所在的三角區(qū)域內(nèi)，否則，四足機器人就會有傾斜或翻倒的情況發(fā)生。因為不能保證每次四足機器人走到障礙前都是同一個位置且重心的移動難以掌握，所以行走步態(tài)不是很適合翻越障礙的任務(wù)。根據(jù)動物上臺階的一些特性，我們使用了一種較為特殊的方式翻越臺階障礙，四足機器人在平路采用較低的姿態(tài)再加對角小跑的步態(tài)快速地行走到臺階前，然后，迅速抬高軀體，兩條前腿迅速收縮并向前邁步，兩條后腿向前傾斜，讓兩條前腿直接邁到臺階上，并保持重心在整個軀體的正中心，再將兩條前腿迅速收起并向前邁步，讓兩條前腿跨過臺階，兩條后腿也以同樣的方式跨過臺階。走到繩索障礙的時候，也可以使用和翻越障礙同樣的辦法跳過去，也可以采用對角小跑的步態(tài)，直接走過去，因為繩索障礙的高度較低，且寬度極窄，軀體較低的情況下也不會蹭到繩索，導(dǎo)致機器人失去重心而倒地。相對臺階障礙來說，繩索障礙就可以有多種方案選擇，最終我們選擇最簡單的光電開關(guān)檢測方案。3.2.2直行及轉(zhuǎn)彎步態(tài)的設(shè)計平路上直行采用對角小跑的步態(tài)前進，并用架在車頭攝像頭openMV識別場地上的白線，將可能走偏的四足機器人糾正回來，使其一直保持走在白線上。當(dāng)遇到轉(zhuǎn)彎路段時，通過攝像頭采集并返回的數(shù)據(jù)，四足機器人左右腿通過緩慢的差速運動，使其轉(zhuǎn)彎，并使得軀體中線一直與白線重合。3.2.3坡面步態(tài)的設(shè)計四足機器人所要攀爬的坡面傾角達到了14°，如果整個軀體與坡面平行，就會導(dǎo)致重心后移，兩條后腿上的壓力激增，使得后腿的步態(tài)不能達到預(yù)期的效果，就此原因，將對角小跑的步態(tài)進行一些少許改動，讓后腿的運動狀態(tài)持續(xù)為直立后蹬狀態(tài)，前腿的運動狀態(tài)持續(xù)為半蹲狀態(tài)，整體運動狀態(tài)依然為對角小跑狀態(tài)，能夠使四足機器人在坡面上也可以平穩(wěn)快速地運動，不會出現(xiàn)因重心后移導(dǎo)致的向后翻倒的狀態(tài)。3.2.4電機的控制設(shè)計電機的精度決定了四足機器人能否按正常的步態(tài)沿著直線行走，為了方便控制，選用了大疆公司的M系列電機，功率有220W的M3508電機、44W的M2006電機，并配以14:1的減速比，可以輸出482rpm的轉(zhuǎn)速，滿足四足機器人所需要求。4結(jié)語針對四足機器人的行走系統(tǒng)，選用了對角小跑的步態(tài)行走，判斷障礙物的位置，通過跳躍的步態(tài)方式翻越場地內(nèi)的障礙，步態(tài)規(guī)劃對四足機器人的行走、翻越場地內(nèi)的障礙和爬坡能力有著密不可分的作用。選用合適的步態(tài)以及腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，再配合大功率的無刷減速電機，使四足機器人平穩(wěn)地行走。在改進被障礙絆倒、行走不穩(wěn)定導(dǎo)致的各種問題時，發(fā)現(xiàn)機械和電氣控制密不可分，需要特別緊密的配合。參考文獻：1曲夢可,王洪波,榮譽.輪腿混合四足機器人六自由度并聯(lián)機械腿設(shè)計J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017(11).2原鋼,李麗宏.關(guān)于四足機器人足端行走軌跡優(yōu)化設(shè)計仿真J.計算機仿真，2018(10).3張世俊,邢琰,胡勇.障礙地形下的機器人輪足復(fù)合越障步態(tài)規(guī)劃方法J.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2013(05).4鄒明峻,于金鵬,于海生,崔健.全肘式四足仿生機器人爬臺階步態(tài)研究J.電氣傳動，2019(06).