基于弧形腿的可調(diào)多輻條六足機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

張又元 王 琢 張子超 趙漢青 劉佳鑫 李丹丹*

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150040）

常見(jiàn)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式有輪式、履帶式和足式，這三種運(yùn)動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，輪式移動(dòng)效率最高，但是在較為崎嶇的地形上運(yùn)行不便。相反足式機(jī)器人的越障能力明顯優(yōu)于輪式機(jī)器人，但是運(yùn)動(dòng)效率較低無(wú)法快速移動(dòng)。履帶式機(jī)器人雖然集成了前兩者的優(yōu)點(diǎn)但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比較笨重。結(jié)合輪式與足式特點(diǎn)設(shè)計(jì)輪腿復(fù)合式機(jī)器人可以協(xié)調(diào)不同腿的動(dòng)作使機(jī)器人在高速行駛的基礎(chǔ)上增加一定的越障能力。其中美國(guó)密歇根大學(xué)研制的RHex 系列六足機(jī)器人較具有代表性。

本文以RHex 為設(shè)計(jì)藍(lán)本設(shè)計(jì)多輻條的六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行的穩(wěn)定性以及速度上強(qiáng)于RHex，并通過(guò)仿真對(duì)機(jī)器人特性進(jìn)行研究。

1 多輻條弧形腿六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

借鑒RHex[1-2]機(jī)器人的構(gòu)造本文所設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)分為機(jī)體部分和輪腿部分如圖1 所示。機(jī)體部分由鋁合金板材拼接而成，整體尺寸為818mm×427mm×156mm，內(nèi)部裝有傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制電路和電源四部分。機(jī)身兩側(cè)對(duì)稱分布有六個(gè)直流電機(jī)為輪腿提供動(dòng)力。其中位于中間的電機(jī)座分布較前后電機(jī)座分布向外平移一定寬度，這樣可以避免運(yùn)動(dòng)過(guò)程中中間輪腿與前后兩個(gè)輪腿相互阻礙導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)。每個(gè)弧形單足半徑為122mm，弧長(zhǎng)287.46mm，所對(duì)圓心角度為135°。電機(jī)聯(lián)軸器和弧形足均為鋼制，保證其耐久度。

圖1 多輻條弧形腿六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

聯(lián)軸器設(shè)計(jì)大體為柱狀體，以軸心為交點(diǎn)的正交方向上分別開(kāi)有四個(gè)卡槽用來(lái)安裝輻條連接件，每個(gè)輻條可以定制成不同弧度，使得機(jī)器人可隨機(jī)更換弧形輻條以及增加輻條數(shù)目，目前可實(shí)現(xiàn)六足六幅條，六足十二輻條以及六足二十四幅條三種工作形態(tài)，這樣可以有效提高機(jī)器人的運(yùn)行速度和運(yùn)行穩(wěn)定性。

機(jī)器人的每個(gè)足的髖部由一個(gè)M3508 直流無(wú)刷減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該電機(jī)減速箱減速比為19：1，并配有相應(yīng)的C620 驅(qū)動(dòng)電調(diào)可實(shí)現(xiàn)正弦波驅(qū)動(dòng)。

2 機(jī)器人步態(tài)分析

對(duì)于仿生類機(jī)器人，步態(tài)是指機(jī)器人的各個(gè)腿（足）按照一定的時(shí)間次序周期性擺動(dòng)。研究步態(tài)前先明確如下幾個(gè)概念[3]：

（1）擺動(dòng)相：腿（足）底離開(kāi)地面邁步到再次落地之間的時(shí)間；

（2）支撐相：腿（足）底接觸地面承受重力的時(shí)間；

（3）步態(tài)周期：腿（足）完成一個(gè)完整步的時(shí)間；

（4）占空比：各個(gè)腿（足）處于支撐相的時(shí)間與步態(tài)周期的比值。

2.1直線行走步態(tài)分析

將機(jī)器人的六足按逆時(shí)針編號(hào)，如圖2 所示。人們研究發(fā)現(xiàn)多足生物的兩相行走過(guò)程可以使用彈簧倒立擺模型（SLIP 模型）來(lái)預(yù)測(cè)[4-5]，筆者在哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)其正確性的驗(yàn)證[6]基礎(chǔ)上增加多輻條設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)其運(yùn)動(dòng)步態(tài)。當(dāng)每個(gè)足部安裝一個(gè)輻條或是兩個(gè)輻條時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)其實(shí)是模仿“六足綱”昆蟲(chóng)移動(dòng)。機(jī)器人每個(gè)輪腿只有一個(gè)髖部自由度，進(jìn)行過(guò)程中采用異步步態(tài)中的三足交替步態(tài)[7]。這種步態(tài)常用于在較為平坦的路面上行走，每條腿的支撐相與擺動(dòng)相比例約為1：1，占空比為50%。

圖2 輪腿編號(hào)

每個(gè)輪腿掛載一個(gè)輻條或者兩個(gè)輻條時(shí)將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為啟動(dòng)態(tài)和運(yùn)行態(tài)。因?yàn)榇_定好初始位姿后有助于運(yùn)行態(tài)的步態(tài)分析，提高運(yùn)行效率。同時(shí)還因?yàn)镸3508 電機(jī)并不能獲得轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置。啟動(dòng)態(tài)中設(shè)計(jì)了兩個(gè)動(dòng)作，啟動(dòng)時(shí)命令所有輪腿順時(shí)針慢速旋轉(zhuǎn)至弧形腿于地面相切并將其標(biāo)記為第一個(gè)動(dòng)作，此時(shí)分別記錄六個(gè)電機(jī)的位置編碼信息P1。隨后六足同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)克服機(jī)體自身重力做功至機(jī)器人站立并將其為第二個(gè)動(dòng)作，這個(gè)動(dòng)作要求各個(gè)電機(jī)相對(duì)各自的位置編碼P1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)π/2 到位置編碼P2處。

運(yùn)行態(tài)中我們將6 足分為呈三角分布的兩組，1、3、5 號(hào)足為O1組，2、4、6 號(hào)足為O2組，工作狀態(tài)簡(jiǎn)述如下：

（1）直線運(yùn)行時(shí)一個(gè)步態(tài)周期前半周期中1、3、5 號(hào)足處于支撐相，2、4、6 號(hào)足向前擺動(dòng)。

（2）后半周期兩組足交換工作，1、3、5 號(hào)足向前擺動(dòng)，2、4、6號(hào)足處于支撐相。

但是在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，為了提高運(yùn)作效率，還需分析兩組輪腿的配合過(guò)程。單個(gè)輪腿掛載一個(gè)輻條時(shí)O1組向前轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)O2組以低于O1組的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，保證在O1組輪腿與地面相切時(shí)，O2組輪腿足尖即將離開(kāi)地面，這樣才能使得工作狀態(tài)切換平滑且減小對(duì)電機(jī)的沖擊。

圖3 一個(gè)輻條時(shí)工作狀態(tài)切換

單個(gè)輪腿掛載兩個(gè)輻條時(shí)，以O(shè)2組輪腿的弦與地面垂直且O1組的弦與地面水平為輪腿旋轉(zhuǎn)周期的起始點(diǎn)，兩組輪腿的相位差為π/2，當(dāng)O1組輪腿向前擺動(dòng)時(shí)，O2組輪腿也以同樣的轉(zhuǎn)速向前擺動(dòng)但始終接觸地面來(lái)支撐機(jī)體，當(dāng)O1組輪腿與地面相切時(shí)O2組輪腿足尖也即將離開(kāi)地面從而實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)1）切換至工作狀態(tài)2）此后兩組輪腿的相位差始終保持π/2。

這時(shí)腿部所需力矩為：

圖4 切換時(shí)參數(shù)

計(jì)算得到T=2.6N·m 可認(rèn)為電機(jī)在運(yùn)作過(guò)程中持續(xù)以該扭矩輸出，而M3508 電機(jī)所能提供的持續(xù)最大扭矩3N·m 證實(shí)了設(shè)計(jì)的可行性，經(jīng)綜合考慮可在每個(gè)輪腿的足底包裹海綿膠以此來(lái)吸收工作狀態(tài)1）和2）切換時(shí)地面的沖擊，并且對(duì)于每個(gè)電機(jī)單位采用PID 閉環(huán)控制以提高電機(jī)輸出能效比。當(dāng)機(jī)器人單足掛載四個(gè)輻條時(shí)便可不必使用三足交替步態(tài)，可采用近似輪式控制方式的同步步態(tài)，這種情況將在控制難度上得以簡(jiǎn)化并且運(yùn)動(dòng)效率和穩(wěn)定性大幅提升。

2.2 越障步態(tài)分析

當(dāng)每個(gè)輪腿掛載1 個(gè)輻條或者2 個(gè)輻條時(shí)采用同步步態(tài)運(yùn)動(dòng)，將六個(gè)輪腿按前（F）、中（M）、后（B）分為三組，每次運(yùn)動(dòng)時(shí)同一組的左右兩邊的輪腿處于同一相（即同支撐相或同擺動(dòng)相），以爬臺(tái)階為例，一個(gè)完整的工作狀態(tài)如下：

（1）F 組處于擺動(dòng)相至Fl和Fr都接觸到臺(tái)階并運(yùn)動(dòng)至支撐相，這個(gè)過(guò)程中M組和B 組處于支撐相支撐機(jī)體。

（2）在（1）過(guò)程結(jié)束后，F(xiàn) 組與B 組處于支撐相支撐機(jī)體，M組重復(fù)（1）中F 組的工作流程。

（3）在（2）過(guò)程結(jié)束后，F(xiàn) 組與M組處于支撐相支撐機(jī)體，B組重復(fù)（2）中M組的工作流程。

當(dāng)每個(gè)輪腿掛載四個(gè)輻條時(shí)便采用輪式機(jī)器人的控制方式，直接控制六個(gè)輪腿以某種轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人翻越障礙。

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為控制電路部分和驅(qū)動(dòng)電路部分?？刂齐娐返闹骺匦酒捎肅ortex-M4 內(nèi)核的STM32F407 系列32 位微處理器，該芯片擁有高達(dá)168MHz 主頻和1MB 閃存以及多路DMA 通道[8]，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用C620 電調(diào)配合中心板?？刂品桨覆捎肅AN 總線分布式控制[9]。C620 電調(diào)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)M3508 電機(jī)的同時(shí)采集電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器數(shù)據(jù)得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，位置和實(shí)際溫度并將這些信息通過(guò)CAN 總線回傳到STM32MCU 用于對(duì)于每個(gè)電機(jī)控制任務(wù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)速位置雙閉環(huán)控制。傳感器模塊通過(guò)IIC 總線和串行通信接口將姿態(tài)數(shù)據(jù)以及GPS 位置信息回傳到STM32MCU 進(jìn)行姿態(tài)結(jié)算和狀態(tài)處理。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS[10]為平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因?yàn)樵摬僮飨到y(tǒng)目標(biāo)代碼小，簡(jiǎn)單易用且免費(fèi)開(kāi)源，編程語(yǔ)言采用C 語(yǔ)言，總體分為通信模塊、電機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)解算模塊。再分別建立初始化任務(wù)、運(yùn)動(dòng)任務(wù)、串口通信任務(wù)、傳感器數(shù)據(jù)獲取任務(wù)等，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的常規(guī)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)管理和環(huán)境信息獲取及處理，實(shí)現(xiàn)平地行走及障礙翻越功能。

3.2.1 通信模塊。在電路設(shè)計(jì)時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路以及一些外設(shè)的驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)有集成在主控電路上，而是獨(dú)立封裝的電調(diào)和獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路。所以對(duì)于電機(jī)的控制方式和其他執(zhí)行器控制采用收發(fā)命令的方式，通信任務(wù)將自動(dòng)接收總線上的命令并通過(guò)相應(yīng)的協(xié)議將控制命令發(fā)送至總線上。

3.2.2 電機(jī)控制模塊。將機(jī)器人身上的電機(jī)控制方式分為兩類：速度控制和角度控制，對(duì)于速度控制采用經(jīng)典的增量式PID[11]，而角度控制則采用串級(jí)PID 控制[12]并將六個(gè)電機(jī)單元抽象為統(tǒng)一的對(duì)象，為每個(gè)對(duì)象開(kāi)辟獨(dú)立內(nèi)存空間用于存放電機(jī)運(yùn)行參數(shù)以及控制運(yùn)算時(shí)的參數(shù)。

3.2.3 數(shù)據(jù)解算模塊。因?yàn)闄C(jī)器人系統(tǒng)中的執(zhí)行器控制協(xié)議不一，因此需要有針對(duì)不同協(xié)議的數(shù)據(jù)解算過(guò)程，編寫相應(yīng)的程序?yàn)榱烁鱾€(gè)任務(wù)以及主程序獲取不同類別執(zhí)行器的反饋信息以及向發(fā)送模塊傳送不同執(zhí)行器的控制命令。

每個(gè)任務(wù)通過(guò)調(diào)用以上三個(gè)模塊來(lái)完成相應(yīng)的邏輯，方便了單獨(dú)任務(wù)的程序編寫，降低任務(wù)與任務(wù)之間的耦合程度。

4 仿真驗(yàn)證

筆者在Solidworks 軟件中對(duì)單個(gè)輪腿掛載一個(gè)輻條的工作情況進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)仿真，其結(jié)果截圖如圖5。

圖5 仿真截圖

筆者在Solidworks 軟件中對(duì)單個(gè)輪腿掛載兩個(gè)輻條的工作情況進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)仿真，其結(jié)果截圖如圖6。

仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文步態(tài)規(guī)劃的正確性和合理性。

5 結(jié)論

以RHex 機(jī)器人為設(shè)計(jì)藍(lán)本，本文設(shè)計(jì)的輪腿式機(jī)器人吸收RHex 機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)設(shè)計(jì)出可更換輪腿輻條數(shù)目的新型六足機(jī)器人，結(jié)合輪式與腿式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合掛載不同數(shù)目的輻條以便獲得最高的運(yùn)動(dòng)效率和穩(wěn)定性并且該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于維護(hù)。同時(shí)在SolidWorks 中對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了本文所提出的機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃的可行性?？蓪?duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和安全防護(hù)方面做深一步研究使之應(yīng)用到小型林場(chǎng)巡檢，地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。

圖6 仿真截圖