仿人形爬坡機器人的設計及分析

婁家潤，李三平，孫國東，王 松

(東北林業大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

相比輪式、履帶式機器人，雙足機器人的運動靈活性和對環境的適應性具有顯著優勢。主要表現在兩個方面：一是離散式的落腳點；二是具有多肢體、多自由度的特征。因此腿足式機器人在各方面有許多應用。

目前，美國已經研制出Petman機器人、Atlas機器人，這兩款機器人能模仿人行進；日本研制的HRP4C機器人能夠模仿人的動作，完成舞蹈動作；意大利研制的Coman機器人結合了剛柔關節，可完成機器人的交替跳躍。

國內研究領域近些年來在仿人機器人方面也取得了一定成果，哈爾濱工業大學的HIT-Ⅲ機器人具有12個自由度，能實現人類的基本運動形式，如靜態步行與動態步行、上下坡以及上下樓梯[1]。

但是目前對仿人機器人步態多關節協調控制領域的相關研究相對缺乏[2]。本文針對這一問題，主要分析了仿人機器人機械本體的設計、步態規劃并對步態規劃進行了初步擬定。

1 機器人的總體設計

仿人爬坡機器人的總體研究思路是:通過對人體的肢體結構與運動結構模式的模仿來實現仿人機器人爬坡運動，提高其運動能力。模仿不代表要進行完全的復制，并且這也是不可能的，要考慮到對它的優化與改進，保證其能實現預定要求，進而提高運動能力。

1.1 自由度分析

人體關節結構過于復雜，在實際建模過程中，為了簡化分析，需要去掉冗余關節。經過分析發現有幾個重要關節應當保留，要保留的關節及其原因如下：①頭部，機器人頭部要安裝傳感器，便于以后的反饋調控；②肩關節，機器人需要通過擺臂來平衡邁腿所造成的力矩不平衡；③肘關節，具有輔助調節平衡作用；④髖關節，實現邁步以及軀體動作，輔助步行過程中的平衡；⑤膝關節，調整擺動腿的著地高度與角度，適應步行環境；⑥踝關節，調整腳掌與地面接觸狀態，配合腿部與軀體移動。

人體關節形式主要是球鉸型的，但考慮到球鉸型關節過于靈活，不方便控制，所以使用多個旋轉型關節代替球鉸型關節。該機器人全身共分配有17個自由度，其具體的連桿、自由度分配和轉軸如圖1所示。

圖1 仿人機器人自由度分析

該方法雖然降低了機器人的控制難度，加強了機器人運動的穩定性，但是增加了關節部分結構尺寸，所以機器人結構尺寸與人體結構尺寸有偏差。

1.2 機器人的結構設計

結合自由度分析，依據人體上、下身比例特點并結合實際情況，設計機器人的具體結構。

擬定機器人的各關節選用舵機驅動,考慮減小機器人的體積并減輕重量，將機器人的結構做成框架型。除此之外，通過對人體運動進行分析，假定單側轉動范圍極限角度為90°，框架的設計在保證舵機活動范圍的條件下，有效地利用了舵機所占的空間[3]。

此機器人在設計過程中，髖關節中的兩個軸的軸線與踝關節兩個軸的軸線是相交的，這樣使得關節角度的相關計算變得較為容易。設計后的機器人整體高度為654 mm，利用UG建立的機器人三維實體模型如圖2所示。

1.2.1 機器人材料

考慮在滿足機器人強度要求的條件下，應盡可能減輕關節負擔，降低機器人實際重量，機器人采用5052鋁材，它具有材料密度低、抗拉強度高、延伸率大、疲勞強度高的特點。

1.2.2 驅動原件選擇

在結構布局設計之后，可以推算出機器人的重量和質心位置?？紤]到腳踝處在運動過程中所需力矩最大，在設計計算過程中只需要計算校核腳踝處所受力矩即可，其轉矩的計算分析圖如圖3所示。

圖2仿人機器人機械結構的三維實體模型圖3轉矩計算分析

關節所需轉矩由下式計算：

M=GLcosθ.

(1)

其中：M為伺服電機輸出軸的轉矩，即關節所需轉矩；G為重量；L為關節轉軸中心到質心距離；θ為機器人垂直狀態到關節轉動后所夾角度。

由于機器人在運動過程中各關節單元換向頻繁，對動作反應的靈敏性和運動穩定性要求高，因此通過分析比較各種驅動方式，并經計算選擇SR-1501MG標準數字電機，其扭轉力矩可達1.5 Nm。

2 機器人的步態規劃

由于人在實際行走過程中運動機理十分復雜，為了方便計算與步態規劃，在坡度不是很大時，即坡度在10°～20°時，我們做出如下假設:機器人行走過程中擺臂所提供的力矩與邁腿所產生的力矩平衡；地面能夠提供足夠的支撐力與摩擦力；機器人上半身保持直立，質心相對于軀干坐標系位置不變。

以前進運動為例，將機器人步行劃分為三個階段：起步階段、周期性步行階段和停止階段。而周期性步行階段又可細分成單腿支撐期和雙腿支撐期[4]。在行進過程中，腿部各關節的移動將造成重心的移動，為了保證機器人在行進過程中不失穩，引入ZMP規劃對機器人在斜面上的運動軌跡進行分析。對連桿與關節之間的運動關系進行正運動學分析，再根據逆運動學,求得各個運動時期關節角的變換函數[5]?？紤]到機器人在行進過程中前向平面與側向平面運動存在耦合，實際運動桿狀圖如圖4所示。圖4中機器人的虛線部分為左半身。

如圖4所示，O狀態為起步狀態；A～C階段為左腿支撐相階段，其具體過程為：左腿單腿支撐階段、右腿單腿擺動階段、擺動腿發生碰撞階段；C～E階段為右腿支撐相階段，其運動情況與左腿支撐相相對；A～E整個階段為周期性步行階段；F狀態為停止狀態。

3 爬坡運動控制分析

3.1 控制思路

本文使用單片機與上位機進行通訊，調試下載動作程序；而后機器人按預測軌跡行進，在實際運行過程中，由于存在模型不準確和外界干擾等情況，將實際測量值和模型預估計值進行比較，實時矯正誤差。模型的控制原理如圖5所示。

圖4 步態規劃

圖5 模型控制原理

3.2 傳感器選擇

在機器人宏觀調控的過程中，采用CCD圖像傳感器作為視覺傳感器，保證其在預定軌跡上行走。鑒于落地時刻為剛性沖擊，情況特殊，且設計過程是全腳掌落地，因此在足底安裝多個一維力傳感器，通過測量計算壓力中心來輔助調節質心位置。機器人頭部和腳部傳感器布置方式分別如圖6、圖7所示。

圖6機器人頭部傳感器布置圖7機器人腳部傳感器布置

3.3 控制器的選擇

結合機器人的運動要求與控制要求，本文選擇32路舵機控制器，鑒于要外接CCD圖像傳感器，因此引入STM32單片機，并通過32路舵機控制器上預留的單片機TTL電平串口接口進行通信。

4 結束語

針對爬坡要求，設計了一種具有17個自由度的仿人爬坡機器人，實現小坡度(10°～20°)上的運動。采用UG進行建模，通過步態規劃分析，提出控制要求并選擇控制器，確定了框架材料與驅動方案。為了實現爬坡運動，做出合理假設，對機器人運動進行了步態分析。