小型仿人机器人的设计及步态规划

1 引言
    机器人是一门综合性很强的学科，有着极其广泛的研究和应用领域。机器人技术是综合计算机技术、信息融合技术、机构学、传感技术、仿生科学以及人工智能等多学科而形成的高新技术，它不仅涉及到线性、非线性、基于多种传感器信息控制以及实时控制技术，而且还包括复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。
    仿人形机器人是机器人技术中的一个重要研究课题，而双足机器人是仿人形机器人研究的前奏。步行技术是人与大多数动物所具有的移动方式，是一种高度自动化的运动，双足步行系统具有非常复杂的动力学特性，具有很强的环境适应性。相对轮式、履带式机器人，它具有无可比拟的优越性，可进入狭窄的作业空间，也可跨越障碍、上下台阶、斜坡及在不平整的地面上工作，以及护理老人、康复医学和一般家庭的家政服务。另一方面，由于双足机器人具有多关节、多驱动器和多传感器的特点，而且一般都具有冗余的自由度，这些特点对其控制问题带来很大难度，为各种控制和优化方法提供理想的实验平台，使其成为一个令人瞩目的研究方向，因此对双足步行机器人行走规划机器控制的研究不仅具有很高的学术价值，而且具有一定的现实意义。
    以小型双足机器人的设计为重点，介绍一款小型双足机器人的设计，包括自由度配置，动力源核材料选择，并针对所设计的机器人进行静态步行规划。

2 小型双足机器人本体设计
    作为一种双足机器人研究平台，要求所设计的机器人能够满足研究者对双足机器人的基本要求，即机器人具备稳定行走的能力，为研究双足机器人的行走方法步态规划提供平台。图1为所设计的双足机器人的平面图。机器人共有18个自由度，头部的前方和左右两侧都装有超声波传感器，用来检测障碍物，头顶装有声敏传感器，用来检测声音。

2．1 机器人自由度配置
    郑元芳博士从仿生学的角度研究仿人机器人腿部自由度配置。得出关节扭矩最小条件下的两足步行结构自由度配置方案。他认为髋部和踝部各设置2个自由度，可改变行走方向，踝关节处再增加一个回转自由度，使得脚板在不规则的表面落地；膝关节设置 1个自由度，方便上下台阶。则每条腿要设置7个自由度。
    根据郑元芳理论，可规划出所设计的类人机器人的运动过程和行走步骤：重心左移(假设先迈右腿，左脚支撑)、右腿抬起、右腿放下、重心移到两腿间、重心右移、左腿抬起、左腿放下、重心移到两腿间，共分8个阶段。这里设计的机器人具有避障功能，因此髋关节的侧向旋转自由度必不可少。所设计的机器人不考虑在不规则地面上行走问题，所以可以不设置踝关节的侧向旋转自由度。这样设计出的机器人虽然不能站在不规则的地面上，但可以在平地上完成所有的行走过程，实现前行、后退、转弯等动作。
    这样设计出的机器人腿部共有12个自由度，每条腿各6个，即踝关节前向和扭转2个自由度，膝关节前向1个自由度，髋关节有前向、侧向旋转和转向3个自由度。自由度的设置如图2所示。

2．2 机器人驱动元件的选择
    在驱动元件的选择上，早期研究者曾试图模仿人的肌肉运动方式用气动人工肌肉作为双足步行机的驱动元件，这种气动人工肌肉通过橡胶管充气膨胀引起的收缩来代替人体肌纤维的收缩运动，但由于技术水平的限制，人工肌肉在体积和力学特性等方面都与真正肌肉有较大差距，实际效果并不好。目前，大部分机器人采用伺服电机作为驱动元件。伺服电机具有速度快、扭矩大的特点，并配备双向接口，能够监测当前电机位置，因此得到广泛应用，并取得良好效果。
    微型伺服电机内部包括一个小型直流马达、一组变速齿轮、一个反馈可调电位器及一块电子控制板，是一种可定位的直流电机，当接收到一个位置指令时，就会运动到指定的位置。微型伺服电机马达具有高力矩、高性能、控制简单、装配灵活、价格低等优点。从各方面因素考虑，本设计选用微型伺服电机作为驱动元件。该设计选用Robotis公司生产的AX-12+伺服电机，电机之间通过串口通信，由主控制器打包传输通信数据。

3 双足机器人步态规划
    目前双足机器人的步态规划一般采用两种方法：一种是应用数学手段通过建立机器人的数学模型进行规划，另一种方法是模拟人的行走过程及人的生理结构。该设计采用后者。人类步行运动是以一条腿交替地作为支撑，向前摆动另一条腿，并伴以躯干和手臂的运动而实现的。其过程和机理非常复杂。研究表明：双足机器人在平稳步行的条件下，能够实现上身躯和下肢的运动解耦，并易于对下身躯的各个关节角进行角度规划，因此可利用解耦控制分别控制上身躯和下身躯的运动，并且对下身躯的各个关节角实施规划。因此。分析和模拟人类的步行运动时，应重点抓住下肢的主要动作特点和要领。
3．1 人体步态周期研究
    人体在行走的过程中，其重心不断地周期性移动和改变，在任何时刻至少有一只脚与地面接触，而其中一段是两只脚同时着地。单支撑和双支撑交替进行，但只有单支撑和双支撑在行走周期中所占比例合理，才能保持身体平衡。以一个周期为研究对象，比例分配如图3所示。

3．2 根据周期比例利用通用软件规划步态
    由图3可知，在一个完整的步态周期里包括2个双支撑和2个单支撑时间，设置双支撑占周期的20％，单支撑占周期的80％。对于单腿来说，整个周期里只有一个摆动周期，占周期的40％，支撑周期由一个单支撑和两个双支撑组成。占周期的60％。两条腿的髋关节角度必须满足式(1)，才能保持行走时身体平衡。

  
    式中，r为髋关节的相关系数，n为自由度，xi和yi分别是人类和机器人在第i次运动的髋关节角度，x和y分别是人类和机器人在一个周期内髋关节运动角度的平均值。根据式(1)利用目前通用的机器人行为编辑软件进行步态规划，规划结果如图4所示。

    根据图4所示的步态规划与仿真图对所设计的机器人进行行走试验。试验结果表明，机器人在行走之前要有立正的准备姿势，使其重心与身体所在平面与地面垂直，通过调整膝关节角度实现机器人的稳定行走，证明了该算法可行。

4 结论
    设计了一款结构紧凑、外形美观的小型双足机器人本体，机器人共18个自由度，每条腿6个，每条臂3个，可用作科学研究平台，也可用于机器人比赛。使用行为编辑软件步态规划所设计的机器人，所规划的步态模式具有轨迹可达性和运动可控性，反映一种连续稳定的自然行走模式。仿人模式的步态规划方法从模仿人的角度很好反映拟人体生物机械的高效步行机理。采用模糊控制和专家控制理论，以步态稳定状态为输入，非时间参考量轨迹的修正量为输出，涮节机器人的瞬时步行速度和双脚着地的周期比例，在线实时修正步态，机器人可在不改变空间运动路径的情况下实现动态稳定步行。