（机械电子工程专业论文）六足仿生机器人的研制.pdf

晗尔滨工业大学工学硬士学位论文 摘要 六足仿生机器人，是一种可以在复杂地表实现高效行走的步行机器人。 它模仿节肢动物的肢体结构，采用六足支撑，在快速行走时，可以形成三足 支撑，三足前摆的高效稳定步态。存在多种步态，可以适应不同的速度和不 同的载荷要求。同时肢体结构上存在冗余，可以在失去若干肢体的情况下继 续执行一定的工作。六足仿生机器人的优点使其尤为适合担当野外侦查、水 下搜寻阻及太空探测等对自主性、可靠性要求比较高的工作。 本课题的目的是设计一种六足仿生机器人平台，并对机器人的行走机理 和控制策略进行研究，为今后设计自主的智能六足仿生机器人积累经验。 首先，论文以节肢动物肢体为模仿对象，对肢体进行了抽象与简化，设 计出了六足仿生机器人的本体结构。并分别对自由度的选取和足位置分布等 方案进行了分析和讨论。 以舵机为执行元件，设计了机器人的舵机控制器。其中包括舵机的驱动， 多舵机的分时控制以及舵机的速度控制方法。 以节肢动物的神经系统为模型，借鉴布鲁克斯的分层控制结构和行为学 方法，设计了机器人的控制系统。其中包括基于反射机理的简单状况处理方 法和基于节律性神经网络的步态规划方法。 论文还在克鲁斯的六条规则基础上，提出了一种应用于六足机器人步态 规划的简单规则，并在通过实验验证了规则的可行性。 关键词六足机器人；仿生学；步态规划：反射：神经网络 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t h e x a p o d b i o r o b o t ，i s ac l a s so fr o b o t sw h i c hc a l lw a l ko n r o u g h e n v i r o n m e n tw i t h h i g he f f i c i e n c y t h e y w e r e d e s i g n e db ym i m i c k i n g t h e s t r u c t u r ea n df u n c t i o no fa r t h r o p o d t h e yh a v es i xl e g s ，a n dc a nf o r mat r i p o d g a i tw h e nm o v i n g w i t hh i g hs p e e d t h e yh a v ev a r i e t yo f g a i t s ，a n dc a nm o d u l a t e t h e ma c c o r d i n gt od i f f e r e n tv e l o c i t ya n dl o a d t h e r ei sr e d u n d a n c yi nt h ed e s i g n ， t h a t t h e yc a n s t i l ld os o m ew o r ke v e ns o m el e g sa r e d a m a g e d w i t ht h o s e a d v a n t a g e ，h e x a p o dr o b o t a r em o r es u i t a b l ei ns i t u a t i o nw h i c hr e q u i r em o r e a u t o n o m ya n dr e l i a b i l i t ys u c ha sf i e l dr e c o n n a i s s a n c e ，u n d e r w a t e rs e a r c h ，a n d s p a c ee x p l o r a t i o n o u rg o a li st o d e s i g nah e x a p o dr o b o tp l a t f o r m ，a n dr e s e a r c ho nw a l k i n g m e c h a n i s ma n dc o n t r o l s t r a t e g y , a c c u m u l a t i n ge x p e r i e n c e f o rl a t e rw o r ko fa a u t o n o m o u si n t e l l i g e n th e x a p o db i o r o b o t f i r s t ，w ea b s t r a c ta n ds i m p l i f yt h ea r t h r o p o db o d ys t r u c t u r e ，a n dd e s i g n e d t h eb o d yo f h e x a p o db i o r o b o t w ea l s od i s c u s s e dt h el e gp o s i t i o na n dt h en u m b e r o f d e g r e eo f f r e e d o m r u d e rs c r v ow e r es e l e c t e da st h ea c t u a t o r sa n dar u d e rs e r v oc o n t r o l l e rw a s d e s i g n e d ，i n c l u d i n g r u d e rs e r v e d r i v i n g t e c h n i q u e ，m u l t i r u d d e r s e r v o t i m e s h a r i n gc o n t r o la n dv e l o c i t yc e n t r e lo fr u d e rs e r v o w eu s eb r o o k s l a y e r e dc o n t r o ls t r u c t u r ea n db e h a v i o rm e t h o df o r r e f e r e n c e ， a n db u i l dt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h er o b o t ，i n c l u d i n gr e f l e xm e c h a n i s ma n dg a i t g e n e r a t i o nf o i t f lr h y t h m i c a ln e u r a ln e t w o r k a s i m p l er u l ew a s s i t e df o rh e x a p o dr o b o t g a i tg e n e r a t i o nb a s e do nc r u s e s s i xr u l e s t h ef e a s i b i l i t yi sp r o v e db y e x p e r i m e n t s k e y w o r d sh e x a p o dr o b o t ，b i o n i c s ，g a i tg e n e r a t i o n ，r e f l e x ，n e u r a ln e t w o r k i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 生物在十几亿年的发展过程中，为了适应环境，发生了令人惊叹的进化，它 们可以在空中飞行，陆地上奔跑，或是在水中迅速的游动。这些进化近乎完美。 人们发现，生物的这种为了适应环境所形成的进化方案，可以为工程技术提供十 分重要的参考信息，将极大地提高人类的适应性和改造能力，产生巨大的社会经 济效益。 仿生学( b i o n i c s ) 也就在这样的思想中应运而生，它试图通过模仿生物在结构 和功能的已有方案，达到设计上的技术要求。仿生学的历史可以追溯到许多世纪 以前，但只是到了2 0 世纪4 0 年代，随着电子学的蓬勃发展，仿生学才真萨丌花 结果。一般认为，1 9 6 0 年9 月召开的第一届仿生学国际会议，正式宣布了仿生 学的诞生 2 1 。提出“仿生学”这个名字的斯蒂尔( j a c k e l l w o o ds t e e l e ) 博士是这 样给仿生学下定义的：“仿生学是模仿生物系统的原理建造技术系统，或者使人 造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学”1 3 】。 由于机器人的系统结构与生物体存在着很多共同特征，仿生学很自然地成为 机器人技术学的一个重要手段，仿生机器人也层出不穷，一方面以其生物学方面 的特性，在工程上发挥着巨大作用，同时也为生物学的研究提供了有力的实验平 台。 本课题所研究的六足仿生机器人，就是基于生物学的研究成果，模仿节肢动 物的机构和功能，来实现特定功能的一种多足步行机器人。目前，用于在人类不 宜或不能进入的地域进行独立探测的机器人主要分两种，一种是由轮子驱动的轮 行机器人，如我们所熟知的火星探测器“勇气号”，另一种是基于仿生学的步行 机器人。轮行机器人比起步行的优点在于驱动控制比较简单，在较为平坦的地域 行走效率很高，不足之处在于对于未知的复杂自然地形，其适应能力很差 4 1 。而 步行机器人的优点可以在复杂的自然地形中较为容易的执行任务，对于此类机器 人的研究就显得很有价值。它们可以越过和肢体尺寸接近的障碍物。而轮行机器 人则只能越过小于轮子半径的障碍物，所以在未知的自然界地形中，步行机器人 就要灵活得多。但是步行机器人的缺点也是明显的，由于驱动步行机器人需要在 每个腿关节安装一个驱动器，驱动器的数量相对较多，而且即使静止站立的时候， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 也需要能量，所以对于野外环境，对随身携带的能量要求比较高。并且在机器人 行走过程中又需要大量的计算来实现驱动器之间的协调工作，所以对于控制系统 的要求也相当高。 在众多步行机器人中，模仿昆虫以及其他节肢动物门动物的肢体结构和运动 控制策略而创造出的六足机器人是极具代表性的一种。六足机器人与两足和四足 步行机器人相比具有以下几个特点： ( 1 ) 控制结构简单的特点因为节肢动物具有比起哺乳动物相对简单的神 经结构，可以通过更为有效的方法了解节肢动物的运动神经系统，从而设计出可 靠的，简单的控制系统。 ( 2 ) 行走平稳节肢动物为多足支撑，可以始终保持稳定的地面支撑，所 阻系统比较容易实现平稳行走。 ( 3 ) 冗余设计节肢动物的肢体数目属于冗余设计。即使有肢体因为损坏 无法工作，其他肢体仍可以完成一定的行走。 这些特点使六足机器人更能胜任野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对独立 性、可靠性要求比较高的工作。本课题以此为出发点，设计了一种小型六足机器 人。 1 2 六足机器人的发展 六足机器人的发展，就如同仿生学的发展一样，一方面依赖着人对生物个体 了解的不断深入，以汲取灵感：另一方面，在实现上，又依赖于传感器技术和控 制技术的不断进步。早在八十年代初，美国宇航总署为了火星探测计划就开始资 助用于星际探测的六足步行机器人的研制。于是出现了八十年代米的g e n g h i s i 5 l 和九十年代初的a t t i l a 和h a n n i b a l 扣j 。但是因为上面提到的步行机器人对于电力 和控制系统的要求较高，九十年代中期宇航总署还是转向研制更为经济的、易于 实现的轮行探测器。近些年。随着半导体技术和能源技术的发展，步行机器人的 在执行器和控制器上的要求得到了满足，很多科研机构又开始投入到六足步行机 器人的研制中来。这使得六足机器人得到了快速发展。 1 2 1 六足机器人的发展过程 1 2 1 1 早期的六足机器人g e n g h i s 、a t t i l a 和h a n n i b a l 随着美国宇航总署对外 太空探测计划的不断深入，追切需要种可以在未知复杂星球表面执行勘探任务 的机器人。由于六足机器人的所具有的这方面优点，使其早在上世纪八十年代就 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 已被列入资助研究计划。其研究成果包括八十年代末的g e n g h i s 和九十年代初的 a t t i l a 和h a n n i b a l 。g e n g h i s ( 如图1 - 1 左) 是由i r o b o t 公司研制于8 0 年代，每条 腿装有两个电机，使得它可以自由行动，但是因为每腿只有两个自由度，行动有 些笨拙。采用递归控制结构，可以使g e n g h i s 在复杂路面上行走，包括横越陡峭 的地势，爬过高大的障碍，避免掉下悬崖 7 1 。 图i - ig e n g h i s 5 j 和a t t i l a 剐 f i g 1 - 1g e n g h i s 5 】a i l da t t i l a 6 】 a t t i l a ( 如图1 1 右) 和h a n n i b a l 是由麻省理工学院的移动式遥控机械装景实 验室于九十年代早期研制成功。他们是该实验室最早用于自主行星探测的机器 人。他们外形相同，只在颜色上有差异，都是g e n g h i s 的“后代”。它们在设计 上强调模块化子系统结构，各个部分( 如头部、腿部和身体) 被当作独立的模块 来处理。它的设计重量和尺寸受系统复杂程度的制约，为了保证其在太空运行的 可靠性，采用了冗余设计：从机械角度看，六条腿行走时，一旦有某条腿失效， 余下的腿仍然可以行走：从传感器的角度看，这种冗余可以让来自不同位置的传 感器将信号传给主控制器，以更有效地分析地形。当有传感器失效时，剩下传感 器仍可以让机器正常运行。 1 2 1 2 九十年代中期的a r i e l 和r o b o t l i 对于跨海登陆作战的部队来说，浅滩 地雷是无疑是最危险也最头疼的登陆障碍，出于这点考虑，美国麻省理工大学和 其下的i s - r o b o t 公司得到国防部高级研究计划局的资助，研制了两代浅滩探雷机 器人a r i e l o i 。 a r i e l ( 如图l - 2 ) 由美国i s r o b o t s 公司于1 9 9 5 年研制。流线型身体和细腿可 以有效的减小在水中的阻力。身体配备多种传感器，对周围环境和自身状况的感 知非常灵敏。并配备一套自适应软件，可对一些变化做出积极的反应。它还可以 抵御海浪的冲击，因为它是可以完全翻转的，如果海浪将它打翻，他还可以“底 篓鎏坚鳖塑誊塑垒；。一 朝上”的继续行走。由腿部只有两个自由度，但由于其只在一个方向上行走，且 控制算法简单，使其行动非常灵活。 图i - 2a r i e l i s i f i g 1 - 2 a r i e l 【8 l r o b o ti i 1 ( 如图1 3 ) 是由c a s ew e s t e r nr e s e r v e 大学，机械及航天工程学 院的仿生机器人实验室研制。r o b o ti i 每条腿上有三个旋转自由度，一个水平弹 簧加载自由度。它的控制器在场外的计算机中。步态控制器基于节肢动物腿部协 调工作的机理。通过改变一个简单的速度参数，步态可以从一个缓慢的波动步态 转换到快速的三足步态。通过将仿昆虫反射与步态控制器结合，它可以在复杂的 路面上行走。 图1 3r o b o ti i “】 f i g 1 3r o b o ti i 1 1 】 l 。2 。1 3 近年完成的典型六足枫器人s c o r p i o n 、t a r r y 、l a u r o n i i i 、h a m l e t 和 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 s t l i d e r b o ts c o r p i o n 1 2 ，n 1 ( 如图i - 4 ) 是由美国波士顿东北大学海洋科学中心自主 水下机器人研究小组和德国f r a t m h o f e r 自主智能系统研究所( a i s ) 共同完成于 2 0 0 1 年。这项工程的目标是运用集成来自行为学实验和无脊椎动物的神经生物 学数据的低级行为指令，通过高级的控制模式来组成行为序列，实现复杂的行为。 机器人的设计是根据来自多足节支动物的解剖学数据。其采用机器人的行走控制 基于两个仿生控制元：中央模式生成元和基本运动的高级行为元。 图1 4s c o r p i o n i ”】 f i g 1 4s c o r p i o n 1 t a r r y i l 4 j ( 如图1 5 ) 由德国杜伊斯堡大学机械工程部机械学院研制，项目始 于1 9 9 8 年。它是在前一代六足机器人t u m 的基础上研制的。仍然采用h o l k c r u s e 教授的w a l k n e t 控制结构。完善了更多的智能策略如加入腿部反射等，这使其行 动很灵活。 l a _ 【l r o m i i 【l 副由德国卡尔斯鲁厄的f z i 研究所研制，是十年不断改进的结果， 之前曾设计过l a u r o i l i 和i i 。为它设计了“驾驶员”步行控制器，采用神经网络自 适应控制和b r o o k s 归类控制结构，从传感器的数量和功能上，都有很大完善。 h a m l e t i t 6 1 由新西兰坎特伯雷大学机械工程学院研制于2 0 0 1 年。h a m l e t 是用 于研究在复杂的自然地形行走方法的六足机器人。在机器人的足部同时使用力 位置控制，步态控制采用一种新的理论：指数域约束测量方法，这种方法扩展了 h o l kc r u s e 教授的六条规则，使其可以应用在六足机器人的任何方向移动。 ：葛皇詈暑詈筌呈坚耋譬型耋些ii = 皇皇皇一 1 2 2 六足机器人结构的发展 图1 5t a r r y f i g 1 5t a r r y 4 1 从g e n 【g h i s 到t a r r y 、l a u r o n i i i 、s c o r p i o n ，机器人的肢体结构有了很大的完 善。六足步行机器人的结构区别主要在于腿部自由度的数目和形式( 如表1 一1 ) ， 绝大部分六足机器人的腿部自由度都是模仿动物关节的旋转自由度，只有a t t i l a 和h a n n i b a l 在足端增加了一个直线运动，可以使身体保持平稳，这在早期是明智 和经济的设计。 表1 1 六足机器人腿部自由度的分配和比较 t a b l e i 1d i s t r i b u t i o na n dd i s c u s s i o no f h = x a p o dr o b o t sd o fo f l e g s 自由度数自由度分配行走方向实例评价 2 大腿前后摆动纵向自行走g e n g h i si i行动不平稳，可以臼 大腿抬起原地自由转向由转向 2 大腿抬起仅可横向行走 a r i e l 行动十分灵活 小腿捡起不足是在于方向不易 改变 3 大腿前后摆动纵向自行走 a t t i l a 行动平稳 大腿抬起原地自由转向 h a n n i b a l 在各种地形上均能保 小腿伸长持平衡 3 大腿前后摆动任何方向 r o b o t i l 行走自然 大腿抬起 1 r r y 步态复杂 小腿抬起 h a m l e t 需要较高的控制技术 s c o n f i o n l a u r o ni i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 已经证明，要实现任何方向的平稳行走，六足机器人需要每条腿三个自由度。 由于步行机器人的执行器比较多，协同工作又需要大量的数据处理，考虑到处理 器速度的限制，早期的机器人大都采用减少一个自由度的方法，虽然行走会变得 笨拙或有缺陷，但提高了实时性，如g e n g h i s 和a r i e l 。 从1 9 9 5 年的r o b o ti i 之后，六足机器人以每足三个自由度成为主流，原因正是 这种结构与昆虫的肢体结构最为接近，可以实现稳定柔顺的姿态控制，行动更为 灵活。h a m l e t 、t a r r y 、s c o r p i o n 和l a u r o ni i i 都属于这种类型。 1 2 3 六足机器人控制理论的发展 六足机器人的研究重点一赢是控制算法，多足行走需要各足之间的协调配 合，尤其是在遇到特殊情况的时候，如障碍、沟壑或风吹、海浪，更需要更为复 杂的智能让机器人可以独立应付。因此，六足机器人的控制实际上可以分为两个 部分，部分是实现稳定的行走，即步态的产生；另一部分是机器人能够自动的 处理各种复杂的环境因素和突发事件，完成特定的任务，即行为控制。 1 2 3 1 步态规划理论的发展控制步行机器人的基本问题是步态规划。就是需 要确定在行走过程中，每条腿的运动轨迹，使是参与行走的各条腿之间的协调工 作，实现要求的行走方式。 在自然界中，可以观察到很多种的步行动物中的行走步态。为了描述步态， 我们将步行动物的腿部行走分为两种状态，一种是支撑状态，是指肢体接触地面， 支撑身体的状态；另一种是摆动状态，是指肢体离开地面，向前进方向摆动动 物的行走就是由每条腿的这两种状态交替进行完成的。对于六足昆虫的行走，最 常见的三种步态分别是波动步态、四足步态和三足步态，它们之间明显的区别在 于行进时支撑身体的腿的个数分别是5 、4 、3 。在三足步态中如图1 - 6 中的a ， 总有三条腿接触地面：一侧的前腿和后腿还有另一侧的中腿。这种行走适合高速 轻载荷的情况。当载荷增加，或是速度放慢，接触地面的腿的数目将会增加，呈 现四足步态或是波动步态。其实步态的转化是一个连续的过程，如图1 6 中黑色 部分表示腿处于摆动状态。可以看出，步态的变化实际上是每条腿的摆动时间和 支撑地面时间的比值的变化。所以上面所述的三种步态可以看作是步态转换中的 特殊状态。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a h 一一i 一 ：= = ：= ：= ：j = b 一”_ _ 一 ：二：= = = ：黑= j ：黑二= ：= 。 c u 一一一 i i - 一一 u - 一一一一 n 一一_ e i 一 一一一一d u 一一一一一 图1 - 6 昆虫的步态”1 f i g 1 6i n s e c tg a i t 目前，在机器人上实现如同昆虫的步态通常采用如下几种方法【i g j ： 固化步态。就是在机器人的控制器中，将某种步态( 通常是三足步态) 的各 足运动轨迹存储固化下来，直接用于控制驱动器。或是将两种步态( 三足步态和 四足步态) 全部存储下来，根据外界环境和自身需要，如载荷增加或减轻，在两 种步态之间硬性转换。这种步态的优点是控制系统相对简单，但是因为步态是机 械的模仿昆虫行走，无法对在复杂环境中遇到的情况( 如遇到障碍物) 做出反应， 所以它的环境适应性很差。 分布神经网络( d i s t r i b u t e d n e u r a l n e t w o r k ) 步态控制。早在七十年代，生物 学家通过对昆虫行走方式的研究，就认为，昆虫每条腿的行走控制并不是统一由 个中枢神经控制的，面是由分布于每条腿的独立的神经节完成的。基于这一理 论，几乎所有的六足仿生机器人都采用了分布神经网络( d n n ) 的控制策略。其 主要思想是将机器人整体的行走控制分化成一组神经节，每一个神经节控制一条 腿的运动细节神经节之间建立了种可以相互进行信息交换的神经网络，使神 经节之间可以相互作用、相互制约，以此实现多条腿在各种环境中的协调配合， 实现行走功能。 神经网络步态控制方法从发展过程来看又可以分为三个阶段。 早期有r a n d a l ld b e e r 提出的神经网络基本构想，强调神经节之间的信息交 换和相互影响l l ”。 随后，德国的h o l kc r u s e 教授经过几十年对竹节虫( s t i c ki n s e c t ) 行走的研 究，提出了昆虫行走机制的六条规则，此规则用协调各条腿之间运动【1 9 】。并以此 建立了一种简单可行的六足控制器“w a l k n e t ”，成为目前国际上研制六足步行机 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 器人行走控制器的重要依据。基于他的理论，很多科研机构研制成功了性能优良 的六足、八足机器人。前面所提到的典型机器人的底层步态规划很大程度上都受 到了行走机制的六条规则和“w a l k n e t ”的影响。 研制h a m l e t 实验小组的m i c h i a e lr f i e l d i n g 和r e gd u n l o p 教授提出了影响 每条腿行动的“内成约束”概念，并给出了度量这种约束的公式1 2 0 1 。这种应用于 h a m l e t 的指数域约束测量方法是对h o i kc r u s e 教授的昆虫行走机制的六条规则 的推广，它在更大范围内提出了影响每条腿行动的因素，使这种方法可以适应任 何方向的移动。 目前，进化神经网络的思想也应用于六足机器人的步态规划 2 1 l 。如同婴儿学 步一样，在初期设定一些需要达到的参数，通过机器对自身行为的不断尝试，达 到让机器自己“学会”如何行走1 2 ”。目前，这种方法还处于初期的研究阶段，只 能实现一条腿的行走控制，还不能产生如昆虫行走般的多足步态。 1 2 3 2 腿部反射的提出和实现在自然环境中，机器人周围的环境是未知的和 不断变化的。如何让机器人在目前本体的智能水平和感知能力相对较差的情况 下，有效地适应外界环境呢? 人们还是从昆虫身上找到了灵感，提出了腿部反射 的概念。腿部反射分为柔顺反射( c o m p l i a n c er e f l e x e s ) 、踏步反射( s t e p p i n gr e f l e x ) 、 越障反射( e l e v a t o r r e f l e x ) 和寻落反射( s e a r c h i n g b e h a v i o r ) 。 腿部反射在1 9 9 4 年研制出r o b o ti i 中得到了成功的应用。它以简单的策略 应付了复杂多变的外部环境，得到了大家的认可，此后六足机器人的设计都把腿 部反射作为必要的功能。 1 2 3 3 分层控制策略作为一种移动的机器人，如何对机器人的各个层次上的 功能( 如电机的驱动、转角的控制、腿部控制、平衡与行走等) 进行控制，是一 个必须面对的问题。麻省理工学院的b r o o k s 教授早在八十年代初，就以生物的 运动神经系统模型为基础，提出了分层控制结构幽l 。 从九十年代初的a t t i l a 和h a n n i b a l 到现在的l a u r o n l i i ，层次化控制结构使各 层之间的功能相对独立，封装和隐藏了对下层功能的具体实现，是控制系统设计 更为方便简洁，同时因为它是遵循节肢动物神经系统的解剖学结构，具有稳定、 可靠和高效的优点，一直作为多足机器人控制系统的基本结构。 1 3 本课题研究内容 研制六足仿生机器人包括机器人本体的硬件设计和控制系统的开发。具体的 研究内容有： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 身体结构的设计机器人的结构设计是硬件设计的重要环节，根据需 要实现的功能和其他因素的综合考虑，设计出尺寸小、重量轻、活动灵活的机器 人。 ( 2 ) 舵机控制器的设计六足机器人的关节驱动器采用的是舵机。为了使 机器人能够实现各种运动，必须首先要设计一个控制舵机工作的控制器，以为上 层服务。 ( 3 ) 腿部反射的实现通过单独对单腿控制器的改进，实现机器人的腿部 反射，以适应复杂的路面情况和环境变化。 ( 4 ) 步态规划器的设计为了让机器人能够实现基本的行走，需要设计步 态规划器，以此协调各腿的运动，并对根据外部环境和自身需要进行步念转换。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章六足仿生机器人系统设计 作为一种仿生机器人，六足机器人的仿生原形是- - i t 占全部动物总数8 0 的 动物节肢动物。它们绝大多数种类陆栖。全身包被坚实的外骨骼，可防止体 内水份的大量蒸发。有灵活的附肢，伸屈自如的体节以及发达的肌肉，藉以增强 运动。还具备器官等空气呼吸器，能高效地进行呼吸；完全适应于陆地生活。在 无脊椎动物登陆中，取得巨大成功的- - i q 动物，其绝大多数种类演化为真f 的陆 栖动物，占据了陆上的所有生境【2 ”。本章将从节肢动物的肢体结构和运动神经系 统出发，分别提出仿生系统的机械结构和控制系统方案。 2 1 基于节肢动物结构的六足机器人结构设计 2 1 1 节肢动物的身体结构特点 节肢动物门是动物界最大的一门，约1 0 0 万种，占全部动物总数的8 0 以上。 它分布广、数量大。其数量上的优势，已经证明了其结构上的生存优势( 2 ”。 节肢动物的身体一般分为头、胸、腹部。头部主要是摄食和感觉，胸部主要 是运动和支持作用，腹部主要是代谢和生殖功能。附肢按体节排列，基本上一个 体节一对附肢。节肢动物的附肢分节，附肢与体躯之间也有关节。分节的附肢增 加了附肢运动的灵活性【2 4 。节肢动物附肢的类型分为三类，分别为单枝型附肢、 双枝型附肢和三叶虫附肢蜘蛛类的附肢。 其中单肢型附肢( 如图2 1 ) 是多足纲和昆虫纲的附肢，这些附肢由一单列 肢节组成。多足纲和昆虫纲的步行足就是一组进化为运动附肢的单肢型附肢。这 些肢体大致呈s 形，由一单列肢节组成，这列肢节从基部到末端依次叫做：基节、 转节、股节、胫节、跗节、前跗节。基节指向腹侧，并有关节与体壁连接，以便 前后摆动。转节与基节在背面和腹面有关节连接，并在一个水平面上前后运动。 转节与股节之间的关节允许背腹运动，股节和胫节之间的关节也是一样。这一关 节形成膝关节，结果使胫节端部的运动，趋向于朝着和背着体中线这样的方向。 跗节和前跗节的关节连接，使运动与胫节的运动处在同一平面。无论如何，附肢 的s 形再一次表明这些关节倾向于使附肢的端部靠近于，或者更远离它的基部。 转节作为传递两个正交运动的连接体相对较短，可以节省肢体不必要的长度 消耗，而殷节和胫节以接近o 7 ：i 的比例又被证明为是保持支撑空间不变的情 况下最为合理的比例睇“。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1 2 腿部自由度的选择 图2 + 1 单肢型附肢【2 6 】 f i g 2 - is i n g l ea p g e n d a g e 冽 前嗡节 三个自由度已被证明为是六足机器人保持万向行走的最少设计要求【2 8 1 ，早期 的六足机器人由于受到电能和控制器上的艰制多采用2 个足部自由度的方案，这 样导致了机器人只能朝着一个方向运动，如g e n g i s 只能直线向前，而a r i e l 只能 侧身行走。 后期的机器人为了实现更复杂的运动，都采用了每足3 个自由度的方案。本 六足机器人，也采用了3 个自由度的方案，自由度的分配与节肢动物的分配相似， 如图2 - 2 在基节和转节之间设置了前后摆动的自由度，在转节和股节之间、般节 和胫节设置了上下抬落的自由度。这样的设计，使得机器人的足获得了较大的工 作空间。 图2 2 腿部结构 f i g 2 - 2l e gs t r u c t u r e 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i i 2 1 3 肢体分布的讨论 人们观察发现，很多节肢动物的肢体分布呈下面明显的椭圆形如图2 3 的蝎 子，研究认为，椭圆形的肢体分布有两个主要的优势，一是减小了腿与腿之削的 运动干涉，另一方面，增加了行进过程中的稳定性。 图2 3 足端位置f 2 9 1 f i g 2 3f e e tp o s i t i o no f as c o r p i o n 虽然椭圆形分布存在着优势，但是为了简化结构，仍然采用典型的前后一致 左右对称的结构。 2 1 4 六足机器人整体结构设计 本六足机器人采用硬质塑料为材料，身长1 4 0 m m ，宽1 4 0 m m ，高8 0 m m 。身 体分为足、下躯干和上躯干三部分。如图2 - 4 。 图2 4 六足机器人实体 f i g 2 _ 4h e x a p o dr o b o ts t r u c t u r e 哈尔滨工业大学工学砸上学位论文 每足有三个自由度，分别为基节和转节、转节与股节、股节与胫节三个转动 自由度，并分别以三个舵机作为驱动。 足的基节与下躯干相连接，形成基本的运动平台，各舵机的控制信号线和电 力线均铺布在下躯干。 上躯干与下躯干以燕尾槽连接，可以固定和滑动，便于拆卸。上躯干安装有 控制板，包括单片机系统和工作状态指示灯。 上躯干和下躯干的电力线分别接到远端直流电源。 2 2 基于动物运动神经系统的控制系统的设计 2 2 1 动物运动与神经系统的结构 一般说来，动物的运动可以分为反射运动、节律运动和随意运动三种。 反射运动是最简单、最基本的运动，它通常有特异的感觉刺激引起，产生的 运动有定型的轨迹。节律运动，是一种不需要意识参与而能自动重复进行的。随 意运动通常是为了达到某种目的，而指向一定的目标的运动，可以是对感觉刺激 的反应或因为主观意愿而产生 3 0 i 。 人们在对动物的神经系统研究后发现，动物的运动是等级性组织的。复杂性 逐渐增加的运动任务，由愈益高级的中枢来组织( 如图2 5 ) 。 人们对运动生经系统的进一步研究表明，组织运动的3 个层次分别对应了动 物运动的三种形式，即反射运动由神经节控制，节律运动由中枢模式发生器控制， 而随意运动则由大脑控制。 对于节肢动物来说( 如图2 6 右) ，肢体底端的运动神经节分别用于控制单腿 的运动反射，各腿部运动神经节构成的腹神经索形成了中枢节律发生器，用于产 生节律运动，而节肢动物的脑用来处理更为复杂的随意运动。图2 - 6 左，由上至 下，依次为蚕、蝗虫、h o p s 和蝎，虽然神经系统的结构存在一定差异，但是， 都是以右图的基本结构组成的。 这三种运动分别发生在神经系统的不同层次上，是神经系统对环境和意识不 同程度上反应。这种层次化的神经结构，为六足机器人的设计提供了重要的参考。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 感 堂 反 馈 随意运动 节律运动 反射运动 图2 5 运动系统组构略图【3 1 1 f i g 2 - 5m o t o rs y s t e ms t r u c t u r e 3 腹 神 经 索 脑 图2 6 节肢动物的神经系统| 2 5 , 2 6 1 f i g 2 6a r t h r o p o dn e r v es y s t e m l 2 s , 2 f l 1 5 足 神 经 爷 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 2 2 六足机器人控制系统的结构 系统采用了舵机作为关节的动力装置，由于舵机可以使用脉宽比例调制( 3 2 j 方法简单的实现位置控制，所以使整个控制系统结构变得十分简单。其硬件结构 包括舵机，电源，和单片机控制器。其中，单片机通过i o 端口发送脉冲比例调 制信号，舵机将脉冲信号经过处理，识别为位置信号，驱动电机转动，并由电位 器作为位最反馈，实现闭环控制。 整个神经网络的仿生设计主要是在单片机中通过软件实现的，如图2 7 ，程 序分为三个层次，分别为驱动层、反射层和步态规划层，并为上层的随意运动提 供了指令接口。 随意运动 上层指令 t e 来自a 或魁)i 。上层接1 3 图2 7 机器人的运动控制系统 f i g 2 7m o t i o nc o n t r o ls y s t e mo f r o b o t 其中驱动层用于向舵机发送驱动指令，控制舵机执行转角指令，这是在单片 机的中断服务程序中实现的。反射层用于对工作环境引起的执行错误进行处理， 目前的主要功能是越障反射和寻落反射。步态规划层，是产生节律运动的中枢节 律控制器，它产生各种步态下的各关节转角信号，控制各腿之间的协调工作。上 层接1 3 为组i ，o 端口，可以接受来自上层的高级指令，通过软件中对指令的识 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 别和分解，实现随意运动。 2 2 3 本章小结 本章以节肢动物的肢体结构为参考，模仿设计了六足机器人的肢体结构。采 用了每腿3 个自由度的方案，确保机器人的平稳行走。在三肢体的长度比例上遵 循节肢动物的比例结构，使转节尽量短，而股节和胫节的比例接近于0 7 ：l 。机 器人在结构上得到了比较合理的仿生设计，为控制系统的设计奠定了基础。 作者以生物个体的运动神经系统为参考，借鉴了b r o o k 提出的分层控制结构 1 2 3 1 ，采用了层次化的控制系统结构，使各层之间的功能明确，并成功地实现了驱 动层，反射层和步态规划层的设计，并且为上层行为提供了开放端口。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章舵机控制器的设计 为了简化六足仿生机器人的控制系统，并使其结构紧凑小巧，文章选用了转 矩大，体积小，易控制的集成化的小型直流伺服电机( 舵机) 作为驱动元件。本 章以舵机控制器的设计为中心，内容包括舵机的驱动原理，如何通过独立的单片 机实现六足机器人所有关节的舵机驱动，以及如何实现对只有位置伺服的舵机控 制器加入速度控制，以适应多种步态的速度要求。 3 1 舵机简介 舵机，又名伺服机( r u d d e rs e r v o ) ，是一种结构简单的、集成化的直流伺服 系统，其内部结构由直流电机、减速齿轮、电位计和控制电路组成。 其工作原理是直流电机作为驱动器产生动力源，运动由减速齿轮减速，传递 给输出轴和舵盘。在输出轴后端连接有电位计，用以检测当前位置。并将此值与 驱动信号端口发送来的位置信号进行比较，通过控制电路，将差值放大并由电机 执行操作，实现位置伺服。 本平台的舵机主要参数如下：可控转角范围o 1 2 0 。控制脉宽范围0 5 2 1 m s 。 最大扭矩堵转扭矩1 o k g c m ，最大速度空载速度l 0 r a d s 。 舵机采用的驱动信号是脉冲比例调制信号【3 2 , 3 3 】( p p m ) ，即在通常为2 0 m s 的周期内，输入以o 5 m s 2 i m s 的脉冲宽度、对应的转角范围从0 。到1 2 0 。脉 冲宽度与转角呈线性关系。 3 2 单片机实现舵机的驱动 本机器人的舵机控制器采用了微芯公司的出品的p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机。 p i c l 6 f 8 7 7 a 是一种功能齐全，价格低廉的中档单片机产品，它配备了5 个输入 输出端口共3 2 位i oi z l ，内置八路a d 转换通道，1 0 位转换精度，配备了2 个 8 位定时器和1 个1 6 位定时器。本次实验中将采用其提供的1 6 位定时器，和多 位u o 口。 根据舵机驱动信号的特点，可以采用p i c l 6 f 8 7 7 a ”1 提供的1 6 位t m r i 定时 器，单片机系统震荡频率为4 m h z ，定时器t m r i 未分频时的定时范围为0 - 6 5 m s ， 精度为1 肛。舵机驱动程序作为定时器t m r l 的中断程序，独立运行在中断服务 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 程序区，其与主程序之间的数据交换由通用数据寄存器实现。 具体实现如下，如图3 - 1 ，可采用八位寄存器存储原始舵机驱动脉宽值。当 定时器产生中断后，程序首先读取8 位原始驱动脉宽，并将其扩展为1 6 位数值。 再将零位置脉宽作为最小脉宽值与其相加，便得到了1 6 位定时器计时初值。 脒宽范围2 晕大脉宽一最小脉 l 啦工作脉宽 1 6 位最小脉宽 t l r t l ：l h t m r l l = 1 6 位定时嚣 图3 1 原始脉宽的扩展 f i g 3 1e x p a n d i n go f o r i g i n a lp u l s ew i d t h 当第二次中断产生后，将驱动周期与脉冲宽度的差值重新写入计时器以完成 低电平过程。通过周期性的改变端口电平和计时器初值，就可以实现对舵机的驱 动。 3 3 舵机的标定和修正 由于舵机作为一种简单的位置伺服系统，其规范程度比较低。然而，在将舵 机应用于机器人关节驱动的时候，需要对关节进行精确的角度控制，所以需要设 计一套标定方法，对舵机的脉宽一转角关系进行标定。 3 3 1 标定设备 为了建立脉宽转角关系，搭建了一套的标定设备。如图3 - 2 ，标定系统由 单片机，被测舵机，二极管显示板，和电位计组成。 通过微调电位器的转角，使模拟端口产生0 5 v 可调电压值，并在单片机内 转化为0 - - 2 5 5 可变8 位2 进制数d 鄂。此8 位数据作为舵机的原始驱动脉宽，通过 驱动程序，转换为1 6 路脉宽信号驱动舵机，即可使舵机在转角范围转至任意位 置，并将脉宽值原始的8 位数值显示于8 位发光二极管显示板。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图3 - 2 标定系统组成 f i g 3 - 2s t r u c t u r eo f m e a s u r e s y s t e m 3 3 2 脉宽一转角标定 使用上文介绍的标定系统对舵机进行了标定，对每1 0 。记录一次脉宽值，测 定范围从0 0 1 2 0 。，脉宽值如下表3 1 。 表3 1 转角- 脉宽标定 t a b l e 3 - 1 a n g l e - p u l s ew i d t hm e a s u r e 角度脉宽值脉宽值前位 ( 度)( 2 进制)( 1 0 进制)差值 o0 0 0 01 0 1 0l o 1 00 0 0 l1 0 1 12 71 7 2 00 0 1 0 1 0 1 l4 31 6 3 00 0 1 11 0 1 15 91 6 4 00 1 0 0 1 0 1 l7 51 6 5 00 1 0 1l 们19 l1 6 6 00 1 1 0 1 1 0 01 0 81 7 7 00 1 1 1 1 1 0 01 2 41 6 8 01 0 0 0 1 1 0 01 4 01 6 9 01 0 0 l1 1 1 01 5 81 8 1 0 01 0 1 10 0 0 01 7 61 8 1 1 01 1 0 0 0 0 1 01 9 41 8 1 2 0“0 l0 0 1 l2 1 11 7 可算得平均1 位数值对应的角度为o 6 0 。，所以，如果采用8