龍 瓏，鄧 偉，胡秦斌，覃 曉

（1.廣西師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，南寧 530023；2.廣西腫瘤防治研究所，南寧 530021）

0 引言

根據(jù)“十二五”國家發(fā)展規(guī)劃，家庭信息數(shù)字化、全智能化將成為我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)[1,2]。智能家庭安保信息系統(tǒng)將作為一個新興產(chǎn)業(yè)重要分支出現(xiàn)。智能安保機(jī)器人已經(jīng)從定點(diǎn)作業(yè)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄茏灾髯鳂I(yè)發(fā)展模式。智能安保機(jī)器人主要分為輪式類型的機(jī)器人和仿生多足機(jī)器人。與輪式類型的機(jī)器人相比，仿生多足機(jī)器人的運(yùn)動靈活性和適應(yīng)性更強(qiáng)，在軍事、搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域都有更廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[3～8]。在安保機(jī)器人領(lǐng)域，家具之間的溝隙（如兩張桌子之間溝隙），樓梯等都是非結(jié)構(gòu)家庭環(huán)境常見地形，而輪式機(jī)器人無法跨越或者在這樣的環(huán)境行動，仿生昆蟲多足式安保機(jī)器人通過足端設(shè)置傳感器，獲取準(zhǔn)確的地面的信息，調(diào)整其步態(tài)，并需要迅速準(zhǔn)確地改變運(yùn)動形態(tài)，從而完成在這些環(huán)境的跨越和工作。本課題機(jī)器人是家庭安保機(jī)器人，考慮銷售成本，這類機(jī)器人一定是小型低成本的機(jī)器人。本文主要研究小型的仿生昆蟲多足家庭安保機(jī)器人（以下簡稱家庭安保機(jī)器人）的足端軌跡規(guī)劃及其實(shí)現(xiàn)，以便這種低成本的機(jī)器人可以在家庭復(fù)雜多變的環(huán)境中運(yùn)行。

1 家庭安保機(jī)器人基本機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了提高機(jī)器人適應(yīng)家庭復(fù)雜的運(yùn)動環(huán)境，節(jié)約機(jī)器人的制造成本，安保機(jī)器人采用蜂窩型軀體、仿生昆蟲六足關(guān)節(jié)式的機(jī)械結(jié)構(gòu)。蜂窩型軀體的機(jī)器人在大量節(jié)省制造材料的條件下增大安保機(jī)器人的肢節(jié)空間，也可以使得安保機(jī)器人具有很好的運(yùn)動穩(wěn)定性和適應(yīng)性。仿生昆蟲六足關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)運(yùn)用了動物形態(tài)仿生學(xué)的理念，這樣安保機(jī)器人在運(yùn)動穩(wěn)定性上可進(jìn)一步提高。安保機(jī)器人智能感知控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對安保機(jī)器人的每個足尖點(diǎn)準(zhǔn)確地控制，為此研發(fā)小組在機(jī)器人的六足上各安裝了一臺低成本的小型直流發(fā)電機(jī)，此外，為了安保機(jī)器人能快速地感應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，安裝了多個足端壓力傳感器。但是為了減少生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品在市場上競爭力，這種家庭安保機(jī)器人的足端壓力傳感器只能使用普通電阻材料，工作溫度范圍為-25℃～65℃,不過這樣溫度的范圍已經(jīng)可以適應(yīng)大部分的家庭溫度環(huán)境。

2 預(yù)處理足端傳感器信號

由于家庭復(fù)雜的環(huán)境，造成了家庭安保機(jī)器人的足端壓力傳感器包含了很多突變的不平穩(wěn)噪聲，加上為了節(jié)約制造成本采用了普通壓力傳感器，這些不平穩(wěn)噪聲有時(shí)候會變成尖峰很高的噪聲，必須進(jìn)行信號的過濾處理，以免影響足端信息處理的效果[9,10]。家庭安保機(jī)器人足端壓力傳感器的輸入信號采用基于Mallat小波的快速算法進(jìn)行去噪，具體的設(shè)計(jì)原理與步驟如下。

1）信號分解過程處理。根據(jù)Mallat小波的快速算法原理，利用合理的小波基函數(shù)對家庭安保機(jī)器人足端壓力傳感器的輸入信號進(jìn)行多層次小波分解。

設(shè)家庭安保機(jī)器人足端壓力傳感器的輸入信號為Signal(n), 根據(jù)Mallet小波的快速算法原理，有i0（n）= Signal(n) ，則信號分解工程由式（1）表示：

2）高頻低頻信息處理。由于家庭安保機(jī)器人節(jié)約了材料制造成本，雖然足端壓力傳感器的輸入的信號的頻率段有0～500Hz,存在高頻噪音和高達(dá)75Hz的工頻干擾，而家庭安保機(jī)器人有用的頻段只是集中在0～200Hz的區(qū)間內(nèi)?？梢圆捎脧?qiáng)制閥值和軟閥值相結(jié)合的處理方法來處理家庭安保機(jī)器人足端壓力傳感器輸出的有用信號和干擾及噪聲信號。首先把第1層的高頻系數(shù)直接設(shè)置為0，也就是分解的高頻部分采用了強(qiáng)制閥值的處理方式；而2～4層的信號由于即含有有用信號也還有噪聲信號，所以對這些的高頻系數(shù)只能采取軟閥值處理，使得三層的噪聲逐次衰弱；最后全部保留第4層分解出的低頻信息。

3）Mallat小波重構(gòu)處理。Mallat小波重構(gòu)可以用式（2）表示：

其中：r為家庭安保機(jī)器人的分解半帶低通濾波器的沖激響應(yīng)；t為家庭安保機(jī)器人的分解半帶高通濾波器的沖激響應(yīng)。

3 家庭安保機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃策略

本文的仿生昆蟲家庭安保機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃策略主要是針對家庭安保機(jī)器人遇到家具之間的溝隙（如兩張桌子之間溝隙），根據(jù)足端壓力傳感器的反饋信息快速并準(zhǔn)確地選擇落足點(diǎn)的位置。

家庭安保機(jī)器人的足端軌跡規(guī)劃系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)和智能工程計(jì)算等方面都大量運(yùn)用了動物形態(tài)仿生學(xué)的理念。硬件設(shè)計(jì)方面：家庭安保機(jī)器人的足端壓力器用于感受地面的變化，相當(dāng)于動物神經(jīng)感覺末梢部分；家庭安保機(jī)器人的智能工程信息處理芯片和信息轉(zhuǎn)換模塊類似于動物小腦部分；起到連接通訊作用是CAN總線，相當(dāng)于動物脊髓，將智能工程信息處理芯片和信息轉(zhuǎn)換模塊與家庭安保機(jī)器人的直流電機(jī)驅(qū)動器和串口（相當(dāng)于動物運(yùn)動神經(jīng)部分作用）連接起來；直流電機(jī)輸起到送動力作用，相當(dāng)于動物的肌肉部分。在智能工程計(jì)算方面：家庭安保機(jī)器人的信息處理芯片和信息轉(zhuǎn)換模塊獨(dú)自完成規(guī)劃機(jī)器人的落足點(diǎn)軌跡的工程，然后信息處理芯片和信息轉(zhuǎn)換模塊通過CAN總線與直流電機(jī)驅(qū)動器直接通信控制直流電動機(jī)；家庭安保機(jī)器人的主控器（相當(dāng)于人的大腦的作用）完全沒有參與整個決策系統(tǒng)，系統(tǒng)只是信息處理芯片和信息轉(zhuǎn)換模塊與電機(jī)驅(qū)動器之間通信傳輸，大大減輕了主控器的負(fù)擔(dān)，從而提升了機(jī)器人反應(yīng)的實(shí)時(shí)與有效性。

家庭安保機(jī)器人的足端軌跡規(guī)劃過程是指家庭安保機(jī)器人的智能工程信息處理芯片和信息轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)足端壓力傳感器的反饋的家庭環(huán)境信息，智能選擇合適的足端落腳點(diǎn)的過程。首先假設(shè)家庭安保機(jī)器人Tj時(shí)刻家庭安保機(jī)器人的支撐足的足端壓力傳感器的反饋值為r(Tj)，而下一個支撐足的足端壓力傳感器的反饋值為r(Tj+1)，Tj和Tj+1滿足：

其中δT為家庭安保機(jī)器人以三角步態(tài)行進(jìn)時(shí)的完整步態(tài)周期。

假設(shè)R為家庭安保機(jī)器人的足點(diǎn)與地面接觸時(shí)足端壓力傳感器的反饋閥值，則Tj+1成為可靠落足點(diǎn)條件為：

則認(rèn)為Tj+1時(shí)刻足端下方有溝隙，不是可靠的落足點(diǎn)，需要快速地搜索一個新的可靠的落足點(diǎn)。

家庭安保機(jī)器人新的落足點(diǎn)搜索順序如下。

1）家庭安保機(jī)器人的左側(cè)搜索順序是“ 前-左”；

2）家庭安保機(jī)器人的右側(cè)搜索順序是“ 前-右”。

家庭安保機(jī)器人按照新的落足點(diǎn)搜索順序進(jìn)行搜索，若搜索到新的落足點(diǎn)條件滿足式（4）的條件，則可以確定新的合理的落足點(diǎn)，然后停止搜索；反之若無法搜索到合理的落足點(diǎn)，機(jī)器人停止運(yùn)動，在Tj原地不動。整個搜索過程如圖1所示。

圖1 機(jī)器人搜索過程示意圖

4 家庭安保機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)

要確定家庭安保機(jī)器人的足端軌跡規(guī)劃的各足端壓力傳感器的合理閥值，需要知道家庭安保機(jī)器人在平面運(yùn)動行進(jìn)時(shí)各足的受力情況。如圖2所示為家庭安保機(jī)器人右側(cè)三足在平面上的行進(jìn)過程所采集到的壓力信號圖。根據(jù)動物形態(tài)仿生學(xué)原理，設(shè)定三足的閥值較為合理值為：前足：40N；中足：60N；后足：30N。

圖2 家庭安保機(jī)器人右側(cè)三足壓力信號圖

圖3 家庭安保機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃實(shí)現(xiàn)的流程圖

圖4 家庭安保機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

家庭安保機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖3所示，家庭安保機(jī)器人利用智能工程信息處理芯片和信息轉(zhuǎn)換模塊（相當(dāng)于動物小腦部分）完成這個系統(tǒng)，而不需要主控制程序參加，減少了主控制器的運(yùn)算壓力。家庭安保機(jī)器人的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，家庭安保機(jī)器人準(zhǔn)確地探測到兩張桌子之間溝隙存在，并快速找到合理的落足點(diǎn)，這次仿真實(shí)驗(yàn)證明了家庭安保機(jī)器人適應(yīng)家庭環(huán)境能力較強(qiáng)，足端軌跡規(guī)劃策略的有效性和實(shí)效性都較好。

5 結(jié)論

家庭安保機(jī)器人已經(jīng)成為國家發(fā)展規(guī)劃“十二五”中家庭信息數(shù)字化、全智能領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展方向之一。本文研究了家庭安保機(jī)器人在復(fù)雜家庭環(huán)境下足端軌跡規(guī)劃問題。第一步，利用小波快速算法對家庭安保機(jī)器人的足端壓力傳感器的輸入信號進(jìn)行去噪處理；第二步，提出了類似于動物仿生學(xué)的家庭安保機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃策略，家庭安保機(jī)器人落足點(diǎn)的合理選取直接由信息處理芯片和信息轉(zhuǎn)換模塊（類似小腦）來完成，減輕了主控制器（類似大腦）運(yùn)算壓力，從而達(dá)到提高信息處理速度；最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了家庭安保機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃的合理性與有效性。下一步工作重點(diǎn)是在家庭安保機(jī)器人成本進(jìn)一步控制情況下，進(jìn)一步提高家庭安保機(jī)器人的運(yùn)行速度，隨著新材料和新算法的進(jìn)一步完善，這樣的想法是可以實(shí)現(xiàn)的。

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