梁美彥， 薛太林， 王 昱， 孟堅磊， 曹康軒， 楊昊達

(山西大學 電子信息工程系， 山西 太原 030013)

基于Android控制的智能六足機器人動力學建模及實現(xiàn)

梁美彥， 薛太林， 王 昱， 孟堅磊， 曹康軒， 楊昊達

(山西大學 電子信息工程系， 山西 太原 030013)

本文根據(jù)蜘蛛的運動特點， 提出了一種基于Android控制的六足仿生機器人. 通過拉格朗日動力學建模及理論分析， 建立了行走路徑與關(guān)節(jié)角度的定量關(guān)系， 提高了運動穩(wěn)定性和靈活性. 通過理論建模和分析， 實現(xiàn)了六足機器人跨越臺階等動作， 還加入了視頻傳輸和超聲測距模塊， 使六足機器人實現(xiàn)了視頻傳輸和自動避障的功能， 有效避障距離為30 cm.

智能六足機器人； 視頻傳輸； 自動避障； 無線控制

0 引 言

在星際探測[1-2]、 資源開發(fā)、 抗震救災(zāi)、 反恐救援等特殊環(huán)境下， 現(xiàn)場環(huán)境往往未知性強， 崎嶇不平， 條件惡劣， 嚴重時會威脅生命. 因此， 研制一款機器人代替人類探測地形并采集圖像、 將采集到的圖像或者視頻信息快速回傳意義重大. 在這些特殊環(huán)境條件下， 輪式機器人和履帶式機器人的應(yīng)用受到一定限制， 足式機器人由于其足部離散性強、 腿部結(jié)構(gòu)冗余度和可靠性高、 地形適應(yīng)性好等特點， 成為國內(nèi)外的研究熱點[3]. 六足步行機器人作為典型的多足機器人， 比兩足(或四足)機器人穩(wěn)定性高， 而且具有多種運動形式、 兼具良好的靈活度和穩(wěn)定性于一體， 能夠廣泛適應(yīng)崎嶇地形行走， 特別適用于執(zhí)行可靠性要求比較高的任務(wù). 因此， 六足機器人及其相關(guān)技術(shù)的研究具有重要的理論價值和實際意義.

20世紀80年代末， 麻省理工大學人工智能實驗室成功研制出仿六足仿昆蟲機器人 Genghis， 該機器人通過自我學習來翻越障礙， 并在復(fù)雜路面上高效行走[4]. 2000年,美國伊利諾伊大學研制出小型六足仿生機器人Biobot， 來模仿蟑螂爬行， 單腿連桿結(jié)構(gòu)采用1 : 1.1 : 1.5的比例， 可以實現(xiàn)在凸凹不平地面上高速靈活的爬行[5]； 2007年， 德國Magdeburg大學研制了基于FPGA控制的六足機器人ANTON， 該機器人集成了陀螺儀、 力傳感器、 以及視覺傳感器等多種感知模塊， 旨在用于地震災(zāi)區(qū)、 溝渠以及戰(zhàn)壕等地域， 感知周圍環(huán)境并做出規(guī)劃[6]； 2006-2014年， 哈爾濱工業(yè)大學研制了六足機器人 HITCR-I和HITCR-II， 將用于野外偵查、 崎嶇地形監(jiān)測， 是一種自適應(yīng)的研究平臺[7-8]； 2008年， 美國加州理工噴氣實驗室研制出了ATHLETE全地形六足地外探測機器人， 機器人采用足輪式相結(jié)合的設(shè)計， 可以在相對平坦的地面上快速前進, 其載重量為15 t， 該足式機器人將用于月球表面的探測[9-12]； 2010年， 北京航空航天大學研制了六足機器人 NOROS-II， 該機器人也采用足輪混合結(jié)構(gòu)， 將用于月球表面對特殊地形的探測[13]； 2013 年， 由上海交通大學研制的六足機器人Octopus， 其重量為150 kg， 具備全方位快速運動能力和較強的抗干擾能力， 可以在水下環(huán)境、 火災(zāi)現(xiàn)場或核電站等核輻射環(huán)境下進行緊急救災(zāi)[14].

綜上所述， 六足機器人正朝著實用化、 智能化、 輕量化的方向發(fā)展. 雖然六足機器人相關(guān)理論研究已取得較多成果， 各種功能的六足機器人也已應(yīng)用于不同的領(lǐng)域， 但由于其整體協(xié)調(diào)控制的復(fù)雜性以及不同作業(yè)環(huán)境對其運動性能和智能控制的特殊要求， 相關(guān)研究還有待進一步深入. 本文以實現(xiàn)六足機器人在特殊地形穩(wěn)定靈活行走以及智能控制為目標， 研制了小型六足機器人， 通過拉格朗日動力學數(shù)學建模， 建立了行走路徑與關(guān)節(jié)角度的定量關(guān)系. 同時， 加入了避障和視頻無線傳輸模塊， 實現(xiàn)了六足機器人的無線智能控制.

1 機器人總體設(shè)計

本文設(shè)計的六足仿生機器人由7個模塊組成， 分別為： 舵機控制模塊、 藍牙通信模塊、 Android控制模塊、 避障模塊、 視頻WIFI模塊、 舵機驅(qū)動模塊以及電源模塊. 控制模塊是基于Arduino的單片機控制板， 可以實現(xiàn)對機器人避障模塊、 視頻模塊、 以及舵機的控制， 并與藍牙模塊通信； 藍牙模塊用于接收Android系統(tǒng)控制端發(fā)送的信號， 并將信號傳給控制板， 控制相應(yīng)模塊執(zhí)行命令； 避障模塊主要用于躲避運動中遇到的大型障礙物， 避障距離約為30 cm； 視頻WIFI模塊可以將采集到的視頻信息通過無線模塊傳輸?shù)紸ndroid系統(tǒng)端， 對周圍環(huán)境進行視頻監(jiān)測； 舵機驅(qū)動模塊主要是接收控制命令， 驅(qū)動舵機執(zhí)行相應(yīng)的動作組， 如行走、 舞步、 跨越臺階行走等； 電源模塊采用高性能、 續(xù)航能力強的鋰電池對機器人供電. 圖 1 為六足仿生機器人總體設(shè)計方案.

設(shè)計完成后的實驗系統(tǒng)由六足仿生機器人系統(tǒng)和自主研發(fā)的Android控制端APP兩部分組成, 圖 2 為六足機器人， 圖 2 中對各個模塊的對應(yīng)的位置進行了說明. 圖 2 右下角為Android控制界面， 通過定義Android系統(tǒng)APP的按鈕來實現(xiàn)對機器人姿態(tài)和行為的控制， 六足機器人在基本動作的基礎(chǔ)上， 可以實現(xiàn)舞步、 跨越臺階等復(fù)雜動作， 同時， 為了實際應(yīng)用的需要， 加入了避障和視頻傳輸?shù)墓δ埽?當機器人執(zhí)行任務(wù)時， 可以繞開大型障礙物， 將機器人采集到的視頻信號無線發(fā)送到Android系統(tǒng)端進行顯示.

圖 1 六足仿生機器人總體設(shè)計方案 Fig.1 Schematic design of hexapod bionic robot system

圖 2 六足仿生蜘蛛機器人Fig.2 Hexapod bionic spider robot

2 歐拉-拉格朗日運動方程的動力學建模

圖 3 機器人單腿的動力學模型Fig.3 The dynamic model of walking robot

為了實現(xiàn)機器人各個動作姿態(tài)的精確控制和整體運動分析， 本文采用歐拉-拉格朗日運動方程對六足機器人腿部進行受力分析并建立動力學模型. 六足仿生機器人腿部采用開鏈式結(jié)構(gòu)， 每條腿由3個關(guān)節(jié)組成， 每個關(guān)節(jié)對應(yīng)一個自由度， 因此， 該機器人系統(tǒng)共有18個自由度， 為了便于定量分析， 建立如圖 3 所示的空間三維坐標系.

在圖 3 中， 坐標y方向為機器人的前進方向， 即運動方向，x方向與機器人運動方向垂直，z方向為機器人高度方向， 機器人平臺高度為H. 機器人單腿連桿質(zhì)量分別為m1,m2,m3， 對應(yīng)的長度(轉(zhuǎn)動慣量)分別為L1,L2和L3， 通過質(zhì)量和長度兩個物理量, 可以計算出對應(yīng)連桿結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量分別為I1,I2和I3， 腿部執(zhí)行相關(guān)動作時， 其轉(zhuǎn)動的角位移分別為θ1,θ2和θ3.

首先， 計算機器人模型系統(tǒng)各桿件運動部分的動能K和各部件的勢能P.

然后， 計算系統(tǒng)總體的拉格朗日函數(shù)

L=K-P.

最后， 由拉格朗日函數(shù)求導， 可得變形腿部各關(guān)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩

本研究根據(jù)六足機器人的運動軌跡， 利用所建立的動力學模型， 計算機器人行進中相應(yīng)各個關(guān)節(jié)的角度， 從而可以實現(xiàn)動作的精確控制和分析.

3 控制模塊的設(shè)計

六足機器人的控制模塊采用基于Arduino的舵機控制板對機器人各個動作和行為進行控制， 其中， 控制板上的舵機驅(qū)動與Arduino主控芯片通過串口進行通信， 主控芯片接收到控制信號之后， 發(fā)送給舵機控制器， 舵機執(zhí)行相應(yīng)的操作， 同時單片機還可以與外部其他模塊進行通信， 總體控制框圖如圖 4 所示.

圖 4 系統(tǒng)控制框圖Fig.4 Block diagram of the control system

4 機器人平臺模塊

高度智能化、 可以對特殊環(huán)境進行監(jiān)測的六足仿生機器人， 需要具有遠距離無線控制， 靈活躲避大型障礙物， 跨越臺階和溝壑， 并視頻傳輸所采集畫面等功能.

4.1 無線控制

藍牙通信具有抗信號衰落好、 抑制同頻干擾、 保證可靠傳輸、 隨機噪聲影響小等特點， 因此， 足式機器人的無線控制功能通過藍牙通信模塊來實現(xiàn)， 該通信模塊速率為1MHz， 以時分方式進行全雙工通信， 圖 5 為機器人的藍牙模塊， Android控制端發(fā)送無線信號， 通過藍牙模塊接收以后， 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制命令， 機器人收到命令后執(zhí)行相應(yīng)的動作.

圖 5 藍牙模塊Fig.5 The bluetooth module

4.2 自動避障模塊

圖 6 超聲波模塊Fig.6 Ultrasonic module

六足智能機器人加入了超聲波測距模塊(見圖 6)， 該模塊距離向測距精度為0.3 cm， 角度向感應(yīng)精度<15°， 最大可探測距離為4.5 m. 實驗中， 超聲波模塊一幀發(fā)送8個40 kHz 的方波信號， 并自動檢測回波， 如有回波則輸出高電平， 通過高電平的持續(xù)時間來計算機器人到障礙物的距離. 六足機器人設(shè)定的安全距離為30 cm， 即機器人與障礙物距離小于30 cm時， 驅(qū)動舵機的PWM信號自減， 驅(qū)動電機減速， 機器人減速前進， 從而實現(xiàn)自動避障.

4.3 機械模塊

六足機器人對運動的靈活性要求高， 因此， 機器人腿部采用SR-1501MG型數(shù)字舵機(見圖 7)來對機器人動作姿態(tài)進行精確控制. 該舵機采用PWM脈寬信號控制， 其周期為20 ms， 電平占空比較高， 0.5～2.5 ms 的脈寬信號控制0～180°的轉(zhuǎn)角范圍， 且線性度好. 機器人腿部的運動通過舵機轉(zhuǎn)角來實現(xiàn)， 機器人憑借每條機械腿上的3個舵機(3個關(guān)節(jié))， 來實現(xiàn)機器人向各個方向運動的自由度.

4.4 視頻模塊

視頻模塊位于機器人頭部(如圖 8 所示)， 機器人在步行過程中， 視頻模塊將采集到的視頻畫面通過無線模塊傳輸?shù)紸ndroid界面， 利用這個功能可以實現(xiàn)對周圍環(huán)境監(jiān)測的任務(wù).

圖 7 舵機Fig.7 Steering gear

圖 8 視頻采集模塊Fig.8 Video collection module

5 舵機控制環(huán)境

六足機器人的主控板選用基于Arduino的32通道機器人控制器， 對18個舵機進行控制和動作組的編程. 如圖 9 所示. 其中， 1種顏色代表1條機械腿， 相同的顏色代表同一條機械腿上的3個舵機. S2, S3, S4 3個舵機組成機器人的一條機械腿， 命名為足1， 同理S6, S7, S8為足2， S10, S11, S12為足3， S18, S19, S20為足4， S30, S31, S32為足5， S26, S27, S28為足6， S1和S9代表兩個待拓展的兩個舵機. 對機器人各個腿上的舵機設(shè)定之后， 初始化所有舵機的狀態(tài)， 編輯每個舵機的動作， 并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)， 最后形成一套動作組(如： 舞步、 爬樓梯等)， 將動作組下載到芯片內(nèi)部， 就可以使機器人執(zhí)行相應(yīng)的動作. 在舵機調(diào)試界面中， 可以通過設(shè)置舵機相應(yīng)的參數(shù)， 調(diào)整動作的速度和運動次數(shù).

圖 9 舵機調(diào)試界面Fig.9 Debug interface of steering machine

實驗采用的SR-1501MG型數(shù)字舵機， 具有精度高、 扭矩大、 反映靈敏， 運行平穩(wěn)而且線性度高的特點. 調(diào)試界面中每個舵機有兩個參數(shù)， 以S1舵機為例(圖 9 中橢圓線標出的位置)， 左側(cè)數(shù)值表示PWM信號脈寬， 右側(cè)數(shù)值表示舵機對應(yīng)的度數(shù)， 在對舵機進行調(diào)整時， 舵機的轉(zhuǎn)動時間要設(shè)置合理， 轉(zhuǎn)動時間越短， 舵機轉(zhuǎn)動速度越快， 為了防止轉(zhuǎn)動速度太快而導致的舵機滯后效應(yīng)， 轉(zhuǎn)動時間一般不小于60 ms.

6 實驗結(jié)果

本研究設(shè)計的六足智能仿生機器人通過自主研發(fā)的Android端APP(如圖 10 所示)， 調(diào)用藍牙模塊進行遠程無線控制， 在實現(xiàn)基本行走功能的基礎(chǔ)上， 還實現(xiàn)了復(fù)雜動作組， 如舞步、 跨越臺階行走， 同時還具有避障和視頻輸?shù)裙δ?

圖 10 Android無線控制界面Fig.10 Android wireless control interface

圖 11 為六足智能機器人的舞步姿態(tài)， 圖 12 為機器人在特殊路面行走的示意圖， 目前， 研制的六足智能機器人已經(jīng)實現(xiàn)了跨越小型臺階行走的功能.

圖 11 舞步姿態(tài)Fig.11 Dancing

圖 12 機器人跨越臺階Fig.12 Crossing the steps

為了使機器人能夠在各種復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)， 系統(tǒng)加入了避障模塊和視頻傳輸模塊， 避障模塊可以使機器人在與大型障礙物的距離小于30 cm的時候， 自動避開障礙物， 圖 13 為避障示意圖； 在實驗中， 為了保證機器人的安全， 寫入了一個附加功能， 當障礙物與機器人距離小于2 cm時， 機器人停止工作. 視頻傳輸模塊可以將行徑中采集到的視頻畫面無線傳輸?shù)紸ndroid控制端， 圖 14 為機器人傳回的視頻畫面， 這對于特殊地形的監(jiān)測有重要意義.

圖 13 機器人與障礙物距離<30 cm時， 機器人后退Fig.13 The robot turn back when the distance less than 30 cm

圖 14 Android視頻傳輸界面Fig.14 Android video transport interface

7 結(jié) 論

仿生機器人是一門交叉學科， 它涉及到電子學、 通信工程、 力學、 機械學、 仿生學、 系統(tǒng)工程、 計算機、 人工智能等相關(guān)領(lǐng)域. 本本研究基于Android系統(tǒng)控制的六足智能仿生機器人， 通過拉格朗日建模、 采用機器人單腿模型， 對機器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角進行了定量分析， 從而實現(xiàn)了動作姿態(tài)和行為的精確控制. 在基本步行等功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上， 還實現(xiàn)了舞步、 跨越臺階行走等復(fù)雜動作姿態(tài)的控制. 為了實際應(yīng)用的需要， 六足機器人加入了超聲波避障模塊和視頻傳輸模塊， 超聲波模塊可以使機器人與大型障礙物距離小于30 cm時， 自動避障， 這個功能使得機器人在執(zhí)行任務(wù)中可以進行自身保護； 無線視頻傳輸模塊可以回傳機器人采集到的視頻畫面， 為機器人用于礦山探險、 抗震救災(zāi)等提供了研究基礎(chǔ).

該足式機器人系統(tǒng)基本功能已經(jīng)基本實現(xiàn)， 但是還存在一些功能需要完善： ① 視頻傳輸?shù)漠嬅娌粔蚯逦?這主要是由于選用的視頻采集設(shè)備分辨率低造成的， 可以選用高分辨率的視頻采集設(shè)備， 同時， 畫面質(zhì)量要與無線傳輸速率匹配， 否則就會出現(xiàn)卡頓、 跳幀等， 或者嘗試使用H.264編碼方式對視頻進行壓縮后傳輸； ② 目前該系統(tǒng)只能觀看回傳的視頻畫面， 并沒有視頻記憶存儲功能. 在以后的工作中， 可以增加視頻存儲模塊， 供Android系統(tǒng)端隨時點播觀看； ③ 當機器人參與執(zhí)行任務(wù)時， 只有視頻傳輸功能是不夠的， 還需要增加音頻數(shù)據(jù)的采集與傳輸. 但由于機器人運動時， 本身噪聲較大， 要保證準確收集外界環(huán)境的聲音， 則需要進行深入的研究.

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DynamicModellingandImplementationofIntelligentHexapodBionicRobotBasedonAndroidSystem

LIANG Meiyan， XUE Tailin， WANG Yu， MENG Jianlei， CAO Kangxuan， YANG Haoda

(Dept. of Electronics and Information Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030013, China)

According to simulating the characteristics of spider movement, a hexapod bionic robot based on Android control is proposed in this paper. The quantitative relationship of walking paths and joint angel is established according to the Lagrangian dynamics modeling and theoretical analyzation, and the motion stability and flexibility are improved. By theoretical modeling and analyzation, series of movement pattern are realized including spanning the barrier. In addition, the video transmission and ultrasonic distance measuring module are added to the robot system in order to implement the function of video transmission and automatic obstacle avoidance. The obstacle avoidance distance is about to 30 cm using ultrasonic distance measuring module.

intelligent hexapod robot; video transmission; auto-obstacle avoidance; wireless control

1671-7449(2017)06-0498-07

2016-12-26

梁美彥(1984-)， 女， 講師， 博士， 主要從事機器人， 雷達， 寬帶通信等研究.

TP242

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.06.006