新型雙足氣體平衡機器人的設計*

□ 吳 逸 □ 張秋菊 □ 譚閩海 □ 周逸群 □ 喬永瑞 □ 潘鵬丞 □ 方 娟

江南大學機械工程學院 江蘇無錫214122

我國仿人機器人研制起步較晚，但近年來發展迅速。目前，在人形機器人領域中，平衡性能研究的主要內容有平衡性理論基礎、步態規劃、平衡恢復和關節力矩約束條件分析等，更為普遍的是在機器人中通過附加配件、彈簧、氣缸、機械阻尼等來增加平衡性能［1］。但目前平衡理論應用到實際人形機器人中還存在很多問題，如平衡效果不太理想，因此依然需要進行更深入的研究。王海燕［2］對國內仍處于空白階段且具有負重能力的液壓驅動雙足機器人運動系統的機構設計、運動學分析、步態生成方法及穩定性控制等方面開展了深入研究。韓亞麗等［3］研究了一種基于零力矩點預觀控制系統雙足機器人穩定行走步行模式的生成方法。郭美玲等［4］設計了一種全新運動方式的搜救機器人，當遇到塌方障礙時可以通過彈跳和飄浮運動來穿越障礙物，到達需要探測地點，且運動平穩，節能環保，應用范圍廣。雙足機器人是機器人研究領域最前沿的類型之一［5］，而雙足穩定行走則是雙足機器人研究領域的首要目標［6］。所以，良好的平衡系統對于改善雙足機器人動態特性、操作性能至關重要。筆者設計了一種新型雙足氣體平衡機器人，采用氣體來增加雙足機器人的平衡性能，使其能平衡穩定行走。

1 總體方案

1.1 承載氣體與下肢材料選擇

關于氣體平衡機器人，方案設計的核心技術是利用氣體浮力平衡機器人自身的質量?；诤喴仔院桶踩栽瓌t考慮，筆者選用了氦氣作為氣球的氣源，在保證氣球密封性的同時，盡可能增大氣球的體積，以及內部氣體壓力，以提升氣球的浮力性能。筆者初步設計了雙足氣體平衡機器人的腿部尺寸，并進行運動學分析，應用MATLAB軟件完成運動學計算并生成數據，采用Pro/E軟件建立雙足氣體平衡機器人腿部模型，并完成仿真［7］。在試驗過程中，筆者對雙足氣體平衡機器人的下肢用料進行改善，經多次試驗后，采用傘骨代替最初設計的木棍作為雙足氣體平衡機器人的下肢，原因是傘骨的整體質量較木棍（包括銜接部分）要輕，并且它的單個平面自由度較木棍更加平穩，更重要的是傘骨有著豎直狀態下的自我恢復能力。筆者通過三維打印技術打印出雙足氣體平衡機器人傘骨下肢，在關節連接處使用鉸鏈結構，同樣能夠完成試驗要求。

1.2 行走功能

目前機器人行走的主流驅動方式是關節電機驅動。機器人關節是機器人的基礎部件，其性能的好壞直接影響機器人的性能［8］；且電機驅動相比液壓或氣壓驅動具有能量傳遞方便、信號傳遞迅速和標準程度高的優點［9］。但筆者沒有選擇與目前大多數雙足機器人一樣的關節電機驅動方式，因為在機器人下肢每個關節處安裝電機，通過電機的轉速配合來驅動機器人行走，除了較高的成本及復雜的程序和結構配合外，單是笨重的電機便無法達到筆者的預期目的。為此筆者專注如何簡化伺服驅動裝置，最終得出方案：由于雙足氣體平衡機器人下肢承受的重力大部分來自于電機，所以下肢的質心在電機安裝位置，筆者選用SG90質量為9 g的舵機安裝在雙足氣體平衡機器人下肢底端位置，使下肢質心集中在底端，用繩子一端纏繞在舵機旋轉葉片上，能夠承載一定的轉矩，另一端綁在雙足氣體平衡機器人大腿部位。當舵機旋轉葉片端離雙足氣體平衡機器人大腿捆綁部位距離最近時，繩子處于繃直狀態，這樣使雙足氣體平衡機器人在行走過程中，繩子始終處于繃直狀態，當舵機轉動時，旋轉葉片會通過繩子的牽引帶動雙足氣體平衡機器人下肢抬起，同時雙足氣體平衡機器人的質心明顯前移，有向前移動的趨勢，足夠帶動雙足氣體平衡機器人上半部分向前移動，從而實現行走功能。

雙足氣體平衡機器人運動原理如圖1所示。

▲圖1 雙足氣體平衡機器人運動原理

1.3 避障功能

雙足機器人具有較高的避障行走能力，能夠實現在各種不同復雜地面上行走，在仿人雙足機器人技術產業發展中具有廣闊的應用前景［10-12］。為了實現避障行走功能，雙足氣體平衡機器人需對其所在位置信息做出反饋，筆者使用HC-SR04超聲波測距傳感器來完成這一功能。這種超聲波測距傳感器的質量較輕，在雙足氣體平衡機器人的承受范圍內，同時它可以通過發射和接收超聲波，感應5～200 cm的距離。筆者只要調節HC-SR04超聲波測距傳感器能夠感應到的最小距離，再通過編程控制SG90舵機差速轉動，可使雙足氣體平衡機器人兩下肢行走改變方向，改變直行的狀態，就可以實現其避障功能。筆者在機器人的不同位置安裝超聲波測距傳感器，經多次試驗得出結論，超聲波測距傳感器固定在下肢頂端橫桿處和安裝在下肢底端舵機旁，均可對距離進行相對精確的測量。最終筆者使用Arduino Mega2560單片機來控制驅動舵機，完成了雙足氣體平衡機器人避障功能的設計。

2 機械結構

2.1 機械裝置

雙足氣體平衡機器人模型如圖2所示，其主要結構有氣球、SG90舵機、HC-SR04超聲波測距傳感器、傘骨等。

2.2 機械控制

當左右舵機轉速相同時，雙足氣體平衡機器人穩定直線行走。當HC-SR04超聲波測距傳感器檢測到雙足氣體平衡機器人的前面有障礙物，且障礙物在5 cm時，超聲波測距傳感器將信號反饋給計算機，計算機做出反應，發出轉彎信號，舵機差速轉彎。

▲圖2 氣體平衡機器人模型

雙足氣體平衡機器人行走控制流程如圖3所示，超聲波測距傳感器測距試驗數據如圖4所示。

▲圖3 雙足氣體平衡機器人行走控制流程

▲圖4 超聲波測驗距傳感器測距試驗數據

由圖4可以看出，在0～18 s時，HC-SR04超聲波測距傳感器測得的雙足氣體平衡機器人離障礙物的距離隨雙足氣體平衡機器人向障礙物的移動而遞減；當在18～20 s時，雙足氣體平衡機器人與障礙物距離小于5 cm時，雙足氣體平衡機器人開始轉彎，雙足氣體平衡機器人與障礙物距離逐漸增大，當超聲波測距傳感器測得雙足氣體平衡機器人與障礙物距離大于設定閾值后，判定為轉彎完成，雙足氣體平衡機器人又開始直行，直到遇到下一個障礙物，再重復上述過程。

3 操作過程

首先給氣球充氦氣，使氣球的浮力約等于雙足氣體平衡機器人下肢承受的重力，然后通過Arduino Mega2560單片機將事先編好的程序輸入到驅動板，使輸出的脈沖信號驅動舵機實現運動。當雙足氣體平衡機器人與前面障礙物的距離小于閾值時，超聲波測距傳感器即反饋信號給計算機，計算機發出信號，使雙足氣體平衡機器人兩足舵機差速轉動，使雙足氣體平衡機器人轉彎。

4 結束語

筆者設計的這種新型雙足氣體平衡機器人主要是由獨特的角度解決目前輕型人形雙足機器人的平衡問題，為雙足機器人質心的控制提供了一種可行的方法。通過氣體浮力平衡機器人的重力，使其保持平衡狀態，即使暫時失去平衡還是可以通過氣體浮力來恢復平衡。再通過質心移動驅使機器人行走。同時，通過輕巧精妙的機械設計，降低了雙足機器人兩腿控制的難度?？偠灾?，雙足氣體平衡機器人是應用氣體浮力去解決人形機器人行走時候的平衡問題，具有深刻的研究意義，有很大的應用價值。