四足機器人運動分析與控制系統設計

王營東 王蕊 周桂燦 周展鴻 邢哲愷 許昌堯

摘要：機器人誕生的初衷在于服務人類，將人類從重復、繁瑣甚至危險的工作中解放出來，進而把有限的人力資源投入到更有價值的生產勞動過程中去。本設計以STM32F4為系統中控，根據機器人運動理論，設計相對應的控制系統。該設計具有良好的兼容性，實現簡單操作和運動路徑擬合的多元化，并且采用GPS模塊進行實時定位，根據現實犬類動物行走姿勢對機器人進行各種步態分析。

關鍵詞：足式機器人;STM32F4;GPS模塊;步態分析

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）13-0036-01

1引言

四足機器人是目前比較普遍的一種機器人。長期從事足式機器人研究的諸多學者認為：從穩定性和控制難易程度及制造成本等方面綜合考慮，四足機器人是最佳的足式機器人形式，四足機器人的研究深具社會意義和實用價值。

2問題描述與模型設計

2.1問題描述。

（a）動力選擇問題：傳統四足機器人關節采用電機作為動力使結構過于復雜，且重量大;

（b）調試問題： 缺乏嚴瑾的理論支撐，參數根據調試經驗來確定，工作量大;

（c）兼容性問題：普通的正弦角度往返模型控制，運動模型單一，不適用復雜地形;

（d）安裝問題：機器人安裝設計物理布線、零件裝配等多方面，且易磨損;

（e）負載問題：采用普通舵機作為動力系統不具備大負載能力，且齒輪容易壞;

2.2系統構成。

（1）STM32F4。STM32F4單片機基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核，其外圍接口豐富，數據處理非常快，而且采用FreeRTOS嵌入式實時系統，有效的利用了CPU的資源，更好地保證系統的實時性和可靠性。所以本設計使用的是STM32F4系列處理器。

（2）GPS模塊。WF-NEO-6M是野火設計的高性能、低功耗GPS定位模塊。它采用u-blox公司的NEO-6M模組方案，可以通過串口及USB接口向單片機系統和電腦輸出GPS定位信息，使用簡單方便。將機器人當前位置坐標通過上位機導入百度地圖，得到時間，經緯度，海拔等數據。

2.3總體功能模型設計。本設計用戶通過DT7無線遙控自定義機器腿抬升的高度和跨越的速度，通過usart串口通信發送給中控系統，中控系統將參數傳入bezier生成器，得出相對應的運動軌跡，并返回曲線路徑所需的各個目標點，使關節舵機轉動到目標點，GPS模塊將機器人當前高度和角度的數據變化反饋給用戶。

3詳細設計

3.1運動步態設計。運動步態分為兩種：分別是對角步態和三角步態。

對角步態：對角步態運動是一種節律運動，從仿生角度，中樞模式發生器CPG作為一種生物節律運動控制器對于對角步態運動的控制也是非常有效的，通過四足機器人原理樣機對所規劃的對角步態及其穩定性控制進行試驗，采用Keil軟件進行調試。

三角步態：以三角形支架結構交替前進，身體左側的前后足及右側一足為一組，右側的前后足及左側一足為一組，分別形成兩個三角形支架，當一組三角形支架中所有的足同時提起，前后關節收縮，拉動身體向前，后足的關節收縮，將機器人向前推，然后重復前一組的動作，這種行走方式可以使機器人隨時隨地地停止下來，因為重心總是落在三角支架內。

3.2運動控制設計。將用戶給定的高度和速度通過縮放器轉換，并將得到的控制點給到bezier生成器，計算出相應的曲線，實現關節高度和寬度的任意轉換，設定控制原點P0為（0，0），由觀察經驗所知，腳末端的運動軌跡的最高點在抬腿一側，則控制點P1的x軸設為0，再則抬腿高度和P1y的轉換公式為P1y = Py/2（1-t），求出P1控制點坐標軸為（0，Py/2（1-t）），P3控制點又速度快慢決定，分析退的運動副可知在站立的情況下平地運動范圍為0cm～6cm，則求得P2坐標點為（0.1speed，0）。

4系統調試與分析

把機器人分別置于三種地形：上坡，平地，下坡進行調試。上坡時，保持軀干仰角向前傾斜，通過控制高度來調節仰角的大小，并得到期望高度值;平地使前后腿平行于地面，重心落在機器人中間，其俯仰角隨地形的變化而變化;下坡則通過調節俯角，將重心移到后方，使機器人四肢受力均勻。將機器人運動狀態分為小跑和行走兩種，小跑情況下，使用對角步態，，通過對角抬起，對角落地，實現機器人向前跨度增大，并保持重心在對角線上，通過慣性使機器人在短時間內保持平穩;行走因為速度緩慢，所以用三角步態，通過三角形支架支撐，保持機器人平衡，使機器人在緩慢行走的同時保持自身平衡。

5結論

在本次設計中，四足機器人能實現任意高度和寬度的跨越，能在上坡、下坡、平地等不同種地形中行走，通過調整軀干的俯仰角度盡可能減少了行走過程出現打滑的現象，調整步伐的高度可跨越一般矮小的障礙物，利用不同步態分析并實現機器人小跑和行走等運動狀態，采用GPS定位模塊可實時定位機器人當前位置相關信息。總體而言，該四足機器人實現了模擬現實中犬類動物的簡單運動，并具有良好的魯棒性，實現效果較為理想。

參考文獻：

[1]王劍.仿人機器人在線運動規劃方法研究[D].長沙：國防科學技術大學，2008.

[2]韓斌.外部沖擊作用下四足仿生機器人動態穩定控制方法研究[D].武漢：華中科技大學，2013.

[3]江磊，劉大鵬，胡松.四足仿生移動平臺技術發展綜述及關鍵技術分析[J]車輛與動力技術，2014，（1）：47-52.

[4]張鵬翔，廖啟征，魏世民.液壓驅動的四足機器人控制系統研究[J].液壓與氣動，2011，（1）：29-31

[5]谷志新，姚波，徐凱宏，等.巖羊四肢動力學分析及相關技術的研究 [J].機電產品開發與創新，2010，23（5）：6-8.

作者簡介：王營東（1997年5月出生），男，廣東湛江人，華南理工大學廣州學院機械工程學院2017級本科生，研究方向：嵌入式。

王蕊（1982年8月出生），女，天津人，華南理工大學廣州學院，講師，研究方向：機電系統控制及自動化。