基于LSC-20控制的多足機器人步態調整

覃潤基，楊其城

（長春工程學院 機電工程學院，吉林 長春 130000）

0 引 言

隨著科技水平的提高，除去傳統固定環境下工作的工業機器人，現已發展出了各種非結構化環境下作業的有自主決策能力的智能機器人，如航天機器人、救援機器人、巡邏機器人、服務機器人等[1]，這些脫離了固定工作環境的機器人需要有更高的環境適應能力。目前，大多數移動機器人都是采用傳統輪式或履帶式[2]的移動方式，而多足機器人憑借更好的適應能力與機動性，一直是機器人研究領域的熱點，相比于履帶式和輪式機器人，多足機器人能通過不同的支撐點來獲取有效動力[3]。合理的設計結構、適當的調整步態，能讓多足機器人穩定移動。

目前在多足機器人的步態設計方法中，最常見的是基于機器人重心的靜穩定性方法，即要求機器人重心時刻保持在支撐區域內，但這限制了機器人行走的流暢性。零力矩點（Zero Moment Point, ZMP）穩定性理論[4]已廣泛應用于雙足機器人的平衡控制問題處理當中。目前，對多足機器人步態方面的研究有以下幾種：從仿生學角度對四足機器人的腿部擺動軌跡進行研究[5]、基于ZMP穩定性理論對四足機器人機身運動軌跡進行優化[6]、在耗能最優方面研究多足機器人綜合步態[7]、為了提高四足機器人爬行穩定性和速度對步態進行優化[8]、能夠越過障礙的多足機器人步態設計[9]、多足機器人的跳躍步態設計[10]。

參考上述對多足機器人步態研究成果，本文記錄了使用LSC-20舵機控制器控制LD-1501MG舵機調整多足機器人步態的過程。首先，擬定一個能夠使多足機器人平穩站立的姿態，作為默認的初始姿態，即每一個動作周期的最后一個姿態；其次，設計出一個基于默認姿態下的行進姿態，調整機器人每步獨立動作中的舵機參數，在保證機身平穩的同時，確保機器人在行進過程中的穩定；最后，將站立姿態與行進姿態相結合、優化，在保證機身重心穩定的同時，機器人足部行進動作流暢、平滑、迅速，使整個行進過程的開始與結束都順利進行。

1 多足機器人腿部結構選擇

本文使用的機器人腿部結構在現有六足機器人當中十分常見，如圖1所示。該結構由2個舵機和連接塊組成，依靠機械結構來實現抬腿。該結構控制較為簡單，相比于其他結構，該結構抬腿只需要使用1個舵機，節省空間且減輕整體重量。

圖1 多足機器人的腿部機械結構

2 LSC-20舵機控制器及其軟件

本文使用LSC-20舵機控制器，如圖2所示。搭配對應的軟件“LSC-20 Controller”能夠實現對最多18個舵機的控制，即6個由3個舵機控制的腿部，使每條腿的每個部位都能夠最大幅度的擺動。該控制器同時具備藍牙模塊和ps2手柄的接口。配套的軟件“LSC-20 Controller”使用簡單，界面直觀簡潔明了，省去了較為繁瑣的編程步驟，如圖3所示。

圖2 LSC-20舵機控制器

圖3 LSC-20上位機

3 軟件控制

控制板第一次連接電腦時，電腦會自動安裝對應驅動。鏈接舵機與控制器后，打開控制軟件“LSC-20 Controller”，若界面中機器人的眼睛變綠，則表示軟件與控制器正常連接并啟動成功。

舵機滑塊調整窗口如圖4所示。界面中，每條腿上的3個小窗口是舵機滑塊調整窗口，范圍為500～2 500（默認為中位1 500）。點擊滑竿白色區域，滑塊向著鼠標方向移動，按住不放則連續移動；也可以直接拖動滑塊，滑塊滑動的時候，舵機位置值也會隨之變化。記錄舵機參數只需要記錄界面中顯示的數據便可。

圖4 舵機滑塊調整窗口

4 步態調整

對多足機器人的每條腿編號，如圖5所示。將1號、4號腿歸為A組，2號、3號腿歸為B組。

圖5 給舵機4條腿編號

先將其調整為站立姿態，待穩定后，記錄每個舵機的舵機位置參數，如圖6中黑色選中部分，作為初始姿態。

調整前進步態，先改動A組腿部舵機的數據，使其抬起后將舵機數據添加到動作組中，以此類推，將A，B兩組腿各抬起一次記為一步。當機器人完成“前進一步”的動作后回歸到初始姿態中，即該前進動作組的第一行舵機參數應與最后一行舵機參數設置相同。“前進一步”動作組由以下4個步驟組成：

（1）抬起A組腿并且向前方轉動45°；

（2）放下A組腿；

（3）抬起B組腿，同時A組腿向后方向移動回到最初的位置；

（4）放下B組腿。

在已經調整完成的“前進一步”動作組基礎上，若要銜接上前進第二步，則只需要簡單地在動作（3）中加入B組腿的前進動作，即：

（3）抬起B組腿并且向前方轉動45°，同時A組腿回到初始位置；

（4）抬起A組腿，同時B組腿回到初始位置；

（5）放下A組腿。

此為“連續前進兩步”動作組。由此可見，若該機器人需要持續向前運動，只需要在對應的動作中，將A，B兩組的腿部動作互換，即可完成持續前進動作。

調整為前進兩步后停止的舵機數據如圖6所示。將經過調整試驗后的動作組拆分為兩個部分：靜止部分和前進部分。將兩個部分結合后，便可實現隨時前進、隨時停止。

圖6 完整動作組舵機參數

5 結 語

在學習和參考了各種多足機器人的行進步態后，本文應用LSC-20 Controller對多足機器人進行簡單的步態調整。經調試，該軟件對多足機器人的步態調整起到了很大的幫助作用，但在功能多樣性方面有待進一步完善。