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摘要：仿生机器人是机器人这一大领域的一个重要分支。本文根据全国大学生机器人大赛ROBOCON赛事规则的需求，设计了一款四足机器人，采用STM32F407VET6作为主控制器，对其行走系统和平衡控制做了研究。针对四足机器人的行走系统，选用了对角小跑的步态进行行走，通过跳跃的步态方式进行翻越场地内的障碍，并且介绍了四足机器人的平衡系统。并在上位机对各方面功能进行仿真，实现了四足机器人全自动行走以及翻越障碍。
关键词：四足机器人；步态；平衡
1研究目的与意义
设计来源于第十八届全国大学生机器人大赛ROBOCON赛事。本届比赛以“快马加鞭”为主题，灵感来自古代传递信息的驿传制度。现如今，信息的光速传递，促使互联网形成的逻辑上单一且巨大的全球化信息网络能让我们不受空间限制，并且可以通过多种多样的形式进行信息的交换。
2总体方案设计
2.1行走系统方案的确定
四足机器人腿部关节的自由度数量决定了腿部的灵活性，关节自由度越多，腿部结构就越复杂，成本也会随之增加，控制难度也会比较困难，但是，腿部的灵活性会大大提高；反之，关节自由度越少，腿部结构就越简单，成本也会降低，比较好控制，但是，腿部灵活性也会降低。腿部结构的方案有两种方案：（1）腿部关节自由度共三个。髋部与机器人躯干连接的为髋关节横摆自由度，该关节能保证髋部与躯干有一个侧向的运动；髋部与大腿连接的为髋关节俯仰自由度，该关节能保证大腿做前进的运动；大腿与小腿连接的为膝关节俯仰自由度，该关节能保证行进时，小腿落地时姿态的调整运动。（2）腿部关节自由度共两个。髋部与大腿连接的髋关节俯仰自由度有两个，以保证腿部可以承受机器人更多的重量，大腿与小腿之间的膝关节俯仰自由度为从动自由度。从灵活性来说，第一种方案最佳，但是，从控制难度、成本以及扭矩来说，第二种方案更合适，所以，第二种方案为首选方案。
2.2平衡系统方案的确定
四足机器人极易受到场地障碍和外部冲击的作用导致重心不稳定而摔倒，所以在突发状况的时候，如何能让四足机器人快速地恢复平稳行走状态，是四足机器人能否完成任务的关键。平衡系统的方案共有三种：（1）采用六轴姿态陀螺仪安置在四足机器人的中心，通过计算Z轴的偏移量，然后，进行补偿来达到四足机器人相对的平衡状态。（2）四条腿的旁边安装光流传感器，对四个光流传感器的数据进行比对，计算出偏移量，然后，通过补偿达到四足机器人的相对平衡状态。（3）与方案二的原理一致，将光流传感器换成气压计，即可达到同样的效果。方案二、方案三都需要使用4个传感器才可以达到效果，光流传感器对光线的要求比较严格，光线变化会导致数据不稳定；四足机器人的最大浮动范围0～1000mm，气压计的变化量很小，不容易被检测到，容易失误。方案一通过陀螺仪内置的算法可以实时、准确地将Z轴的偏移量读取回来，并且使四足机器人快速反应，恢复到稳定状态。
3四足机器人行走系统设计
3.1腿部结构的设计
因为考虑到设计、控制以及成本的问题，髋部横摆的自由度就被舍弃，只有髋部俯仰的自由度是一个主动自由度，其他膝关节以及足端均为被动自由度。
3.1.1关节结构的设计
为减轻腿部结构的重量，大腿部分为两块3mm厚的碳板，通过法兰盘直接连接到电机，碳板没有做镂空设计，以此提升大腿强度，两块碳板中间间隔5mm，方便膝关节的设计。小腿部分为一块5mm厚的6061铝板制作，中间镂空设计，用于减轻腿部结构的重量。膝关节的大腿部分两块碳板上均套有挡边轴承，小腿部分套有黄铜套，中间用螺丝固定，挡边轴承和黄铜套都能起到滑动的作用，能让膝关节灵活地活动。因为RM3508无刷减速电机不能将电机轴的转速和方向反馈回来，为了将转速和方向的数据提取出来，在电机轴上设计了一个5mm宽的同步带轮，而且不影响腿部结构与电机轴的连接，另一端连接在一个绝对值编码器上，通过绝对值编码器，将电机轴上的数据提取出来，并且反馈给从机。
3.1.2足端结构与姿态的设计
为了能使四足机器人稳定地运行，足端设计为一个平面，因为腿部的运动方式是模仿马的运动方式，在运动的过程中，足端是在做向后蹬的运动，所以平面的前半部分与小腿相连；平面的后半部分用压簧与小腿进行连接，模仿脚后跟先着地，然后，在向后运动的过程中整个脚掌落地。足端设计为一个平面与小腿连接，用压簧辅助足端形成一个稳定的姿态，保证整个腿部的运动可以稳定地着地，并向前运动。足端下面还加有一个“键盘轴”作为一个触发机构，当整条腿落地后，“键盘轴”会触发一次，并返回一个数据以代表腿部已经落地，以此保证每次脚部都会踩到地面上。
3.2四足机器人的步态规划
3.2.1穿越障碍稳定步态的设计
四足机器人在翻越障碍的时候应该是静态稳定性的，这就要求步态应该有比较慢的前进速度和平稳的重心。当采用行走步态时，行进速度相对比较缓慢，要保证四足机器人可以平稳地翻越障碍，就必须保证当其中一条腿抬起时，机器人的重心必须落在支撑地面的三条腿所在的三角区域内，否则，四足机器人就会有倾斜或翻倒的情况发生。因为不能保证每次四足机器人走到障碍前都是同一个位置且重心的移动难以掌握，所以行走步态不是很适合翻越障碍的任务。根据动物上台阶的一些特性，我们使用了一种较为特殊的方式翻越台阶障碍，四足机器人在平路采用较低的姿态再加对角小跑的步态快速地行走到台阶前，然后，迅速抬高躯体，两条前腿迅速收缩并向前迈步，两条后腿向前倾斜，让两条前腿直接迈到台阶上，并保持重心在整个躯体的正中心，再将两条前腿迅速收起并向前迈步，让两条前腿跨过台阶，两条后腿也以同样的方式跨过台阶。走到绳索障碍的时候，也可以使用和翻越障碍同样的办法跳过去，也可以采用对角小跑的步态，直接走过去，因为绳索障碍的高度较低，且宽度极窄，躯体较低的情况下也不会蹭到绳索，导致机器人失去重心而倒地。相对台阶障碍来说，绳索障碍就可以有多种方案选择，最终我们选择最简单的光电开关检测方案。
3.2.2直行及转弯步态的设计
平路上直行采用对角小跑的步态前进，并用架在车头摄像头openMV识别场地上的白线，将可能走偏的四足机器人纠正回来，使其一直保持走在白线上。当遇到转弯路段时，通过摄像头采集并返回的数据，四足机器人左右腿通过缓慢的差速运动，使其转弯，并使得躯体中线一直与白线重合。
3.2.3坡面步态的设计
四足机器人所要攀爬的坡面倾角达到了14°，如果整个躯体与坡面平行，就会导致重心后移，两条后腿上的压力激增，使得后腿的步态不能达到预期的效果，就此原因，将对角小跑的步态进行一些少许改动，让后腿的运动状态持续为直立后蹬状态，前腿的运动状态持续为半蹲状态，整体运动状态依然为对角小跑状态，能够使四足机器人在坡面上也可以平稳快速地运动，不会出现因重心后移导致的向后翻倒的状态。
3.2.4电机的控制设计
电机的精度决定了四足机器人能否按正常的步态沿着直线行走，为了方便控制，选用了大疆公司的M系列电机，功率有220W的M3508电机、44W的M2006电机，并配以14:1的减速比，可以输出482rpm的转速，满足四足机器人所需要求。
4结语
针对四足机器人的行走系统，选用了对角小跑的步态行走，判断障碍物的位置，通过跳跃的步态方式翻越场地内的障碍，步态规划对四足机器人的行走、翻越场地内的障碍和爬坡能力有着密不可分的作用。选用合适的步态以及腿部结构的设计，再配合大功率的无刷减速电机，使四足机器人平稳地行走。在改进被障碍绊倒、行走不稳定导致的各种问题时，发现机械和电气控制密不可分，需要特别紧密的配合。
参考文献：
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[3]张世俊,邢琰,胡勇.障碍地形下的机器人轮足复合越障步态规划方法[J].哈尔滨理工大学学报，2013(05).
[4]邹明峻,于金鹏,于海生,崔健.全肘式四足仿生机器人爬台阶步态研究[J].电气传动，2019(06).
作者:赵晓艳 王磊 李凯丽 董燕丽 单位:山西农业大学信息学院
