新型轮腿式机器人
刘祎玮 牛锴 吴帆 梁冠豪 王禛
（北京理工大学机电学院，北京100081，中国）
摘要：设计与研制了一种新型小尺寸、轻体重、多用途的轮腿式机器人。该机器人集中了腿式机器人地形适应性强和轮式机器人机动速度高的优点，可在复杂地形条件下以多种行进步态和多种运动方式完成特殊的机动任务。在对该机器人功能特点和运动要求进行详尽分析的基础上，结合抽象仿生学的原理，阐述了仿生步态的实现方法，开发了上位机人机交互系统和基于ARM的嵌入式运动控制系统，探索了多轴伺服运动控制技术，在控制、反馈各环节之间以及机器人视觉系统中采用了无线数据通信方式，实现了机器人的远程遥控，并辅助以超声波探测器阵列，以多传感器信息融合技术配以实时避障算法和数字图像处理技术实现了机器人的自主运动及探测，使该机器人真正成为高技术的综合体，能够完成多种特殊使命。仿真分析和原理样机实测表明，该机器人具有良好的越野行驶能力和稳定可靠的探测性能。
关键词：轮腿式机器人,运动步态,嵌入式控制系统,自主探测,人机交互
中图分类号：TP242 文献标示码：A
0引言
相比传统的移动机器人，轮腿式机器人具有更强的地形适应性，这是因为其每条腿能实现不同的动作，因而可以依靠腿的协调动作来保持机身平稳从而适应复杂地形，此外轮式结构的设计保证该机器人在松软、崎岖的地面上能以较高速度运动。
迄今为止，欧美等国已陆续研制出一系列具有昆虫运动特点的仿生机器人，其典型代表有：美国Case Western Reserve University研制的Robot Ⅲ、Robot Ⅳ，美国University of Michigan、UC Berkeley和加拿大McGILL University共同研制的RHex仿生蟑螂机器人。这些仿生机器人控制系统设计冗繁且控制性能不稳定，环境适应度较低，续航能力不强等各种劣势，只能在实验室环境中短时运行。
本文提出的轮腿式机器人，在机构上有机结合了昆虫爬行姿态和轮腿式机构的特点，可分别实现轮式滚动、腿式爬行、虫式跳跃、蛇式匍匐前进等多种运动模式，同时该机器人兼具体积小巧、机动灵活、复杂地形适应能力强的特点。
1轮腿式机器人机械本体设计
新型轮腿式器人的机械本体如图1所示，主
要包括身躯和腿部。机器人身躯两边各有三条腿，为对称分布，中间腿的运动平面较前后腿外移一段距离，在减小机体前后端横向结构尺寸的同时，可有效避免前、中、后三条腿之间的互相干涉，使机器人运动步态组合更为方便[1]。
图 1 机械本体及细节视图 Fig. 1 Robot structure and details |
该机器人的每一条腿分别由两个单足和联轴器组成。两个单足分别成180°对称安装在联轴器两侧。之所以将机器人的足部设计成弧形，主要是弧形足部具有以下优势：①弧形结构在机器人从“卧”到“站”的过程中，受力点更接近电机回转轴，减小了电机负担；②比起直杆式足部，弧形足部的触地面积更大，防滑性能更好；③在遇到复杂地质条件的地形时，例如石缝、滩涂，直杆式足部容易陷入其中，难以自拔，使得机器人进退维谷，而弧形足部却能降低这种风险。
2轮腿式机器人运动步态分析
图 2 轮腿机器人各步态受力分析 Fig. 2 Stress analysis of gaits |
1) 轮腿式机器人启动步态分析：
当轮腿式机器人从“卧”到“站”时（见图2），机器人六条腿同时运转，带动机体克服重力做
功。这时每个腿部驱动电机所需转矩为：
(1)
从建立的数学模型推导可知，直形足部与弧形足部在驱动功率上近似，因此为计算方便起见，在后续计算中均采用直形结构进行计算[2]。
1) 轮腿式机器人行进步态分析：
从本质上看，该轮腿式机器人模仿的是“六足纲”昆虫，这类昆虫之所以能在地面上快速行进，主要是依靠其采用的三角步态，即在步行时把六条足分为呈三角形分布的两组，一组为支撑相，另一组则为运动相，两相交替，始终保证一组支撑虫体，而另一组使虫体前移，通过两组交替地摆动和支撑，从而实现昆虫的快速运动[3]。轮腿式机器人正是在这一基础上实现仿生运动原理。
当机器人以慢速前进时，机身始终保持有一组腿着地，此时机身重心成波浪形上下起伏，振动较大，但由于电机在低转速时具有较大的扭力，因而可以借助腿部的支撑越过一定的
垂直高度。当机器人快速运动时，由于重力所引起的位移不足以跟上轮腿的摆动频率，因此机器人会存在腾空阶段，在此时间内机器人做抛体运动，并因此具有类似于轮式机器人的快速移动能力，该机器人在由站姿到前进运动瞬时的电机转矩为:
，θi（i=1,3,5）(2)
θ为摩擦力fi与-Y轴方向的角度。如图2所示，机器人匀速前进时对应的转矩为为机器人腿做抛体运动时间内旋转的角度。通过上述分析可以得到电机参数的理论值如表1所示。
表 1 电机理论参数一览表
Table 1 List of motor theoretical parameters
MAXON EC-22无刷 | 启动步态 | 站姿到前进运动顺势步态 | 匀速前进运动步态 | |||||||||
编号 | 转矩 | 转速 | 电压 | 电流 | 转矩 | 转速 | 电压 | 电流 | 转矩 | 转速 | 电压 | 电流 |
1 | 18mNm | 3636rpm | 24V | 286mA | 15mNm | 3030rpm | 24V | 238mA | 17mNm | 3434rpm | 24V | 306mA |
3 | 18mNm | 3636rpm | 24V | 286mA | 16mNm | 3232rpm | 24V | 271mA | 20mNm | 4040rpm | 24V | 423mA |
5 | 18mNm | 3636rpm | 24V | 286mA | 9 mNm | 1818rpm | 24V | 86mA | 12mNm | 2424rpm | 24V | 152mA |
| 嵌入式多线程编程 | ||||||||||||
3主动跟踪模型建立与算法实现
1) 基于camshift算法的目标识别与跟踪
Camshift算法就是将meanshift算法扩展到连续图像序列。它将视频的所有帧做meanshift运算，并将上一帧的结果，即搜索窗的大小和中心，作为下一帧meanshift算法搜索窗的初始值。如此迭代下去，就可以实现对目标的跟踪。
Camshift利用目标的颜直方图模型将图像转换为颜概率分布图，初始化一个搜索窗的大小和位置，并根据上一帧得到的结果自适应调整搜索窗口的位置和大小，从而定位出当前图像中目标的中心位置。
经过视频采集卡的模数转换，目标的RGB彩空间对光照亮度变化较为敏感，为减少此变化对光照的影响，本文利用HSV空间H分量在不同照度差异不大的特点，通过目标图像生成颜概率查表，将图像中每个像素的值用其颜出现的概率对替换，得到了颜概率分布图。这个过程称为反向投影，此时颜概率分布图是一个灰度图像。然后通过meansh
ift算法迭代寻优到概率分布的极值来定位目标。
对于目标图像Iobject（x，y），零阶距：
(3)
一阶距： (4)
搜索窗的质心： (5)
此外camshift能有效解决目标变形和遮挡的问题，对系统资源要求不高，时间复杂度低，在简单背景下能够取得良好的跟踪效果。
2) 主动跟踪模型建立
由于轮腿机器人体积小巧，因此可忽略机器人旋转主轴和PTZ摄像头旋转主轴的位移差，三维模型如图3所示。
图 3 角度关系示意图 Fig. 3 Relationship diagram |
本文采用一种基于迭代思想的积分算法完成主动跟踪功能，机器人与镜头夹角的关系如下：
(6)
通过camshift算法实时计算出目标在图像中的坐标，本文使用的PTZ摄像头水平方向视场角为65°，通过θhorizontal=65°(x-320)/640可以实时生成θt，再调用迭代的算法计算出最优pθ,kθ的解，从而达到基于目标识别的实时主动跟踪算法，效果如图4所示。
图 4 实时跟踪算法演示 Fig. 4 Camshift Demo |
4 轮腿式机器人控制系统设计
1) 硬件设计：
硬件系统由移动式控制平台、嵌入式分布控制系统和多传感器信息融合系统组成。
移动式控制平台由工业PC、无线数传模块、控制器等硬件组成，作为人机交互硬件平台，嵌入式控制系统采用了基于CAN总线的嵌入式分布系统方案，安置在机体内部，由主控芯片STM32和电机
图 5 硬件原理框图 Fig. 5 Hardware schematic diagram |
Elmo驱动器两部分组成。多传感器信息融合系统采用基于Cortex-M3核心的数据采集单元，
实时采集电机运动信息、GPS、超声波传感器、红外探测器以及能源状态信息，在嵌入式控制系统中综合处理。
机器人数据通信平台采用2.4GHz的ISM频段，采用ARM为主体的星型拓扑结构，并搭载惯性制导仪等。机器人的视觉信息则通过1.2GHz通讯频段传递，以避免2.4GHz移动通讯频段的拥挤所导致的图像失真。机器人整体硬件原理框图如图5所示。
2) 软件设计
控制系统软件是控制系统的核心，它主要完成调度、协调系统各个硬件模块的工作，实现信息整合、任务分配、运动管理等功能。控制软件系统由机载系统软件和总控平台软件两大部分组成。
总控平台软件运行于便携式计算机中，主要由运动行为规划模块、视频显示模块、实时数字图像处理模块、人机接口模块和串口通信模块组成，软件采用VISUAL C++ 6.0在WIN XP系统下开发完成，总控平台的人机交互界面如图6所示。
图 6人机交互界面 Fig. 6 HCI platform |
机载系统软件以嵌入式实时多任务操作系统Linux为开发平台，采用面向对象的多线程编程技术开发完成，编程语言为C++。分别建立运动控制、数据采集、串口通讯等对象，各对象内建立相对独立的运行线程，协作完成机载系统各部分任务。
5 轮腿式机器人物理样机实验
1) 仿真分析
为了规划轮腿式机器人在采用三角步态运动时其各腿间的相互关系，利用3Ds MAX对其执行三角步态时各腿间的相互关系模拟仿真，以确定正确的运动参数，其模拟步态如图7所示。
图 7三角步态模拟仿真 Fig. 7 Tripod gait simulation |
2) 实验验证
实验证明轮腿式机器人能够完成起立、行进等多项运动，达到了运动速率和灵活性的协调统一。再配合上多传感器信息融合技术和数字图像处理技术，能够可靠、稳定地实现了轮腿式机器人自主避障和特种侦查的功能。
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