傅宇杨 李知菲

摘要：将智能机器人用于大学生的创新实践教学，能调动学生的学习积极性，让学生掌握智能机器人的核心技术，培养学生的创新实践能力。本文详细论述了用于浙江师范大学计算机专业创新实践教学课堂中拟人行走智能机器人的设计，机器人基于Arduino控制器，可以进行拟人化行走。从后续教学应用的反馈上证明了，设计的机器人满足了实践教学要求，达到了创新实验目的。

关键词：创新实践教学；智能机器人；拟人行走；步态设计；Arduino控制器

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）10-0102-03

引言

我国从2009年开始，用工荒和劳动力成本上涨的情况频繁发生，以劳动密集型企业为主的中国制造业进入发展的瓶颈期。因此，我国先后发布了《中国制造2025》《机器人产业“十三五”发展规划》等重要文件，明确提出大力发展智能机器人，实现中国制造业转型升级战略。有专家预计，到2017年我国机器人的使用量将达42.8万台，其中工业机器人将成为市场主力。

为了响应巨大的市场需求，高等院校中的电子、机械或计算机等相关专业纷纷开展各种形式的智能机器人教学或科研。浙江师范大学自2013年起在计算机专业为本科生开设了选修的智能机器人创新实践教学课程（2学分），笔者从多年的教学实践中发现，学生对拟人机器人类项目较感兴趣。同时，人形机器人也是智能机器人的重要研究形态之一。因此，我们依托计算机专业的虚拟现实与动作捕捉实验室，进行了拟人机器人开发，建立了机器人步态数学模型，实现了机器人拟人化行走，并将此智能机器人用于本科生的创新实践教学，取得了不错的效果。

拟人行走智能机器人的结构

本文的研究对象参考了哈尔滨石油学院的17个舵机机器人[1]，因此它也是一个搭载了17个LD-2015数字舵机的双足仿人机器人。与传统的模拟舵机相比，数字舵机的控制精度和响应速度更加具有优势。该数字舵机可产生15kg的扭力，因此可满足机器人行走的需要。机器人组装使用的都是一体化结构，结构支架一体成型，使机器人更加坚固，系统的稳定性更高。其总体结构如下页图1所示。

机器人步态模型的建立和行走设计

根据人行走的实际情况，结合所研究的机器人，我们定义了下肢各个关节运动时的角度范围，防止机器人下肢各个关节处的舵机干扰。所设置的各个关节的运动范围[2]见下页表，在横向平面内向外为负，在纵向平面内向后为负。

为了方便对机器人进行运动分析，建立相应的数学模型，我们只保留关节以及连接关节的连杆，图2是其示意图。[3]

为了建立运动学模型，我们以髋关节为原点形成主坐标系。接着再分别以膝关节和踝关节为原点，建立右手坐标系，采用D-H方法[4]建立机器人运动学模型。假设髋关节在运动时保持在一定的水平面上，忽略其在垂直高度上的变化。机器人在髋关节与膝关节的连接有一个固定的夹角，我们取其两者的直线距离l0=50，而膝关节与踝关节的距离l1=40。图3为摆动腿的坐标图。

由摆动腿的坐标图可以发现，其主要是绕X轴旋转，而其旋转矩阵如下：

根据所建立的摆动腿坐标系图，得膝关节的位置矩阵为：

故其D-H矩阵如下：

再从膝关节到踝关节，主要也是绕X轴旋转，故其旋转矩阵不变，而踝关节的位置矩阵为：

故其D-H矩阵如下：

由以上可得：

根据D-H矩阵的特性，由其中的位置矩阵可得，脚踝关节在基坐标系中的坐标为：

机器人行走的步态设计[5]就是机器人的每条腿按照设定的顺序，进行角度变化的过程。然后，每条腿不断循环设定好的步态，也就实现了机器人的步行运动。为此，我们根据人类的行走特点，再结合机器人的特点，将步态设计为以下几个主要动作：

首先，左脚脚踝关节在横向平面内往外倾，使得重心左移，为下一步的左脚单脚支撑身体做准备；

接着，右脚大腿抬起，小腿也在纵向平面内往前移动，致使右脚的重心在纵向平面内往前移动；

然后，左脚髋关节在纵向平面内进行俯仰，使得上半身往前微倾，从而使得上半身的重心也向前移动；

此时，机器人身体的大部分重心基本已经完成了向前移动，紧接着，我们恢复左脚脚踝关节在横向平面内原来的角度，使得右脚重新落地，至此，我们已经完成一只脚的步态设计。

在步态设计时，我们假设机器人前行的平面为纵向平面，而机器人的横向移动则是在横向平面。

機器人稳定性验证

机器人行走时，最重要的就是单脚支撑整个身体时，是否能保持整个多自由度系统的稳定。因此，我们进行了踝扭矩的计算，用以判断在该情况下单脚的踝关节滚动角度能否保持整个系统的稳定。根据运动中的情况，我们可以计算单脚踝关节承受的最大扭矩，用以判断舵机有无过载。对此，我们进行如下模型简化及假设。

假设踝关节的滚动角度为θ，而模型的总重则简化为图4所示的三部分。关于O点的扭矩如下：

根据上述⑧式和⑨式，我们就可以计算出单脚支撑时，脚踝关节的扭矩，从而知道该处舵机负载。如果计算所得的扭矩超过舵机额定负载，则需要重新设定关节舵机的角度，防止因过大负载而造成舵机不可修复的损坏。

实验结果

根据所建立的运动学模型，我们得到机器人行走时，摆动腿在基坐标系的各个位置，再根据脚踝扭矩计算，用以判断自己所设计的各个关节角度序列是否满足稳定的要求，这样就避免了不断重复试验各个关节的角度调节，使得舵机损坏。

根据上述建立的模型以及稳定性验证，我们得到了部分舵机所转过角度的动作序列（如图5）。

结束语

我们在建立了机器人行走的步态模型后，基于Arduino控制器完成了拟人机器人的开发，并对所设计的机器人进行了拟人行走的稳定性验证。开发的机器人用于创新教学实践，选修该课程项目的学生在利用所开发的机器人完成拟人化机器人行走动作设计及编程实现后，在一定程度上获得了成就感，更加有热情投入到项目中的学习，为以后开发出机器人更多动作序列提供了可能性。本文的研究也为学生将机器人技术带到工业或者生活上，以及以后的创新创业[6]开拓了新的思路。

参考文献：

[1]孟浩，王妍玮.基于Arduino的双足仿人机器人设计[J].林业机械与木工设备，2014，42（2）：38-40.

[2]张洪宾.双足步行机器人的步态规划与神经网络控制[D].广州：华南理工大学，2016.

[3]查望华.双足机器人运动控制系统的研究[D].杭州：浙江大学，2016.

[4]ZHUANG Yu-feng，LIU Dong-qiang，WANG Jun-guang.Dynamic modeling and analyzing of a walking robot[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2014，21（1）：122-128.

[5]魏君.基于ARM小型双足机器人的设计与研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2016.

[6]吴振宇，刘禹彤，冯林.机器人实践教学体系改革探索[J].实验室研究与探索，2017，36（6）：192-195.

作者简介：傅宇杨，男，硕士研究生，研究方向为智能机器人、自然人机交互；李知菲，男，讲师，研究方向为虚拟现实与动作捕捉、智能机器人、深度学习。

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（项目号：201510345012）。