基于武术擂台赛仿人机器人的开发研究

张永清 王 岩

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

基于武术擂台赛仿人机器人的开发研究

张永清 王 岩

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

针对武术擂台赛仿人组机器人做了整体的设计和功能分析.主要探讨和研究机器人倾倒后自行站立的问题，并给出了一种具体可行的实施方案和机构设计.

武术擂台赛；仿人机器人；自行站立

0 引 言

机器人大赛中的机器人武术擂台赛是一项具有观赏性和广泛影响力的比赛.它集观赏性、趣味性、科学性于一体，将机械专业、电子电路专业、计算机专业结合在一起，对各高校大学生具有很强的吸引力.仿人组机器人以轮式运动作为机器人的运动方式，首先能够检测自身是否倾倒，并在倒下后再自行站立起来；其次检测到敌人，进行攻击；再次可以迅速检测到擂台边缘，并防止自己掉下擂台.本文针对机器人整体的结构以及倾倒后自动恢复站立状态等做了具体的研究和设计.

1 机器人功能分析与整体设计

仿人组比赛要求所设计的机器人是一个能够在台上找到敌人并进行攻击，还可以检测自身是否摔倒以及能够自行站立的机器人.其具体要求如下：

(1)以轮式运动作为机器人的运动方式；

(2)机器人利用传感器检测到台上的机器并保证自己不掉下擂台；

(3)利用传感器能够发现敌人并确定其准确位置，直接攻击敌方机器人；

(4)能够检测自身是否倾倒，并在倒下后再自行站立起来；

机器人在比赛中的运行流程如下：

图1 仿人机器人整体图

(1)机器人检测到开始信号后开始运动；

(2)机器人通过控制传感器来识别自身位置和周边敌人；

(3)利用机器人的运动机构以一定的速度，完成设定的路径和动作；

(4)采用周期性控制，机器人返回第二步(检测台上信息)，完成N次循环.

仿人机器人采用四轮驱动方式，头部装有测距传感器，四肢的结构均由舵机壳组成，躯干由AVR单片机组成.两只手臂上共有六个运动关节，两条腿上有两个运动关节，各关节均由舵机操控.在底盘上安装四个电动机来驱动车轮转动.由于擂台是由黑到白的渐变图案，因此根据灰度值的变化规律在底盘上按菱形排列装有四个灰度传感器，由反馈的灰度值来识别机器人在台上的位置.为了使机器人可以识别敌人和擂台边缘，在底盘的上方还布置了其他传感器.例如在机器人的前方倾斜一定角度安装一个磁传感器，用来检测边缘围栏.在机器人前方两侧安装测距传感器用来识别并瞄准敌人.在机器人的左右两侧各安装一个测距传感器，用来识别左右两侧的敌人.在机器人手臂上安装一个红外接近传感器，用来辅助寻找敌人.在底盘上安装倾角传感器，可以更好的识别机器人在擂台上的位置，如果倒下则进行自动站立动作.机器人整体图如图1所示.

2 倾倒站立的机构设计

机器人在摔倒后自己站立是一个很重要的功能，实现该功能对机器人的发展具有重要意义.现代机器人研究中为了保证机器人的稳定，在其躯体上安装了陀螺仪，来保持机器人平稳的站立和运动，但当机器人受到较大阻力时，机器人仍然会摔倒.因此机器人需要学会如何在摔倒后自行站立起来.机器人制造商波士顿最近研发了一款四足机器人，它与其它先进的机器人不同之处在于不怕跌倒，通过延伸颈部和机械臂可以使自己站起来.利用该设计理念便可以解决仿人机器人在比赛中被击倒后重新自行站立起来的问题.

由于比赛中的仿人机器人采用轮式系统，相比腿式系统解决摔倒后自行站立问题要容易些.腿式系统要求腿部有更多的关节和动力来控制和保持稳定，轮式系统只需控制机械臂的运动就可以实现摔倒后自行站立的功能.为了使机械臂在机器人跌倒后能发挥最佳作用，需要机械臂有足够多的自由度.可以通过增加舵机的数量来提高机械臂的自由度，使机械臂有更丰富的运动，例如完成延伸，旋转，前后移动等动作.机器人两个手臂上分别安装了三个舵机，可以使手臂延伸一定长度，该长度足以支撑机器人使其恢复站立状态.同时在机器人的躯干与双腿的连接处也安装有两个舵机，使机器人可以让身体前倾和后仰，帮助恢复站立.整个机构的工作流程如下：

(1)检测到机器人倾倒状态后，机械臂转到与身体垂直位置，并展开至机械臂全长，该过程中机械臂将保持与身体成一钝角.

(2)躯干与腿部的连接舵机开始工作，使机器人上身后仰一定角度，由于车轮的支撑作用会使手臂向着机器人的身体方向运动，从而使机器人重新站立起来.

站立过程如图2：

图2 机器人站立过程示意图

3 程序设计

在比赛中机器人是一个不受他人控制的，其所有行动由机器人自行决定.而机器人的动作是由程序控制的，因此，程序设计尤为重要.仿人组机器人的编程思路是在开始时等待软开关信号，即机器人在左侧红外传感器接收到信号时开始运动.机器人自动寻找擂台上的其他机器人，并检测是否到达边缘，防止自身掉下擂台.当机器人检测到敌人时，用手臂进行攻击，如果机器人倒下，则执行站立动作.整体流程如图3所示.

机器人倾倒有两种可能：前倒和后倒，因此需要设计两组函数来实现机器人在两种情况下自动站立的功能.当机器人检测到自身后倒时，机械手臂上靠近头部的舵机执行动作旋转100°左右，使手臂近似与地面呈45°，然后手臂上靠近头部的第二个舵机开始旋转大概120°，使两个手臂展开呈直线状态，之后腿部跟躯干之间的舵机开始工作，使机器人的躯干及头部后仰45°，同时呈直线状态的手臂便开始朝机器人的身体方向运动，支撑倒下的机器人使其恢复站立状态，最后机器人恢复初始状态，整个动作完成.机器人后倒情况与前倒类似，在此不再赘述.

前倒部分函数如下：

图3 程序设计流程图

voidStandA()//qiandao

{MFSetServoPos(3,512,512);

MFSetServoPos(4,75,512);

MFSetServoPos(5,307,512);

MFSetServoPos(6,512,512);

MFSetServoPos(7,949,512);

MFSetServoPos(8,717,512);

MFSetServoPos(11,512,512);

MFSetServoPos(12,512,512);

MFServoAction();

DelayMS(1500);

MFSetServoPos(3,82,812);

MFSetServoPos(6,942,812);

MFSetServoPos(11,462,512);

MFSetServoPos(12,562,512);

MFServoAction();

DelayMS(2000);

MFSetServoPos(4,375,512);

MFSetServoPos(7,649,512);……}

4 结 语

本文针对机器人倾倒后自动站立的问题进行了深入的研究和探讨，并给出了合理的解决方案和部分程序的设计.机器人倾倒后自行站立功能对今后机器人的发展具有深远意义，未来的机器人不但可以自己保持平衡，也可以模仿人类在摔倒后自行站立起来，这种技术的大力推广，必将会使更多的机器人在极其复杂的地形中得到更加广泛的应用.

[1]付根平,杨宜民,李静.仿人机器人的步行控制方法综述及展望[J].机床与液压.2011.23

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[3]张利格,黄强,杨洁,时有,王志杰,JAFRI Ali Raza.仿人机器人复杂动态动作设计及相似性研究[J].自动化学报.2007.05

Research and Development Humanoid Robot based on Martial Arts Contest

ZHANGYong-qing,WANGYan

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei,China 075000)

According to the martial arts contest,the overall design and function of humanoid robot are analyzed in this paper,in which how the robot can stand up on its own after falling is mainly discussed.And a concrete and feasible implementation plan and mechanism design is presented.

martial arts contest;humanoid robot;stand up on its own

2016-10-19

2016年河北省教育厅重点项目(ZD2016160)；2016年度张家口市科技计划财政资助项目(1611066B)；2016年度河北建筑工程学院校级科研基金项目(2016XJJYB15)

张永清(1964-)，女，教授，主要研究方向：智能制造、机器人技术等.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.025

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