双足行走机器人的组装在中职课堂教学中的实践研究

郝超群

摘要：机器人是综合了多个学科领域的一项先进技术，随着机器人技术的突飞猛进，机器人的相关技术应用已经逐渐向社会普及，尤其是进入教育领域后受到了很大的重视。本研究是基于创意之星平台设计和组装的行走机器人，结合课堂教学实际内容，通过对双足行走机器人的研究与使用，让学生更加深入的了解机器人在教育方面的应用。课程内容在理实一体化的基础上让学生探索行走机器人的特点及相关的应用，注重培养学生解决实际问题的能力，提高学生团结合作意识。

关键词：机器人；双足行走；团队协作；信息融合；

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）24-0179-03

1 前言

近年来，随着政府和教育部对人工智能领域越来越重视，在众多研究专家、学者以及一些发达省市的重点中职院校的大力推动下，智能机器人有了显著的发展。机器人的技术应用已成为学生综合实践和技术课程的良好载体。国家级的相关部门和组织每年都会定期组织各类有关机器人的比赛，如“全国中小学电脑制作活动”“全国职业院校技能大赛”中工业机器人竞赛项目、中国科协主办的“中国青少年机器人大赛”等，进一步促进了机器人教育的发展。通过技能大赛、兴趣社团活动等，锻炼展示学生的组织管理、团队协作、工作效率等职业能力，促进机器人技术的普及和发展。

2 双足机器人的优点

首先，双足步行机器人的移动方式比其他机器人要灵活很多，无论是在不平整地面或是其他恶劣条件下，双足机器人都有更好的机动性。

其次，双足行走机器人的具有非常复杂的动力学特性，还有多变量、变结构、非线性等特点，其步行系统是一个内在的不稳定系统。因此，控制工程领域的专家学者将双足行走机器人作为一个非常好的研究对象，来开展双足步行技术的研究，从而推动控制理论的发展和控制技术的进步。

再次，步行是人类的一种基本活动能力，对双足步行技术进行深入的研究有助于生物医学工程和体育运动科学的发展。现今社会有部分人因为疾病或意外事故丧失活动能力，可借助行走机器人帮助其恢复活动能力。

3 双足行走机器人的搭建过程

双足行走机器人的搭建过程主要包括前期的材料准备、硬件介绍、不同的组装尝试。

3.1 材料准备

基于PXA270的双足行走机器人在搭建时，主要使用到的零部件名称及具体数量等如表1所示。

3.2 硬件介绍

双足行走机器人的搭建，需要用到MultiFLEX2-PXA270控制器、CSD舵机、语音控制器和一些必要的零部件。

1） MultiFLEX2-PXA270 控制器

MultiFLEX2-PXA270控制器功能损耗较小、运算速度较同种设备性能强且体积小，容易放置，适合应用于中小型机器人系统中。该控制器拥有支持32位的高性能嵌入式处理器，内置Linux操作系统，可以直接放入设计的双足机器人体内。

2） CDS系列舵机

CDS系列机器人舵机，是一种集电机、伺服驱动、总线式通信接口为一体的集成伺服单元，它不仅可以使用舵机模式工作，还能使用电机模式。舵机模式时它可以在0°-300°的范围内摆动。

3） 机械结构零部件

所有组装用到的零部件均采用统一的ConnFLEX花键式结构连接。其特点是：零件可以无缝连接，稳定性能强，零件硬度大。

3.3 双足机器人的组装

学生刚开始组装时，仿照人类身体的基本关节，参照样例先设计出机器人模型。（如图1所示）

在机器人下肢的设计上，为下肢分配了8个舵机，髋关节处2个舵机，膝关节处4个舵机，踝关节处2个舵机。髋关节处的舵机，主要与机器人的控制器相连接，并负责上肢重心的前移。膝关节处的舵机，是为了更好地与髋关节的舵机配合，同样是负责机器人上肢重心的前移。而踝关节的舵机，与髋关节和膝关节舵机的旋转方向是垂直的，此举是为了机器人在抬脚时，能够将身体的重心偏移到另外一只脚上。上肢的设计上，我给机器人的左臂和右臂都加上了一个舵机，目的是踝关节的舵机在让机器人偏移重心的时候，左臂和右臂的舵机同时转动一定角度，配合机器人重心的偏移。

4 双足行走机器人行走步态的规划设计

4.1 抬腿阶段

抬腿阶段一共可以分成四种步态，分别是站立、下蹲、迈步、落脚，事先规划、定点膝关节和末端的运动轨迹，再在ADAMS仿真软件中检测零力矩点的位置，将用这个结果来验证所给轨迹是否可以实行。

机器人膝关节的功能主要是弯腿呈下蹲状态，然后膝关节就可以保持在固定高度，左右方向偏转重心即可。

机器人在抬腿阶段的时候，左脚可以作为支撑脚，在水平的地面上保持靜止状态。

而右脚在抬腿阶段就可以作为摆动脚，它的运动过程为：右脚静止→右脚起步（上抬一定高度）→右脚落地。

综上研究和分析，设计要抬腿阶段的前进运动示意图可以如图2所示：

4.2 跨步阶段

跨步阶段是双足行走机器人的两条腿，作为支撑腿和摆动腿交替摆动的阶段，它具有一定的周期性的。到目前为止，已经规划好了抬腿阶段的步态轨迹并且通过公式计算出抬腿阶段的各关节的旋转角度，然后可以得到跨步阶段中各个舵机关节的转角变化情况。双足机器人的行走，每一步都会包括三个步态，分别是机器人重心的偏移、摆动腿抬起、前迈以及摆动腿的落地。在抬腿阶段的基础上，可以直接实现机器人的这三个步态。

1） 重心的偏移：要想让双足行走机器人的重心发生偏移，只需要转动以膝关节两端的转角和两个踝关节转角构成的平行四边形的这四个转角，而其他位置的转角只要保持不变即可。跨步阶段的第一个行走步态的各个关节舵机的转角保持上一个街步态时的转角不变，再将剩下的膝关节两端的转角，连同另外两个踝关节处的转角，按照之前步态的膝关节两端的转角取反就可以了。

2） 摆动腿抬起以及前迈：在设计双足机器人抬腿阶段的抬腿动作时，膝关节处的重心前移给这个步态创造了可能性，在重心完成偏移之后，双足机器人可以直接抬腿向前迈出而不会因为自身重心过于靠后而抬不了腿。

3） 摆动腿的落地：这是机器人行走步态周期的最后一个步态，该步态可对照上一个周期中的步态落地时各对应的关节转角数据，摆动腿的各个关节参照上一周期中摆动腿的各个对应关节的转角角度，支撑腿各关节参照前一个周期中支撑腿的各个对应关节的转角角度。

4.3 并脚阶段

这个阶段的双足机器人步态只有三个，它们分别为机器人重心的右移，跨左腿，双脚落地然后双腿直立。这个阶段的步态规划，我们可以直接将跨步阶段中的右腿作为支撑腿，左腿作为摆动腿的数据进行一些简单修改就可以。机器人的双脚落地然后雙腿直立就表示双足机器人回复到了初始阶段，各个关节上舵机的转角也都恢复到初始状态。

5 双足机器人的测试

双足机器人的前期工作全部完成之后，对其中的所有模块进行了随机抽取测试。现决定测试2个步骤过程中的舵机情况，分别是双足行走机器人前进模块中的左腿抬起动作和左脚跨出之后的步距情况。

5.1 左腿抬起角度测试

测试项目：双足机器人左腿抬起角度

正确结果：左腿膝关节处的9号舵机旋转到50°

测试过程：双足行走机器人前进模块中的左腿抬起动作，主要是依靠左腿膝关节处的9号舵机旋转而完成的，从以下（图3）的对比中可以看出，初步设计时完成左腿抬起动作，9号舵机的旋转角度需要从140°转到50°。为了验证机器人在实际运行过程中，9号舵机的实际旋转角度，特进行角度测量工作。

下图（图4）是双足行走机器人前进模块中的左腿抬起动作测试状态图，在机器人可以平稳做完此模块动作的前提下，对9号舵机的角度进行测量。首先是双足行走机器人在完成重心右移的动作后，对9号舵机进行的第一次测量，此时的舵机角度是139°。当机器人完成左腿抬起动作之后，再对9号舵机进行了第二次测量，此时舵机的角度是52°，在允许的误差范围内，则认定9号舵机的工作情况是正常的。

5.2 左脚跨出步距测试

测试项目：双足机器人前进模块左脚跨出步距

正确结果：左脚跨出步距为10CM

测试过程：双足行走机器人的前进模块，分为两大步骤，第一步是机器人的左脚跨出一定的步距之后，再将右脚收回和左脚并拢；第二步是机器人的右脚跨出一定步距之后，将左脚收回和右脚并拢。以上两个步态动作的连续完成以后，这才说明双足行走机器人的前进模块已经完成。此次要测试的就是机器人在完成第一个步骤之后，跨出的步距和初步设计时的构想有没有偏差。下图（图5）就是双足行走机器人在状态初始化时和完成第一个步骤之后的两种状态的一个对比。

根据步态规划时的计算公式，在机器人完成第一个步骤之后，跨出的步距应该是10CM 。现在我通过一把直尺的测量，得到的步距是15CM ，很明显，在数值上，步距有一个偏差。通过反复观看机器人完成第一个步骤的动作，发现在重心前移的过程中，双足机器人会有一个前倾的惯性动作，尝试将重心前移的速度放慢，然后再次观察机器人的动作并且测量新的步距，重新得到的数据在允许的误差范围之内，此次的步距测试圆满成功。

6 实验总结及展望

该课程在实施过程中，教师要以开放的思维和姿态，充分利用课程资源（如3D动画等）中反映产业升级和技术进步的元素。教师应该引导学生主动参与，将班级学生3-4人分为一个学习小组，注重学生团队合作意识，调动学生内在的学习动力和发展潜力，对个别学生进行差异化教学，进行项目化的学习，体现出“专业与产业对接、课程内容与职业标准对接、教学过程与生产对接”，让学生在学习的过程变成接近企业生产的过程，促进工学结合。

机器人的教学活动，有助于引导学生从事实验实践活动。机器人开放式、模块化的学习平台，让学生可以灵活的按照个人创意来组装机器人并实现其功能，激发学生思维活力，学生在学习过程中，主动探索、积极讨论、发散思维。对培养学生创新能力，提高学生解决实际问题的能力起到积极促进作用。机器人的技术应用，在学生参加创新竞赛的过程中，让学生主动了解更多的前沿技术，从而达到将机器人科技普及推广的作用。

参考文献：

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