六足仿生機器人原理解析及實(shí)物設計，包含軟硬件設計

一 研究目的

人類(lèi)對于外太空探險的欲望從未間斷過(guò)，因此，如何在不危害人類(lèi)生命的前提下，挑選先遣部隊之探險員，值得深思。近年來(lái)有相當多的探討兩足至多足機器人的在外太空的應用，過(guò)去兩足機器人多為轉型機械系統，其運動(dòng)局限于二維平面，無(wú)法克服許多山區崎嶇的地形。六足機器人具有跨障能力，可以克服崎嶇的地形，且機器人比人類(lèi)更能承受苛刻的工作環(huán)境，因此可以運用在許多危險的工作，例如火山的研究或其他星球的探測等。

在國外已由很多學(xué)者深入探討過(guò)可移動(dòng)式機器人的設計與改進(jìn)。一般的移動(dòng)式機器人的移動(dòng)方式可分為輪形、足形。在足形移動(dòng)式方面有分為兩足、四足、六足和多足機器人，另外還有蛇形移動(dòng)機器人。

無(wú)論在靜止或行走，六足機器人的移動(dòng)較具靈活性變化，但其步行控制需要有良好的控制與規劃，六足機器人較不受地形限制，可四處移動(dòng)是探索未知環(huán)境的一項利器，更是良好的研究題材。

二 系統總體方案

六足仿生機器人分為機器人模塊和無(wú)線(xiàn)遙控模塊兩個(gè)大部分。他們的組成框圖如下圖所示。兩個(gè)模塊都是以PIC32單片機為控制核心，通過(guò)在2.8寸的TFT屏上模擬出按鍵控制機器人實(shí)現各種功能。

圖1、六足機器人模塊

圖2、無(wú)線(xiàn)遙控模塊

三 硬件設計

3.1 機器人的步態(tài)研究

a．前進(jìn)步態(tài)（黑橢圓代表該腳著(zhù)底，空心橢圓代表沒(méi)著(zhù)地）

圖3、 初始狀態(tài) 圖4、第一組的三只腳抬起來(lái)

圖5、第一組三只腳前移 圖6、第二組三只腳抬起來(lái)

圖7、第一組的三只腳利用對地 圖8、第二組的三只腳著(zhù)地

摩擦力將來(lái)身體前移，第二組的三只腳前移

圖9、第二組的三只腳利用對地摩擦力將身體前移，第一組的三只腳前移，然后從圖4

開(kāi)始重復執行，實(shí)現機器人的進(jìn)退步態(tài)。

注意：為了讓機器人能夠直線(xiàn)運動(dòng)，必須讓每只腳的前進(jìn)距離必須相同。

b.拐彎步態(tài)

圖10、初始狀態(tài) 圖11、第一組的三只腳抬起來(lái)

圖12、第一組的三只腳拐彎并踩到 圖13、第一組的三只腳利用對地的摩擦

地面上，然后第二組的三只腳抬起來(lái) 力使機器人拐彎一定角度，第二組的三只腳拐一定角度

圖14、第一組的三只腳抬起來(lái)， 圖15、第二組的三只腳利用對地

第二組的三只腳著(zhù)地 的摩擦力使機器人拐彎一定角度，第一組 的三 只腳拐一定角度

圖16、第二組的三只腳抬起來(lái)，第一組的三

只腳著(zhù)地，然后從圖13開(kāi)始重復執行

注意：該結構每次拐彎的最大角度為30度，拐彎的最小角度為1度。所以通過(guò)程序可以設置拐彎角度1到255度的任意拐彎。

3.2結構設計

圖20、機器人的整體

圖21、在舵機后面裝上軸承，在腳底安裝按鍵用來(lái)檢測地面信息

圖22、單只腳

圖23、未裝上機械臂時(shí)

圖24、裝上機械臂以后

圖25、裝上無(wú)線(xiàn)攝像頭以后

四 軟件設計

1. 程序流程圖

圖26、機器人模塊流程圖

圖27、遙控模塊流程圖

2. 通過(guò)程序控制機器人的與地面的高度

圖17、機器人腳部控制示意圖

圖17中a為機器人大腿的長(cháng)度，b為機器人小腿的長(cháng)度。H為機器人跟地面的距離，L為機器人的第二個(gè)關(guān)節跟機器人的腳尖的水平距離。B位控制大腿舵機的角度，C為控制小腿舵機的角度。

比如要實(shí)現機器人與地面的高度H=10cm，機器人的腳伸長(cháng)的水平距離L=8cm。則可以通過(guò)調用求角函數：qiujiao（8，10）；求出機器人在該條件下的大腿舵機角度，和小腿舵機角度。

讓舵機旋轉到這個(gè)角度就可以實(shí)現預定的高度跟腳伸長(cháng)水平距離的值。在實(shí)際測量中得知該結構配合這個(gè)算法的誤差小于0.3cm。

求角實(shí)現程序如下：

void qiu_jiao(float L,float H)

{

float a=6,b=10,c,B1,B2;

L=L-3;

H=H;

c=sqrt(H*H+L*L);

B2=acos(H/c);

B1=acos((a*a+c*c-b*b)/(2*a*c));

B=B1+B2;

B=180*B/3.141592;

C=acos((a*a+b*b-c*c)/(2*a*b));

C=180*C/3.141592;

}

下圖為腳底按鍵檢測地面信息的判斷：

圖18、按鍵檢測地面信息流程圖

3. 利用3個(gè)定時(shí)器23個(gè)舵機控制

舵機的控制信號為脈寬調制（PWM）信號。周期為20ms。脈沖寬度為0.5～2.5ms相對應舵盤(pán)的位置為0～180度，呈線(xiàn)性變化。在控制信號線(xiàn)提供一定的脈寬脈沖時(shí)，舵機輸出軸保持在相對應的角度上，單個(gè)舵機控制型號如圖1所示。周期T為20ms，其中變化的時(shí)間為t，變化范圍為0.5～2.5ms，每一個(gè)舵機的控制型號至少有17.5ms是低電平且不會(huì )變化。

圖19、單個(gè)舵機控制型號示意圖

在20ms內，首先置控制信號為高電平，t時(shí)間后取反，舵機轉軸將轉到t時(shí)間是對應的角度。t時(shí)間后取反，舵機轉軸將轉到t時(shí)間是對應的角度。t的最大取值為2.5ms（在2.5ms后將控制型號置成高電平將不會(huì )影響到控制信號對舵機的控制），則在20ms內最多可以控制8路信號（20/2.5=8）。

采用3個(gè)定時(shí)器多舵機分時(shí)控制的思想，實(shí)現對23個(gè)舵機的協(xié)調控制。將23個(gè)舵機分成3組。

• 原理圖

圖28、機器人部分原理圖

圖28為機器人部分原理圖利用Digilent Cerebot™ 32MX4的JH,JJ和JK的第1，2兩個(gè)IO口共計18個(gè)IO口控制機器人腳部的18個(gè)舵機。用JK拓展口的其他6個(gè)IO口外接按鍵來(lái)檢測地面信息。6個(gè)發(fā)光二極管用來(lái)指示該腳是否接觸到地面。用JE拓展口的5個(gè)IO口控制機械臂的5個(gè)舵機。用JD口的4個(gè)IO口控制A7105無(wú)線(xiàn)模塊，傳輸數據實(shí)現遠程控制。

圖29、無(wú)線(xiàn)遙控部分原理圖

圖29 為無(wú)線(xiàn)遙控部分原理圖，利用Digilent Cerebot™ 32MX4的JD口的4個(gè)IO口控制A7105無(wú)線(xiàn)模塊，傳輸數據實(shí)現遠程控制。利用JA，JB和JC三個(gè)拓展口控制TFT彩屏液晶。

• 結束

本設計通過(guò)以MIPS構架的PIC32單片機實(shí)現對仿生六足機器人基本步態(tài)控制，使機器人可按照典型步態(tài)協(xié)調靈活運動(dòng)。該六足機器人前進(jìn)一步的最大距離是8CM 。一次拐彎的最大角度為30度。機械臂夾起來(lái)的重物最重為150g左右。無(wú)線(xiàn)攝像頭數據傳輸的最遠距離達到200米以上。

實(shí)驗表明，按照機器人運動(dòng)步態(tài)研究結果，運動(dòng)控制通過(guò)算法對機器人運動(dòng)進(jìn)行控制，運動(dòng)速度可通過(guò)改變舵機控制脈寬和各腿運動(dòng)間隔時(shí)間來(lái)調整，其運動(dòng)平穩。在實(shí)際運用有廣闊的前景。