六足仿生機器人原理解析及實物設(shè)計，包含軟硬件設(shè)計

一 研究目的

人類對于外太空探險的欲望從未間斷過，因此，如何在不危害人類生命的前提下，挑選先遣部隊之探險員，值得深思。近年來有相當(dāng)多的探討兩足至多足機器人的在外太空的應(yīng)用，過去兩足機器人多為轉(zhuǎn)型機械系統(tǒng)，其運動局限于二維平面，無法克服許多山區(qū)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)者深入探討過可移動式機器人的設(shè)計與改進。一般的移動式機器人的移動方式可分為輪形、足形。在足形移動式方面有分為兩足、四足、六足和多足機器人，另外還有蛇形移動機器人。

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

二 系統(tǒng)總體方案

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

圖1、六足機器人模塊

圖2、無線遙控模塊

三 硬件設(shè)計

3.1 機器人的步態(tài)研究

a．前進步態(tài)（黑橢圓代表該腳著底，空心橢圓代表沒著地）

圖3、 初始狀態(tài) 圖4、第一組的三只腳抬起來

圖5、第一組三只腳前移 圖6、第二組三只腳抬起來

圖7、第一組的三只腳利用對地 圖8、第二組的三只腳著地

摩擦力將來身體前移，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

開始重復(fù)執(zhí)行，實現(xiàn)機器人的進退步態(tài)。

注意：為了讓機器人能夠直線運動，必須讓每只腳的前進距離必須相同。

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

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 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， 圖15、第二組的三只腳利用對地

第二組的三只腳著地 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，第一組的三

只腳著地，然后從圖13開始重復(fù)執(zhí)行

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

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)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檢測地面信息

圖22、單只腳

圖23、未裝上機械臂時

圖24、裝上機械臂以后

圖25、裝上無線攝像頭以后

四 軟件設(shè)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為機器人大腿的長度，b為機器人小腿的長度。H為機器人跟地面的距離，L為機器人的第二個關(guān)節(jié)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。

比如要實現(xiàn)機器人與地面的高度H=10cm，機器人的腳伸長的水平距離L=8cm。則可以通過調(diào)用求角函數(shù)：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(zhuǎn)到這個角度就可以實現(xiàn)預(yù)定的高度跟腳伸長水平距離的值。在實際測量中得知該結(jié)構(gòu)配合這個算法的誤差小于0.3cm。

求角實現(xiàn)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個定時器23個舵機控制

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

圖19、單個舵機控制型號示意圖

在20ms內(nèi)，首先置控制信號為高電平，t時間后取反，舵機轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)到t時間是對應(yīng)的角度。t時間后取反，舵機轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)到t時間是對應(yīng)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影響到控制信號對舵機的控制），則在20ms內(nèi)最多可以控制8路信號（20/2.5=8）。

采用3個定時器多舵機分時控制的思想，實現(xiàn)對23個舵機的協(xié)調(diào)控制。將23個舵機分成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IO口共計18個IO口控制機器人腳部的18個舵機。用JK拓展口的其他6個IO口外接按鍵來檢測地面信息。6個發(fā)光二極管用來指示該腳是否接觸到地面。用JE拓展口的5個IO口控制機械臂的5個舵機。用JD口的4個IO口控制A7105無線模塊，傳輸數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠程控制。

圖29、無線遙控部分原理圖

圖29 為無線遙控部分原理圖，利用Digilent Cerebot™ 32MX4的JD口的4個IO口控制A7105無線模塊，傳輸數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠程控制。利用JA，JB和JC三個拓展口控制TFT彩屏液晶。

• 結(jié)束

本設(shè)計通過以MIPS構(gòu)架的PIC32單片機實現(xiàn)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(diào)靈活運動。該六足機器人前進一步的最大距離是8CM 。一次拐彎的最大角度為30度。機械臂夾起來的重物最重為150g左右。無線攝像頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钸h距離達到200米以上。

實驗表明，按照機器人運動步態(tài)研究結(jié)果，運動控制通過算法對機器人運動進行控制，運動速度可通過改變舵機控制脈寬和各腿運動間隔時間來調(diào)整，其運動平穩(wěn)。在實際運用有廣闊的前景。