張 強(qiáng)，趙麗琴，黃 卓，馮靖凱，郭 梁

（中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

足式機(jī)器人是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的前沿，相比于輪式和履帶式機(jī)器人，具有更加優(yōu)良的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境通過性，對(duì)各種地面有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，不易陷入松軟地面里，在這種背景下，多足步行機(jī)器人的研究蓬勃發(fā)展起來。

1）多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列離散的足印，運(yùn)動(dòng)時(shí)只需要離散的點(diǎn)接觸地面，對(duì)環(huán)境的破壞程度也較??；可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，對(duì)崎嶇地形的適應(yīng)性強(qiáng)。

2）多足步行機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，使運(yùn)動(dòng)的靈活性大大增強(qiáng)。

3）多足機(jī)器人的的身體與地面是分離的，當(dāng)機(jī)器人需要攜帶物品時(shí)，首先將腿部固定，然后精確控制身體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)，就可以達(dá)到對(duì)對(duì)象進(jìn)行操作的目的。

另外，在全地形的運(yùn)動(dòng)中不可避免會(huì)有顛簸狀態(tài)，運(yùn)輸特殊貨物時(shí)需要盡可能避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，因此，本設(shè)計(jì)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、高精度的水平調(diào)節(jié)裝置，采用高精度傾角傳感器采集擺動(dòng)過程中平板的角度數(shù)據(jù)，將所采樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成角度反饋給單片機(jī)，由此控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)量來達(dá)到一定的輸出，從而控制平板的升降調(diào)節(jié)來保持平衡。這種自動(dòng)化的、較高精度的水平調(diào)節(jié)裝置在生產(chǎn)和生活中會(huì)有較為廣泛的應(yīng)用前景，尤其在國(guó)防領(lǐng)域，如導(dǎo)彈的移動(dòng)發(fā)射[8]。

1 六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

1.1 機(jī)械部分

參考目前市面上的六腳仿真機(jī)器人，我們選用硬鋁合金和亞克力板作為機(jī)器人身架的主要材料，這樣機(jī)器人既能滿足強(qiáng)度要求，也能滿足輕便性要求。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的總立體圖Fig.1 The mechanical structure of stereogram

機(jī)器人整體采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，由六只腳和底架（身體）組成。每只腳有3個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)處采用舵機(jī)連接，所用舵機(jī)型號(hào)為：MG996R舵機(jī)，可在固定平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)180°。

其中舵機(jī)1控制機(jī)器人腳前后擺動(dòng)；舵機(jī)2控制機(jī)器人上下擺動(dòng)；舵機(jī)3控制機(jī)器人內(nèi)外伸縮。3個(gè)舵機(jī)配合即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腿部在三位平面內(nèi)的擺動(dòng)。

圖2 1、2、3分別為三個(gè)不同位置的舵機(jī)Fig.2 Three different location of the steering gear

機(jī)器人身體、腿部均布滿各種鏤空?qǐng)D案，主要有3點(diǎn)作用：1）減輕機(jī)器人重量；2）增加機(jī)器人的美觀度；3）作為安裝和定位孔。

機(jī)器人采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，主要尺寸大致為：機(jī)器人全長(zhǎng)：250.0 mm；底架（身體寬）：220.0 mm；機(jī)器人身高（正常工作）：170.0 mm；“舵機(jī) 1”距“舵機(jī) 3”距離：90.0 mm；Leg2 長(zhǎng)度：195.0 mm；Leg3長(zhǎng)度：390.0 mm。

1.2 舵機(jī)及其舵機(jī)控制板控制系統(tǒng)

舵機(jī)是一個(gè)通過輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來控制物體轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。它在特定編碼的驅(qū)使下可以轉(zhuǎn)動(dòng)到工作范圍內(nèi)的任意給定位置。因?yàn)樗妮p便，位置控制簡(jiǎn)易且精確，在機(jī)器人中使用尤多。多舵機(jī)的協(xié)調(diào)工作可滿足機(jī)器人的多自由度要求。舵機(jī)可以實(shí)現(xiàn)0～180°的旋轉(zhuǎn)，而舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制是由加載在控制線上的脈沖周期完成的，即所謂的脈沖編碼調(diào)制。

選用32路舵機(jī)控制板QSC32E型，來協(xié)調(diào)18個(gè)舵機(jī)的動(dòng)作。

舵機(jī)控制板的使用：

1）在使用控制板前，需給控制板提供4.8～7.5 V的直流電。

降壓二級(jí)管“－”接 VSS，舵機(jī)板 VSS接高電壓，舵機(jī)板“+”接降壓后電壓，降壓二極管是把電池電壓從7.4－8.4整體降壓 6.2～7.2 V。

2）USB調(diào)試：①安裝驅(qū)動(dòng)。使用MINI－USB線連接上舵機(jī)板，找到相對(duì)應(yīng)WINXP/WIN7_QSC舵機(jī)控制器（PL2303）的驅(qū)動(dòng)；②雙擊打開上位機(jī)軟件Q－Robot_Servo_Control，如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件界面Fig.3 PCsoftware interface

另外，本機(jī)器人通過PS2無線遙控手柄控制其動(dòng)作組的運(yùn)行。32路舵機(jī)控制板上擴(kuò)展有PS2控制模塊。

1.3 機(jī)器人動(dòng)作步態(tài)規(guī)劃和程序編寫

1.3.1 步態(tài)介紹

本設(shè)計(jì)只選取了機(jī)器人的三腳，四腳和波動(dòng) （五腳）步態(tài)，作為設(shè)計(jì)。設(shè)定L1、L2、L3分別是機(jī)器人的左前腿、左中腿、左后腿；R1、R2、R3分別是機(jī)器人的右前腿、右中腿、右后腿。在編寫行走步態(tài)程序前，首先要建立幾個(gè)數(shù)組，儲(chǔ)存各個(gè)舵機(jī)標(biāo)號(hào)及初始數(shù)據(jù)。如下：

1.channelno[18]={0，1，2，3，4，5，6，7，8，31，30，29，28，27，26，25，24 23}；

2.initposi[18]={900，755，785，655，810，820，680，714，920，645，750，715，785，750，755，890，825，815}； //身體水平

3.initposi1[18]={900，655，685，655，710，720，680，614，820，645，850，815，785，850，855，890，925，915}； //抬高身體

4.initposi2[18]={900，855，885，655，910，920，680，814，1020，645，650，615，785，650，655，890，725，715}； //身體下沉

1.3.2 三腳步態(tài)

三腳步態(tài)，它是六腳機(jī)器人行走時(shí)，速度最快但也最不穩(wěn)定的一種步態(tài)。它將機(jī)器人六只腳分成兩組，L1，L3和R2一組，R1，R3和L2一組。機(jī)器人行進(jìn)時(shí)兩組腿交替前擺和著地后撥。在兩組腿交接時(shí)，瞬間六條腿同時(shí)著地，是為了增強(qiáng)機(jī)器人的穩(wěn)定性。編程序時(shí)，將機(jī)器人每條腿單周期T分為四個(gè)步驟，分別是上抬，前擺，下落，后擺。設(shè)定，四個(gè)步驟的時(shí)間分別為 T1，T2，T3 和 T4（下同）.T1+T2+T3=5T/12（T1，T2，T3 均為 5T/36），T4=7T/12； 機(jī)器人行進(jìn)規(guī)則為 R1，L2，R3 一起抬腿，7T/12之后 R2，L3，L1一起抬腿，然后依次循環(huán)[2]。 如圖4所示，黑色表示腿著地，白色表示腿騰空。

圖4 運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖Fig.4 Motion cycle chart

另外，還有左右轉(zhuǎn)，俯臥撐，舞蹈，螃蟹步等行動(dòng)步態(tài)。

1.4 測(cè)試與結(jié)果分析

左右轉(zhuǎn)，以左轉(zhuǎn)為例。在四腳步態(tài)基礎(chǔ)上修改而成，只是每一組腳起步時(shí)，左腳起腳前邁，而右腳起腳后擺。其順序?yàn)椋?/p>

左腳：抬腿——前擺——下落——后擺

右腳：抬腿——后擺——下落——前擺

此六腳機(jī)器人的創(chuàng)新之處：

1）控制方式多樣化，本六腳爬蟲機(jī)器人采用無線遙控，還可以外接單片機(jī)控制。

2）動(dòng)作多樣化，設(shè)計(jì)了多種展示動(dòng)作，開發(fā)者可以直接輸入不同的參數(shù)就可以變換機(jī)器人的動(dòng)作，增強(qiáng)了機(jī)器人的二次可開發(fā)性[6]。

2 水平調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)

2.1 水平裝置的工作原理

本設(shè)計(jì)制作一個(gè)自動(dòng)調(diào)平的平板控制系統(tǒng)，在平板傾斜的過程中，利用電機(jī)控制平板，傾角傳感器測(cè)量平板水平方向傾角來確定平板何時(shí)達(dá)到平衡，主要由以下3大部分組成：

1）水平平板框架（圖5）：包括萬向球形鏈接支架等，起支撐作用，平板位于裝有豎直連桿的支架上；2）檢測(cè)系統(tǒng)（圖6）：通過傳感器檢測(cè)出平板工作臺(tái)的角度變化，指示出不平衡度的大小，并經(jīng)過一系列的單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；3）液壓機(jī)構(gòu)（圖8）：液壓機(jī)構(gòu)通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)量來達(dá)到一定的輸出，在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，高壓油管處的舵機(jī)開關(guān)啟動(dòng)，關(guān)閉高壓通道，鎖存平衡狀態(tài)。

圖5 萬向載物臺(tái)Fig.5 Universal objective table

2.2 水平裝置的設(shè)計(jì)

2.2.1 感應(yīng)區(qū)

如前所述，這一部分被用于感應(yīng)調(diào)節(jié)載物臺(tái)面相對(duì)于水平面的傾斜情況。本設(shè)計(jì)采用高精度雙軸傾角傳感器模塊作為感應(yīng)區(qū)核心元件，該傳感器可以檢測(cè)上/下/左/右—4個(gè)方向的傾斜角度，檢測(cè)范圍是+900。當(dāng)平板相對(duì)于地面有傾斜角度時(shí)，與平板相連的傾角傳感器即可檢測(cè)出相應(yīng)的傾斜角度數(shù)據(jù)，反饋給單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理[3]。

圖6 SCA100T接口Fig.6 Interface of SCA100T

2.2.2 處理區(qū)

檢測(cè)模塊中的傾角傳感器將檢測(cè)到的傾角數(shù)據(jù)鏈接到單片機(jī)的I/O上，單片機(jī)將對(duì)應(yīng)的傾角數(shù)據(jù)編入程序中，并傳入與驅(qū)動(dòng)模塊相連的I/O串口上[1]。如圖7所示的電路圖。

2.2.3 執(zhí)行區(qū)

從處理區(qū)傳出的執(zhí)行信號(hào)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器后，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動(dòng)角度，當(dāng)閥芯向右移動(dòng)后，舵機(jī)開始運(yùn)行，打開高壓油的開關(guān)，高壓油從左側(cè)進(jìn)入油缸，右側(cè)的油被壓入油池，導(dǎo)桿右移。由于此液壓機(jī)構(gòu)屬于二階非線性系統(tǒng)，所以采用步進(jìn)電機(jī)1進(jìn)行反饋后的補(bǔ)償，從而使得系統(tǒng)正確。當(dāng)檢測(cè)到調(diào)整平衡時(shí)，舵機(jī)反轉(zhuǎn)，關(guān)閉高壓油通道，鎖存此時(shí)的平衡狀態(tài)，在糾偏后使得系統(tǒng)時(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保持平衡狀態(tài)。它將控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，進(jìn)而控制導(dǎo)桿的升降，以實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)的水平調(diào)節(jié)[4]。

3 結(jié) 論

1）該全地形水平運(yùn)載機(jī)器人的設(shè)計(jì)采用無線遙控全地形六足步行機(jī)器人，控制方式多樣化，而且利用機(jī)器人自由度多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多種展示動(dòng)作，編寫軟件都已成型，開發(fā)者可以直接輸入不同的參數(shù)就可以變換機(jī)器人的動(dòng)作，增強(qiáng)了機(jī)器人的二次可開發(fā)性[5]；

圖7 單片機(jī)控制電路Fig.7 Single chip microcomputer control circuit

圖8 液壓機(jī)構(gòu)Fig.8 Hydraulic unit

2）自行設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)節(jié)水平裝置是通過傾角傳感器測(cè)量地面與水平面的傾斜情況，并由單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)，此液壓機(jī)構(gòu)屬于二階非線性系統(tǒng)，所以采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行反饋后的補(bǔ)償，從而使得系統(tǒng)正確。這種自動(dòng)化的、較高精度的水平調(diào)節(jié)裝置可以實(shí)現(xiàn)全地形下的水平運(yùn)載。

這兩大創(chuàng)新點(diǎn)的結(jié)合共同構(gòu)成全地形水平運(yùn)載機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)全地形中的行走以及水平運(yùn)輸?shù)墓δ堋?/p>

隨著對(duì)多足步行機(jī)器人的研究的日益深入和發(fā)展，多足步行機(jī)器人在速度、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性和對(duì)地面的適應(yīng)能力等方面的性能都將不斷提高，自主化和智能化也將逐步的實(shí)現(xiàn)，從而使其能夠在更多特殊環(huán)境和場(chǎng)合中使用，因而具有廣闊的應(yīng)用前景[7]。

[1]曹建樹.51單片機(jī)實(shí)用教程[M].北京：中國(guó)石化出版社，2010.

[2]童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].3版.北京：高等教育出版社，2001.

[3]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]劉勇，蒲如平，敬興久，等.一種新型的對(duì)接裝配裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程，2001，24（11）:66-69.LIU Yong，PU Ru-ping，JING Xing-jiu，et al.A new type of docking assembly device design[J].Journal of Mechanical Engineering，2001，24（11）:66-69.

[5]王兵，蔣蓁.模塊化重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展綜述[J].機(jī)電工程，2008，25（5）:1-4.WAN Bin，JIANG Qin.The present situation and development of modular reconstructing robot technology[J].Mechanical and Electrical Engineering，2008，25（5）:1-4.

[6]楊若霽，陳峰．六足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)繩傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（3）:89－93.YANG Ruo-ji，CHENG Feng.Six-legged walking robot leg mechanism line transmission system design and simulation[J].Combination Machine tools and Automatic Processing Technology，2012（3）:89－93.

[7]唐晶晶．六足減災(zāi)救援仿生機(jī)器人虛擬樣機(jī)研究 [D].南京:南京林業(yè)大學(xué)，2011.

[8]靳飛，韓嶠祎.可拆卸自平衡擔(dān)架床的研究與設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（2）:69-73.JIN Fei，HAN Qiao-yi.Study and design of a detachable selfbalancing stretcher bed[J].Machinery Design&Manufacture，2013（2）:69-73.