彭斐 王堅慧

【摘要】基于仿生原理，制作可無線遙控的六足機器人，采用32路舵機控制板、高扭矩舵機MG995實現(xiàn)了關(guān)節(jié)運動控制；采用PS2無線手柄實現(xiàn)對機器人的無線遙控。實驗表明，該六足機器人能在無線遙控下實現(xiàn)直線行走或定點轉(zhuǎn)彎運動，且動作具有較好的協(xié)同性。

【關(guān)鍵詞】六足機器人 舵機 無線遙控

多足機器人是借鑒昆蟲的肢體結(jié)構(gòu)與運動規(guī)律而設(shè)計，相比傳統(tǒng)的輪式、履帶式機器人，它具有跨越較大障礙、行走平穩(wěn)、復(fù)雜地形條件下行進速度快且能耗低等運動特性[1]。因此，它對非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)性更強，可替代人類完成很多危險的作業(yè)，應(yīng)用前景廣泛。

1 控制方案

1.1機械結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的六足機器人軀干縱向長214mm，寬200mm，站立時高110mm，樣機是以身體縱向中心線為對稱的近似八邊形外形，六條腿均勻分布身體兩側(cè)，每條腿都有三個關(guān)節(jié)，共有18個關(guān)節(jié)，所有關(guān)節(jié)依靠伺服舵機驅(qū)動，由18個舵機實現(xiàn)六足機器人的運動。機器人每條腿有三個自由度，前兩個自由度的轉(zhuǎn)動軸線相互垂直，后兩個自由度的轉(zhuǎn)動軸線相互平行，分別由三個獨立的舵機驅(qū)動。后兩個自由度采用四連桿方式傳動。為增加支撐的穩(wěn)定性，六個足端呈橢圓形分布。對于每條腿，按照由軀干到足端的順序包括了三個自由度的傳動方式。

1.2 步態(tài)規(guī)劃

采用三角步態(tài)方式實現(xiàn)六足機器人行走，向前運動時，左中足、右前足、右后足為一組足保持支撐地面，右中足、左前足、左后足為二組足抬起向前邁步，然后變?yōu)槎M支撐地面，一組足做邁步動作，如此循環(huán)交替實現(xiàn)向前運動。轉(zhuǎn)彎運動有兩種方式，一種為自轉(zhuǎn)，一種為公轉(zhuǎn)。自轉(zhuǎn)為一組足保持支撐地面，二組足抬起向一個方向旋轉(zhuǎn)一定角度后落下支撐地面，然后抬起一組足同方向旋轉(zhuǎn)，如此交替實現(xiàn)自轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)方式與前進方式大體相同，只是左右兩側(cè)足邁步的距離不同[2]。

2. 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包括舵機及其驅(qū)動電路、無線遙控電路、供電電路等部分。其中舵機及其控制電路是控制系統(tǒng)的核心，是影響機器人整體性能的重要因素。

2.1 舵機及其控制電路

應(yīng)用于六足仿生機器人的微型伺服電機要求具有體積小、重量輕、扭力大的特點，選用 TowerPro-MG995微型伺服電機作為機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動元件。微型伺服電機的驅(qū)動電路需要輸出18路相互獨立的PWM信號，且信號電流足夠驅(qū)動18個伺服電機，驅(qū)動信號穩(wěn)定，以便伺服電機能夠正常工作不產(chǎn)生抖動，且結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，物理性能穩(wěn)定?？紤]到單個微處理器無法提供這么多路PWM輸出，如果用I/O引腳通過軟件實現(xiàn)多路PWM輸出，則導(dǎo)致算法復(fù)雜度上升，增加了編程的工作量，且會使每路舵機的轉(zhuǎn)角范圍受到限制，因此采用32路舵機控制器，通過與主控制器的通信來實現(xiàn)對伺服電機的高效控制。這種控制方式的優(yōu)點是，可以方便的實現(xiàn)多個伺服電機的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，較為輕松的達到多個伺服電機的同時啟停的控制。使程序的規(guī)模有相當(dāng)大的精簡，以往需要幾十行的或者更多的程序，通常短短的幾個控制字符就可以輕易的實現(xiàn)， 并且控制精度也有相當(dāng)?shù)奶岣撸?程序設(shè)計者可以把豐富的精力用來研究機器人的動作規(guī)劃。

2.2 無線遙控的實現(xiàn)

采用PS2無線手柄實現(xiàn)六足機器人的無線遙控。PS2無線手柄與控制器的接口包括同步時鐘信號CLOCK、一對方向相反的串行數(shù)據(jù)DATA和COMMAND、手柄觸發(fā)信號ATT、應(yīng)答信號ACK。手柄是以串行方式和控制器進行通信，通信時鐘由CLOCK提供，通信都是8 位串行數(shù)據(jù)最低有效位先行，PS2手柄總線的所有時碼在時鐘下降沿都是同步的，數(shù)據(jù)線的邏輯電平在時鐘下降沿驅(qū)動下觸發(fā)改變，數(shù)據(jù)的接收讀取在時鐘前沿到電平變化之前完成，在被選手柄接收每個COMMAND信號之后，手柄需拉低ACK電平在最后一個時鐘 [3]。

2.3 電源設(shè)計

電源部分負(fù)責(zé)給機器人控制系統(tǒng)的硬件和舵機供電，在舵機驅(qū)動過程中為了避免電流波動影響機器人運動穩(wěn)定性，將舵機驅(qū)動和控制系統(tǒng)分開供電?？紤]到MG995每個工作電流100mA，18個電機工作電流1.8A，采用鋰電池組供電。但是標(biāo)稱6V鎳氫電池組實際充滿會在7v左右，而模型用的標(biāo)稱7.4v的鋰離子電池組充滿會在8.4v左右，因此使用大功率整流橋D25XB80，降壓到6V左右供機器人使用。

3 調(diào)試與實驗

在32路舵機控制器軟件中調(diào)試每一個舵機驅(qū)動信號參數(shù)實現(xiàn)速度與角度的控制，生成前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作指令代碼，并設(shè)置好PS2手柄按鍵所需執(zhí)行的動作組編號。實驗表明，借助PS2手柄能無線遙控六足機器人完成前進、后退、左行、右行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作，同時還能實現(xiàn)加速、減速、越過一定高度障礙物等功能。六足機器人實物圖如圖1所示。

4 結(jié)語

本文對無線遙控的六足機器人進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作，利用32路舵機控制板、高扭矩舵機MG995實現(xiàn)了關(guān)節(jié)運動控制；采用PS2無線手柄實現(xiàn)對機器人的無線遙控。無線遙控機器人在地面穩(wěn)定行進，實現(xiàn)指定動作，且動作具有較好的協(xié)同性。

【參考文獻】

[1]伍立春，王茂森等.基于STM32的六足機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械制作與自動化，2014（5）：150-161.

[2]莊嚴(yán)，宋鳴等.基于51 單片機的六足機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與制作[J].價值工程，2013（30）：51-53.

[3]余俊杰，PSX游戲手柄紅燈模式接口協(xié)議研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)（下半月），2015（8）：77-78.

基金項目：2014年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃（2014R450010）