劉美華，文應(yīng)基，蒲宏輝（.湖南工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，湖南 湘潭 40；.湖南工程學(xué)院　應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 40）

六足仿生蟑螂機(jī)器人設(shè)計(jì)*

劉美華1，文應(yīng)基2，蒲宏輝2
（1.湖南工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，湖南 湘潭 411101；2.湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411101）

介紹了一款基于單片機(jī)控制的六足仿生蟑螂機(jī)器人。該機(jī)器人在外形和足部結(jié)構(gòu)上仿生蟑螂，六足均勻分布于身體兩側(cè)，每足給出了3個(gè)自由度；機(jī)器人的步態(tài)采用經(jīng)典的三足步態(tài)法；該運(yùn)動(dòng)控制器由STC12C5A60S2單片機(jī)和舵機(jī)組成，采用多舵機(jī)分時(shí)控制的方法，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)按所設(shè)計(jì)的步態(tài)規(guī)劃進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作；同時(shí)添加了語(yǔ)音模塊，機(jī)器人能在預(yù)定程序下隨音樂(lè)進(jìn)行舞蹈動(dòng)作。

六足仿生機(jī)器人；三足步態(tài)法；STC12C5A60S2單片機(jī)；舵機(jī)

0　引言

仿生學(xué)是20世紀(jì)60年代初誕生的一門(mén)集生物科學(xué)和工程技術(shù)于一體的邊緣學(xué)科，主要通過(guò)學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及控制機(jī)制，來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的或創(chuàng)造新的機(jī)械、儀器、建筑和工藝過(guò)程［1］。蟑螂運(yùn)動(dòng)靈活穩(wěn)定，對(duì)地形適應(yīng)能力強(qiáng)，是仿生的熱點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的六足仿生爬蟲(chóng)機(jī)器人，其外形及其機(jī)械結(jié)構(gòu)參考蟑螂的特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)控制器由STC12C5A60S2單片機(jī)和舵機(jī)組成，采用多舵機(jī)分時(shí)控制，能夠按照指令要求正確切換功能并且完成相應(yīng)動(dòng)作。

1　機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生蟑螂六足機(jī)器人由軀體和足兩個(gè)基本部分組成，足和軀體的配置采用正相對(duì)稱分布。基于自然界中絕大部分蟑螂的軀體都呈近似長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，因此軀體設(shè)計(jì)成以身體縱向中心線為對(duì)稱軸的多邊形，且長(zhǎng)與寬之比約為3：1，材料選用高強(qiáng)度且質(zhì)量較輕的鋁合金。6條腿均勻分布于身體兩側(cè)，腿形參考蟑螂足部結(jié)構(gòu)，4個(gè)關(guān)節(jié)分別為髖關(guān)節(jié)、大腿、小腿和踝關(guān)節(jié)，其中前3個(gè)關(guān)節(jié)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)之間的連桿分別稱為基節(jié)、股節(jié)和脛節(jié)［2］。3個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖 1中黑點(diǎn)所示，關(guān)節(jié)間連接構(gòu)件采用性能良好的合成塑料代替鋁合金，進(jìn)一步降低了整機(jī)的重量，又增加了整機(jī)機(jī)構(gòu)的靈活度。系統(tǒng)通過(guò)控制相應(yīng)關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)18個(gè)自由度的靈活運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)步行足在可達(dá)區(qū)域內(nèi)任意自由定位。

圖1　機(jī)器人足部結(jié)構(gòu)

2　步態(tài)規(guī)劃

六足仿生機(jī)器人通常采用典型的交替三角形步態(tài)［3］進(jìn)行直線行走，即將身體兩側(cè)的6條腿分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。身體左側(cè)的前、后足及右側(cè)的中足為一組，右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個(gè)三角形支架。當(dāng)一組三角形支架中所有的足同時(shí)提起時(shí)，另一組三角形支架的3只足原地不動(dòng)支撐身體，接著重心前移，并以中足為支點(diǎn)向前移動(dòng)，同時(shí)機(jī)體的重心落在另一組三角形支架的3只足上，然后再重復(fù)前一組的動(dòng)作，以此交替運(yùn)動(dòng)使機(jī)體前行。

在所設(shè)計(jì)的步行機(jī)器人尾部左右兩端分別安裝兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制位于自己對(duì)應(yīng)側(cè)的前腿和后腿，兩腿中間用鉸鏈相連，使得兩腿擺動(dòng)方向一致。中間兩條腿采用第三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可驅(qū)動(dòng)中間兩條腿同時(shí)沿順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)20°～30°。當(dāng)機(jī)器人從休息狀態(tài)開(kāi)始向前直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人中間兩腿不轉(zhuǎn)動(dòng)方向，前腿和后腿同時(shí)向后移動(dòng)，從而使機(jī)器人向前移動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，第三驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中間兩腿沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)一定角度（20°～30°），從而使機(jī)器人向右側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)機(jī)器人的重量由右側(cè)前腿、右側(cè)后腿和左側(cè)中間腿支撐，左側(cè)前腿和左側(cè)后腿向前移動(dòng)。同理，當(dāng)驅(qū)動(dòng)中間兩腿沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)一定角度 （20°～30°）時(shí)，機(jī)器人向左移動(dòng)。

3　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1STC12C5A60S2芯片介紹

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍；內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換 （250 k/s），針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。STC12C5A60S2系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)片上系統(tǒng)。

3.2直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊

受機(jī)器人的框架材料影響，機(jī)器人本身的重量大，所以對(duì)直流電機(jī)的力矩要求就很高，本文選用了力矩大約為5 kg/cm的25GR-370直流減速電機(jī)。在測(cè)試過(guò)程中，該電機(jī)性能穩(wěn)定，輸出力矩也達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用 ST公司的 L298N芯片，可以直接驅(qū)動(dòng)兩路46 V、2 A以下的直流電機(jī)，可以方便地控制直流電機(jī)速度和方向，也可以控制兩相步進(jìn)電機(jī)。本模塊應(yīng)用了光耦芯片 TLP521-4隔離控制信號(hào)與L298橋式驅(qū)動(dòng)部分電路的電氣連接，控制信號(hào)為低電平時(shí)導(dǎo)通光耦驅(qū)動(dòng)L298工作，控制信號(hào)可以直接接單片機(jī)I/O口，杜絕了單片機(jī)不能驅(qū)動(dòng)光耦的現(xiàn)象；輸入控制信號(hào)與L298橋式驅(qū)動(dòng)部分分開(kāi)布地，嚴(yán)格單點(diǎn)共地。以上兩個(gè)措施最大限度地減小了強(qiáng)電部分對(duì)控制電路部分的影響，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

L298N型驅(qū)動(dòng)器的電路連接圖如圖2所示。

圖2　L298N型驅(qū)動(dòng)器的電路連接圖

L298有邏輯電源和動(dòng)力電源兩路電源，圖中6 V為邏輯電源，由J4接入，12 V為動(dòng)力電源，由J6接入；J1 與J2分別為單片機(jī)控制兩個(gè)電機(jī)的輸入端；J3與 J5分別與兩個(gè)電機(jī)的正負(fù)極相連；ENA與ENB直接接入6 V邏輯電源，使兩個(gè)電機(jī)時(shí)刻都工作在使能狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中使用的電機(jī)是線圈式的，在從運(yùn)行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)或從順時(shí)針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時(shí)針狀態(tài)時(shí)會(huì)形成很大的反向電流，因此在電路中加入二極管進(jìn)行泄流，保護(hù)芯片的安全。

3.3舵機(jī)

舵機(jī)即伺服馬達(dá)，是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。這里選用的是Power HD 1501MG型舵機(jī)，這款舵機(jī)的力矩比較大，達(dá)到了 17 kg/cm，完全滿足小型簡(jiǎn)易機(jī)器人的需求。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸入線分別為控制信號(hào)線、電源線以及地線，3根線需連接準(zhǔn)確，否則會(huì)損害單片機(jī)可控板。

舵機(jī)的控制利用的是周期為20 ms的PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)，其脈沖寬度為 0.5 ms～2.5 ms，分別對(duì)應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)角為-90°～+90°，如圖3所示?？刂菩盘?hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓進(jìn)行比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。使用單片機(jī)控制舵機(jī)，多是利用定時(shí)器和中斷的方式來(lái)完成控制［4］。

圖3　舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)脈沖寬度關(guān)系

本文所設(shè)計(jì)的仿生爬蟲(chóng)機(jī)器人共用了18個(gè)舵機(jī)，其連接方式參考了蟑螂的足部結(jié)構(gòu)，舵機(jī)連接位置為圖1中的黑色圓點(diǎn)處。

3.4語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音模塊采用華仕通訊推出的新一代語(yǔ)音模塊HSTAMFP，內(nèi)部采用華邦工業(yè)級(jí)語(yǔ)音芯片，功放采用美國(guó)進(jìn)口數(shù)字式功放，全部是昂貴的IC，從而設(shè)計(jì)出大功率、高品質(zhì)的語(yǔ)音模塊，支持6～20k動(dòng)態(tài)采樣，動(dòng)態(tài)加載不同采樣率音頻文件不需要改動(dòng)外部時(shí)鐘。數(shù)字功放是迄今為止最好的功放，不用散熱片就能達(dá)到高功率輸出，其效率極高，是常用的OTL功放的4～5倍。

4　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1編譯軟件及芯片添加

采用了 C語(yǔ)言編寫(xiě)，并在Keil uVision2開(kāi)發(fā)環(huán)境下編譯、調(diào)試。開(kāi)發(fā)界面如圖4所示。

圖4　Keil uVision2編輯界面

由于 Keil uVision2是一款國(guó)外軟件，而所使用的STC12C5A60S2芯片是國(guó)產(chǎn)的，在Keil uVision2的芯片數(shù)據(jù)庫(kù)里沒(méi)有，因此需在 Keil uVision2中添加國(guó)產(chǎn)的STC系列芯片才能進(jìn)行編譯。

4.2程序設(shè)計(jì)思路

采用定時(shí)器和中斷的方式來(lái)完成對(duì)18個(gè)舵機(jī)的分時(shí)控制。由于舵機(jī)信號(hào)周期T為20 ms，信號(hào)的脈沖寬度為0.5～2.5 ms，因此在一個(gè)周期內(nèi)最多可以控制 8路信號(hào)（20 ms/2.5 ms= 8）。將18個(gè)舵機(jī)分成3組，定時(shí)器0控制舵機(jī)1～6，定時(shí)器1控制舵機(jī)7～12，定時(shí)器2控制舵機(jī)13～18。先預(yù)裝高電平時(shí)間長(zhǎng)度，啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)觸發(fā)中斷，電平拉低并重裝低電平時(shí)間長(zhǎng)度。舵機(jī)控制程序流程圖如圖5所示。

圖5　舵機(jī)控制程序流程圖

4.3舵機(jī)控制器軟件

對(duì)機(jī)器人舞蹈動(dòng)作的控制，本文采用的是32路舵機(jī)控制器軟件，其工作界面如圖6所示。

圖6　32路舵機(jī)控制器軟件

該軟件可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)舵機(jī)的直接控制，其使用方法如下：電腦插上藍(lán)牙，打開(kāi)軟件界面，選擇好藍(lán)牙com口和波特率，點(diǎn)擊界面最下方的 “導(dǎo)入”、“導(dǎo)入完整值”，選擇編譯好的舵機(jī)控制文檔，并點(diǎn)擊“恢復(fù)初始位置”，打開(kāi)機(jī)器人上的電源開(kāi)關(guān)，點(diǎn)擊軟件界面“聯(lián)機(jī)”，當(dāng)界面閃爍顯示“on line”之后再次點(diǎn)擊“恢復(fù)初始位置”，最后點(diǎn)擊“運(yùn)行”即可，機(jī)器人即按照預(yù)定程序自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的舞蹈動(dòng)作。

5　結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的六足仿生蟑螂機(jī)器人樣機(jī)長(zhǎng)約16 cm，寬約6 cm，高約 3 cm，重量約 4.3 kg，外形如圖7所示。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行行走實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明該樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)直線行走及左、右拐彎等，還可隨音樂(lè)按既定程序?qū)崿F(xiàn)跳舞功能。

圖7　機(jī)器人樣機(jī)

［1］申景金.一種新型六足仿生蟲(chóng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

［2］張建斌，宋榮貴，陳偉海，等.基于運(yùn)動(dòng)靈活性的蟑螂機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 ［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36（5）：513-518.

［3］韓建海，趙書(shū)尚，李濟(jì)順.六足機(jī)器人行走步態(tài)的協(xié)調(diào)控制［J］.機(jī)電工程，2004，21（4）：8-10.

［4］儲(chǔ)忠，阮賢實(shí)，虞剛明.六足仿生機(jī)器人步態(tài)研究和運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)［J］.伺服控制，2009（8）：67-70.

The design of biologically hexapod cockroach robot

Liu Meihua1，Wen Yingji2，Pu Honghui2
（1.Engineering Training Center，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101，China；2.School of Applied Technology，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101，China）

A biologically hexapod cockroach robot is introduced in the paper.It is abionic cockroach in configuration and leg structure.The six legs are evenly distributed at its sides.Three degree of freedom can be obtained in every leg.Typical three-legged gait is adopted to realize the gait.Both of STC12C5A60S2 microcontroller and steering engine are used to form the motion controller.Because multi-steering engine is adopted for time-sharing control，the robot can realize some action such as going forward，going backward，turning left，turning right and so on according to the design of gait planning.Moreover，the pronunciation module is added，so the robot can perform to the music under the scheduled program.

hexapod bionic robot；three-legged gait；STC12C5A60S2 microcontroller；steering engine

TP242

A

1674-7720（2015）06-0050-03

2014-11-16）

劉美華（1980-），女，碩士，講師，主要研究方向：電子設(shè)計(jì)。

2014 年湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（ 湘教通（ 2014 ） 248 號(hào)，編號(hào)422 ）