西北民族大學 洪淼淼 蔡 寧

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四足仿生機器人的研究與設(shè)計

西北民族大學 洪淼淼 蔡 寧

【摘要】基于仿生學原理，以STC公司生產(chǎn)的IAP15F2K61S2芯片作為主控制芯片，舵機作為驅(qū)動元件，使用 keil 編寫程序后下載到主控制板對其控制，設(shè)計出機構(gòu)靈活的四足機器人，能幫助人類從事各方面的工作，使生活趨于自動化。

【關(guān)鍵詞】機器人；舵機控制；自動化

本文受國家自然科學基金資助（項目編號：61263002）。

1　設(shè)計理念

移動式機器人技術(shù)是當今時代機器人研究領(lǐng)域中一個較為熱門的話題。常見的移動機器人有雙足，四足和六足，其都有自己的特點和適用范圍，各有各的優(yōu)勢與缺點。雙足機器人的肢體結(jié)構(gòu)相對于四機器人，其穩(wěn)定性不好，動態(tài)特性差、負載能力低、地形適應性差，適用范圍較狹隘；對于六足機器人而言，其穩(wěn)定性雖好，但其足數(shù)較多，不便于控制。四足機器人的研究最具有使用性和廣泛性。

本文根據(jù)觀察四足爬行動物的爬行姿態(tài)，采用平面桿并聯(lián)運動機構(gòu)的爬行原理，并且基于仿生學基礎(chǔ)之上設(shè)計了四足爬行機器人的主體結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)了與傳統(tǒng)意義上的機器人不同的四足機器人。所設(shè)計出的四足仿生機器人，體積大小合適，又采用合適的材料使其質(zhì)量輕便，適合于搬運的主體，并能輕松完成其他工作。結(jié)合自動化專業(yè)所學的知識：電力電子技術(shù)、自動化控制原理、傳感器等多個學科知識的綜合運用，并做一些其他方面欠缺的準備工作之后，最終設(shè)計出來一套結(jié)構(gòu)完善的仿生肢體，此外還完成了行走程序及其它基本功能。

2　四足機器人的結(jié)構(gòu)組成

2.1電源模塊

AMS1117是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，在1A的電流輸入情況下電壓降低1.2V。它有固定輸出和可調(diào)兩個版本，輸出的電壓精度比較高。并且AMS1117的內(nèi)部有繼承過熱保護電路和限流電路，電路系統(tǒng)比較完善，適合電池供電。工作結(jié)溫范圍是-40度至125度，適用的范圍廣泛。但是它所能夠提供的電流比較小，且在大電流工作狀態(tài)下易發(fā)熱。這是它的弊端所在，因此我們不能將此系列的穩(wěn)壓器作為我們的選擇。

于是我們決定使用額定電壓為7.4V的可充電電源作為供電電源。通過7805穩(wěn)壓芯片電路穩(wěn)出5V電源，為主控提供可靠的供電電源，確保主控能進行正常穩(wěn)定的工作。但是由于舵機對電壓電流要求較高，因此我們用7.4V電池經(jīng)過濾波處理后給舵機供電，以保證舵機正?？煽康墓ぷ?。

2.2控制模塊

平常使用較為廣泛的51單片機，指令簡單，編寫程序容易，也便于理解，并且此類單片機的外圍電路簡單，所以在硬件設(shè)計時也比較輕松。然而本系統(tǒng)的程序量較大，需要的I/O口資源較多，需要輸出四路PWM波控制電調(diào)轉(zhuǎn)動，并且其運算能力較低，速度較慢，功能相對單一，難以實現(xiàn)較復雜的任務要求。

采用IAP15F2K61S2芯片作為主控芯片。IAP15F2K61S2是STC公司生產(chǎn)的最新、最先進的一款增強型單片機，它有使用方便，易于控制等優(yōu)點，適合用來作為四足仿生機器人的控制器。

3　系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1機器人的機身

四足仿生機器人的機身如圖1所示，我們采用PVC材料為主體，搭配一定量的鋁合金材料作為相關(guān)部位的連接器件，使其有更高的耐壓強度，同時盡量減少其本身的重量，使其更穩(wěn)定。

圖1　機器人整體布局

3.2機器人肢體

機器人的肢體機構(gòu)設(shè)計要求結(jié)構(gòu)不能過于復雜，結(jié)構(gòu)復雜的桿件較多的腿部機構(gòu)會是動力傳遞實現(xiàn)的復雜度提高，并且機器人在爬行的過程中腿部部件會交替的運動，會造成運動不靈活。所以在腿部的設(shè)計過程中就要求具有負載的情況下有能夠適應整個機身重量的剛度和一定的負載能力。

該機器人有四個足，每個足安裝了3個舵機，這樣每個足就有了3個關(guān)節(jié)，以實現(xiàn)機器人的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等方向的行走功能。我們采用數(shù)字舵機作為關(guān)節(jié)，數(shù)字舵機具有易于控制，大力距等優(yōu)點，被廣泛應用于機器人、工業(yè)控制等方面。如下圖所示在行走過程中舵機0左右轉(zhuǎn)動，舵機1和舵機2上下轉(zhuǎn)動，以保證機器人在邁步的過程中，邁步的那只腳不至于觸地。這12個舵機的協(xié)調(diào)運作，讓機器人的行走變得更靈活。

圖2　機器人肢體運動方向

3.3機器人程序的整體設(shè)計

在程序設(shè)計方面，我們用C語言進程編程。C語言在當今是一種受到大家廣泛喜愛的程序設(shè)計語言，它的程序結(jié)構(gòu)規(guī)整，可讀性強；并且有34種運算符，所以其語言表達靈活，我們僅僅使用平常人的思維即可進行編寫程序，只要不違反其編程規(guī)則，就能順利通過編譯，便可實現(xiàn)我們想要控制的目的。

程序編寫完成，燒錄給主控芯片后，當我們?nèi)藶榈陌聪聶C器人的開始按鈕，程序進入機器人初始化狀態(tài)，接著MCU控制步態(tài)時序，通過串口通信給CDS5516舵機發(fā)送動作指令，舵機接收到指令后進行動作的完成，從而達到機器人前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。

4　系統(tǒng)的實現(xiàn)與測試

經(jīng)過長時間的研究，設(shè)計出較為完善的四足仿生機器人，該機器人有四個足，每個足安裝了3個舵機，這樣每個足就有了3個關(guān)節(jié)，以實現(xiàn)機器人的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等方向的行走功能。我們采用數(shù)字舵機作為關(guān)節(jié)，數(shù)字舵機具有易于控制，大扭距等優(yōu)點，被廣泛應用于機器人、工業(yè)控制等方面。在行走過程中有舵機左右轉(zhuǎn)動，也有舵機上下轉(zhuǎn)動，以保證機器人在邁步的過程中，邁步的那只腳不至于觸地。這12個舵機的協(xié)調(diào)運作，讓機器人的行走變得更靈活、更平穩(wěn)、更加自然。

此外，使用額定電壓為7.4V的可充電電源作為供電電源。通過7805穩(wěn)壓芯片電路穩(wěn)出5V電源，為主控提供可靠的供電電源，確保主控能正常穩(wěn)定的工作。由于舵機對電壓電流要求較高，因此用7.4V電池經(jīng)過濾波處理后給舵機供電，舵機可以正常可靠的工作。

5　應用與展望

機器人在人類的生產(chǎn)生活中占據(jù)著一席之地。自從第一臺機器人誕生以來，機器人正在迅速的發(fā)展，并且廣泛的運用到軍事、工業(yè)生產(chǎn)和生活中：在軍事方面有排爆、運輸機器人；在工業(yè)方面有焊接、噴漆機器人；在生活方面有掃地機器人等。使用機器人代替人類的工作有以下三個優(yōu)勢：第一,人類的某些工作可以由機器人直接代替完成任務，這將直接減少了人力勞動；第二，人類持續(xù)不休息的工作將會有身體各方面的疲勞感，造成工作效率下降，甚至會發(fā)生不可預料的事故；第三,某些工作領(lǐng)域是只靠人類是完成不了任務的。因此，使用機器人代替人類工作可以有效地提高生產(chǎn)效率，使工作生產(chǎn)有秩序的進行。

在科技發(fā)達的今天，機器人可以應用各個行業(yè)，使生產(chǎn)自動化，辦公自動化更加普遍化，實現(xiàn)“機器人換人工”、“自動換機械”、“成套換單臺”、等方式，研究和推廣先進的機器人與自動化生產(chǎn)技術(shù)，為生產(chǎn)企業(yè)解決招工難、用工成本高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，為其提供個性化的“機器人應用”整體解決方案、機器人自動化設(shè)備改造、自動化成套設(shè)備開發(fā)設(shè)計制造、軟硬件系統(tǒng)集成及智能制造裝備的操作、維護與管理等。

在未來的一段時間內(nèi)，通過進一步的設(shè)計，四足仿生機器人將有美好的發(fā)展前景，如能夠幫助人們打理生活，做一些簡單的家務活；在大型災難后，能進入人們所不能進入不了的廢墟中，用紅外線掃描廢墟中的景象，把信息傳送給在外面的搜救人員等。發(fā)展前景較為廣闊。

參考文獻

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