韓飛　吳寶春　陳益　王志遠(yuǎn)　李志剛

摘要：本文介紹一種四足爬行機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)的構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)主要由上位機(jī)控制界面和下位機(jī)控制單元組成。上位機(jī)通過java語言編寫調(diào)試控制界面，與下位機(jī)通過串口進(jìn)行通信，下位機(jī)采用STM32作為核心控制器，接收上位機(jī)的相關(guān)控制信息，通過控制舵機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)四足爬行機(jī)器人的行走控制。

關(guān)鍵詞：四足爬行機(jī)器人；STM32；舵機(jī)控制器；Java

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著現(xiàn)代科技與人工智能的快速發(fā)展，人類對(duì)機(jī)器人的研究與應(yīng)用也日趨廣泛。近年來，各類新型仿人機(jī)器人、仿生機(jī)器人已然陸續(xù)研發(fā)問世，并逐漸進(jìn)入諸多領(lǐng)域。與眾多款型機(jī)器人相比，四足仿生機(jī)器人是具備爬行動(dòng)物外形、并可發(fā)揮強(qiáng)大行動(dòng)能力的機(jī)器人，采用爬行的方式提供自主行走，通過自身內(nèi)部協(xié)調(diào)處理實(shí)現(xiàn)一些簡單的動(dòng)作。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，四足機(jī)器人具有獨(dú)特鮮明優(yōu)勢(shì)，可通過多足的機(jī)械結(jié)構(gòu)交互配合，從而完成以探索和采集作為主要設(shè)定目的的綜合任務(wù)。因此，研究爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成及其控制方法具有至關(guān)重要的課題價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本文首先系統(tǒng)分析四足爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成以及設(shè)計(jì)行走控制方法，結(jié)合java語言編寫上位機(jī)調(diào)試界面，通過串口與下位機(jī)STM32核心控制器進(jìn)行通信，核心控制器采用串口通信方式將運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞給舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制機(jī)器人舵機(jī)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爬行機(jī)器人行走的簡單控制。

1 四足爬行機(jī)器人簡介

本文所研究的四足爬行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)采用成品套件，具有12個(gè)舵機(jī)，每條腿上安裝3個(gè)舵機(jī)，分布在爬行機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)；在安裝舵機(jī)前首先進(jìn)行舵機(jī)狀態(tài)復(fù)位，舵機(jī)復(fù)位后保證舵機(jī)左右或前后擺動(dòng)的幅度均勻，避免舵機(jī)在調(diào)試過程一個(gè)方向無法擺動(dòng)或者堵轉(zhuǎn)而燒壞舵機(jī)。系統(tǒng)控制器采用STM32核心板安裝在機(jī)器人背部，舵機(jī)控制器裝在機(jī)器人身體下部，電池裝在夾縫中。爬行機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究的爬行機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)控制界面和下位機(jī)控制單元組成，上位機(jī)控制界面采用java語言編寫，通過串口與下位機(jī)通信。下位機(jī)控制單元采用STM32 作為核心控制器，這是由意法半導(dǎo)體公司重點(diǎn)生產(chǎn)的基于超低功耗的ARMCortex-M3處理器內(nèi)核，因其配備一流的外設(shè)、低功耗、最大集成度的特點(diǎn)，滿足了用戶對(duì)高性能、低功耗、低成本和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求。在此，給出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

下位機(jī)控制單元主要由STM32核心控制器、舵機(jī)控制器和12個(gè)舵機(jī)而聯(lián)合構(gòu)建組成。其中，STM32核心控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上可分解為主控芯片電路、時(shí)鐘電路、下載電路、電源電路等但愿不見；舵機(jī)控制器則是通過串口方式與核心控制器進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。涉及舵機(jī)控制時(shí)，首先需展開舵機(jī)調(diào)試以及動(dòng)作組的設(shè)定，本文則結(jié)合項(xiàng)目組前期研究的機(jī)器人調(diào)試系統(tǒng)來集成展現(xiàn)舵機(jī)狀態(tài)調(diào)試。調(diào)試界面如圖3所示。

通過對(duì)舵機(jī)的調(diào)試，保證了爬行機(jī)器人動(dòng)作的協(xié)調(diào)性和連貫性，對(duì)機(jī)器人爬行控制具有決定性的重要意義。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)控制界面

上位機(jī)控制界面是由java語言編寫，可用于調(diào)試控制機(jī)器人具體動(dòng)作狀態(tài)。采用串口方式與下位機(jī)進(jìn)行通信，當(dāng)發(fā)送命令時(shí)，通過按鍵裝監(jiān)聽的方法，來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)指令發(fā)送。上位機(jī)界面總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

進(jìn)一步地，上位機(jī)界面則如圖5所示。

在上位機(jī)中，CommPortIdentifier.getPortIdentifier（com）用來實(shí)現(xiàn)本地系統(tǒng)的硬件端口（RS-232）標(biāo)準(zhǔn)串口通信，通過安裝應(yīng)用RXTXcomm.jar包，從而管理本地機(jī)器的端口。

3.2 下位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

STM32核心控制系統(tǒng)中，軟件編寫的程序采用順序控制，整體設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，但是不能滿足嵌入式多任務(wù)要求，在工作時(shí)，需要等待當(dāng)前命令執(zhí)行完成后，才可以繼續(xù)向下執(zhí)行。軟件流程如圖6所示。

下位機(jī)控制系統(tǒng)在打開電源后，初始化相關(guān)函數(shù)，發(fā)送命令至舵機(jī)控制器，使得機(jī)器人保持爬行姿勢(shì)，串口連接成功后，等待接受命令。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送動(dòng)作命令時(shí)，爬行機(jī)器人執(zhí)行由其指定的動(dòng)作響應(yīng)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)界面開發(fā)和下位機(jī)程序調(diào)試后，即需選取設(shè)定四足爬行機(jī)器人動(dòng)作整體調(diào)試，對(duì)其進(jìn)行前進(jìn)、左移、右移、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等基本功能測(cè)試，四足（1腳、2腳、3腳、4腳）排序采用逆時(shí)針方式，可得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述如下：

1）上位機(jī)發(fā)送前進(jìn)命令時(shí)，四足爬行機(jī)器人通過1、3腳配合支持形成前移一步的動(dòng)作，然后將2、4腳分別邁到1、3前，再將1、3腳分別還原，即恢復(fù)為初始設(shè)定的位置，完成一套爬行前進(jìn)的動(dòng)作；

2）上位機(jī)發(fā)送左移命令時(shí)，四足爬行機(jī)器人通過1、3腳配合逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度后，將2、4腳順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，通過把類似的前進(jìn)方式加入，完成左移動(dòng)作；

3）上位機(jī)發(fā)送右移命令時(shí)，四足爬行機(jī)器人通過2、4腳配合順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度后，將1、3腳逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，通過把類似的前進(jìn)方式加入，完成右移動(dòng)作；

4）上位機(jī)發(fā)送后退命令時(shí)，四足爬行機(jī)器人通過2、4腳配合支持形成后移一步的動(dòng)作，然后將1、3腳分別邁到2、4后，再將2、4腳分別還原，即恢復(fù)為初始設(shè)定的位置，完成一套爬行后退的動(dòng)作；

5）上位機(jī)發(fā)送左轉(zhuǎn)命令時(shí)，將前進(jìn)加入后，再加入左移，完成左轉(zhuǎn)動(dòng)作；

6）上位機(jī)發(fā)送右轉(zhuǎn)命令時(shí)，將前進(jìn)加入后，再加入右移，完成右轉(zhuǎn)動(dòng)作。

5 結(jié)束語

本文應(yīng)用java語言開發(fā)了四足機(jī)器人調(diào)試界面，結(jié)合STM32最小系統(tǒng)與舵機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)了四足爬行機(jī)器人行走狀態(tài)的控制。同時(shí)給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，進(jìn)而展開了實(shí)驗(yàn)調(diào)試，系統(tǒng)分析四足機(jī)器人的行走步態(tài)，為后續(xù)進(jìn)行機(jī)器人步態(tài)分析及功能算法研究提供了堅(jiān)實(shí)有益的技術(shù)基礎(chǔ)。

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