蔡勝宇　儲澤楠

摘 要：本文以矩形輪腿式的六足機器人為試驗機器人，以STM32單片機為主要控制核心，以舵機控制板為輔助板，利用上位機編程來編寫六足機器人的動作組，通過PS2手柄發(fā)送命令到單片機，單片機控制舵機板實現(xiàn)相應(yīng)的動作組，后期采用Arduino控制板通過傳感器對環(huán)境變化的檢測實現(xiàn)對動作組的控制，實現(xiàn)六足機器人的自動化移動。

關(guān)鍵詞：復(fù)合運動;STM32;上位機;PS2;舵機控制板Arduino

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）26-0010-04

隨著社會的不斷發(fā)展和進步，人類涉足的范圍盡管不斷增加，但在人類社會和自然界中還存在一些可能危及我們生命的特殊場合，如深山、發(fā)生災(zāi)難的礦井、救援救助等人類當前尚沒有辦法到達的地方，這些地方的地形具有共同的特點：崎嶇不平和地形不規(guī)則。通過以往的試驗可以看出，在比較平坦的路面上，輪式機器人無論在速度和靈活程度上都有絕對的優(yōu)勢，但在不平坦的路面上，輪式機器人在能量消耗上更加明顯且靈活程度大大降低。相對而言，履帶式機器人在不平坦的地面上更具優(yōu)勢，但在機動性和平衡性方面存在較大缺陷。與輪式、履帶式移動機器人相比，在崎嶇路面上步行的機器人具有更為優(yōu)越的性能。

筆者結(jié)合六足機器人的優(yōu)點和輪式移動機器人的優(yōu)點，設(shè)計了輪腿式復(fù)合機器人。這種復(fù)合式機器人通過輪式與足式的不斷變換，不僅可以在平坦的路面上快速行駛，而且能平穩(wěn)地通過崎嶇的地面[1，2]。

1 六足機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 六足機器人機械結(jié)構(gòu)的選擇

本項目中需要考慮的主要問題是六足復(fù)合式機器人的輪腿結(jié)構(gòu)組合方式?，F(xiàn)有的輪腿組合方式主要有3種：輪、腿結(jié)合式;輪、腿獨立式;輪即是腿，腿即是輪式。六足機器人的機械結(jié)構(gòu)有很多，大部分以圓周型和矩形為主。

本項目采用矩形機械結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。從圖上可以看出，機器人的輪子和腿相對獨立，分別獨立安裝在機器人的本體上，當腿向某一方向折疊收起時，輪子就與地面接觸，這時機器人就可以做輪式運動;當關(guān)節(jié)伸展站立時，輪子與地面脫離，這時機器人可進行腿式步行。相對圓周形機械結(jié)構(gòu)，矩形機械結(jié)構(gòu)中六足的平行性恰好滿足了機器人由足變成輪時兩組輪子恰好實現(xiàn)了平行性移動的特點。

圖1 六足機器人機械結(jié)構(gòu)三維圖

1.2 控制板的選擇

控制板是整個六足機器人的核心?？刂瓢宥喾N多樣，有樹莓派、32單片機、51單片機、Arduino控制板等?？紤]到整個項目對六足機器人的智能控制和便捷操作、板子面積及功耗等方面的影響，加上32單片機有強大的PWM輸出效率、運行速度快、內(nèi)存大、強大的工程編程環(huán)境、數(shù)量比較多的IO口，所以選擇32單片機為主要控制板。

本項目采用STM公司的STM32F103系列的單片機，該系列的單片機高性能、低成本、低功耗，具有144個引腳，給項目提供更多IO的使用，內(nèi)核采用ARM Cortex?-M3微控制器，1μs的雙12位ADC，4Mb/s的UART，18Mb/s的SPI，18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度。

2 六足機器人的步態(tài)控制

2.1 六足機器人的三角步態(tài)

六足機器人步行行走步態(tài)（見圖2）是機器人研究的重要問題，自然界內(nèi)六足類的動物在行走時，一般六足并不是同時直線前進的，而是像人一樣將三對足分成兩組，相當于人的左右腿，以三角形態(tài)結(jié)構(gòu)交替前進。六足動物身體左側(cè)的前足、后足及右側(cè)的中足為一組，其他的為一組。在行進的過程中，其中一組為支撐組，另一組為運動組，這時重心在支撐組。然后，運動組變?yōu)橹谓M，支撐組變?yōu)檫\動組，這樣周而復(fù)始，就可以實現(xiàn)六足的三角步態(tài)行走[3-5]。

[X][A][B][C][Z][F][E][D][A][B][C][D][E][F][步長][Y]

圖2 三角步態(tài)示意圖

2.2 舵機控制核心

六足機器人足是由18個舵機組成的關(guān)節(jié)組合，舵機控制板可以同時控制多個舵機的轉(zhuǎn)動速度，轉(zhuǎn)動角度。上位機制作是實現(xiàn)電腦對舵機控制板圖形化編程的重要步驟，其能直接明了地實現(xiàn)對單個舵機及舵機動作組的編程。

2.3 單片機對舵機控制板的控制步態(tài)

32單片機對舵機控制板是通過串口的通信控制舵機做出相應(yīng)的動作或者動作組。單片機和舵機控制板存在通信協(xié)議，該協(xié)議在波特率為9600的環(huán)境下通信，該協(xié)議的命令由4部分組成，即幀頭、數(shù)據(jù)長度、指令、參數(shù)。舵機板在連續(xù)接收到兩個0X55的情況下，表示開始接收數(shù)據(jù)，即幀頭。數(shù)據(jù)長度就是指令和參數(shù)占用一個字節(jié)的長度。

例如，控制舵機動作組的實現(xiàn)，需要的指令名為CMD _ACTION_GROUP_RUN，可以看出指令值為6，數(shù)據(jù)長度為5，這里只涉及三個參數(shù)，格式和控制舵機命令一樣。參數(shù)1：要運行的動作組的編號;參數(shù)2：動作組要運行的次數(shù)低八位;參數(shù)3：動作組要運行的次數(shù)高八位。

例如，控制2號動作組：幀頭：0X55 0X55;數(shù)據(jù)長度0X05;指令值：0X06;參數(shù)：0x01 0x02 0x01。

通過通信協(xié)議的建立，控制舵機動作組的不單單是舵機控制板，32單片機也可以通過串口通信命令的發(fā)送實現(xiàn)對舵機動作及動作的實現(xiàn)。

3 六足機器人的輪腿轉(zhuǎn)換

3.1 輪腿轉(zhuǎn)換的形態(tài)

由于六足機器人具有多關(guān)節(jié)的特點，加上我們使用的是矩形機械結(jié)構(gòu)，因此，筆者仿照六輪裝甲車多輪轉(zhuǎn)向的外形，使六足機器人變形以后呈現(xiàn)出六輪機動車的形態(tài)，同時使用六足機器人的多關(guān)節(jié)可活動性，實現(xiàn)六輪的多轉(zhuǎn)向性，使機器人更加得靈活。六輪的同時轉(zhuǎn)向比以往的兩輪轉(zhuǎn)向或者速度轉(zhuǎn)向更加便捷，對電機速度的要求降低，且操作起來相對比較簡單。六足機器人的輪式三維圖見圖3。

圖3 六足機器人的輪式三維圖

3.2 單片機對六足機器人足變輪變形的控制

本項目中，筆者采用32單片機控制舵機控制板，采用PS2手柄進行手動控制。通過PS2手柄發(fā)送命令給32單片機，然后單片機把指令發(fā)送給舵機控制板，舵機控制板接收到發(fā)送過來的指令后做出相應(yīng)的動作組或者動作，完成變形任務(wù)。其流程如圖4所示。

PS2由手柄和接收器組成。手柄的接收器由8個接口組成，分別是DIDAT、DO/CMD、NC、GND、ACK、CS/SEL、CLK和VDD。DIDAT和DO/CMD接口是手柄到主機和主機到手柄信號的流向接口，這個信號是一個8BIT的串行數(shù)據(jù);CS/SEL是手柄的觸發(fā)信號;CLK則是一個時鐘信號，主要用于數(shù)據(jù)的同步;ACK是一個應(yīng)答信號。

在CS觸發(fā)信號發(fā)生時，手柄開始進入通信狀態(tài)。數(shù)據(jù)（1bit）的發(fā)送與接收是在單片機時鐘下降時完成的，并且是同時完成的。當控制板想要向手柄發(fā)送命令或者讀取命令時，會拉低CS的電平，并發(fā)送“0X01”的命令，手柄回復(fù)之后，控制板將發(fā)送“0X42”的請求數(shù)據(jù)的命令，之后手柄就會發(fā)送“0X5A”命令到單片機，單片機就開始接收數(shù)據(jù)。表1為PS2通信各個數(shù)據(jù)位的意義。

表1 PS2通信各個數(shù)據(jù)位的意義

[順序 DO DI Bit0、Bit1、Bit2、Bit3、Bit4、Bit5、Bit6、Bit7 0 0X01 idle - 1 0X42 ID - 2 Idle OX5A - 3 WW data SELECT、L3、R3、START、UP、RIGHT、DOWN、LEFT 4 YY data L2、R2、L1、R1、△、○、×、□ 5 idle data PSS_RX（0X00=left、0XFF=right） 6 idle data PSS_RY（0X00=up、0XFF=down） 7 idle data PSS_LX（0X00=left、0XFF=right） 8 idle data PSS_LY（0X00=up、0XFF=down） ]

3.3 輪式形態(tài)的控制

做項目的電機分類有很多：步進電機、直流電機和直流減速電機。筆者采用的是減速直流電機。相比而言，直流減速電機更容易控制，編程簡單，體積更小，速度控制方面更加準確?？刂齐姍C則要用到32單片機中PWM輸出模式，在32單片機中，單片機通過對時鐘的控制與寄存器的控制實現(xiàn)PWM波輸出的控制。簡單來說，PWM的輸出主要靠控制占空比來實現(xiàn)PWM波的輸出，從而控制控制電機的轉(zhuǎn)動。

輪式形態(tài)的控制主要是對舵機的控制，通過對舵機的控制實現(xiàn)直行、后退、轉(zhuǎn)彎等多種形態(tài)。由于六足機器人有18個關(guān)節(jié)，因此，六足機器人的轉(zhuǎn)動形態(tài)較多。筆者選擇把輪子裝在前后兩組足關(guān)節(jié)的第二個關(guān)節(jié)上，這樣輪子既不會阻礙足式移動，又能很好地進行足輪轉(zhuǎn)換。足輪轉(zhuǎn)換過后，電機轉(zhuǎn)動的方向就會發(fā)生變化，如圖5和圖6所示。足式機器人及其俯視圖見圖7和圖8。

[電機1][電機2][電機4][電機3]

圖5 直行電機轉(zhuǎn)動的方向

[電機1][電機2][電機4][電機3]

圖6 后退電機轉(zhuǎn)動方向

圖7 足式機器人

圖8 俯視圖

4 六足機器人智能自控的實現(xiàn)

4.1 Arduino的應(yīng)用

Arduino是一款與32單片機相似的控制板，其能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他裝置來反饋、影響環(huán)境。本項目中以Arduino控制板為輔助板，安裝各種傳感器，如聲音傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器。在六足機器人6個足的底部安裝紅外傳感器以防止六足機器人墜落，利用超聲波傳感器實現(xiàn)避障功能。同樣，Arduino控制和32單片機控制相同，都是通過串口發(fā)送命令給舵機控制板，舵機控制板再做出相應(yīng)的動作。Arduino命令流程見圖9。

4.2 整體自動化的形成

通過傳感器對環(huán)境變化的感應(yīng)，向Arduino發(fā)送數(shù)字模擬量，Arduino做出相應(yīng)的命令控制舵機控制板。這樣一來，各個傳感器的相互配合，Arduino就可以識別復(fù)雜環(huán)境狀況，使六足機器人做出相應(yīng)的動作來適應(yīng)相應(yīng)的環(huán)境，從而使機器人實現(xiàn)智能化。

5 結(jié)論

本項目從開始選題到買材料再到制作成品，遇到了許多困難，但在這段時間內(nèi)，筆者獲益匪淺。從選材料開始，就從各個方面尋找能用到的機器人零件、舵機、舵機控制板、電機等，每樣?xùn)|西都考慮再三，為后期制作編程節(jié)約了較多時間。在設(shè)置PS2手柄時，使用手柄發(fā)送命令，舵機卻一直收不到相應(yīng)命令，在不斷調(diào)試和編程的情況下，終于實現(xiàn)了相應(yīng)的功能。

但是，該項目的各個功能還有不足之處，仍需要不斷優(yōu)化，特別是在利用傳感器實現(xiàn)自動化控制方面，需要進一步深入研究。

參考文獻：

[1]田娜，丁希侖，戴建生.一種新型的變結(jié)構(gòu)輪腿式探測車機構(gòu)設(shè)計與分析[J].機械設(shè)計與研究，2004（z1）：268-270.

[2]蘇軍，陳學(xué)東，田文罡.六足步行機器人全方位的步態(tài)研究[J].機械與電子，2004（3）：48-52.

[3]馬忠梅，王美剛，孫娟，等.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[4]李增國.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5]BOXALL.動手玩轉(zhuǎn)Arduino[M].北京：人民郵電出版社，2014.