韓凱
摘要:為解決非結構環(huán)境下機器人地形適應性差、運動靈活性低等問題,本文基于仿生學原理設計開發(fā)了六足仿生機器人,以飛思卡爾K60處理器為主控芯片,完成了六足機器人的機械結構與控制系統(tǒng)設計,增設多種傳感器模塊,增強機器人的穩(wěn)定性和自適應能力。
Abstract: In order to solve the problems of poor terrain adaptability and low motion flexibility of robots in unstructured environments, this article designed and developed a six-legged bionic robot based on the principle of bionics, using Freescale K60 processor as the main control chip to complete the mechanical of the six-legged robot Structure and control system design, add a variety of sensor modules to enhance the stability and adaptive ability of the robot.
關鍵詞:單片機;仿生機器人;機械結構;尋跡
Key words: singlechip;bionic robot;mechanical structure;trace
0 ?引言
隨著現代技術的不斷發(fā)展,人類對于自然界的探索范圍也日趨擴大,對于某些人類不能進入的地方只能依賴于機器人進行替代。
目前對于陸面機器人的研究成果主要體現在輪式、足式和履帶式機器人上,輪式和履帶式機器人在平面運動上穩(wěn)定性高,應用較為廣泛,不足之處在于不能應用于崎嶇地形,適應能力較差。相比之下足式機器人具備冗余的機械結構,落足點可以任意離散分布在工作空間,可以適應復雜的非結構地形和不確定環(huán)境,提高機器人運動的可靠性。
本文基于仿生學原理,以六足昆蟲為仿生模型,分析其身體結構和運動機理,設計開發(fā)六足機器人適用于復雜地形的運動。
1 ?本體結構設計
以六足昆蟲為仿生模型,要求機械結構本體對稱且可靠性高,各機構零件連接可靠易裝配,機器人運動自由度合理分配不存在干涉。
如圖1所示,設計的機器人選用全鋁框架材質,在保持輕量化的同時具備較高強度,整體為似菱形外形,六條腿均勻對稱分布在身體兩側使機器人重心穩(wěn)定,上頂機蓋預留位置用于傳感器的安裝。
機器人腿部設計如圖2所示,在機器人腿部2膝關節(jié)4髖關節(jié)和6根關節(jié)處安裝舵機進行驅動,每條腿三個自由度,一共安裝有18個舵機。
六足機器人關節(jié)的轉動是靠運動副實現的,因此各個關節(jié)均設計有軸承。使用軸承可以減小各個關節(jié)轉動時的阻力,從而減小機器人的功耗。
2 ?控制系統(tǒng)設計
控制系統(tǒng)要求穩(wěn)定性強、實用性高、經濟性好,滿足機器人實時控制,預留控制接口以便于二次開發(fā)升級。
2.1 硬件設計
機器人的底層控制系統(tǒng)硬件設計如圖3所示。
硬件部分主要包括最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、傳感器模塊和運動控制模塊。
最小系統(tǒng)中采用MK60DN512VLL10 為主控芯片,其運算速度快、外部接口豐富且能耗較低,能夠全方位的滿足六足機器人的控制要求。
電源模塊主要為機器人供電,主要包括舵機部分供電和控制器供電,同時考慮電壓需求和運動續(xù)航能力。本文設計采用12V、4200mah三芯鋰電池為電源,同時設計降壓模塊,分別提供6V、5V、3.3V供電。
為了實時采集機器人周圍環(huán)境信息并進行反饋控制,本文設計表1所示的傳感器模塊。
采用PWM信號對舵機進行控制,由于機器人共需18路PWM信號,因此選用兩片pca9658芯片通過IIC通信來進行擴展,可同時控制32個舵機。
2.2 軟件設計
本文在IAR開發(fā)環(huán)境下按照分層思想進行了軟件的編寫,軟件整體設計如圖4所示。
以圖5所示視覺傳感器為例,器件型號為OV7725, 工作電壓為DC3V,IIC 總線控制、8 位并行數據傳輸,圖像輸出幀率 0-150(幀/秒)軟件可調,同時可以設置不同的分辨率??芍苯佑布敵龆祷瘓D像,大大減輕單片機壓力。
機器人在黑白跑道運動時,將左右兩側的黑色像素點取平均值,可以算出機器人偏差,由于機器人的轉向角度是離散的,不需要復雜的PID控制。當其方向偏左,調用向右轉向的動作組即可,方向偏右時同理。
while(1)
{
OV7725_Init(image_bin);
OV7725_get_img(); ? ? img_extract(image_bin,img,CAMERA_SIZE);
imgErr = imgProcess();
if(imgErr < -22)
motionCtr(left);
if(imgErr > 22)
? ?motionCtr(right);
if(imgErr >= -22 && imgErr <= 22)
? ?motionCtr(forward);
}
3 ?結論
本文基于仿生學原理,以六足昆蟲為仿生模型,設計開發(fā)了六足機器人,完成了本體結構設計,并使用K60對六足機器人的控制系統(tǒng)進行軟硬件設計,編寫了相應的控制程序,增設傳感器提高了機器人的適應能力。
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