韓凱

摘要：為解決非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)器人地形適應(yīng)性差、運(yùn)動(dòng)靈活性低等問題，本文基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)開發(fā)了六足仿生機(jī)器人，以飛思卡爾K60處理器為主控芯片，完成了六足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增設(shè)多種傳感器模塊，增強(qiáng)機(jī)器人的穩(wěn)定性和自適應(yīng)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(guān)鍵詞：單片機(jī);仿生機(jī)器人;機(jī)械結(jié)構(gòu);尋跡

Key words： singlechip;bionic robot;mechanical structure;trace

0 ?引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對(duì)于自然界的探索范圍也日趨擴(kuò)大，對(duì)于某些人類不能進(jìn)入的地方只能依賴于機(jī)器人進(jìn)行替代。

目前對(duì)于陸面機(jī)器人的研究成果主要體現(xiàn)在輪式、足式和履帶式機(jī)器人上，輪式和履帶式機(jī)器人在平面運(yùn)動(dòng)上穩(wěn)定性高，應(yīng)用較為廣泛，不足之處在于不能應(yīng)用于崎嶇地形，適應(yīng)能力較差。相比之下足式機(jī)器人具備冗余的機(jī)械結(jié)構(gòu)，落足點(diǎn)可以任意離散分布在工作空間，可以適應(yīng)復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)地形和不確定環(huán)境，提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的可靠性。

本文基于仿生學(xué)原理，以六足昆蟲為仿生模型，分析其身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)開發(fā)六足機(jī)器人適用于復(fù)雜地形的運(yùn)動(dòng)。

1 ?本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以六足昆蟲為仿生模型，要求機(jī)械結(jié)構(gòu)本體對(duì)稱且可靠性高，各機(jī)構(gòu)零件連接可靠易裝配，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)自由度合理分配不存在干涉。

如圖1所示，設(shè)計(jì)的機(jī)器人選用全鋁框架材質(zhì)，在保持輕量化的同時(shí)具備較高強(qiáng)度，整體為似菱形外形，六條腿均勻?qū)ΨQ分布在身體兩側(cè)使機(jī)器人重心穩(wěn)定，上頂機(jī)蓋預(yù)留位置用于傳感器的安裝。

機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)如圖2所示，在機(jī)器人腿部2膝關(guān)節(jié)4髖關(guān)節(jié)和6根關(guān)節(jié)處安裝舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每條腿三個(gè)自由度，一共安裝有18個(gè)舵機(jī)。

六足機(jī)器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)是靠運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)的，因此各個(gè)關(guān)節(jié)均設(shè)計(jì)有軸承。使用軸承可以減小各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力，從而減小機(jī)器人的功耗。

2 ?控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)要求穩(wěn)定性強(qiáng)、實(shí)用性高、經(jīng)濟(jì)性好，滿足機(jī)器人實(shí)時(shí)控制，預(yù)留控制接口以便于二次開發(fā)升級(jí)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人的底層控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)控制模塊。

最小系統(tǒng)中采用MK60DN512VLL10 為主控芯片，其運(yùn)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(jī)器人的控制要求。

電源模塊主要為機(jī)器人供電，主要包括舵機(jī)部分供電和控制器供電，同時(shí)考慮電壓需求和運(yùn)動(dòng)續(xù)航能力。本文設(shè)計(jì)采用12V、4200mah三芯鋰電池為電源，同時(shí)設(shè)計(jì)降壓模塊，分別提供6V、5V、3.3V供電。

為了實(shí)時(shí)采集機(jī)器人周圍環(huán)境信息并進(jìn)行反饋控制，本文設(shè)計(jì)表1所示的傳感器模塊。

采用PWM信號(hào)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，由于機(jī)器人共需18路PWM信號(hào)，因此選用兩片pca9658芯片通過IIC通信來進(jìn)行擴(kuò)展，可同時(shí)控制32個(gè)舵機(jī)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本文在IAR開發(fā)環(huán)境下按照分層思想進(jìn)行了軟件的編寫，軟件整體設(shè)計(jì)如圖4所示。

以圖5所示視覺傳感器為例，器件型號(hào)為OV7725， 工作電壓為DC3V，IIC 總線控制、8 位并行數(shù)據(jù)傳輸，圖像輸出幀率 0-150（幀/秒）軟件可調(diào)，同時(shí)可以設(shè)置不同的分辨率?？芍苯佑布敵龆祷瘓D像，大大減輕單片機(jī)壓力。

機(jī)器人在黑白跑道運(yùn)動(dòng)時(shí)，將左右兩側(cè)的黑色像素點(diǎn)取平均值，可以算出機(jī)器人偏差，由于機(jī)器人的轉(zhuǎn)向角度是離散的，不需要復(fù)雜的PID控制。當(dāng)其方向偏左，調(diào)用向右轉(zhuǎn)向的動(dòng)作組即可，方向偏右時(shí)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(jié)論

本文基于仿生學(xué)原理，以六足昆蟲為仿生模型，設(shè)計(jì)開發(fā)了六足機(jī)器人，完成了本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并使用K60對(duì)六足機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，編寫了相應(yīng)的控制程序，增設(shè)傳感器提高了機(jī)器人的適應(yīng)能力。

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