王營東 王蕊 周桂燦 周展鴻 邢哲愷 許昌堯

摘要：機(jī)器人誕生的初衷在于服務(wù)人類，將人類從重復(fù)、繁瑣甚至危險的工作中解放出來，進(jìn)而把有限的人力資源投入到更有價值的生產(chǎn)勞動過程中去。本設(shè)計以STM32F4為系統(tǒng)中控，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動理論，設(shè)計相對應(yīng)的控制系統(tǒng)。該設(shè)計具有良好的兼容性，實(shí)現(xiàn)簡單操作和運(yùn)動路徑擬合的多元化，并且采用GPS模塊進(jìn)行實(shí)時定位，根據(jù)現(xiàn)實(shí)犬類動物行走姿勢對機(jī)器人進(jìn)行各種步態(tài)分析。

關(guān)鍵詞：足式機(jī)器人;STM32F4;GPS模塊;步態(tài)分析

中圖分類號：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-9129（2020）13-0036-01

1引言

四足機(jī)器人是目前比較普遍的一種機(jī)器人。長期從事足式機(jī)器人研究的諸多學(xué)者認(rèn)為：從穩(wěn)定性和控制難易程度及制造成本等方面綜合考慮，四足機(jī)器人是最佳的足式機(jī)器人形式，四足機(jī)器人的研究深具社會意義和實(shí)用價值。

2問題描述與模型設(shè)計

2.1問題描述。

（a）動力選擇問題：傳統(tǒng)四足機(jī)器人關(guān)節(jié)采用電機(jī)作為動力使結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，且重量大;

（b）調(diào)試問題： 缺乏嚴(yán)瑾的理論支撐，參數(shù)根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)來確定，工作量大;

（c）兼容性問題：普通的正弦角度往返模型控制，運(yùn)動模型單一，不適用復(fù)雜地形;

（d）安裝問題：機(jī)器人安裝設(shè)計物理布線、零件裝配等多方面，且易磨損;

（e）負(fù)載問題：采用普通舵機(jī)作為動力系統(tǒng)不具備大負(fù)載能力，且齒輪容易壞;

2.2系統(tǒng)構(gòu)成。

（1）STM32F4。STM32F4單片機(jī)基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核，其外圍接口豐富，數(shù)據(jù)處理非?？欤也捎肍reeRTOS嵌入式實(shí)時系統(tǒng)，有效的利用了CPU的資源，更好地保證系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性。所以本設(shè)計使用的是STM32F4系列處理器。

（2）GPS模塊。WF-NEO-6M是野火設(shè)計的高性能、低功耗GPS定位模塊。它采用u-blox公司的NEO-6M模組方案，可以通過串口及USB接口向單片機(jī)系統(tǒng)和電腦輸出GPS定位信息，使用簡單方便。將機(jī)器人當(dāng)前位置坐標(biāo)通過上位機(jī)導(dǎo)入百度地圖，得到時間，經(jīng)緯度，海拔等數(shù)據(jù)。

2.3總體功能模型設(shè)計。本設(shè)計用戶通過DT7無線遙控自定義機(jī)器腿抬升的高度和跨越的速度，通過usart串口通信發(fā)送給中控系統(tǒng)，中控系統(tǒng)將參數(shù)傳入bezier生成器，得出相對應(yīng)的運(yùn)動軌跡，并返回曲線路徑所需的各個目標(biāo)點(diǎn)，使關(guān)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)動到目標(biāo)點(diǎn)，GPS模塊將機(jī)器人當(dāng)前高度和角度的數(shù)據(jù)變化反饋給用戶。

3詳細(xì)設(shè)計

3.1運(yùn)動步態(tài)設(shè)計。運(yùn)動步態(tài)分為兩種：分別是對角步態(tài)和三角步態(tài)。

對角步態(tài)：對角步態(tài)運(yùn)動是一種節(jié)律運(yùn)動，從仿生角度，中樞模式發(fā)生器CPG作為一種生物節(jié)律運(yùn)動控制器對于對角步態(tài)運(yùn)動的控制也是非常有效的，通過四足機(jī)器人原理樣機(jī)對所規(guī)劃的對角步態(tài)及其穩(wěn)定性控制進(jìn)行試驗(yàn)，采用Keil軟件進(jìn)行調(diào)試。

三角步態(tài)：以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前進(jìn)，身體左側(cè)的前后足及右側(cè)一足為一組，右側(cè)的前后足及左側(cè)一足為一組，分別形成兩個三角形支架，當(dāng)一組三角形支架中所有的足同時提起，前后關(guān)節(jié)收縮，拉動身體向前，后足的關(guān)節(jié)收縮，將機(jī)器人向前推，然后重復(fù)前一組的動作，這種行走方式可以使機(jī)器人隨時隨地地停止下來，因?yàn)橹匦目偸锹湓谌侵Ъ軆?nèi)。

3.2運(yùn)動控制設(shè)計。將用戶給定的高度和速度通過縮放器轉(zhuǎn)換，并將得到的控制點(diǎn)給到bezier生成器，計算出相應(yīng)的曲線，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)高度和寬度的任意轉(zhuǎn)換，設(shè)定控制原點(diǎn)P0為（0，0），由觀察經(jīng)驗(yàn)所知，腳末端的運(yùn)動軌跡的最高點(diǎn)在抬腿一側(cè)，則控制點(diǎn)P1的x軸設(shè)為0，再則抬腿高度和P1y的轉(zhuǎn)換公式為P1y = Py/2（1-t），求出P1控制點(diǎn)坐標(biāo)軸為（0，Py/2（1-t）），P3控制點(diǎn)又速度快慢決定，分析退的運(yùn)動副可知在站立的情況下平地運(yùn)動范圍為0cm～6cm，則求得P2坐標(biāo)點(diǎn)為（0.1speed，0）。

4系統(tǒng)調(diào)試與分析

把機(jī)器人分別置于三種地形：上坡，平地，下坡進(jìn)行調(diào)試。上坡時，保持軀干仰角向前傾斜，通過控制高度來調(diào)節(jié)仰角的大小，并得到期望高度值;平地使前后腿平行于地面，重心落在機(jī)器人中間，其俯仰角隨地形的變化而變化;下坡則通過調(diào)節(jié)俯角，將重心移到后方，使機(jī)器人四肢受力均勻。將機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)分為小跑和行走兩種，小跑情況下，使用對角步態(tài)，，通過對角抬起，對角落地，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向前跨度增大，并保持重心在對角線上，通過慣性使機(jī)器人在短時間內(nèi)保持平穩(wěn);行走因?yàn)樗俣染徛?，所以用三角步態(tài)，通過三角形支架支撐，保持機(jī)器人平衡，使機(jī)器人在緩慢行走的同時保持自身平衡。

5結(jié)論

在本次設(shè)計中，四足機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)任意高度和寬度的跨越，能在上坡、下坡、平地等不同種地形中行走，通過調(diào)整軀干的俯仰角度盡可能減少了行走過程出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，調(diào)整步伐的高度可跨越一般矮小的障礙物，利用不同步態(tài)分析并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小跑和行走等運(yùn)動狀態(tài)，采用GPS定位模塊可實(shí)時定位機(jī)器人當(dāng)前位置相關(guān)信息?？傮w而言，該四足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了模擬現(xiàn)實(shí)中犬類動物的簡單運(yùn)動，并具有良好的魯棒性，實(shí)現(xiàn)效果較為理想。

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作者簡介：王營東（1997年5月出生），男，廣東湛江人，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院2017級本科生，研究方向：嵌入式。

王蕊（1982年8月出生），女，天津人，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，講師，研究方向：機(jī)電系統(tǒng)控制及自動化。