張坤之 胡 明

（1.聊城鑫泰機(jī)床有限公司，聊城 252200；2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250031）

在自然界和人類社會(huì)中，總有一些人類無法到達(dá)的地方，而地形不規(guī)則和低洼不平是這些環(huán)境的共同點(diǎn)。摸索一條能在這些有風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜境況中進(jìn)行探索的可行路徑，已成為科技發(fā)展和人類社會(huì)進(jìn)步的迫切要求。由于人類生活在復(fù)雜的環(huán)境中，開發(fā)一種具有高移動(dòng)能力和高擴(kuò)展性的機(jī)器人平臺(tái)已經(jīng)成為人們的迫切需求。多足步行機(jī)器人作為能夠滿足上述要求的機(jī)器人，有著廣闊的發(fā)展方向和應(yīng)用前景。

從仿生學(xué)角度來講，仿生機(jī)器人主要分為仿人雙足機(jī)器人和仿動(dòng)物多足機(jī)器人兩大類。在眾多仿生機(jī)器人中，六足機(jī)器人通過模仿昆蟲或其他節(jié)肢動(dòng)物的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)策略，創(chuàng)造具有代表性的機(jī)器人。六足機(jī)器人又叫仿生蜘蛛機(jī)器人，較之于其他機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、行走平穩(wěn)、肢體靈活等優(yōu)點(diǎn)，擁有較好的機(jī)動(dòng)性，在復(fù)雜地形中容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走，且對環(huán)境的破壞程度小，因此能夠應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的機(jī)器人控制電路板多為51單片機(jī)和可編程邏輯控制 器（Programmable Logic Controller，PLC） 單 片機(jī)，而本文采用STM32芯片的單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。STM32 芯片的單片機(jī)除了具有性能強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，還擁有眾多的外設(shè)和軟件包，能夠滿足六足機(jī)器人的開發(fā)需要，對我國新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有巨大的推動(dòng)作用。

本文對蜘蛛的生理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)蜘蛛肢體結(jié)構(gòu)和機(jī)器人功能需要確定設(shè)計(jì)要求，然后提出機(jī)器人各部分的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)闡述了具體實(shí)現(xiàn)過程。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 仿蜘蛛的機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1.1 腿的分布

六足生物腿的分布方式主要有軸對稱分布和均勻分布兩種方式。通過對蜘蛛生理結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)蜘蛛的6條腿呈現(xiàn)均勻分布，足端大多落在圓或者橢圓范圍內(nèi)，如圖1所示。觀察分析其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，發(fā)現(xiàn)在行走時(shí)重心的投影始終落在支撐狀態(tài)的腿的連線組成的投影區(qū)域內(nèi)。本設(shè)計(jì)初步確定腿部采取均勻分布方式。在多足仿蜘蛛機(jī)器人行走過程中，將重心投影到支撐足圍成的三角形區(qū)域內(nèi)。三角形的邊界到重心投影點(diǎn)的最小垂直距離為穩(wěn)定余量。穩(wěn)定余量越小，機(jī)器人的穩(wěn)定程度越低。

1.1.2 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)分析大自然中蜘蛛的生理結(jié)構(gòu)，腿部機(jī)械結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)為3個(gè)關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)分別由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。通過控制指定關(guān)節(jié)上舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)，能使機(jī)器人有效地模擬蜘蛛的行走方式，完成直行、轉(zhuǎn)向和其他復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。

目前，對六足機(jī)器人腿部每節(jié)長度的研究還不成熟。參考蜘蛛身體結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有六足機(jī)器人HEXA進(jìn)行分析可知：當(dāng)大腿長度與小腿長度比例達(dá)到1∶2時(shí)，六足機(jī)器人單條腿所能達(dá)到的范圍最大，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)空間范圍和靈活性都較好；當(dāng)基節(jié)與大腿長度的比例為2∶3時(shí)，各個(gè)結(jié)構(gòu)相互影響的情況較少[1]。因此，本文初步設(shè)計(jì)腿部每節(jié)的長度比例為“基節(jié)∶大腿∶小腿=1∶2∶3”。

1.1.3 軀體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軀干是六足機(jī)器人的連接中心及控制部分元器件的安裝平臺(tái)，因此在設(shè)計(jì)六足機(jī)器人軀干部分時(shí)需要在保證強(qiáng)度的前提下盡可能多地留出空間以便后續(xù)安裝驅(qū)動(dòng)部件。此外，合理的軀干形狀是保證六足機(jī)器人整體穩(wěn)定性的重要因素。

根據(jù)選定的均勻分布的腿布置方案，六足機(jī)器人的軀干分為底板和上蓋兩個(gè)部分，且均設(shè)計(jì)為正六邊形[1]。為了方便基節(jié)部分安裝，將6個(gè)頂點(diǎn)改成圓弧，基節(jié)部分安裝在圓弧的中心。下殼由高性能尼龍3D打印制成，并在部分位置挖空，部分位置加梁。上殼由高性能尼龍3D打印而成，中間留空，便于后續(xù)安裝和檢測。頂蓋由同樣的材質(zhì)3D打印制成，部分留空，減輕重量。此外，在上下殼上預(yù)留部分突起作為舵機(jī)安裝位，并設(shè)計(jì)帶螺紋孔的頂蓋。

通過SolidWorks軟件繪制零件模型，裝配的機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

1.2 步態(tài)規(guī)劃

1.2.1 三角步態(tài)

對六足機(jī)器人來說，仿蜘蛛的步態(tài)是多種多樣的。其中，三角步態(tài)是在仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)中使用最廣泛的步態(tài)。經(jīng)前文分析，本設(shè)計(jì)六足機(jī)器人的6條腿采用均勻分布方式。目前，大部分六足機(jī)器人采用了該結(jié)構(gòu)，將6條腿分別進(jìn)行編號(hào)，如圖4所示。蜘蛛運(yùn)動(dòng)時(shí)，并不是隨機(jī)抬腿和放下，而是將6只足分成2組，如圖4中身體左側(cè)的A、C及右側(cè)E為一組，右側(cè)的F、D和左側(cè)的B為另一組。通過將6條腿分成2組，分別形成2個(gè)中心對稱的三角形支架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而支撐起機(jī)器人本體。當(dāng)其中一組三角形支架如A、C、E組所有的足同時(shí)提起時(shí)，B、D、F組中的足則原地不動(dòng)。通過調(diào)整肢體狀態(tài)，將機(jī)器人的重心落在A、C、E組三角形支架投影的范圍內(nèi)，然后A、C、E組落下作為機(jī)器人新的支撐，整個(gè)機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)或者轉(zhuǎn)向。通過不斷交換支撐組，能夠保持軀體相對地面的高度，易于協(xié)調(diào)六足機(jī)器人的z軸運(yùn)動(dòng)，提高整體機(jī)器人的穩(wěn)定性。

根據(jù)三角步態(tài)介紹，繪制三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)示意圖，如圖5所示，其中實(shí)心為接觸地面的腿，空白為抬起的腿。

1.2.2 具體行走方案

前進(jìn)運(yùn)動(dòng)步態(tài)示意圖，如圖6所示。先以A、C、E足為一組支撐足，B、D、F組先提起再向前邁進(jìn)，等B、D、F著地后，以B、D、F組為支撐組，將A、C、E組提起向前邁進(jìn)，等A、C、E接觸到地面即完成了前進(jìn)動(dòng)作。后退動(dòng)作，同理。

機(jī)器人向左轉(zhuǎn)的時(shí)候，以A、C、E足作為支撐組，B、D、F足先向上提起向左旋轉(zhuǎn)，然后放下，等著地后，以B、D、F足為支撐組，將A、C、E足先向上提起向左旋轉(zhuǎn)，然后下降著地，6條腿恢復(fù)到未旋轉(zhuǎn)時(shí)的發(fā)布狀態(tài)，完成向左旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，如圖7所示。同理，當(dāng)向右轉(zhuǎn)時(shí)，以A、C、E足作為支撐組，B、D、F足先向上提起向右旋轉(zhuǎn)，然后放下，等著地后，以B、D、F足為支撐組，將A、C、E足先向上提起向右旋轉(zhuǎn)，然后下降著地，6條腿恢復(fù)到未旋轉(zhuǎn)時(shí)的發(fā)布狀態(tài)，完成向右的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作[2]。

以目前的工作能力，要實(shí)現(xiàn)完全意義上的仿生行走是有難度的，只能做到在保證平穩(wěn)行走的基礎(chǔ)上稍微提高速度。在抬起的腿放下的過程中，支撐足同時(shí)增加一個(gè)向后蹬的動(dòng)作，即多了一個(gè)向前移動(dòng)的力，使整體行進(jìn)速度略微加快。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求

本設(shè)計(jì)機(jī)器人具有6只足，在運(yùn)動(dòng)過程中如何保證各足運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，不僅是當(dāng)前六足機(jī)器人領(lǐng)域研究的重要部分，也是實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)。在整個(gè)六足機(jī)器人系統(tǒng)中，必須將控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)兩者有機(jī)結(jié)合才能獲得最佳的性能[3]。為了實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的功能需要，必須滿足如表1所示的相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

表1 設(shè)計(jì)要求

針對六足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搭建控制系統(tǒng)硬件部分電路板并繪制原理圖，設(shè)計(jì)軟件部分設(shè)計(jì)方案，繪制控制流程圖，編制主要功能的控制程序和代碼分析，最終完成了六足機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

2.2 運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 驅(qū)動(dòng)舵機(jī)選擇

當(dāng)舵機(jī)接收控制信號(hào)時(shí)，舵機(jī)內(nèi)部電路板將信號(hào)處理后輸入電位器，由電位器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度。電機(jī)經(jīng)過減速齒輪組放慢后，將扭矩傳遞到輸出軸，帶動(dòng)舵機(jī)外部部件運(yùn)動(dòng)。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)電位計(jì)將反饋一個(gè)比例電壓到控制電路板，然后控制電路板根據(jù)舵機(jī)輸出軸的位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度。經(jīng)過這樣一個(gè)閉環(huán)反饋控制，到達(dá)預(yù)定舵機(jī)位置時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)內(nèi)部控制流程如圖8所示。

2.2.2 舵機(jī)PWM脈沖控制原理

脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）通過對一系列脈沖方波的寬度進(jìn)行調(diào)制[4]，獲得特定的模擬信號(hào)即數(shù)字編碼。只要帶寬足夠，任何信號(hào)都可以用PWM編碼[5]。設(shè)計(jì)采用的RDS3115舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)控制信號(hào)。只要STM32芯片輸出周期20 ms的PWM方波，就能通過改變脈沖時(shí)長改變輸出軸轉(zhuǎn)角，直到提供另一個(gè)寬度的脈沖方波才會(huì)再次改變輸出軸角度。當(dāng)脈沖時(shí)長為0.5～2.5 ms時(shí)，對應(yīng)輸出軸的位置為0°～180°，也就是說該舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度不能超出180°，適合用于機(jī)器人關(guān)節(jié)等位置。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 主程序設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)電路板上電或復(fù)位后，控制系統(tǒng)要檢查整個(gè)控制系統(tǒng)硬件，并將各個(gè)模塊初始化，使機(jī)器人姿態(tài)復(fù)位為初始狀態(tài)。初始化主要包括全局變量初始化、指示燈和蜂鳴器初始化、定時(shí)器初始化、輸入輸出（Input/ Output，I/O）端口初始化以及機(jī)器人姿態(tài)初始化等過程。單片機(jī)通過藍(lán)牙遙控模塊或者通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）串口電路接收指令，通過指令處理獲得相應(yīng)的控制命令，如圖9所示。

2.3.2 前進(jìn)與轉(zhuǎn)向控制

根據(jù)藍(lán)牙遙控軟件設(shè)計(jì)，串口收到的藍(lán)牙數(shù)據(jù)會(huì)在STM32單片機(jī)上轉(zhuǎn)化為一個(gè)數(shù)組，因此只需通過藍(lán)牙串口控制每一個(gè)舵機(jī)的狀態(tài)，就能滿足六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)需要。

3 結(jié)語

本仿生六足越障機(jī)器人設(shè)計(jì)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)章節(jié)詳細(xì)介紹了對蜘蛛生理結(jié)構(gòu)的觀察分析過程，完成了六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對運(yùn)動(dòng)步態(tài)的規(guī)劃?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)按照各部分的功能，分為STM32最小系統(tǒng)、動(dòng)力模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、存儲(chǔ)模塊、藍(lán)牙遙控模塊和軟件設(shè)計(jì)6個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了對六足機(jī)器人的控制。