何玉鑫,王瀚翔,包世杰

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院,江蘇 南京 211156)

0 引言

國(guó)內(nèi)救援機(jī)器人研究相對(duì)晚起,但已有不少進(jìn)展。重點(diǎn)研究包括蛇形機(jī)器人,憑借多關(guān)節(jié)、高靈活性適應(yīng)各種地形;履帶式機(jī)器人具備強(qiáng)大的機(jī)動(dòng)性,適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境;輪式機(jī)器人速度快、穩(wěn)定。然而,救援機(jī)器人仍存在:造價(jià)昂貴,控制復(fù)雜,搭載視覺探測(cè)系統(tǒng)和機(jī)械臂二次破壞等問題。未來研究應(yīng)側(cè)重于降低成本,簡(jiǎn)化控制系統(tǒng),減小體積和重量,以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。

1 總體設(shè)計(jì)方案

六足機(jī)器人母體平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì),如圖1所示。本設(shè)計(jì)主要分為硬件和軟件兩大部分:硬件主要包括硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化;軟件部分主要包括仿生原理、六足步態(tài)算法、上位機(jī)檢測(cè)和App控制。

圖1 六足母體平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

1.1 總體硬件結(jié)構(gòu)

對(duì)于一個(gè)六足機(jī)器人搭建,至少需要以下6部分:18個(gè)舵機(jī)、肢體結(jié)構(gòu)、航模電池、18路驅(qū)動(dòng)控制板等。舵機(jī)控制板是機(jī)器人的中樞神經(jīng),負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)動(dòng)作;機(jī)器人主控則是大腦,負(fù)責(zé)處理外界信息、指揮;機(jī)器人擴(kuò)展的傳感器是感官系統(tǒng),負(fù)責(zé)接收信息。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化,需添加主控并添加各種傳感器模塊,形成機(jī)器人智能化框架。因此,在搭建六足機(jī)器人母體平臺(tái)前,需先配好硬件。

1.2 舵機(jī)方面

本系統(tǒng)采用數(shù)字舵機(jī)驅(qū)動(dòng)六足機(jī)器人,因?yàn)槠湫枰_的數(shù)據(jù)控制和信號(hào)收發(fā)。數(shù)字舵機(jī)由伺服電機(jī)和減速箱組成,擁有微處理器控制電路,可對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,提高控制精度。其伺服電機(jī)比直流電機(jī)更穩(wěn)定且能產(chǎn)生固定的絕對(duì)角位移。MG90S數(shù)字舵機(jī)是目前性價(jià)比最好的數(shù)字金屬齒輪舵機(jī),拉力僅次于14 kg標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)。考慮到舵機(jī)性能、六足機(jī)器人最大扭矩需求和性價(jià)比,本系統(tǒng)選擇了MG90S數(shù)字舵機(jī)。

1.3 全身機(jī)械結(jié)構(gòu)

市場(chǎng)上機(jī)架結(jié)構(gòu)材料主要有玻璃纖維、鋁合金、工程塑料和碳纖維。玻璃纖維機(jī)架質(zhì)量更輕,剛度更高,適合輕量化應(yīng)用;鋁合金成本低、輕量化,但強(qiáng)度不高;工程塑料輕量化,但對(duì)火和溶劑敏感,力學(xué)性能一般;碳纖維成本高,適合高性能應(yīng)用。因此,本次選材設(shè)計(jì)采用成本較低、性能較好的玻璃纖維方案,可以支撐六足機(jī)器人的機(jī)械足和底盤硬件。

1.4 能源驅(qū)動(dòng)方面

鑒于六足機(jī)器人需要使用18路舵機(jī)來控制姿態(tài)動(dòng)作,因此在選擇電源時(shí),本系統(tǒng)選擇使用兩塊2 S 220 m 30C規(guī)格的航模鋰電池作為六足機(jī)器人母體的能源供應(yīng),以確?？梢蕴峁┳銐虻碾妷汉碗娏鲙?dòng)六足機(jī)器人的18個(gè)MG90S舵機(jī)以及主控板。

1.5 主控板方面

現(xiàn)主流32位單片機(jī)多采用ARM Cortex架構(gòu),具有高性能、低功耗、大內(nèi)存和豐富外設(shè)等優(yōu)點(diǎn),可滿足本次設(shè)計(jì)要求。故本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)板,其具備足夠算力、基本功能、小體積,以確保主控板能容納其他部件。

1.6 驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展版

對(duì)于六足機(jī)器人來說,每條機(jī)械足需要3個(gè)舵機(jī),六條機(jī)械足至少需要18個(gè)舵機(jī)。而選擇的STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)板沒有足夠的IO接口來滿足至少18路舵機(jī)的控制,所以本系統(tǒng)選擇24路驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板。該舵機(jī)擴(kuò)展版擁有足夠的IO接口和拓展配置,以確保有足夠的擴(kuò)展接口驅(qū)動(dòng)六足機(jī)器人母體平臺(tái)。

2 六足機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

2.1 六足機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

六足機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程,如圖2所示。在不同的外部環(huán)境中采集數(shù)據(jù)和外界參數(shù),經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理和分析,利用程序及三角步態(tài)算法、轉(zhuǎn)向步態(tài)算法、波浪步態(tài)等算法,確保六足機(jī)器人在崎嶇不平的道路中能夠保持步態(tài)穩(wěn)定并翻越障礙物,以獲得在多種復(fù)雜環(huán)境中擁有較強(qiáng)的生存、越障能力。

圖2 六足機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

2.2 仿生原理分析

本系統(tǒng)采用仿生式六足機(jī)器人,又稱蜘蛛機(jī)器人,它是一種多足機(jī)器人。設(shè)計(jì)靈感來源于昆蟲的運(yùn)動(dòng)原理,足由基節(jié)、轉(zhuǎn)節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)、跗節(jié)和前跗節(jié)等部分構(gòu)成。昆蟲的行走方式是以三條腿為一組進(jìn)行的,即一側(cè)的前、后足與另一側(cè)的中足為一組,形成三角形支架結(jié)構(gòu)。這種行走方式使昆蟲具有很強(qiáng)的實(shí)用性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用六個(gè)三自由度機(jī)械臂分別控制每條足,從而控制六足機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。

2.3 三角步態(tài)介紹

機(jī)器人的步態(tài)是按照一定順序和軌跡運(yùn)動(dòng)的過程,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人步行。腿根據(jù)規(guī)律,輪番完成“提-擺-放”動(dòng)作,從而使機(jī)器人穩(wěn)定移動(dòng)。步態(tài)周期是所有腿輪番完成一次動(dòng)作所花費(fèi)的時(shí)間。占地系數(shù)是每條腿接觸地面時(shí)間和步態(tài)周期的比值。當(dāng)占地系數(shù)為0.5時(shí),機(jī)器人用兩組腿交替擺動(dòng),稱為小跑步態(tài)。步幅是重心在步態(tài)周期中的平移距離,會(huì)影響機(jī)器人的速度和穩(wěn)定性。靜態(tài)穩(wěn)定性要求機(jī)器人重心投影始終在三條腿的立足點(diǎn)構(gòu)成的三角形內(nèi)。六足機(jī)器人采用三角步態(tài),通過兩個(gè)三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行,實(shí)現(xiàn)步態(tài)。在此步態(tài)下,髖關(guān)節(jié)在水平和垂直方向上運(yùn)動(dòng),容易保持穩(wěn)定,因此被廣泛應(yīng)用。

本系統(tǒng)六足機(jī)器人使用的步態(tài)如下:(1)三角步態(tài)。六足機(jī)器人用三支撐腿保持穩(wěn)定,另三條腿交替前移,形成三角形。移動(dòng)腿與支撐腿形成新三角形。簡(jiǎn)單、穩(wěn)定,適合平地行走。(2)波浪步態(tài)。六足機(jī)器人用一支撐腿,其余五條腿按相間順序交替向前移動(dòng)。移動(dòng)腿承重,支撐腿不負(fù)重。先將一支撐腿前移,移動(dòng)腿落地后,支撐腿離地。另兩腿前移成為新支撐腿和新移動(dòng)腿,重復(fù)直到到達(dá)目標(biāo)位置。(3)轉(zhuǎn)向步態(tài)。改變六足機(jī)器人行進(jìn)方向,前后腿分別向相反方向移動(dòng),形成“V”字。先移動(dòng)一支撐腿,剩余兩腿左右移動(dòng),另兩腿前移成為支撐腿和新移動(dòng)腿。(4)螃蟹步態(tài)。用于橫向移動(dòng),前后腿向同一方向移動(dòng),形成螃蟹姿勢(shì)。向左時(shí),前腿左移,后腿右移;向右時(shí),前腿右移,后腿左移。適用于狹窄空間內(nèi)。(5)邁步步態(tài)。大步幅行走,交替使用支撐腿,形成兩相鄰三角形。移動(dòng)腿落地后,成為新支撐腿。步幅大,速度受影響。(6)彈跳步態(tài)。跳躍行走方式,前三腿向前移動(dòng),同時(shí)跳躍。重心下落,落地后后三腿為支撐腿,前三腿為移動(dòng)腿。速度快,能耗大,適用于快速移動(dòng)場(chǎng)景。

3 六足機(jī)器人調(diào)試過程

六足機(jī)器人母體平臺(tái)由于需要步態(tài)調(diào)試與算法優(yōu)化,因此需要使用上位機(jī)進(jìn)行步態(tài)調(diào)試。本系統(tǒng)采用一款GitHub上開源的舵機(jī)控制上位機(jī),可以分別編寫各個(gè)舵機(jī)的參數(shù),并將參數(shù)保存并上傳。

為了方便六足機(jī)器人的控制,本系統(tǒng)選基于Android架構(gòu)搭建一款基于Wi-Fi連接的手機(jī)App,并將上位機(jī)調(diào)試的參數(shù)導(dǎo)入其中,以實(shí)現(xiàn)對(duì)六足機(jī)器人的步態(tài)和方向前進(jìn)控制。

由于之前黑色大體積的六足機(jī)器人在加裝,機(jī)械臂、激光雷達(dá)、攝像頭后顯得較為臃腫,無法較好地展現(xiàn)六足步態(tài)。因此本系統(tǒng)重新構(gòu)建了一個(gè)小型六足機(jī)器人,以便更好地展示六足步態(tài)和全地形偵察姿態(tài)。六足機(jī)器人步態(tài)展示及全地形偵察,如圖3所示。

圖3 六足機(jī)器人步態(tài)展示及全地形偵察

4 結(jié)語

本文描述了一種基于STM32微控制器的全地形六足機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)能夠在各種地形上行走,包括平坦的地面、石頭、沙灘等。六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)旨在提高穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性?？傊?基于STM32的全地形六足機(jī)器人系統(tǒng)具有高度靈活的運(yùn)動(dòng)性能和較強(qiáng)的適應(yīng)性,可在各種復(fù)雜地形上行走。這種機(jī)器人系統(tǒng)在探險(xiǎn)、救援和科學(xué)研究等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。