鄧江濤，熊中剛，賀曉瑩，李先順，裴春春，覃啟豪，周柳穎，文 琴

（桂林航天工業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

0 引言

由于仿生機器人科技的日益發(fā)展，仿生機器人的應(yīng)用也越來越普遍，不同的仿生機器人也出現(xiàn)在了大家眼前[1-2]。陸地移動機器人根據(jù)運動方式的差異，可以分為輪式移動機器人、履帶式移動機器人以及足式移動機器人[3]。相較于輪式移動機器人和履帶式移動機器人，腿足機構(gòu)具備很高的靈活性，因此足式機器人在自然環(huán)境下作業(yè)有著巨大的優(yōu)勢。目前，仿照四足哺乳動物的運動方式，大量的研究團隊開展了對四足機器人的研究。其中，電機驅(qū)動四足機器人憑借其控制簡單及維護方便等優(yōu)勢成為當(dāng)今研究的熱點。分析目前國內(nèi)研究發(fā)展?fàn)顩r，四足機器人的發(fā)展趨勢逐漸向著小型化、智能化、多用途和自適應(yīng)的方面發(fā)展。1968 年，由美籍GE 公司Ralph Moshe 所設(shè)計的在崎嶇地勢下可以協(xié)助步兵使用工具的裝置Walking Truck，可以完成足端在2 個方向的旋轉(zhuǎn)和1 個方向的移動，雖然因為當(dāng)時的技術(shù)設(shè)備限制而不具有智能操作，但卻實現(xiàn)了運動的支撐功能。

美國波士頓動力有限公司在Big Dog平臺上，又開發(fā)出Cheetah 、Little Dog，其中Cheetah 是當(dāng)今世界上速度最高的自動化機器人的速度記錄，它的最高速度為47 km∕h。2011 年，日本東京大學(xué)開發(fā)出了四腳機器人PLGORAS，可模擬神經(jīng)系統(tǒng)“自主”地完成運動。國內(nèi)首先開展四足機器人技術(shù)研發(fā)的是以上海交大馬培蓀博士為首的研發(fā)隊伍。其研發(fā)了關(guān)節(jié)式哺乳動物的四腳自動化機器人JTUMM—III，整機具有12 個控制自由度，通過直流伺服電機的帶動，并通過它的足端壓力感應(yīng)器，以及速度與壓力的綜合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化機器人系統(tǒng)的中低速動態(tài)運行操作。本文研究的四足仿生蜘蛛是近些年來提出的新式四足機器人，相較于傳統(tǒng)四足機器人增加了避障模塊、平衡模塊、藍(lán)牙遙控等各項輔助功能。該四足機器人相較于傳統(tǒng)設(shè)計更為靈活，在面對復(fù)雜環(huán)境的搶險救災(zāi)、地質(zhì)勘探等方面有較大的使用前景。在自然界中，蜘蛛的腿部結(jié)構(gòu)最為特殊，可通過較小的力量支撐起龐大的軀干，具有較好的參考價值，故本文采用蜘蛛的腿型結(jié)構(gòu)來設(shè)計該四足機器人。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

所設(shè)計的四足機器人實物樣機如圖1 所示。該機器人共有12 個自由度，每條腿上都有3 個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，分別稱為轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)、髖和膝。其轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)都處于機體和腿部之間的連接處，共同承擔(dān)著整個腿的向前運動；髖和膝處于后腳的中部和尾部，完成了大腿和小腿之間的屈伸運動功能。該機器人四腳式仿生蜘蛛機器人的系統(tǒng)，根據(jù)功能可分為6種模組：開關(guān)電源模組、藍(lán)牙通信模組、驅(qū)動控制器模組、主控模組、避障模組和平衡模組。硬件總體設(shè)計框圖如圖2所示。電源模塊通過對鋰電池輸出的電壓實現(xiàn)穩(wěn)壓和變壓以為整機供電，主控模塊選用STM32 單片機以實現(xiàn)各個模塊之間的串聯(lián)，控制驅(qū)動控制器模組完成對舵機旋轉(zhuǎn)方向的控制。避障模塊利用一個超聲波模塊測量與前方障礙物的距離，反饋給主控模塊實現(xiàn)避障功能。機器人搭載的三軸陀螺儀模塊可實時反饋整機的傾角，實現(xiàn)調(diào)平功能。其搭載的藍(lán)牙通信模塊可以利用移動操控終端實現(xiàn)對智能機器人的無線操控。

圖1 實物展示

圖2 硬件系統(tǒng)設(shè)計框架

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 避障模塊

本文選擇HC-SR04 超聲波模組為定距感應(yīng)器，其測距能力最高可進行2～400 cm 的非接觸式位置感測，定距精度最高能達(dá)到3 mm；系統(tǒng)中包含了超聲波發(fā)射機、傳感器和控制電路[4]。在整機運行中，如果反饋回的信號顯示與障礙物之間的距離小于預(yù)設(shè)的安全距離，中央控制模塊就控制蜘蛛一側(cè)舵機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向或緊急停止功能。超聲波模塊的接線如圖3 所示。HC-SR04 超聲波模塊電器參數(shù)如表1所示。

圖3 超聲波模塊接線

表1 HC-SR04超聲波模塊電器參數(shù)

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)

機器人驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括在STM32 模塊和驅(qū)動器模塊間的通信設(shè)計以及驅(qū)動模塊和運動執(zhí)行模塊之間的通信設(shè)計。STM32 和PCA9685 之 間通過IIC通信協(xié)議進行交流 ， 而 PCA9685 和DS3120 型數(shù)字操舵裝置之間利用PWM 波進行交流。圖4 所示為不同頻率PWM波所對應(yīng)的舵機轉(zhuǎn)動角度。

驅(qū)動模塊PCA9685 是一個I2C 總線控制器的16 通道的PWM 波發(fā)生器，在各個輸出通道上均有各自的12 個高分辨率固定頻率單獨PWM控制器，該控制器在典型的24～1 526 Hz 的可程序化頻率下工作，占空比從0～100%可調(diào)控制。PCA9685 還帶有一個外置時鐘輸入接口，能夠接收用戶所提出的時鐘（最大為50 MHz），以代替原來內(nèi)置的25 MHz 振蕩器，此功能也可以同步多臺裝置，只占用了主控器的4 個插針，通過I2C 通信協(xié)議就能夠驅(qū)動16個操舵裝置[5-6]。

（1）PCA9685對PMW脈沖頻率的設(shè)置

PCA9685 脈沖輸出信號頻段的覆蓋范圍是40～1 000 Hz，而通常舵機操控所要求的頻段覆蓋范圍是50 Hz。計算公式如下所示：

式中：Pprescal為在頻率選擇寄存器（位置為0XFEH）上輸入的數(shù)據(jù)；EEXTCIK為控芯片的時鐘頻率；Rrefresh_rate為所希望獲得的PWM脈沖頻率，此處為50。

（2）PCA9685對PMW脈沖寬度的設(shè)置

圖4 PWM占空比與舵機轉(zhuǎn)動角度間的關(guān)系

PCA9685 的每個通道中都有4 個輔助寄存器，用來設(shè)定12個計數(shù)器以進行脈寬調(diào)整，分別用來調(diào)節(jié)從高電平起始到終止的時間，通常把LEDn_ON 設(shè)定為0，但是假設(shè)脈寬值是Dduty，那么LEDn_OFF的計算公式如下：

（3）運動執(zhí)行部分

運動執(zhí)行模塊由12 個數(shù)字舵機構(gòu)成，確定了機器人運動行為準(zhǔn)確度的好壞。根據(jù)四足機械人輕質(zhì)化設(shè)計原則和質(zhì)量分布對扭矩控制、振動速度以及整體協(xié)調(diào)性等的影響，采用DS3120 型數(shù)字操舵裝置。該舵機的控制信息為周期是20 ms 的PWM 信息，其脈沖長度為0.5～2.5 ms，對舵機的角度則為0°～180°，其輸入和輸出都是線性關(guān)系。操舵裝置總質(zhì)量為55 g，尺寸40 mm×19 mm×42.9 mm，最大工作轉(zhuǎn)矩為12 kg∕cm，最大運行電流為3.0～7.0 V。考慮實際需求，在試驗中采用5 V 電流的操舵裝置電源。該型數(shù)字操舵裝置可適應(yīng)工業(yè)機器人一般的運動要求。在自動控制器中，作為執(zhí)行部件，將所接收的電信號轉(zhuǎn)換成在電機主軸上的角位移或轉(zhuǎn)動速度輸出。

表2 ds3120伺服電機電機主要參數(shù)

2.3 陀螺儀模塊

蜘蛛機器人采用MPU6050 型陀螺儀，是一個六軸運動處理傳感器，可用于測量或維護方位和角速度的設(shè)備。它是一個旋轉(zhuǎn)的圓盤，其中旋轉(zhuǎn)軸可以不受影響地設(shè)定在任何方向。當(dāng)旋轉(zhuǎn)發(fā)生時，根據(jù)角動量守恒定律，該軸的方向不受支架傾斜或旋轉(zhuǎn)的影響。該陀螺儀還整合了3 軸MEMS 陀螺儀，包括3 軸MEMS 加速度計，此外還有一種可擴充的數(shù)位運動信息處理器DMP（DIgital Motion Processor），能夠利用I2C 端口連結(jié)某個第三方的數(shù)位傳感器，如磁力計；擴展后，就能夠利用其I2C端口，輸出一組六軸信號。MPU6050 對陀螺旋轉(zhuǎn)儀和加速度計都應(yīng)用了3 個16 位ADC，使其難計算的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎嬎愕臄?shù)據(jù)量。為精確追蹤物體快速或者慢的移動，感應(yīng)器的測量范圍通常都是由用戶控制的。陀螺儀的頻率可測定區(qū)域為±250、±500、±1 000、±2 000°∕s，而加速度計可測量區(qū)域則為±2g、±4g、±8g、±16g。這樣可減少機器人摔倒的概率，實現(xiàn)保證機器人行走維持穩(wěn)定的功能。圖5 所示為陀螺儀模塊接線圖。

3 運動步態(tài)研究

足式運動的步態(tài)是指腿的擺動和支撐運動以及這些運動之間的相對時間關(guān)系。不同的步態(tài)規(guī)則決定了不同的足式運動方式，從而形成了不同的步態(tài)形式。

目前對步態(tài)的研究主要是為了實現(xiàn)機器人的穩(wěn)定周期運動。研究的重點是具體的步態(tài)規(guī)劃方法。傳統(tǒng)步態(tài)規(guī)劃內(nèi)容包括足端軌跡規(guī)劃，以及協(xié)調(diào)腿和腿之間運動的相對時間關(guān)系，也就是步態(tài)時序。其中，足端運動軌跡還包括擺線相軌跡和支撐相軌跡，兩者決定了單個腿的運動特征，而規(guī)劃不同的步態(tài)時序?qū)?yīng)了機器人整體的不同步態(tài)形式。

按照平衡方式，四足機器人的步態(tài)大致可以分為3種[7-9]。

（1）行走

Walk 運走是一個靜止步態(tài)，即在整個跑步過程中始終只有3 個腳處在支撐相，而至多有1 個腳處在擺動相，四足動物在Walk 步態(tài)中4 條腿最常見的輪換順序為1→3→4→2→1。

（2）小跑（支撐相和擺動相成對角）

Trot 步態(tài)是一個動態(tài)步態(tài)，特別適合于在中低速奔跑，同時擁有相當(dāng)大的跑步速率范圍，另一項主要特點則是在中等轉(zhuǎn)速下的Trot步態(tài)擁有最大的運動能量效率。上述特征使得Trot步態(tài)為最常見的四足步態(tài)。

（3）Gallup∕Run奔跑

在該步態(tài)中，整機會有一段騰空的時間，對機器的硬件要求較高。

綜合各方面考慮，本文采用最常見且應(yīng)用較廣的Trot步態(tài)。它的特征為對角一致、兩組相差半周，即對角線上的2條腿為一組，同組內(nèi)腿運動步調(diào)一致，兩腿運動狀態(tài)相差半個周期。下面為實際運動中的足跡分布示意。

圖6 步態(tài)規(guī)劃

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 主程序控制流程

本設(shè)計采用KEILμVision5編寫控制程序，其中包括超聲波測距、舵機PWM 的產(chǎn)生和閉環(huán)控制、MPU6050模塊和藍(lán)牙通信等各個部分的程序設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)主程序流程如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)主程序流程

4.2 超聲波模塊程序設(shè)計

圖8 所示為超聲波時序圖。由圖可知，如果只需產(chǎn)生一次10μs的脈沖觸發(fā)頻率，該系統(tǒng)里面就將產(chǎn)生8 個40 kHz 時間電平，并測試回波。如果測試到了回波信息，將產(chǎn)生響應(yīng)信息。響應(yīng)訊號的脈沖頻率和被測量的長度成正比。因此通過發(fā)出訊號和接收的響應(yīng)訊號時間間隔可算出長度[10-11]，距離=高電平時間×聲速（340 m∕s）∕2。

4.3 基于PID調(diào)節(jié)的MPU6050控制舵機平衡程序設(shè)計

為了使整機在面對不同地形時依然能保持平衡并做出相應(yīng)的精確變化，引入位置式PID計算方法[12-16]：

圖8 超聲波時序圖

式中：e（k）為目標(biāo)值減控制環(huán)境的當(dāng)前狀態(tài)值；Kpe（i）為比例部分P；∑e(k) 為誤差的累加，為積分I；e（k）-e（k-1）為微分D。

PID控制程序如圖9所示。

圖9 PID控制程序

5 實物分析

為測試蜘蛛在不同環(huán)境下的平穩(wěn)性，對其進行數(shù)次實驗，圖10所示為蜘蛛運行情況。

圖10 蜘蛛運行情況

圖11 避障數(shù)據(jù)折線圖

為了能夠更加直觀地看出機器的平穩(wěn)性，在蜘蛛的背部放置了一個塑料瓶，整個測試過程中塑料瓶一直為屹立不倒的狀態(tài)。針對蜘蛛的避障功能，通過測量其產(chǎn)生避障反應(yīng)到障礙物之間的距離來測試其避障性能。在本次測試中，將蜘蛛放在同一位置啟動，同時在程序中將避障距離調(diào)整為30 mm，共進行10次測量，結(jié)果如圖11所示。由圖可知，蜘蛛能夠有效避障，且避障距離均穩(wěn)定在預(yù)設(shè)距離附近。

6 結(jié)束語

本文基于蜘蛛的生物原型，采用單片機作為控制系統(tǒng)核心，設(shè)計了一款采用STM32 單片機的四足仿生蜘蛛機器人控制系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的四足機器人，該系統(tǒng)增加了超聲波避障、藍(lán)牙無線控制、陀螺儀自動調(diào)平等一系列功能，以單片機為控制核心可以充分發(fā)揮其體積小、能耗低的特點。通過軟件仿真和實物制作進行了測試，結(jié)果表明：該設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，四足蜘蛛機器人在通過崎嶇路面、避障、遠(yuǎn)程控制等方面均實現(xiàn)了預(yù)期功能，證明了其可行性，該設(shè)計解決了傳統(tǒng)四足機器人在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定性較差的問題。結(jié)合社會實際需求，四足機器人在面對惡劣的地形時具有極強的適應(yīng)性，一款穩(wěn)定的四足機器人控制系統(tǒng)能夠更好地幫助使用者發(fā)揮四足機器人的優(yōu)點。