孟 凱，李 鑫

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程系，河南 鄭州 451191)

六足機(jī)器人與輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人相比有著顯著的特點(diǎn)，它六足行走，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性突出，環(huán)境適應(yīng)性好，能適應(yīng)復(fù)雜多變的地形，在搶險(xiǎn)、偵查、探測(cè)等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用[1-3].本研究結(jié)合藍(lán)牙模塊、Mini USB 32舵機(jī)控制器等模塊化器件，提出了一個(gè)便于編程和調(diào)試的低成本小型六足機(jī)器人系統(tǒng).

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由仿生學(xué)研究可知，六足機(jī)器人的單足設(shè)計(jì)2個(gè)自由度就能實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)要求，每個(gè)足設(shè)置2個(gè)關(guān)節(jié).水平關(guān)節(jié)用于在水平方向上擺動(dòng)腿以實(shí)現(xiàn)邁步，并可以調(diào)整運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)器人的重心位置，使運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定.豎直關(guān)節(jié)用于在豎直方向上擺動(dòng)腿，使其與地形相適應(yīng)，主要影響機(jī)器人的重心高度，它與跟關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的避障功能.

六足機(jī)器人每足設(shè)計(jì)2個(gè)自由度，豎直方向1個(gè)自由度，水平方向1個(gè)自由度，足上設(shè)計(jì)了2個(gè)舵機(jī)，分別連接在2個(gè)平行臂上.平行臂分別與支腿相連，在腿部加入四連桿機(jī)構(gòu)，使足部運(yùn)動(dòng)更協(xié)調(diào)穩(wěn)定，如圖1所示.根據(jù)足部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，選用矩形底盤，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 足關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.1 A joint of foot structure

圖2 總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure

2 舵機(jī)選型與執(zhí)行控制器的選擇

2.1 舵機(jī)選型

舵機(jī)性能的好壞直接影響到六足機(jī)器人的整體性能，機(jī)器人的負(fù)載能力、運(yùn)動(dòng)精度和可靠性等都取決于舵機(jī)的性能.本次設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人對(duì)控制精度的要求不高，如果選用控制精度較高的進(jìn)口舵機(jī)則成本太高.六足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中最少三足作用于地面，舵機(jī)需要承受較大的扭力，而國產(chǎn)的TowerPro—MG995型舵機(jī)的性價(jià)比較高，并且堵轉(zhuǎn)扭矩為13.0 kg·cm(6.0V).考慮到經(jīng)濟(jì)因素，最終選擇 TowerPro—MG995 型舵機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)元，舵機(jī)參數(shù)見表1.

表1[4] TowerPro—MG995參數(shù)表Tab.1 TowerPro—MG995 parameter table

舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，利用占空比的變化改變伺服電機(jī)的位置.舵機(jī)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度是由其內(nèi)部的直流馬達(dá)和變速齒輪組的配合決定的，在恒定的電壓驅(qū)動(dòng)下，其數(shù)值唯一，但其平均運(yùn)動(dòng)速度可以通過分段停頓的控制方式來改變.例如，我們可把動(dòng)作幅度為90°的轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)分為128個(gè)停頓點(diǎn)，通過控制每個(gè)停頓點(diǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短來實(shí)現(xiàn)從0°到90°變化的平均速度.

由于六足機(jī)器人所要控制的舵機(jī)數(shù)多達(dá)12個(gè)，用單片機(jī)來產(chǎn)生PWM控制信號(hào)并控制單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送到舵機(jī)控制端的脈沖個(gè)數(shù)，所要編寫的程序較為復(fù)雜，調(diào)試起來也較為繁瑣.為了提高控制精度與編程效率，可采用舵機(jī)控制器來產(chǎn)生控制舵機(jī)的PWM信號(hào).這種控制方式可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，程序設(shè)計(jì)者可以把富余的精力用來研究機(jī)器人的動(dòng)作設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃.

2.2 執(zhí)行控制器選擇

本次采用的是Mini USB 32微型舵機(jī)控制器，它是一款功能強(qiáng)、體積小的微型舵機(jī)控制器，有著較高的位置控制精度及運(yùn)動(dòng)控制精度.它不但可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)舵機(jī)的速度與位置控制，還可以通過單個(gè)字符控制多個(gè)舵機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)見圖3.

1. Mini USB接口； 2.TTL串口跳線； 3.比特率設(shè)置；4.對(duì)外5 V供電接口； 5.4路輸入接口； 6.舵機(jī)信號(hào)接口；7.舵機(jī)電源正極； 8.舵機(jī)電源負(fù)極； 9.舵機(jī)供電；10.控制板電源(7～12 V)

3 藍(lán)牙串口模塊的選用

串口通訊一般選用有線連接，例如常用的RS232與RS485都是利用雙絞線連接上位機(jī)與下位機(jī)的通訊端口，按位發(fā)送接收數(shù)據(jù).但是，對(duì)于六足機(jī)器人的調(diào)試和在線控制來說，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中必須拖著較長(zhǎng)的通訊線，這不但限制了六足機(jī)器人的動(dòng)作幅度，也給調(diào)試帶來了不便.

藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離無線通訊技術(shù)，能在電腦與外部設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換.它支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，數(shù)據(jù)速率為1 Mbps，采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸.

圖4 BTM-1藍(lán)牙串口模塊Fig.4 BTM-1 bluetooth serial interface module

藍(lán)牙串口模塊結(jié)合了藍(lán)牙技術(shù)與串口通訊的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)的傳輸采用藍(lán)牙技術(shù)，在上位機(jī)的程序開發(fā)過程中直接調(diào)用虛擬串口就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信.利用藍(lán)牙串口模塊，能夠簡(jiǎn)化電腦與六足機(jī)器人之間的通信，使在線調(diào)試和控制變得更加便捷，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性也得到了加強(qiáng).與單片機(jī)控制的六足機(jī)器人相比，采用藍(lán)牙通訊的機(jī)器人，人與機(jī)器人的互動(dòng)性得到了加強(qiáng).圖4為所采用的藍(lán)牙串口模塊BTM-01.

4 上位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的核心思想是，利用VB6.0的MSComm控件發(fā)送控制字符到虛擬串口，通過藍(lán)牙適配器把控制字節(jié)傳遞到藍(lán)牙接收模塊，Min USB 32舵機(jī)控制器根據(jù)藍(lán)牙模塊轉(zhuǎn)換后的控制字節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)完成相應(yīng)的動(dòng)作.程序結(jié)構(gòu)框圖見圖5，程序界面見圖6.

圖5 上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 PC control procedure flow diagram

圖6 控制程序界面Fig.6 Control program interface

Mini USB 32的控制字符必須以回車鍵(ASCⅡ13)字符作為一個(gè)連貫的命令輸入，在沒有收到ASCⅡ13字符時(shí)，Mini USB 32接收到的指令不會(huì)被執(zhí)行.Mini USB 32的所有命令數(shù)據(jù)必須是ASCⅡ的字符串，同時(shí)它對(duì)ASCⅡ的格式不敏感，可以根據(jù)需要使用其他字符如空格、換行等，以增加控制程序的可讀性.

控制字符格式：

# P S . . . # P S T .

為舵機(jī)號(hào)，范圍 0～31(十進(jìn)制)；為脈沖寬度(舵機(jī)位置) ，范圍500～2 500 μs；為移動(dòng)速率，即每秒移動(dòng)脈沖的寬度，僅對(duì)一路舵機(jī)有效；為移動(dòng)到指定位置所使用的毫秒數(shù)，對(duì)所有的舵機(jī)有效，最大值為65 535 ms；為ASCII 13 (回車)，是指令結(jié)束符.

例如：#5 P1600 #10 P750 T2500 代表的是5號(hào)和10號(hào)舵機(jī)必須在2 500 ms內(nèi)同時(shí)移動(dòng)到指定位置，其速度取決于前一個(gè)舵機(jī)的位置和現(xiàn)在要移動(dòng)到的位置.

在上位機(jī)程序的執(zhí)行過程中，只需要把控制字符發(fā)送到串口的發(fā)送緩沖區(qū)即可實(shí)現(xiàn)控制動(dòng)作.如要實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人從直立到向前爬行的狀態(tài)，VB程序如下：

Case 1

MSComm1. PortOpen = True

MSComm1.Output = "#16P1700 #0P1300 #18P1350 #2P1900 #20P1250 #4P1750 #22P1100 #6P1600 #24P700 #8P2300 #26P1400 #10P2100 T1000" & vbCr

Case 2

MSComm1.Output = "#16P2000 #0P1300 #18P1350 #2P1900 #20P1250 #4P1500 #22P1100 #6P1600 #24P1000 #8P2300 #26P1400 #10P2100 T1000" & vbCr

Case 3

MSComm1.Output = "#16P2000 #0P1300 #18P1350 #2P1630 #20P1250 #4P1500 #22P1400 #6P1600 #24P1000 #8P2300 #26P1400 #10P1610 T1000" & vbCr

Case 4

MSComm1.Output = "#16P1700 #0P1300 #18P1100 #2P1630 #20P1250 #4P1750 #22P1400 #6P1900 #24P700 #8P2300 #26P1100 #10P1610 T1000" & vbCr

Case 5

MSComm1.Output = "#16P1700 #0P1000 #18P1100 #2P1630 #20P1500 #4P1750 #22P1400 #6P1900 #24P700 #8P2000 #26P1100 #10P1610 T1000" & vbCr

Case 6

MSComm1.Output = "#16P1700 #0P1000 #18P1350 #2P1630 #20P1500 #4P1750 #22P1400 #6P1600 #24P700 #8P2000 #26P1400 #10P1610 T1000 " & vbCr

(舵機(jī)端口號(hào)定義：#16為左前腿旋轉(zhuǎn)，#18為左前腿上下，#20為左中腿旋轉(zhuǎn)，#22為左中腿上下，#24為左后腿旋轉(zhuǎn)，#26為左后腿上下，#0為右前腿旋轉(zhuǎn)，#2為右前腿上下，#4為右中腿旋轉(zhuǎn)，#6為右中腿上下，#8為右后腿旋轉(zhuǎn)，#10為右后腿上下.)

5 結(jié)論

以上所設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器人系統(tǒng)的互動(dòng)，藍(lán)牙串口模塊的應(yīng)用給程序的調(diào)試和動(dòng)作的設(shè)計(jì)帶來了較大的便利.Mini USB 32舵機(jī)控制器的使用，使得控制程序的編寫不再復(fù)雜，使設(shè)計(jì)者的精力可主要集中于機(jī)器人動(dòng)作的設(shè)計(jì)與軌跡優(yōu)化方面，模塊化的設(shè)計(jì)也給整個(gè)系統(tǒng)帶來了較高的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性.

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