吳宏岐 ，郭夢宇

(寶雞文理學(xué)院電子電氣工程系，陜西 寶雞721007)

在自然界和人類社會中存在一些可能危及人類生命的特殊場合。災(zāi)難發(fā)生礦井、防災(zāi)救援和反恐斗爭等，對這些危險環(huán)境進行不斷地探索和研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會進步的需要。地形不規(guī)則和崎嶇不平是這些環(huán)境的共同特點。從而使輪式機器人和履帶式機器人的應(yīng)用受到限制。與輪式、履帶式移動機器人相比，多足步行機器人的腿部具有多個自由度，使其運動的靈活性大大增強。它可以通過調(diào)節(jié)腿的長度保持身體水平也可以通過調(diào)節(jié)腿的伸展程度調(diào)整重心的位置因此不易翻倒［4］。在這種背景下多足步行機器人的研究非常重要，而仿生步行機器人的出現(xiàn)更加顯示出步行機器人的優(yōu)勢。

1 六足機器人仿生原理及總體設(shè)計方案

1.1 步態(tài)仿生原理

六足步行機器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)是六足步行機器人實現(xiàn)步行的典型步態(tài)［6］?！傲憔V”昆蟲步行時，一般不是六足同時直線前進，而是將三對足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。目前，大部分六足機器人采用了仿昆蟲的結(jié)構(gòu)，6 條腿分布在身體的兩側(cè)，身體左側(cè)的前、后足及右側(cè)的中足為一組，右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個三角形支架，依靠大腿前后劃動實現(xiàn)支撐和擺動過程，這就是典型的三角步態(tài)行走法，如圖1 所示。

圖1 三角步態(tài)

圖1中機器人的髖關(guān)節(jié)在水平和垂直方向上運動。此時，B、D、F 腳為擺動腳，A、C、E 腳原地不動，只是支撐身體向前。由于身體重心低，容易穩(wěn)定，所以這種行走方案能得到廣泛運用。

1.2 總體設(shè)計方案

1.2.1 主要部件——舵機

本設(shè)計采用YZW－Y09G 型舵機圖2 所示，作為六足機器人關(guān)節(jié)件，該舵機具有重量小、扭力大和定位精確的特點，適用于機器人的制作［5］。舵機主要用作運動方向的控制組件，它有著高力矩、高性能、低價格等優(yōu)點。當(dāng)它接收到一個位置指令，它就會運動到制定的位置。因此，許多小型機器人也常用到它來驅(qū)動運動的關(guān)節(jié)。

圖2 舵機圖解

一個舵機內(nèi)部包括了一個小型直流馬達;一組變速齒輪組;一個可調(diào)電位計及一塊電子控制板［7］。其中，高轉(zhuǎn)速的直流馬達提供了原始動力，帶動減速齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出。一個舵機是一個典型閉回路控制系統(tǒng)，其原理可由圖3 所示。

圖3 舵機控制系統(tǒng)簡圖

減速齒輪組由馬達驅(qū)動，其輸出端帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標轉(zhuǎn)換為一比例電壓回授給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生修正脈沖，并驅(qū)動馬達正向或反向地轉(zhuǎn)動，是齒輪組的輸出位置與設(shè)定值相符，令修正脈沖趨近于0，從而達到使馬達精確定位的目的。

舵機有一個三線的接口，分別接電源線、地線及控制線。電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源.電壓通常介于4 V ～6 V，一般取5 V?？刂凭€的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20 ms。如圖4 所示，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。

圖4 舵機輸出轉(zhuǎn)角與脈沖寬度的關(guān)系

1.2.2 動力選擇

六足機器人采用了18 個舵機作為關(guān)節(jié)件，通過之前對舵機的介紹我們知道舵機是由直流電機，減速齒輪組，電位器與相應(yīng)控制電板組成，舵機里的主要耗電部分就是直流電機。YZW－Y09G 型舵機里的直流電機耗電量相對標準舵機里的要小，但18 個舵機加起來仍然是很大的。YZW－Y09G 型舵機里的電機靜載電流應(yīng)該在100 mA 至150 mA，而負載時電流會增大到500 mA 至600 mA 之間。這樣18 個舵機的電流需求范圍大概就是2 A 至10 A 左右［8］。

考慮到實際應(yīng)用，采用電池供電。電池種類有很多，干電池，鉛蓄電池，鋰電池等等。干電池的放電電流小，可以供電一兩個舵機，但多了就不行了。鉛蓄電池可以提供大電流放電，但體積比較大，不適合小型機器人攜帶。本設(shè)計采用7.4 V 鋰聚合物電池供電，此電池能夠大電流輸出［9］，并且體積小，便于安放在機器人上。供電時，通過D25XB80 整流橋降壓到6 V 左右，為18 個舵機供電。

1.2.3 材料選擇

制作機器人中，選用PVC 作為肢體材料，PVC主要成分是聚氯乙烯，又叫聚氯乙烯樹脂，PVC 材料在實際使用中經(jīng)常加入穩(wěn)定劑、潤滑劑、輔助加工劑、色料、抗沖擊劑及其它添加劑。具有不易燃性、高強度、耐氣侯變化性以及優(yōu)良的幾何穩(wěn)定性。加工時采取手工加工的方式，在實驗室就可進行，方便快捷，六足機器人樣機如圖5 所示。

圖5 六足機器人樣機圖片

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主框圖

本設(shè)計以單片機為核心，在計算機上完成步行程序后，通過串口模塊寫入單片機，單片機與舵機控制板進行通信，控制舵機運動，主框圖如圖6 所示。

圖6 設(shè)計方框圖

2.2 單片機最小系統(tǒng)

如圖7 所示，采用STC12C5A60S2 型單片機，由宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8 倍～12 倍。內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路，2 路PWM，8 路高速10 bit A/D 轉(zhuǎn)換，針對電機控制，強干擾場合［3］。

圖7 最小系統(tǒng)原理圖

2.3 電源轉(zhuǎn)換電路

由于單片機所使用電壓為5 V，需要將鋰電池電源進行降壓。圖8 為降壓穩(wěn)壓電路:輸入端接電源正極，經(jīng)過如圖所示的AMS1117－5.0 芯片降壓成5 V 后，供應(yīng)給單片機。

圖8 降壓穩(wěn)壓電路原理圖

2.4 舵機控制板

采用AET168P1 舵機控制板，如圖9 所示，從硬件上來看其實也就是一塊單片機開發(fā)板，一片單片機加上一些外圍電路。由于將多路舵機控制程序?qū)懭氲絾纹瑱C中，這個外表上看似普通的單片機開發(fā)板便有了不一樣的價值。舵機控制板還有個方便之處在于有一套與之相對應(yīng)的PC 調(diào)試軟件，面向用戶界面，使用戶能夠更直觀的操控舵機位移，而且還能把調(diào)整出來的動作保存下來，形成連貫的動作組。

圖9 舵機控制板原理圖

主芯片為LPC1114，其核心是Cortex－M0 處理器，是市場上現(xiàn)有的最小、能耗最低、最節(jié)能的ARM處理器。輸入電壓為5 V，降壓電路如圖7 所示。另外，為擴大數(shù)據(jù)存儲量，連接一個AT24C256 型存儲器，容量256 kbyte，便于進行調(diào)試與運行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 舵機移動指令

指令格式:#(舵機號)P(脈沖寬度)………#(舵機號)P(脈沖寬度)T(移動時間)

舵機號:1 ～24

脈沖寬度:500 μs ～2 500 μs，對應(yīng)角度0°～180°

移動時間:從現(xiàn)在位置移動到指定位置所需的時間，單位ms，時間越短舵機反應(yīng)越快，但過快舵機則反應(yīng)不過來，一般在定在100 ms 以上［10］。

:回車符，指令結(jié)束符

3.2 調(diào)試與運行過程

調(diào)試過程不需要單片機參與，在計算機中裝入舵機控制板的上位機軟件，通過USB 轉(zhuǎn)TTL 模塊，進行計算機與舵機控制板的直接通信。

編寫單片機程序使用Keil uVision2 軟件，它是現(xiàn)今的主流編譯軟件，本身小巧并且功能強大。燒錄時使用STC－ISP 軟件，將編譯生成的代碼寫入單片機即可。實際運行時，將舵機移動指令以字符串的形勢編寫入程序中，由單片機發(fā)送至舵機控制板從而控制各個舵機移動。

4 結(jié)束語

本次設(shè)計敘述了六足機器人的基本原理及制作方法，給出了一種六足機器人的設(shè)計方案。利用單片機程序設(shè)計原理，來實現(xiàn)六足機器人的各項功能。調(diào)試后，六足機器人可按要求工作，能夠在不平的路面上穩(wěn)定行走，未出現(xiàn)陷入松軟地面及側(cè)翻問題。加裝上紅外遙控裝置后，它可廣應(yīng)用于探測、運輸、救援等各個領(lǐng)域。

［1］ 李建忠.單片機原理及應(yīng)用［M］. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［2］ 江曉安，董秀峰.模擬電子技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［3］ 趙保經(jīng).中國集成電路大全—CMOS 集成電路［M］. 國防工業(yè)出版社，2004.

［4］ 劉敬彪，黃國暉，盛慶華.基于C8051F 的深海投放裝置導(dǎo)航電機控制系統(tǒng)研制［J］.電子器件，2009，32(6):1098－1101.

［5］ 張立勛，孫卓君，董九志. 基于ATmega128 和FPGA 的六自由度機器人的直流伺服控制器設(shè)計［J］.電子器件，2007，30(5):1852－1855.

［6］ 劉偉庭，方向生，陳裕泉.仿生“蚯蚓”機器人的SMA 執(zhí)行器實現(xiàn)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2005，18(3):623－626.

［7］ 肖斌，賈劍平.機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的電路設(shè)計［J］.電子世界，2012(6):82－83.

［8］ 章安福，沈文華.亞太大學(xué)生機器人大賽中機器人移動方式的探討［J］.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2010(5):35－39.

［9］ 王楠，宋愛國，劉佳.一種新穎的柔性觸覺再現(xiàn)裝置［J］. 傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23(3):331－335.

［10］ 車玲玲，王志良.ZMP 理論在雙足步行機器人步態(tài)控制中的應(yīng)用［J］.電子器件，2007，30(4):1462－1464.