（新疆大學 信息科學與工程學院，新疆 烏魯木齊 830046）

近年來機器人在軍事、生活、工業(yè)領域越來越受社會和國家重視，而能夠適應復雜環(huán)境地形的足式機器人更是受到廣泛關注，足式機器人可以擺脫輪式機器人對復雜環(huán)境地形的限制，自由穿梭于森林、河流、山坡、沙漠等嚴峻的地貌。足式機器人又分為雙足、四足、六足，其中四足的應用范圍較其他2 種更為廣泛[1-3]。美國Shigle 及Baldwin 在20 世紀60 年代開始設計使用凹凸輪的連桿機構來設計機動性較好的步行車，但由于技術限制，步行車的復雜地面車適應性較差，1968 年美國人MOSher 設計出Walking Truck。Walking Truck 雖然在操作過程中并不能實現(xiàn)流暢行走，但是其已經(jīng)具備有效行走及跨過障礙物的能力，Walking Truck 的出現(xiàn)被視為現(xiàn)代步行機器人發(fā)展歷程中的偉大突破[4-7]。國內(nèi)的足式機器人較國外起步較晚，以清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、國防科技大學、上海交通大學、華中科技大學、浙江大學等高校及單位為代表的團隊對于多足機器人技術進行研究的成果頗豐。以浙江大學2017 年研制的“赤兔”四足機器人以及2018 年研制的“絕影”四足機器人為例，具有對于復雜的非結(jié)構地面的適應能力，可以實現(xiàn)爬坡、爬樓梯、崎嶇路面行走、小跑和奔跑、負重前進的功能[7-9]。

本文提出了一種以STM32F4 芯片為核心，采用對角小跑的步態(tài)算法，通過輸出12 路PWM 波控制12 個舵機工作，實現(xiàn)了12 自由度四足機器人的原地踏步、直線行走和轉(zhuǎn)彎等功能，并可以通過藍牙進行無線遠程控制。

1 機器人設計

機器人設計部分分為機械模塊設計、電路模塊設計、算法模塊設計。

1.1 機械模塊設計

使用SOULUDWORKS軟件繪制四足機器人的各部分零件，包括大腿、小腿、舵機、固定連接件、身體等。將繪制完成的各零件拼接繪制成完整的四足機器人工程圖，如圖1 所示。

圖1 四足機器人工程圖

1.2 電路模塊設計

機器人硬件電路主要分為控制模塊、驅(qū)動模塊與舵機信號隔離模塊[10-12]，系統(tǒng)硬件框圖如圖2。

機器人控制模塊采用STM32F429 作為主控芯片，包括復位電路、藍牙模塊電路、5 V 供電電路、測試模塊電路、晶振電路、程序下載電路、用作PWM 波輸出的12 路IO 口，控制模塊電路如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

圖3 控制電路原理圖

機器人驅(qū)動模塊包括3 個轉(zhuǎn)壓電路，轉(zhuǎn)壓芯片采用XL4016，輸入電壓范圍為8～40 V，輸出電壓可在1.25～36 V 之間連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流可達8 A，本設計驅(qū)動舵機的供電電壓有2 種，一種是5 V，一種是7.4 V，因此設計總電源是+12 V 電壓供電，通過3 個轉(zhuǎn)壓模塊轉(zhuǎn)出2 種供電電壓，每一個轉(zhuǎn)壓模塊轉(zhuǎn)出的電壓最多給4 個舵機供電以保證每一個舵機的功率充足。轉(zhuǎn)壓模塊電路內(nèi)部另設有過壓保護、過流保護、過熱保護，及輸出短路保護，驅(qū)動模塊原理圖如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動模塊原理圖

舵機信號隔離模塊采用光耦隔離電路，因為考慮到舵機在轉(zhuǎn)動過程中會在信號線產(chǎn)生回流，影響芯片正常工作，因此在控制模塊與舵機之間設計了光耦隔離電路，對二者之間連接的信號線進行物理隔離，消除回流。舵機信號模塊原理圖如圖5 所示。

圖5 光耦隔離電路原理圖

1.3 算法模塊設計

本設計選用舵機作為動力，舵機的控制原理較為簡單，需要一個20 ms 的脈沖周期，本項目使用180°舵機，在20 ms 的脈沖周期中配置不同占空比的高低電平，不同的占空比對應不同的角度[13-14]，占空比和角度具體對應如表1 所示。

表1 占空比和角度對應表

PWM 波輸出使用了STM32F429 中的3 個通用定時器，每個定時器產(chǎn)生4 路PWM 輸出。

控制算法模型的建立是以每個足端為獨立的原點分別建立空間直角坐標系，根據(jù)整體設計，四足機器人各零件尺寸如表2 所示。

表2 四足機器人各零件尺寸

根據(jù)大腿小腿和肋骨的固定長度，通過運動學推導出3 個關節(jié)的角度關于足端對獨立空間直角坐標系(x,y,z)位置的函數(shù)，設足端坐標為(x,y,z)，機器人高度為RobotH，則肋骨舵機角度由公式(1)算出，小腿舵機角度由公式(2)算出，大腿舵機角度由公式(3)算出[15-16]。

公式中先計算出肋骨舵機角度angle1與小腿舵機角度angle3，再根據(jù)小腿舵機角度angle3 計算出大腿舵機angle2 步態(tài)采用對角小跑步態(tài)，2 個對角的足端做相差1/2 個相位的半周期橢圓函數(shù)軌跡運動，設機器人在運動過程中足端抬起高度最大值為ΔH，足端運動軌跡示意圖如圖6。

圖6 足端運動軌跡示意圖

機器人足端在半周期橢圓軌跡上取的期望點越多，整體步態(tài)越穩(wěn)定流暢。本設計在半周期橢圓軌跡上取的期望點數(shù)為16 個，以保證步態(tài)的穩(wěn)定性。

程序使用C 語言編寫，編寫環(huán)境為Keil5，程序包括系統(tǒng)初始化函數(shù)、定時器配置函數(shù)、指令函數(shù)、藍牙通信初始化函數(shù)、機器人步態(tài)算法函數(shù)、機器人待機函數(shù)、主函數(shù)等，程序流程如圖7 所示。

圖7 程序流程

3 機器人實現(xiàn)

2.1 電路板制作與實現(xiàn)

將繪制完成的電路原理圖封裝成PCB 圖，進行布局和連線，打印電路板實物，將各元件焊接在電路板上，完成電路板的制作，控制電路板實物如圖8 所示。

圖8 控制電路板實物

驅(qū)動模塊上有3 個XL4016 轉(zhuǎn)壓芯片，分別由3 個滑動變阻器來控制輸出電壓，轉(zhuǎn)換為2 個7.4 V電壓輸出和1 個5 V 電壓輸出，驅(qū)動模塊電路板實物如圖9 所示。

圖9 驅(qū)動模塊電路板實物

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

對裝配好的四足機器人進行測試，包括步行前進和左右轉(zhuǎn)彎。步行轉(zhuǎn)彎是四足機器人穩(wěn)定性的首選指標，因此測試步行前進和左右轉(zhuǎn)彎是相當重要的。

測試中機器人可以實現(xiàn)穩(wěn)定前進步行，步行速度約為10 cm/s，步行采用較為穩(wěn)定的對角步態(tài)，機器人步行前進步態(tài)測試圖如圖10，完成了2 個周期對角步態(tài)。

圖10 機器人前進步態(tài)測試圖

轉(zhuǎn)彎能力可以協(xié)助機器人通過各種復雜地形，因此轉(zhuǎn)彎也是保證四足機器人機動性能的一個重要指標，測試中機器人可以實現(xiàn)穩(wěn)定的原地左右轉(zhuǎn)彎約為15°/s，左右轉(zhuǎn)彎依舊采用較為穩(wěn)定的對角步態(tài)，順利通過轉(zhuǎn)彎半徑為30 cm 的圓形軌跡，單周期左轉(zhuǎn)彎過程如圖11。

4 總結(jié)

本文設計與實現(xiàn)的12 自由度四足機器人模型由3D打印件構成，以STM32F4 單片機為控制核心，采用對角小跑的步態(tài)算法，通過輸出12 路PWM 波控制12 個舵機協(xié)調(diào)工作，可以實現(xiàn)四足機器人原地踏步、直線行走和轉(zhuǎn)彎等動作。經(jīng)過實驗測試，與較輪式或履帶式機器人相比該四足機器人的適應性更強，可應用于復雜和危險環(huán)境地形。

圖11 單周期左轉(zhuǎn)彎過程圖