基于STC 單片機(jī)的仿生六足機(jī)器人設(shè)計(jì)*

吳宏岐 ，郭夢(mèng)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(huì)中存在一些可能危及人類生命的特殊場(chǎng)合。災(zāi)難發(fā)生礦井、防災(zāi)救援和反恐斗爭(zhēng)等，對(duì)這些危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)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(huì)進(jìn)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(diǎn)。從而使輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人的應(yīng)用受到限制。與輪式、履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比，多足步行機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，使其運(yùn)動(dòng)的靈活性大大增強(qiáng)。它可以通過調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)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(jī)器人的研究非常重要，而仿生步行機(jī)器人的出現(xiàn)更加顯示出步行機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。

1 六足機(jī)器人仿生原理及總體設(shè)計(jì)方案

1.1 步態(tài)仿生原理

六足步行機(jī)器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)是六足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的典型步態(tài)［6］?！傲憔V”昆蟲步行時(shí)，一般不是六足同時(shí)直線前進(jìn)，而是將三對(duì)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(jī)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(gè)三角形支架，依靠大腿前后劃動(dòng)實(shí)現(xiàn)支撐和擺動(dòng)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(jī)器人的髖關(guān)節(jié)在水平和垂直方向上運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，B、D、F 腳為擺動(dòng)腳，A、C、E 腳原地不動(dòng)，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(yùn)用。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

1.2.1 主要部件——舵機(jī)

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

圖2 舵機(jī)圖解

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

圖3 舵機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其輸出端帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)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(hào)比較，產(chǎn)生修正脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dá)到使馬達(dá)精確定位的目的。

舵機(jī)有一個(gè)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(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)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(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈沖信號(hào)的周期為20 ms。如圖4 所示，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)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(jī)輸出轉(zhuǎn)角與脈沖寬度的關(guān)系

1.2.2 動(dòng)力選擇

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

考慮到實(shí)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(gè)舵機(jī)，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(jī)器人攜帶。本設(shè)計(jì)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(jī)器人上。供電時(shí)，通過D25XB80 整流橋降壓到6 V 左右，為18 個(gè)舵機(jī)供電。

1.2.3 材料選擇

制作機(jī)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(shí)際使用中經(jīng)常加入穩(wěn)定劑、潤(rùn)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(qiáng)度、耐氣侯變化性以及優(yōu)良的幾何穩(wěn)定性。加工時(shí)采取手工加工的方式，在實(shí)驗(yàn)室就可進(jìn)行，方便快捷，六足機(jī)器人樣機(jī)如圖5 所示。

圖5 六足機(jī)器人樣機(jī)圖片

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主框圖

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，在計(jì)算機(jī)上完成步行程序后，通過串口模塊寫入單片機(jī)，單片機(jī)與舵機(jī)控制板進(jìn)行通信，控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，主框圖如圖6 所示。

圖6 設(shè)計(jì)方框圖

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

如圖7 所示，采用STC12C5A60S2 型單片機(jī)，由宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051 單片機(jī)，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(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)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(jī)所使用電壓為5 V，需要將鋰電池電源進(jìn)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(jī)。

圖8 降壓穩(wěn)壓電路原理圖

2.4 舵機(jī)控制板

采用AET168P1 舵機(jī)控制板，如圖9 所示，從硬件上來看其實(shí)也就是一塊單片機(jī)開發(fā)板，一片單片機(jī)加上一些外圍電路。由于將多路舵機(jī)控制程序?qū)懭氲絾纹瑱C(jī)中，這個(gè)外表上看似普通的單片機(jī)開發(fā)板便有了不一樣的價(jià)值。舵機(jī)控制板還有個(gè)方便之處在于有一套與之相對(duì)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(jī)位移，而且還能把調(diào)整出來的動(dòng)作保存下來，形成連貫的動(dòng)作組。

圖9 舵機(jī)控制板原理圖

主芯片為L(zhǎng)PC1114，其核心是Cortex－M0 處理器，是市場(chǎng)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(kuò)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，連接一個(gè)AT24C256 型存儲(chǔ)器，容量256 kbyte，便于進(jìn)行調(diào)試與運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 舵機(jī)移動(dòng)指令

指令格式:#(舵機(jī)號(hào))P(脈沖寬度)………#(舵機(jī)號(hào))P(脈沖寬度)T(移動(dòng)時(shí)間)

舵機(jī)號(hào):1 ～24

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

移動(dòng)時(shí)間:從現(xiàn)在位置移動(dòng)到指定位置所需的時(shí)間，單位ms，時(shí)間越短舵機(jī)反應(yīng)越快，但過快舵機(jī)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(yùn)行過程

調(diào)試過程不需要單片機(jī)參與，在計(jì)算機(jī)中裝入舵機(jī)控制板的上位機(jī)軟件，通過USB 轉(zhuǎn)TTL 模塊，進(jìn)行計(jì)算機(jī)與舵機(jī)控制板的直接通信。

編寫單片機(jī)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(qiáng)大。燒錄時(shí)使用STC－ISP 軟件，將編譯生成的代碼寫入單片機(jī)即可。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，將舵機(jī)移動(dòng)指令以字符串的形勢(shì)編寫入程序中，由單片機(jī)發(fā)送至舵機(jī)控制板從而控制各個(gè)舵機(jī)移動(dòng)。

4 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)敘述了六足機(jī)器人的基本原理及制作方法，給出了一種六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。利用單片機(jī)程序設(shè)計(jì)原理，來實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的各項(xiàng)功能。調(diào)試后，六足機(jī)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(cè)、運(yùn)輸、救援等各個(gè)領(lǐng)域。

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