四足仿生機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

西北民族大學(xué) 洪淼淼 蔡 寧

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四足仿生機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

西北民族大學(xué) 洪淼淼 蔡 寧

【摘要】基于仿生學(xué)原理，以STC公司生產(chǎn)的IAP15F2K61S2芯片作為主控制芯片，舵機(jī)作為驅(qū)動元件，使用 keil 編寫程序后下載到主控制板對其控制，設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu)靈活的四足機(jī)器人，能幫助人類從事各方面的工作，使生活趨于自動化。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人；舵機(jī)控制；自動化

本文受國家自然科學(xué)基金資助（項(xiàng)目編號：61263002）。

1　設(shè)計(jì)理念

移動式機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)今時(shí)代機(jī)器人研究領(lǐng)域中一個(gè)較為熱門的話題。常見的移動機(jī)器人有雙足，四足和六足，其都有自己的特點(diǎn)和適用范圍，各有各的優(yōu)勢與缺點(diǎn)。雙足機(jī)器人的肢體結(jié)構(gòu)相對于四機(jī)器人，其穩(wěn)定性不好，動態(tài)特性差、負(fù)載能力低、地形適應(yīng)性差，適用范圍較狹隘；對于六足機(jī)器人而言，其穩(wěn)定性雖好，但其足數(shù)較多，不便于控制。四足機(jī)器人的研究最具有使用性和廣泛性。

本文根據(jù)觀察四足爬行動物的爬行姿態(tài)，采用平面桿并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的爬行原理，并且基于仿生學(xué)基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了四足爬行機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)意義上的機(jī)器人不同的四足機(jī)器人。所設(shè)計(jì)出的四足仿生機(jī)器人，體積大小合適，又采用合適的材料使其質(zhì)量輕便，適合于搬運(yùn)的主體，并能輕松完成其他工作。結(jié)合自動化專業(yè)所學(xué)的知識：電力電子技術(shù)、自動化控制原理、傳感器等多個(gè)學(xué)科知識的綜合運(yùn)用，并做一些其他方面欠缺的準(zhǔn)備工作之后，最終設(shè)計(jì)出來一套結(jié)構(gòu)完善的仿生肢體，此外還完成了行走程序及其它基本功能。

2　四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成

2.1電源模塊

AMS1117是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，在1A的電流輸入情況下電壓降低1.2V。它有固定輸出和可調(diào)兩個(gè)版本，輸出的電壓精度比較高。并且AMS1117的內(nèi)部有繼承過熱保護(hù)電路和限流電路，電路系統(tǒng)比較完善，適合電池供電。工作結(jié)溫范圍是-40度至125度，適用的范圍廣泛。但是它所能夠提供的電流比較小，且在大電流工作狀態(tài)下易發(fā)熱。這是它的弊端所在，因此我們不能將此系列的穩(wěn)壓器作為我們的選擇。

于是我們決定使用額定電壓為7.4V的可充電電源作為供電電源。通過7805穩(wěn)壓芯片電路穩(wěn)出5V電源，為主控提供可靠的供電電源，確保主控能進(jìn)行正常穩(wěn)定的工作。但是由于舵機(jī)對電壓電流要求較高，因此我們用7.4V電池經(jīng)過濾波處理后給舵機(jī)供電，以保證舵機(jī)正常可靠的工作。

2.2控制模塊

平常使用較為廣泛的51單片機(jī)，指令簡單，編寫程序容易，也便于理解，并且此類單片機(jī)的外圍電路簡單，所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)也比較輕松。然而本系統(tǒng)的程序量較大，需要的I/O口資源較多，需要輸出四路PWM波控制電調(diào)轉(zhuǎn)動，并且其運(yùn)算能力較低，速度較慢，功能相對單一，難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的任務(wù)要求。

采用IAP15F2K61S2芯片作為主控芯片。IAP15F2K61S2是STC公司生產(chǎn)的最新、最先進(jìn)的一款增強(qiáng)型單片機(jī)，它有使用方便，易于控制等優(yōu)點(diǎn)，適合用來作為四足仿生機(jī)器人的控制器。

3　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1機(jī)器人的機(jī)身

四足仿生機(jī)器人的機(jī)身如圖1所示，我們采用PVC材料為主體，搭配一定量的鋁合金材料作為相關(guān)部位的連接器件，使其有更高的耐壓強(qiáng)度，同時(shí)盡量減少其本身的重量，使其更穩(wěn)定。

圖1　機(jī)器人整體布局

3.2機(jī)器人肢體

機(jī)器人的肢體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)不能過于復(fù)雜，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的桿件較多的腿部機(jī)構(gòu)會是動力傳遞實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度提高，并且機(jī)器人在爬行的過程中腿部部件會交替的運(yùn)動，會造成運(yùn)動不靈活。所以在腿部的設(shè)計(jì)過程中就要求具有負(fù)載的情況下有能夠適應(yīng)整個(gè)機(jī)身重量的剛度和一定的負(fù)載能力。

該機(jī)器人有四個(gè)足，每個(gè)足安裝了3個(gè)舵機(jī)，這樣每個(gè)足就有了3個(gè)關(guān)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等方向的行走功能。我們采用數(shù)字舵機(jī)作為關(guān)節(jié)，數(shù)字舵機(jī)具有易于控制，大力距等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、工業(yè)控制等方面。如下圖所示在行走過程中舵機(jī)0左右轉(zhuǎn)動，舵機(jī)1和舵機(jī)2上下轉(zhuǎn)動，以保證機(jī)器人在邁步的過程中，邁步的那只腳不至于觸地。這12個(gè)舵機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)作，讓機(jī)器人的行走變得更靈活。

圖2　機(jī)器人肢體運(yùn)動方向

3.3機(jī)器人程序的整體設(shè)計(jì)

在程序設(shè)計(jì)方面，我們用C語言進(jìn)程編程。C語言在當(dāng)今是一種受到大家廣泛喜愛的程序設(shè)計(jì)語言，它的程序結(jié)構(gòu)規(guī)整，可讀性強(qiáng)；并且有34種運(yùn)算符，所以其語言表達(dá)靈活，我們僅僅使用平常人的思維即可進(jìn)行編寫程序，只要不違反其編程規(guī)則，就能順利通過編譯，便可實(shí)現(xiàn)我們想要控制的目的。

程序編寫完成，燒錄給主控芯片后，當(dāng)我們?nèi)藶榈陌聪聶C(jī)器人的開始按鈕，程序進(jìn)入機(jī)器人初始化狀態(tài)，接著MCU控制步態(tài)時(shí)序，通過串口通信給CDS5516舵機(jī)發(fā)送動作指令，舵機(jī)接收到指令后進(jìn)行動作的完成，從而達(dá)到機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。

4　系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測試

經(jīng)過長時(shí)間的研究，設(shè)計(jì)出較為完善的四足仿生機(jī)器人，該機(jī)器人有四個(gè)足，每個(gè)足安裝了3個(gè)舵機(jī)，這樣每個(gè)足就有了3個(gè)關(guān)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等方向的行走功能。我們采用數(shù)字舵機(jī)作為關(guān)節(jié)，數(shù)字舵機(jī)具有易于控制，大扭距等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、工業(yè)控制等方面。在行走過程中有舵機(jī)左右轉(zhuǎn)動，也有舵機(jī)上下轉(zhuǎn)動，以保證機(jī)器人在邁步的過程中，邁步的那只腳不至于觸地。這12個(gè)舵機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)作，讓機(jī)器人的行走變得更靈活、更平穩(wěn)、更加自然。

此外，使用額定電壓為7.4V的可充電電源作為供電電源。通過7805穩(wěn)壓芯片電路穩(wěn)出5V電源，為主控提供可靠的供電電源，確保主控能正常穩(wěn)定的工作。由于舵機(jī)對電壓電流要求較高，因此用7.4V電池經(jīng)過濾波處理后給舵機(jī)供電，舵機(jī)可以正常可靠的工作。

5　應(yīng)用與展望

機(jī)器人在人類的生產(chǎn)生活中占據(jù)著一席之地。自從第一臺機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人正在迅速的發(fā)展，并且廣泛的運(yùn)用到軍事、工業(yè)生產(chǎn)和生活中：在軍事方面有排爆、運(yùn)輸機(jī)器人；在工業(yè)方面有焊接、噴漆機(jī)器人；在生活方面有掃地機(jī)器人等。使用機(jī)器人代替人類的工作有以下三個(gè)優(yōu)勢：第一,人類的某些工作可以由機(jī)器人直接代替完成任務(wù)，這將直接減少了人力勞動；第二，人類持續(xù)不休息的工作將會有身體各方面的疲勞感，造成工作效率下降，甚至?xí)l(fā)生不可預(yù)料的事故；第三,某些工作領(lǐng)域是只靠人類是完成不了任務(wù)的。因此，使用機(jī)器人代替人類工作可以有效地提高生產(chǎn)效率，使工作生產(chǎn)有秩序的進(jìn)行。

在科技發(fā)達(dá)的今天，機(jī)器人可以應(yīng)用各個(gè)行業(yè)，使生產(chǎn)自動化，辦公自動化更加普遍化，實(shí)現(xiàn)“機(jī)器人換人工”、“自動換機(jī)械”、“成套換單臺”、等方式，研究和推廣先進(jìn)的機(jī)器人與自動化生產(chǎn)技術(shù)，為生產(chǎn)企業(yè)解決招工難、用工成本高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，為其提供個(gè)性化的“機(jī)器人應(yīng)用”整體解決方案、機(jī)器人自動化設(shè)備改造、自動化成套設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)制造、軟硬件系統(tǒng)集成及智能制造裝備的操作、維護(hù)與管理等。

在未來的一段時(shí)間內(nèi)，通過進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，四足仿生機(jī)器人將有美好的發(fā)展前景，如能夠幫助人們打理生活，做一些簡單的家務(wù)活；在大型災(zāi)難后，能進(jìn)入人們所不能進(jìn)入不了的廢墟中，用紅外線掃描廢墟中的景象，把信息傳送給在外面的搜救人員等。發(fā)展前景較為廣闊。

參考文獻(xiàn)

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