一種基于STM32的四足機(jī)器人設(shè)計與仿真分析

李一鳴 羅唯源 趙云龍 王利康 闞慶國

摘 要：四足機(jī)器人在科學(xué)研究和社會實(shí)踐中有著重要地位。鑒于此，在簡單四足機(jī)器人模型的基礎(chǔ)上，提出自行走控制系統(tǒng)。首先對機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其次在SolidWorks軟件中建立模型機(jī)，然后采用MATLAB軟件仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，最后基于STM32單片機(jī)控制機(jī)器人自動行走。

關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人;運(yùn)動分析;仿真

0??? 引言

目前國內(nèi)外都非常重視煤礦救援機(jī)器人的研究與開發(fā)，國外進(jìn)行相關(guān)研究的起步較早，技術(shù)也較為成熟。國外救援機(jī)器人已經(jīng)具有建立巷道三維模型的功能（比如美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制的機(jī)器人Groundhog），國內(nèi)外機(jī)器人的移動方式都以輪式和履帶式為主，而控制方面都是采用遠(yuǎn)程遙控方式，目前也都還沒有在巷道中實(shí)現(xiàn)完全自主導(dǎo)航完成救援的報道[1]。

伴隨著傳感器、智能控制等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，相比于礦井機(jī)器人（發(fā)生災(zāi)害后環(huán)境復(fù)雜且充滿危險），移動機(jī)器人在自主導(dǎo)航方面已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，尤其是室內(nèi)機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)相對成熟，而室外如汽車自動駕駛模式的發(fā)展也十分迅速[2]。

本文主要探究一種可以在礦井內(nèi)部自動行走的四足機(jī)器人，目的是可以傳輸影像、探查音源等，用于礦井發(fā)生事故時進(jìn)行井下救援，防止二次事故對救援人員造成傷害。本文主要介紹了第一階段的研究內(nèi)容，即控制四足機(jī)器人自動行走。

目前，機(jī)器人的移動方式[3]主要包括履帶式、輪式和足式。

履帶式機(jī)器人能更好地適應(yīng)松軟的地形，例如沙地、泥地，履帶與地面接觸面積大，較平穩(wěn)，缺點(diǎn)是對高低落差較大的地形無能為力。

輪式機(jī)器人更適合平坦的路面，特別是馬路，且能高速移動，但容易打滑，不平穩(wěn)，且對復(fù)雜地形無能為力。

四足機(jī)器人步行腿具有多個自由度，落足點(diǎn)是離散的，故能在足尖點(diǎn)可達(dá)域范圍內(nèi)靈活調(diào)整行走姿態(tài)，并合理選擇支撐點(diǎn)，具有更高的避障和越障能力[4]。為此，四足機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人學(xué)中一個引人注目的領(lǐng)域，而運(yùn)動學(xué)的研究是步行機(jī)器人各項研究的基礎(chǔ)[5]。

本文首先根據(jù)四足動物的身體結(jié)構(gòu)[6]，提出一種四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，然后對該機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并采用SolidWorks軟件建立四足機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，最后對分析結(jié)果進(jìn)行仿真驗證。

1??? 四足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1??? 自由度確定

四足機(jī)器人在行走過程中，腿部主要有兩種狀態(tài)[7]：擺動態(tài)、支撐態(tài)。擺動態(tài)時步行腿相當(dāng)于連桿串聯(lián)起來的空間開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，步行腿的自由度數(shù)等于關(guān)節(jié)數(shù)。支撐態(tài)時基體是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的中央構(gòu)件，地面可作為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)架，步行足與地面接觸存在摩擦，不打滑[8]，可看作是與地面組成的球關(guān)節(jié)。

如圖1所示，該腿部機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)為4，包含5個低副（其中包含1個復(fù)合鉸鏈），不含高副。

設(shè)任意時刻處于支撐相的腿數(shù)為n（n≤4），則此時模型為具有n個分支的空間多環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其自由度數(shù)M可由式（1）計算：

F=3n-（2Pl+Ph）?????????????????????????? （1）

式中：F為自由度;n為構(gòu)件個數(shù);Pl為低副個數(shù);Ph為高副個數(shù)。

將n=4，Pl=5，Ph=0代入式（1），得單腿的自由度F=2，故機(jī)械的總自由度等于8。由此可知，無論該機(jī)器人采用何種步態(tài)，軀體在一定范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)任意位置和姿態(tài)，同時也驗證了本文所建立的簡化結(jié)構(gòu)能夠滿足機(jī)器人在空間的基本運(yùn)動要求。

1.2??? 機(jī)構(gòu)模型的建立和簡化

該四足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)參考了哺乳類動物的生理結(jié)構(gòu)，由五部分組成。腿部與軀干由5個關(guān)節(jié)連接，每個關(guān)節(jié)的自由度有1～3個?？紤]到機(jī)械的靈活性與復(fù)雜性的關(guān)系，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡化。簡化后結(jié)構(gòu)如圖2所示，由五部分組成。4條腿的參數(shù)、結(jié)構(gòu)相同，并且呈中心對稱分布。

由圖3可以看出，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對簡單，每條腿配有2臺電機(jī)，分別控制腿部的前半部和后半部，共配有8臺電機(jī)，其與4條機(jī)械腿以及上下2塊金屬蓋板共同組成了該四足機(jī)器人。

2??? 運(yùn)動設(shè)計及仿真

2.1??? 四足機(jī)器人足端軌跡規(guī)劃

令起點(diǎn)位置Ps=（xs，ys，zs），期望落腳點(diǎn)的位置為Pd=（xd，yd，zd），則每次跨腿的長度為Tx=xd-xs，每次抬腿高度為Tz=zd-zs。

足端軌跡規(guī)劃采用Raibert提出的算法[9]，具體地，令T為步態(tài)周期，h為支撐相占空比，則擺線軌跡為：

σ=????????????? （2）

Xe=

-

，???????????????? t≤λT，

-

t-λT

+T， t>λT? （3）

Ze=-Tz

+Tz， t≤λT，