六足機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

馬 鑫，吳銀川

（西安石油大學(xué) 陜西省油氣井測控技術(shù)重點實驗室，西安 710065）

0 引言

石油管道巡檢工作是管道日常維護的重要環(huán)節(jié)，國內(nèi)石油管線巡護以傳統(tǒng)人工巡檢為主，受人為和地理區(qū)域因素的影響，導(dǎo)致復(fù)雜地理環(huán)境下的管線以及人力無法達到區(qū)域的場所，巡檢困難[1]。隨著科技的發(fā)展和人類探索空間的擴大，機器人技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛，設(shè)計出對地形適應(yīng)能力強的機器人日益重要[2]。在智能機器人領(lǐng)域中，應(yīng)用于陸地工作的移動機器人主要包括履帶式機器人、輪式機器人和足式機器人等。根據(jù)以往的研究表明，輪式機器人在較為平坦的地形上行駛時，比足式、履帶式機器人具有移動速度迅速，移動平穩(wěn)，控制簡單的優(yōu)勢，但在崎嶇地面移動時，這些能力就會大打折扣，而履帶式移動方式雖然在崎嶇地面也能行走，但是這種方式無法適應(yīng)環(huán)境多變的一些特殊場景。前兩者因其操作簡單、移動速度快等優(yōu)點，主要用于地形較為平坦的區(qū)域；足式機器人因為具有立足點離散、運動方式靈活多變等優(yōu)勢，適用于具有非線性結(jié)構(gòu)化特點的真實場景[3]。

為了使六足機器人各肢體能更好地協(xié)調(diào)，以及使六足機器人能更好地適應(yīng)石油管道巡檢中各種復(fù)雜環(huán)境，需要對其步態(tài)、控制系統(tǒng)進行分析和設(shè)計。因此，本文設(shè)計了一種六足機器人控制系統(tǒng)，以STM32F103RCT6作為主控板，采用舵機驅(qū)動板控制機器人移動，配置傳感器模塊，從而實現(xiàn)石油管道智能巡檢。

1 總體設(shè)計方案

1.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計腿部機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1中機器人共有六條腿，中間紅色區(qū)域作為機器人主體可裝置各類傳感器和機器人電路系統(tǒng)，機器人每條腿都由3個舵機組成，分別形成六足機器人的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，其中1、4、7、10、13、16號舵機為六足機器人髖關(guān)節(jié)，2、5、8、11、14、17號舵機為機器人膝關(guān)節(jié)，3、6、9、12、15、18號舵機為機器人踝關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)主要負責(zé)機器人腿部的轉(zhuǎn)動，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)負責(zé)機器人腿的抬升運動，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)之間采用弧形連接件形成機器人的大腿，弧形結(jié)構(gòu)可以有效地增強大腿抵抗外力的強度，踝關(guān)節(jié)與地面之間同樣采用弧形連接件形成小腿，這樣可以使機器人在移動過程中保持平穩(wěn)。這種機械結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、行走平穩(wěn)等特點，相對于傳統(tǒng)的輪式和履帶式移動方式，這種機械結(jié)構(gòu)更適合在復(fù)雜環(huán)境中移動[4]。

圖1 六足機器人正視圖Fig.1 Front view of hexapod robot

1.2 電路控制系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計共分為主控板、舵機驅(qū)動板、電源、降壓電路、舵機等部分，其中主控板采用STM32F103RCT6，舵機驅(qū)動板采用PCA9685，舵機型號采用MG996R舵機，電路系統(tǒng)框架圖如圖2所示。傳感器模塊通過采集外部信息，然后將采集到的數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)接口反饋給主控板，主控板根據(jù)傳感器模塊反饋回來的數(shù)據(jù)判斷外部環(huán)境是否適合機器人行走，接著電源模塊通過降壓電路給舵機驅(qū)動板提供穩(wěn)壓電壓，主控板通過I2C接口控制舵機驅(qū)動板，然后舵機驅(qū)動板通過PWM控制舵機轉(zhuǎn)動，從而使機器人移動。

圖2 電路系統(tǒng)框架Fig.2 Circuit system framework

2 電路設(shè)計

本文設(shè)計的六足機器人主要包括以下模塊：STM32F103系列主控板、舵機驅(qū)動板、電源模塊、傳感器模塊，其中舵機驅(qū)動板采用PCA9685?，F(xiàn)對六足機器人驅(qū)動部分闡述如下：

2.1 主控板與驅(qū)動板接口設(shè)計

舵機驅(qū)動采用舵機驅(qū)動板控制，舵機驅(qū)動板與控制板串口連接如圖3所示。驅(qū)動板與主控板之間采用I2C方式通信，OE引腳連接主控板PC5接口，低電平使能有效，I2C通信總線由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL構(gòu)成。當I2C總線處于空閑狀態(tài)時，數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL均為高電平。

圖3 主控板與驅(qū)動板接口Fig.3 Interface between main control board and driver board

I2C通信過程由開始、發(fā)送、響應(yīng)、接收、停止5個部分組成，I2C通信時序如圖4所示。在開始信號之后，主控板發(fā)送開始信號。當時鐘線SCL處于低電平時，數(shù)據(jù)線SDA允許改變數(shù)據(jù)；當時鐘線SCL處于高電平時，數(shù)據(jù)線SDA不能改變數(shù)據(jù)[5]。在I2C通信協(xié)議中，一個時鐘周期只能傳輸1bit數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸8個時鐘周期后，在第9個時鐘周期內(nèi)，舵機驅(qū)動板將數(shù)據(jù)線SDA變?yōu)榈碗娖剑⑶耶a(chǎn)生一個應(yīng)答信號給主控板。若在第9個時鐘周期內(nèi)，時鐘線SCL為高電平，數(shù)據(jù)線SDA未被主控板檢測到為低電平時，則視為舵機驅(qū)動板沒有產(chǎn)生應(yīng)答信號，表明數(shù)據(jù)傳輸失敗，然后舵機驅(qū)動板釋放數(shù)據(jù)線SDA以使主控板繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，如果主控板發(fā)送停止信號，則此次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束[6]。

圖4 I2C通信時序Fig.4 I2C Communication timing

2.2 驅(qū)動板與舵機接口設(shè)計

本設(shè)計所需18個舵機，且1個驅(qū)動板只有16個舵機接口，因此通過采用兩個驅(qū)動板串聯(lián)的方式使驅(qū)動板與舵機連接，驅(qū)動板與舵機連接方式如圖5所示。驅(qū)動板與每一個舵機連接都需要3根線，分別是電源線VCC、控制線PWM和地線GND，其中控制線用來輸出PWM脈沖。驅(qū)動板通過PWM線向舵機配置脈沖從而控制舵機轉(zhuǎn)動，舵機轉(zhuǎn)動的角度和控制線配置PWM脈沖的寬度成正比。因此，通過I2C總線協(xié)議，使兩個舵機驅(qū)動板可以產(chǎn)生18路PWM脈沖，從而控制六足機器人移動[7]。

圖5 驅(qū)動板與舵機接口Fig.5 Interface between drive board and steering gear

2.3 控制命令格式

六足機器人整個驅(qū)動部分是由兩塊舵機驅(qū)動板串聯(lián)而成，在實際中，每塊舵機驅(qū)動板都有1個確定的控制命令，每塊驅(qū)動板的控制命令都由4部分組成：驅(qū)動板地址、舵機地址、脈寬起始地址LED_ON、脈寬結(jié)束地址LED_OFF。舵機驅(qū)動板控制命令格式為：

驅(qū)動板地址（1個字節(jié)）+舵機地址（1個字節(jié)）+脈寬起始值on（2個字節(jié)）+脈寬結(jié)束值off（2個字節(jié)）。

驅(qū)動板地址共有8位，其中最高地址位固定為1，最低位為W/R讀寫模式選擇，第二位到第七位地址位由驅(qū)動板外接電平確定。當寫入程序時，第一個舵機驅(qū)動板地址的最高位不變，其余7個地址位為0。不同的是，第二個舵機驅(qū)動板的第6個地址位為1。因此，第一個舵機驅(qū)動板的器件地址為0x80，第二個舵機驅(qū)動板的器件地址為0x84。一個舵機驅(qū)動板上可以控制16個舵機通道，每個通道的地址設(shè)置為0x00、...、0x0F。

每個PWM通道有4個寄存器LEDn_ON_H、LEDn_ON_L、LEDn_OFF_H、LED_OFF_L，舵機驅(qū)動板通過采用控制PWM脈沖寬度的方式來控制舵機旋轉(zhuǎn)的角度，關(guān)系如圖6所示，寄存器LEDn_ON_H和LED_ON_L控制輸出脈沖寬度的起始值on，LEDn_OFF_H和LEDn_OFF_L控制輸出脈沖寬度的結(jié)束值off。由于舵機驅(qū)動板的分辨率為12位，所以脈沖寬度起始值on和結(jié)束值off的范圍為0～4095，其中脈沖寬度起始值on設(shè)置為0，并且一般舵機只能旋轉(zhuǎn)180°，接收PWM的頻率為50Hz，則有舵機角度與輸入脈沖時間對應(yīng) ：0°-0.5ms、45°-1.0ms、90°-1.5ms、135°-2.0ms、180°-2.5ms，角度φ與脈沖寬度結(jié)束值off的關(guān)系如式（1）所示：

圖6 舵機PWM脈寬Fig.6 Servo PWM pulse width

以舵機驅(qū)動板1為例，使其中舵機1旋轉(zhuǎn)60°，則off為239，十六進制為0x00ef，則其命令格式為：0x80（驅(qū)動板地址）+0x00（舵機地址）+0x0000（脈寬起始值）+0x00ef（脈寬結(jié)束值）。

3 機器人控制方法與實現(xiàn)

3.1 步態(tài)設(shè)計

目前，常見的六足機器人步態(tài)主要有三角步態(tài)和四足步態(tài)、五足步態(tài)。四足步態(tài)為機器人在任意時刻的狀態(tài)均為四足支撐，同時機器人的兩側(cè)各有一足向前擺動；五足步態(tài)是將六足機器人的六條腿按照順序依次前進，每次只有一條腿移動，另外五條腿支撐機器人；三角步態(tài)也稱交替三角步態(tài)，由機器人一側(cè)的前足、后足和另外一側(cè)的中足構(gòu)成兩組交替擺動，三角步態(tài)是自然界中多數(shù)昆蟲最常使用的一種步態(tài)，也被譽為最快速有效的靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)。由于四足步態(tài)的速度比三足步態(tài)快，五足步態(tài)在3種步態(tài)里面是最穩(wěn)定的，但是由于四足步態(tài)在機器人移動過程中穩(wěn)定性較差，五足步態(tài)在機器人移動過程中移動速度較慢，而且三角步態(tài)的移動模式簡單，速度和穩(wěn)定性適中，因此非常適合步行架構(gòu)的機器人的直線行走[8]。本文設(shè)計的六足機器人采用三角步態(tài)進行移動，以機器人前進為例，具體的步態(tài)分解如圖7所示。

圖7 機器人前進步態(tài)分解圖Fig.7 Decomposition diagram of robot's forward gait

六足機器人移動時將6個腿部分為兩個組，其中左側(cè)前腿（a）、右側(cè)中腿（d）、左側(cè)后腿（e）組成第一組，右側(cè)前腿（b）、左側(cè)中腿（c）、右側(cè)后腿（f）組成第二組。當機器人前進時，首先處于靜止站立狀態(tài)，接著左側(cè)前腿（a）、右側(cè)中腿（d）、左側(cè)后腿（e）抬起、向前轉(zhuǎn)動，然后右側(cè)前腿（b）、左側(cè)中腿（c）、右側(cè)后腿（f）向后轉(zhuǎn)動，同時左側(cè)前腿（a）、右側(cè)中腿（d）、左側(cè)后腿（e）落下，接著左側(cè)前腿（a）、右側(cè)中腿（d）、左側(cè)后腿（e）恢復(fù)原來的角度，并且右側(cè)前腿（b）、左側(cè)中腿（c）、右側(cè)后腿（f）抬起、向前轉(zhuǎn)動，然后右側(cè)前腿（b）、左側(cè)中腿（c）、右側(cè)后腿（f）落下，并且左側(cè)前腿（a）、右側(cè)中腿（d）、左側(cè)后腿（e）向后轉(zhuǎn)動，最后所有腿恢復(fù)靜止站立狀態(tài)。

3.2 關(guān)鍵程序設(shè)計

編寫機器人主程序時，除了編寫主程序外，還需要編寫子程序，包括機器人的前進、后退、轉(zhuǎn)彎、避障等程序。在對機器人進行程序編寫時，首先進行系統(tǒng)初始化，包括I2C串口配置、GPIO的配置、舵機驅(qū)動板的地址分配等。初始化后，傳感器模塊傳輸數(shù)據(jù)，接著對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，最后通過控制占空比調(diào)節(jié)機器人關(guān)節(jié)角度，從而控制機器人移動[9]。以機器人避障程序為例，其避障程序流程圖如圖8所示。當機器人進行避障時，首先傳感器對機器人前方進行檢測，若機器人前方有障礙物時，則判斷障礙物與機器人之間的距離與安全距離的大小，若實際距離小于安全距離，機器人左轉(zhuǎn)，從而避開前方障礙物[10]。

圖8 避障程序流程圖Fig.8 Obstacle avoidance program flowchart

4 實驗結(jié)果及結(jié)論

本設(shè)計選擇STM32F103RCT6作為主控板，PCA9685作為舵機驅(qū)動板，MG996R直流伺服舵機作為關(guān)節(jié)驅(qū)動，通過在PCA9685上控制脈沖寬度（PWM）來使舵機進行轉(zhuǎn)動，從而操縱機器人進行移動。在安裝機器人腿部關(guān)節(jié)時，需要調(diào)整舵機的角度以保證機器人移動過程中不會因為動作進行的順序發(fā)生碰撞，以保證機器人調(diào)試順利。等機器人的控制程序錄入后，通過在實驗室測試，測得機器人正常移動速度為2m/min，最小轉(zhuǎn)彎半徑為10cm，超聲波有效測量距離為2m。

通過在實驗室測試發(fā)現(xiàn)，機器人在地面可以穩(wěn)定行走，并且在行走過程中可以有效地躲避前方障礙物，以及可以對周圍環(huán)境進行正常測量，但是機器人爬坡能力和避障能力還有待提高，且機器人控制方法可以進一步優(yōu)化，后續(xù)還可以搭配其他傳感器以及攝像頭模塊，使機器人系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)石油巡檢管線環(huán)境。