六足仿生機器人原理解析及實物設計，包含軟硬件設計

一 研究目的

人類對于外太空探險的欲望從未間斷過，因此，如何在不危害人類生命的前提下，挑選先遣部隊之探險員，值得深思。近年來有相當多的探討兩足至多足機器人的在外太空的應用，過去兩足機器人多為轉型機械系統，其運動局限于二維平面，無法克服許多山區崎嶇的地形。六足機器人具有跨障能力，可以克服崎嶇的地形，且機器人比人類更能承受苛刻的工作環境，因此可以運用在許多危險的工作，例如火山的研究或其他星球的探測等。

在國外已由很多學者深入探討過可移動式機器人的設計與改進。一般的移動式機器人的移動方式可分為輪形、足形。在足形移動式方面有分為兩足、四足、六足和多足機器人，另外還有蛇形移動機器人。

無論在靜止或行走，六足機器人的移動較具靈活性變化，但其步行控制需要有良好的控制與規劃，六足機器人較不受地形限制，可四處移動是探索未知環境的一項利器，更是良好的研究題材。

二 系統總體方案

六足仿生機器人分為機器人模塊和無線遙控模塊兩個大部分。他們的組成框圖如下圖所示。兩個模塊都是以PIC32單片機為控制核心，通過在2.8寸的TFT屏上模擬出按鍵控制機器人實現各種功能。

圖1、六足機器人模塊

圖2、無線遙控模塊

三 硬件設計

3.1 機器人的步態研究

a．前進步態（黑橢圓代表該腳著底，空心橢圓代表沒著地）

圖3、 初始狀態 圖4、第一組的三只腳抬起來

圖5、第一組三只腳前移 圖6、第二組三只腳抬起來

圖7、第一組的三只腳利用對地 圖8、第二組的三只腳著地

摩擦力將來身體前移，第二組的三只腳前移

圖9、第二組的三只腳利用對地摩擦力將身體前移，第一組的三只腳前移，然后從圖4

開始重復執行，實現機器人的進退步態。

注意：為了讓機器人能夠直線運動，必須讓每只腳的前進距離必須相同。

b.拐彎步態

圖10、初始狀態 圖11、第一組的三只腳抬起來

圖12、第一組的三只腳拐彎并踩到 圖13、第一組的三只腳利用對地的摩擦

地面上，然后第二組的三只腳抬起來 力使機器人拐彎一定角度，第二組的三只腳拐一定角度

圖14、第一組的三只腳抬起來， 圖15、第二組的三只腳利用對地

第二組的三只腳著地 的摩擦力使機器人拐彎一定角度，第一組 的三 只腳拐一定角度

圖16、第二組的三只腳抬起來，第一組的三

只腳著地，然后從圖13開始重復執行

注意：該結構每次拐彎的最大角度為30度，拐彎的最小角度為1度。所以通過程序可以設置拐彎角度1到255度的任意拐彎。

3.2結構設計

圖20、機器人的整體

圖21、在舵機后面裝上軸承，在腳底安裝按鍵用來檢測地面信息

圖22、單只腳

圖23、未裝上機械臂時

圖24、裝上機械臂以后

圖25、裝上無線攝像頭以后

四 軟件設計

1. 程序流程圖

圖26、機器人模塊流程圖

圖27、遙控模塊流程圖

2. 通過程序控制機器人的與地面的高度

圖17、機器人腳部控制示意圖

圖17中a為機器人大腿的長度，b為機器人小腿的長度。H為機器人跟地面的距離，L為機器人的第二個關節跟機器人的腳尖的水平距離。B位控制大腿舵機的角度，C為控制小腿舵機的角度。

比如要實現機器人與地面的高度H=10cm，機器人的腳伸長的水平距離L=8cm。則可以通過調用求角函數：qiujiao（8，10）；求出機器人在該條件下的大腿舵機角度，和小腿舵機角度。

讓舵機旋轉到這個角度就可以實現預定的高度跟腳伸長水平距離的值。在實際測量中得知該結構配合這個算法的誤差小于0.3cm。

求角實現程序如下：

void qiu_jiao(float L,float H)

{

float a=6,b=10,c,B1,B2;

L=L-3;

H=H;

c=sqrt(H*H+L*L);

B2=acos(H/c);

B1=acos((a*a+c*c-b*b)/(2*a*c));

B=B1+B2;

B=180*B/3.141592;

C=acos((a*a+b*b-c*c)/(2*a*b));

C=180*C/3.141592;

}

下圖為腳底按鍵檢測地面信息的判斷：

圖18、按鍵檢測地面信息流程圖

3. 利用3個定時器23個舵機控制

舵機的控制信號為脈寬調制（PWM）信號。周期為20ms。脈沖寬度為0.5～2.5ms相對應舵盤的位置為0～180度，呈線性變化。在控制信號線提供一定的脈寬脈沖時，舵機輸出軸保持在相對應的角度上，單個舵機控制型號如圖1所示。周期T為20ms，其中變化的時間為t，變化范圍為0.5～2.5ms，每一個舵機的控制型號至少有17.5ms是低電平且不會變化。

圖19、單個舵機控制型號示意圖

在20ms內，首先置控制信號為高電平，t時間后取反，舵機轉軸將轉到t時間是對應的角度。t時間后取反，舵機轉軸將轉到t時間是對應的角度。t的最大取值為2.5ms（在2.5ms后將控制型號置成高電平將不會影響到控制信號對舵機的控制），則在20ms內最多可以控制8路信號（20/2.5=8）。

采用3個定時器多舵機分時控制的思想，實現對23個舵機的協調控制。將23個舵機分成3組。

• 原理圖

圖28、機器人部分原理圖

圖28為機器人部分原理圖利用Digilent Cerebot™ 32MX4的JH,JJ和JK的第1，2兩個IO口共計18個IO口控制機器人腳部的18個舵機。用JK拓展口的其他6個IO口外接按鍵來檢測地面信息。6個發光二極管用來指示該腳是否接觸到地面。用JE拓展口的5個IO口控制機械臂的5個舵機。用JD口的4個IO口控制A7105無線模塊，傳輸數據實現遠程控制。

圖29、無線遙控部分原理圖

圖29 為無線遙控部分原理圖，利用Digilent Cerebot™ 32MX4的JD口的4個IO口控制A7105無線模塊，傳輸數據實現遠程控制。利用JA，JB和JC三個拓展口控制TFT彩屏液晶。

• 結束

本設計通過以MIPS構架的PIC32單片機實現對仿生六足機器人基本步態控制，使機器人可按照典型步態協調靈活運動。該六足機器人前進一步的最大距離是8CM 。一次拐彎的最大角度為30度。機械臂夾起來的重物最重為150g左右。無線攝像頭數據傳輸的最遠距離達到200米以上。

實驗表明，按照機器人運動步態研究結果，運動控制通過算法對機器人運動進行控制，運動速度可通過改變舵機控制脈寬和各腿運動間隔時間來調整，其運動平穩。在實際運用有廣闊的前景。