《電子技術(shù)應(yīng)用》
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六足仿生蟑螂機(jī)器人設(shè)計
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第6期
劉美華1,文應(yīng)基2,,蒲宏輝2
(1.湖南工程學(xué)院 工程訓(xùn)練中心,,湖南 湘潭 411101; 2.湖南工程學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,,湖南 湘潭 411101)
摘要: 介紹了一款基于單片機(jī)控制的六足仿生蟑螂機(jī)器人。該機(jī)器人在外形和足部結(jié)構(gòu)上仿生蟑螂,六足均勻分布于身體兩側(cè),,每足給出了3個自由度;機(jī)器人的步態(tài)采用經(jīng)典的三足步態(tài)法,;該運(yùn)動控制器由STC12C5A60S2單片機(jī)和舵機(jī)組成,,采用多舵機(jī)分時控制的方法,機(jī)器人能實現(xiàn)按所設(shè)計的步態(tài)規(guī)劃進(jìn)行前進(jìn),、后退,、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作,;同時添加了語音模塊,,機(jī)器人能在預(yù)定程序下隨音樂進(jìn)行舞蹈動作。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 介紹了一款基于單片機(jī)控制的六足仿生蟑螂機(jī)器人,。該機(jī)器人在外形和足部結(jié)構(gòu)上仿生蟑螂,,六足均勻分布于身體兩側(cè),每足給出了3個自由度,;機(jī)器人的步態(tài)采用經(jīng)典的三足步態(tài)法,;該運(yùn)動控制器由STC12C5A60S2單片機(jī)舵機(jī)組成,采用多舵機(jī)分時控制的方法,,機(jī)器人能實現(xiàn)按所設(shè)計的步態(tài)規(guī)劃進(jìn)行前進(jìn),、后退、左轉(zhuǎn),、右轉(zhuǎn)等動作,;同時添加了語音模塊,機(jī)器人能在預(yù)定程序下隨音樂進(jìn)行舞蹈動作,。

  關(guān)鍵詞六足仿生機(jī)器人,;三足步態(tài)法,;STC12C5A60S2單片機(jī);舵機(jī)

0 引言

  仿生學(xué)是20世紀(jì)60年代初誕生的一門集生物科學(xué)和工程技術(shù)于一體的邊緣學(xué)科,,主要通過學(xué)習(xí),、模仿、復(fù)制和再造生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),、功能,、工作原理及控制機(jī)制,來改進(jìn)現(xiàn)有的或創(chuàng)造新的機(jī)械,、儀器,、建筑和工藝過程[1]。蟑螂運(yùn)動靈活穩(wěn)定,,對地形適應(yīng)能力強(qiáng),,是仿生的熱點(diǎn)。本文所設(shè)計的六足仿生爬蟲機(jī)器人,,其外形及其機(jī)械結(jié)構(gòu)參考蟑螂的特點(diǎn),,運(yùn)動控制器由STC12C5A60S2單片機(jī)和舵機(jī)組成,采用多舵機(jī)分時控制,,能夠按照指令要求正確切換功能并且完成相應(yīng)動作,。

1 機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計

  仿生蟑螂六足機(jī)器人由軀體和足兩個基本部分組成,足和軀體的配置采用正相對稱分布,?;谧匀唤缰薪^大部分蟑螂的軀體都呈近似長方形結(jié)構(gòu),因此軀體設(shè)計成以身體縱向中心線為對稱軸的多邊形,,且長與寬之比約為3:1,,材料選用高強(qiáng)度且質(zhì)量較輕的鋁合金。6條腿均勻分布于身體兩側(cè),,腿形參考蟑螂足部結(jié)構(gòu),,4個關(guān)節(jié)分別為髖關(guān)節(jié)、大腿,、小腿和踝關(guān)節(jié),,其中前3個關(guān)節(jié)為驅(qū)動關(guān)節(jié),各關(guān)節(jié)之間的連桿分別稱為基節(jié),、股節(jié)和脛節(jié)[2],。3個驅(qū)動關(guān)節(jié)均由伺服電機(jī)驅(qū)動,如圖1中黑點(diǎn)所示,,關(guān)節(jié)間連接構(gòu)件采用性能良好的合成塑料代替鋁合金,,進(jìn)一步降低了整機(jī)的重量,又增加了整機(jī)機(jī)構(gòu)的靈活度,。系統(tǒng)通過控制相應(yīng)關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的運(yùn)動,,使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)18個自由度的靈活運(yùn)動,,能夠?qū)崿F(xiàn)步行足在可達(dá)區(qū)域內(nèi)任意自由定位。

  2 步態(tài)規(guī)劃

  六足仿生機(jī)器人通常采用典型的交替三角形步態(tài)[3]進(jìn)行直線行走,,即將身體兩側(cè)的6條腿分成兩組,,以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。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,,分別組成兩個三角形支架。當(dāng)一組三角形支架中所有的足同時提起時,,另一組三角形支架的3只足原地不動支撐身體,,接著重心前移,并以中足為支點(diǎn)向前移動,,同時機(jī)體的重心落在另一組三角形支架的3只足上,,然后再重復(fù)前一組的動作,以此交替運(yùn)動使機(jī)體前行,。

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  在所設(shè)計的步行機(jī)器人尾部左右兩端分別安裝兩個驅(qū)動電機(jī),,每個驅(qū)動電機(jī)控制位于自己對應(yīng)側(cè)的前腿和后腿,兩腿中間用鉸鏈相連,,使得兩腿擺動方向一致,。中間兩條腿采用第三個驅(qū)動電機(jī),可驅(qū)動中間兩條腿同時沿順時針或逆時針方向轉(zhuǎn)動20°~30°,。當(dāng)機(jī)器人從休息狀態(tài)開始向前直線運(yùn)動時,,機(jī)器人中間兩腿不轉(zhuǎn)動方向,前腿和后腿同時向后移動,,從而使機(jī)器人向前移動,。當(dāng)機(jī)器人向右運(yùn)動時,第三驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動中間兩腿沿順時針方向轉(zhuǎn)動一定角度(20°~30°),,從而使機(jī)器人向右側(cè)轉(zhuǎn)動,,這時機(jī)器人的重量由右側(cè)前腿、右側(cè)后腿和左側(cè)中間腿支撐,,左側(cè)前腿和左側(cè)后腿向前移動,。同理,當(dāng)驅(qū)動中間兩腿沿逆時針方向轉(zhuǎn)動一定角度(20°~30°)時,,機(jī)器人向左移動,。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

  3.1 STC12C5A60S2芯片介紹

  STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/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),。其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,,但速度快8~12倍,;內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250 k/s),,針對電機(jī)控制,強(qiáng)干擾場合,。STC12C5A60S2系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊,,可稱得上一個片上系統(tǒng)。

  3.2 直流電機(jī)及其驅(qū)動模塊

  受機(jī)器人的框架材料影響,,機(jī)器人本身的重量大,,所以對直流電機(jī)的力矩要求就很高,本文選用了力矩大約為5 kg/cm的25GR-370直流減速電機(jī),。在測試過程中,,該電機(jī)性能穩(wěn)定,輸出力矩也達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求,。

  直流電機(jī)驅(qū)動模塊采用ST公司的L298N芯片,,可以直接驅(qū)動兩路46 V、2 A以下的直流電機(jī),,可以方便地控制直流電機(jī)速度和方向,,也可以控制兩相步進(jìn)電機(jī)。本模塊應(yīng)用了光耦芯片TLP521-4隔離控制信號與L298橋式驅(qū)動部分電路的電氣連接,,控制信號為低電平時導(dǎo)通光耦驅(qū)動L298工作,,控制信號可以直接接單片機(jī)I/O口,杜絕了單片機(jī)不能驅(qū)動光耦的現(xiàn)象,;輸入控制信號與L298橋式驅(qū)動部分分開布地,,嚴(yán)格單點(diǎn)共地。以上兩個措施最大限度地減小了強(qiáng)電部分對控制電路部分的影響,,保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,。

  L298N型驅(qū)動器的電路連接圖如圖2所示。

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  L298有邏輯電源和動力電源兩路電源,,圖中6 V為邏輯電源,,由J4接入,12 V為動力電源,,由J6接入,;J1與J2分別為單片機(jī)控制兩個電機(jī)的輸入端;J3與J5分別與兩個電機(jī)的正負(fù)極相連,;ENA與ENB直接接入6 V邏輯電源,,使兩個電機(jī)時刻都工作在使能狀態(tài)。本設(shè)計中使用的電機(jī)是線圈式的,在從運(yùn)行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)或從順時針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時針狀態(tài)時會形成很大的反向電流,,因此在電路中加入二極管進(jìn)行泄流,,保護(hù)芯片的安全。

  3.3 舵機(jī)

  舵機(jī)即伺服馬達(dá),,是一種位置(角度)伺服的驅(qū)動器,,適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。這里選用的是Power HD 1501MG型舵機(jī),,這款舵機(jī)的力矩比較大,,達(dá)到了17 kg/cm,完全滿足小型簡易機(jī)器人的需求,。舵機(jī)驅(qū)動模塊的輸入線分別為控制信號線,、電源線以及地線,3根線需連接準(zhǔn)確,,否則會損害單片機(jī)可控板,。

  舵機(jī)的控制利用的是周期為20 ms的PWM(脈寬調(diào)制)信號,,其脈沖寬度為0.5 ms~2.5 ms,,分別對應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)角為-90°~+90°,如圖3所示,??刂菩盘栍山邮諜C(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片,獲得直流偏置電壓,。舵機(jī)內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路,,產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號,,將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓進(jìn)行比較,,獲得電壓差輸出。最后,,電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn),。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時,通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn),,使得電壓差為0,,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。使用單片機(jī)控制舵機(jī),,多是利用定時器和中斷的方式來完成控制[4],。

  本文所設(shè)計的仿生爬蟲機(jī)器人共用了18個舵機(jī),其連接方式參考了蟑螂的足部結(jié)構(gòu),,舵機(jī)連接位置為圖1中的黑色圓點(diǎn)處,。

  3.4 語音模塊

  語音模塊采用華仕通訊推出的新一代語音模塊HSTAMFP,內(nèi)部采用華邦工業(yè)級語音芯片,,功放采用美國進(jìn)口數(shù)字式功放,,全部是昂貴的IC,,從而設(shè)計出大功率、高品質(zhì)的語音模塊,,支持6~20k動態(tài)采樣,,動態(tài)加載不同采樣率音頻文件不需要改動外部時鐘。數(shù)字功放是迄今為止最好的功放,,不用散熱片就能達(dá)到高功率輸出,,其效率極高,是常用的OTL功放的4~5倍,。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

  4.1 編譯軟件及芯片添加

  采用了C語言編寫,,并在Keil uVision2開發(fā)環(huán)境下編譯、調(diào)試,。開發(fā)界面如圖4所示,。

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  由于Keil uVision2是一款國外軟件,而所使用的STC12C5A60S2芯片是國產(chǎn)的,,在Keil uVision2的芯片數(shù)據(jù)庫里沒有,,因此需在Keil uVision2中添加國產(chǎn)的STC系列芯片才能進(jìn)行編譯。

  4.2 程序設(shè)計思路

  采用定時器和中斷的方式來完成對18個舵機(jī)的分時控制,。由于舵機(jī)信號周期T為20 ms,,信號的脈沖寬度為0.5~2.5 ms,因此在一個周期內(nèi)最多可以控制8路信號(20 ms/2.5 ms=8),。將18個舵機(jī)分成3組,,定時器0控制舵機(jī)1~6,定時器1控制舵機(jī)7~12,,定時器2控制舵機(jī)13~18,。先預(yù)裝高電平時間長度,啟動定時器,,當(dāng)計數(shù)溢出時觸發(fā)中斷,,電平拉低并重裝低電平時間長度。舵機(jī)控制程序流程圖如圖5所示,。

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  4.3 舵機(jī)控制器軟件

  對機(jī)器人舞蹈動作的控制,,本文采用的是32路舵機(jī)控制器軟件,其工作界面如圖6所示,。

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  該軟件可實現(xiàn)上位機(jī)對舵機(jī)的直接控制,,其使用方法如下:電腦插上藍(lán)牙,打開軟件界面,,選擇好藍(lán)牙com口和波特率,,點(diǎn)擊界面最下方的“導(dǎo)入”、“導(dǎo)入完整值”,選擇編譯好的舵機(jī)控制文檔,,并點(diǎn)擊“恢復(fù)初始位置”,,打開機(jī)器人上的電源開關(guān),點(diǎn)擊軟件界面“聯(lián)機(jī)”,,當(dāng)界面閃爍顯示“on line”之后再次點(diǎn)擊“恢復(fù)初始位置”,,最后點(diǎn)擊“運(yùn)行”即可,機(jī)器人即按照預(yù)定程序自動執(zhí)行相應(yīng)的舞蹈動作,。

5 結(jié)論

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  本文所設(shè)計的六足仿生蟑螂機(jī)器人樣機(jī)長約16 cm,,寬約6 cm,高約3 cm,,重量約4.3 kg,,外形如圖7所示。對樣機(jī)進(jìn)行行走實驗,,其結(jié)果表明該樣機(jī)可實現(xiàn)直線行走及左,、右拐彎等,還可隨音樂按既定程序?qū)崿F(xiàn)跳舞功能,。

參考文獻(xiàn)

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