一 研究目的

人類對(duì)于外太空探險(xiǎn)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(duì)之探險(xiǎn)員，值得深思。近年來(lái)有相當(dāng)多的探討兩足至多足機(jī)器人的在外太空的應(yīng)用，過去兩足機(jī)器人多為轉(zhuǎn)型機(jī)械系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)局限于二維平面，無(wú)法克服許多山區(qū)崎嶇的地形。六足機(jī)器人具有跨障能力，可以克服崎嶇的地形，且機(jī)器人比人類更能承受苛刻的工作環(huán)境，因此可以運(yùn)用在許多危險(xiǎn)的工作，例如火山的研究或其他星球的探測(cè)等。

在國(guó)外已由很多學(xué)者深入探討過可移動(dòng)式機(jī)器人的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。一般的移動(dòng)式機(jī)器人的移動(dòng)方式可分為輪形、足形。在足形移動(dòng)式方面有分為兩足、四足、六足和多足機(jī)器人，另外還有蛇形移動(dòng)機(jī)器人。

無(wú)論在靜止或行走，六足機(jī)器人的移動(dòng)較具靈活性變化，但其步行控制需要有良好的控制與規(guī)劃，六足機(jī)器人較不受地形限制，可四處移動(dòng)是探索未知環(huán)境的一項(xiàng)利器，更是良好的研究題材。

二 系統(tǒng)總體方案

六足仿生機(jī)器人分為機(jī)器人模塊和無(wú)線遙控模塊兩個(gè)大部分。他們的組成框圖如下圖所示。兩個(gè)模塊都是以PIC32單片機(jī)為控制核心，通過在2.8寸的TFT屏上模擬出按鍵控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各種功能。

圖1、六足機(jī)器人模塊

圖2、無(wú)線遙控模塊

三 硬件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人的步態(tài)研究

a．前進(jìn)步態(tài)（黑橢圓代表該腳著底，空心橢圓代表沒著地）

圖3、 初始狀態(tài) 圖4、第一組的三只腳抬起來(lái)

圖5、第一組三只腳前移 圖6、第二組三只腳抬起來(lái)

圖7、第一組的三只腳利用對(duì)地 圖8、第二組的三只腳著地

摩擦力將來(lái)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(duì)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(fù)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的進(jìn)退步態(tài)。

注意：為了讓機(jī)器人能夠直線運(yùn)動(dòng)，必須讓每只腳的前進(jìn)距離必須相同。

b.拐彎步態(tài)

圖10、初始狀態(tài) 圖11、第一組的三只腳抬起來(lái)

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(duì)地的摩擦

地面上，然后第二組的三只腳抬起來(lái) 力使機(jī)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(lái)， 圖15、第二組的三只腳利用對(duì)地

第二組的三只腳著地 的摩擦力使機(jī)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(lái)，第一組的三

只腳著地，然后從圖13開始重復(fù)執(zhí)行

注意：該結(jié)構(gòu)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(shè)置拐彎角度1到255度的任意拐彎。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖20、機(jī)器人的整體

圖21、在舵機(jī)后面裝上軸承，在腳底安裝按鍵用來(lái)檢測(cè)地面信息

圖22、單只腳

圖23、未裝上機(jī)械臂時(shí)

圖24、裝上機(jī)械臂以后

圖25、裝上無(wú)線攝像頭以后

四 軟件設(shè)計(jì)

1. 程序流程圖

圖26、機(jī)器人模塊流程圖

圖27、遙控模塊流程圖

2. 通過程序控制機(jī)器人的與地面的高度

圖17、機(jī)器人腳部控制示意圖

圖17中a為機(jī)器人大腿的長(zhǎng)度，b為機(jī)器人小腿的長(zhǎng)度。H為機(jī)器人跟地面的距離，L為機(jī)器人的第二個(gè)關(guān)節(jié)跟機(jī)器人的腳尖的水平距離。B位控制大腿舵機(jī)的角度，C為控制小腿舵機(jī)的角度。

比如要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與地面的高度H=10cm，機(jī)器人的腳伸長(zhǎng)的水平距離L=8cm。則可以通過調(diào)用求角函數(shù)：qiujiao（8，10）；求出機(jī)器人在該條件下的大腿舵機(jī)角度，和小腿舵機(jī)角度。

讓舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到這個(gè)角度就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的高度跟腳伸長(zhǎng)水平距離的值。在實(shí)際測(cè)量中得知該結(jié)構(gòu)配合這個(gè)算法的誤差小于0.3cm。

求角實(shí)現(xiàn)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(cè)地面信息的判斷：

圖18、按鍵檢測(cè)地面信息流程圖

3. 利用3個(gè)定時(shí)器23個(gè)舵機(jī)控制

舵機(jī)的控制信號(hào)為脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)。周期為20ms。脈沖寬度為0.5～2.5ms相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0～180度，呈線性變化。在控制信號(hào)線提供一定的脈寬脈沖時(shí)，舵機(jī)輸出軸保持在相對(duì)應(yīng)的角度上，單個(gè)舵機(jī)控制型號(hào)如圖1所示。周期T為20ms，其中變化的時(shí)間為t，變化范圍為0.5～2.5ms，每一個(gè)舵機(jī)的控制型號(hào)至少有17.5ms是低電平且不會(huì)變化。

圖19、單個(gè)舵機(jī)控制型號(hào)示意圖

在20ms內(nèi)，首先置控制信號(hào)為高電平，t時(shí)間后取反，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)到t時(shí)間是對(duì)應(yīng)的角度。t時(shí)間后取反，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)到t時(shí)間是對(duì)應(yīng)的角度。t的最大取值為2.5ms（在2.5ms后將控制型號(hào)置成高電平將不會(huì)影響到控制信號(hào)對(duì)舵機(jī)的控制），則在20ms內(nèi)最多可以控制8路信號(hào)（20/2.5=8）。

采用3個(gè)定時(shí)器多舵機(jī)分時(shí)控制的思想，實(shí)現(xiàn)對(duì)23個(gè)舵機(jī)的協(xié)調(diào)控制。將23個(gè)舵機(jī)分成3組。

• 原理圖

圖28、機(jī)器人部分原理圖

圖28為機(jī)器人部分原理圖利用Digilent Cerebot™ 32MX4的JH,JJ和JK的第1，2兩個(gè)IO口共計(jì)18個(gè)IO口控制機(jī)器人腳部的18個(gè)舵機(jī)。用JK拓展口的其他6個(gè)IO口外接按鍵來(lái)檢測(cè)地面信息。6個(gè)發(fā)光二極管用來(lái)指示該腳是否接觸到地面。用JE拓展口的5個(gè)IO口控制機(jī)械臂的5個(gè)舵機(jī)。用JD口的4個(gè)IO口控制A7105無(wú)線模塊，傳輸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖29、無(wú)線遙控部分原理圖

圖29 為無(wú)線遙控部分原理圖，利用Digilent Cerebot™ 32MX4的JD口的4個(gè)IO口控制A7105無(wú)線模塊，傳輸數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。利用JA，JB和JC三個(gè)拓展口控制TFT彩屏液晶。

• 結(jié)束

本設(shè)計(jì)通過以MIPS構(gòu)架的PIC32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)仿生六足機(jī)器人基本步態(tài)控制，使機(jī)器人可按照典型步態(tài)協(xié)調(diào)靈活運(yùn)動(dòng)。該六足機(jī)器人前進(jìn)一步的最大距離是8CM 。一次拐彎的最大角度為30度。機(jī)械臂夾起來(lái)的重物最重為150g左右。無(wú)線攝像頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離達(dá)到200米以上。

實(shí)驗(yàn)表明，按照機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)研究結(jié)果，運(yùn)動(dòng)控制通過算法對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，運(yùn)動(dòng)速度可通過改變舵機(jī)控制脈寬和各腿運(yùn)動(dòng)間隔時(shí)間來(lái)調(diào)整，其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。在實(shí)際運(yùn)用有廣闊的前景。