無(wú)線遙控的六足機(jī)器人的制作

彭斐 王堅(jiān)慧

【摘要】基于仿生原理，制作可無(wú)線遙控的六足機(jī)器人，采用32路舵機(jī)控制板、高扭矩舵機(jī)MG995實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制；采用PS2無(wú)線手柄實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的無(wú)線遙控。實(shí)驗(yàn)表明，該六足機(jī)器人能在無(wú)線遙控下實(shí)現(xiàn)直線行走或定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，且動(dòng)作具有較好的協(xié)同性。

【關(guān)鍵詞】六足機(jī)器人 舵機(jī) 無(wú)線遙控

多足機(jī)器人是借鑒昆蟲的肢體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)規(guī)律而設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)的輪式、履帶式機(jī)器人，它具有跨越較大障礙、行走平穩(wěn)、復(fù)雜地形條件下行進(jìn)速度快且能耗低等運(yùn)動(dòng)特性[1]。因此，它對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，可替代人類完成很多危險(xiǎn)的作業(yè)，應(yīng)用前景廣泛。

1 控制方案

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人軀干縱向長(zhǎng)214mm，寬200mm，站立時(shí)高110mm，樣機(jī)是以身體縱向中心線為對(duì)稱的近似八邊形外形，六條腿均勻分布身體兩側(cè)，每條腿都有三個(gè)關(guān)節(jié)，共有18個(gè)關(guān)節(jié)，所有關(guān)節(jié)依靠伺服舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，由18個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人每條腿有三個(gè)自由度，前兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相互垂直，后兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相互平行，分別由三個(gè)獨(dú)立的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。后兩個(gè)自由度采用四連桿方式傳動(dòng)。為增加支撐的穩(wěn)定性，六個(gè)足端呈橢圓形分布。對(duì)于每條腿，按照由軀干到足端的順序包括了三個(gè)自由度的傳動(dòng)方式。

1.2 步態(tài)規(guī)劃

采用三角步態(tài)方式實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人行走，向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，左中足、右前足、右后足為一組足保持支撐地面，右中足、左前足、左后足為二組足抬起向前邁步，然后變?yōu)槎M支撐地面，一組足做邁步動(dòng)作，如此循環(huán)交替實(shí)現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)有兩種方式，一種為自轉(zhuǎn)，一種為公轉(zhuǎn)。自轉(zhuǎn)為一組足保持支撐地面，二組足抬起向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)一定角度后落下支撐地面，然后抬起一組足同方向旋轉(zhuǎn)，如此交替實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)方式與前進(jìn)方式大體相同，只是左右兩側(cè)足邁步的距離不同[2]。

2. 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包括舵機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路、無(wú)線遙控電路、供電電路等部分。其中舵機(jī)及其控制電路是控制系統(tǒng)的核心，是影響機(jī)器人整體性能的重要因素。

2.1 舵機(jī)及其控制電路

應(yīng)用于六足仿生機(jī)器人的微型伺服電機(jī)要求具有體積小、重量輕、扭力大的特點(diǎn)，選用 TowerPro-MG995微型伺服電機(jī)作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)元件。微型伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路需要輸出18路相互獨(dú)立的PWM信號(hào)，且信號(hào)電流足夠驅(qū)動(dòng)18個(gè)伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)穩(wěn)定，以便伺服電機(jī)能夠正常工作不產(chǎn)生抖動(dòng)，且結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，物理性能穩(wěn)定。考慮到單個(gè)微處理器無(wú)法提供這么多路PWM輸出，如果用I/O引腳通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)多路PWM輸出，則導(dǎo)致算法復(fù)雜度上升，增加了編程的工作量，且會(huì)使每路舵機(jī)的轉(zhuǎn)角范圍受到限制，因此采用32路舵機(jī)控制器，通過(guò)與主控制器的通信來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的高效控制。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是，可以方便的實(shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，較為輕松的達(dá)到多個(gè)伺服電機(jī)的同時(shí)啟停的控制。使程序的規(guī)模有相當(dāng)大的精簡(jiǎn)，以往需要幾十行的或者更多的程序，通常短短的幾個(gè)控制字符就可以輕易的實(shí)現(xiàn)， 并且控制精度也有相當(dāng)?shù)奶岣撸?程序設(shè)計(jì)者可以把豐富的精力用來(lái)研究機(jī)器人的動(dòng)作規(guī)劃。

2.2 無(wú)線遙控的實(shí)現(xiàn)

采用PS2無(wú)線手柄實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的無(wú)線遙控。PS2無(wú)線手柄與控制器的接口包括同步時(shí)鐘信號(hào)CLOCK、一對(duì)方向相反的串行數(shù)據(jù)DATA和COMMAND、手柄觸發(fā)信號(hào)ATT、應(yīng)答信號(hào)ACK。手柄是以串行方式和控制器進(jìn)行通信，通信時(shí)鐘由CLOCK提供，通信都是8 位串行數(shù)據(jù)最低有效位先行，PS2手柄總線的所有時(shí)碼在時(shí)鐘下降沿都是同步的，數(shù)據(jù)線的邏輯電平在時(shí)鐘下降沿驅(qū)動(dòng)下觸發(fā)改變，數(shù)據(jù)的接收讀取在時(shí)鐘前沿到電平變化之前完成，在被選手柄接收每個(gè)COMMAND信號(hào)之后，手柄需拉低ACK電平在最后一個(gè)時(shí)鐘 [3]。

2.3 電源設(shè)計(jì)

電源部分負(fù)責(zé)給機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件和舵機(jī)供電，在舵機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中為了避免電流波動(dòng)影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，將舵機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)分開供電。考慮到MG995每個(gè)工作電流100mA，18個(gè)電機(jī)工作電流1.8A，采用鋰電池組供電。但是標(biāo)稱6V鎳氫電池組實(shí)際充滿會(huì)在7v左右，而模型用的標(biāo)稱7.4v的鋰離子電池組充滿會(huì)在8.4v左右，因此使用大功率整流橋D25XB80，降壓到6V左右供機(jī)器人使用。

3 調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

在32路舵機(jī)控制器軟件中調(diào)試每一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)實(shí)現(xiàn)速度與角度的控制，生成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作指令代碼，并設(shè)置好PS2手柄按鍵所需執(zhí)行的動(dòng)作組編號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，借助PS2手柄能無(wú)線遙控六足機(jī)器人完成前進(jìn)、后退、左行、右行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)加速、減速、越過(guò)一定高度障礙物等功能。六足機(jī)器人實(shí)物圖如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)無(wú)線遙控的六足機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作，利用32路舵機(jī)控制板、高扭矩舵機(jī)MG995實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制；采用PS2無(wú)線手柄實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的無(wú)線遙控。無(wú)線遙控機(jī)器人在地面穩(wěn)定行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)指定動(dòng)作，且動(dòng)作具有較好的協(xié)同性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]伍立春，王茂森等.基于STM32的六足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制作與自動(dòng)化，2014（5）：150-161.

[2]莊嚴(yán)，宋鳴等.基于51 單片機(jī)的六足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作[J].價(jià)值工程，2013（30）：51-53.

[3]余俊杰，PSX游戲手柄紅燈模式接口協(xié)議研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)（下半月），2015（8）：77-78.

基金項(xiàng)目：2014年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃（2014R450010）