創意之星機器人運動規劃的研究與實現

尹 祿

（滁州學院 計算機與信息工程學院，安徽 滁州 239000）

創意之星機器人運動規劃的研究與實現

尹 祿

（滁州學院 計算機與信息工程學院，安徽 滁州 239000）

隨著人類探索自然界步伐的不斷加速，對在復雜環境下具有自主移動能力的機器人的需求日趨急切.本研究即是基于創意之星平臺介紹設計和開發的六足爬蟲機器人，在Northstar圖形化的編程環境下，給予六足爬蟲機器人靈魂，讓機器人運動起來，并能通過紅外傳感器進行簡單的路徑規劃和避障.采用該平臺進行機器人教學研究，能夠進一步激發學生的學習興趣、引導學生積極探索和培養創新性思維，同時它也可作為學生參加各類機器人競賽的載體.

創意之星；六足機器人；紅外傳感器；路徑規劃

1 緒論

機器人技術是集機械、電子、計算機、人工智能等眾多領域的先進技術.在機器人相關課程的教學過程中，學生通過組裝機器人系統、檢測調整傳感器等實踐，便于激發學生的興趣，創造性及動手能力[1].目前，機器人教育作為一種提高大學生創新思維、培養大學生創新意識的必要手段得到了大力的發展[2].

2 創意之星機器人

創意之星是面向高校學生的模塊化的機器人套件，可以通過想象，搭建出各種不同類型的機器人，也可實現更為綜合、技術要求更高的機器人功能，如多關節機器人、倒立擺、語音識別、視覺追蹤等.這些部件通過一塊功能強大的MultiFLEX2控制卡連接起來，開發環境支持模塊化的拖拽方式編程，同時也可以采用C語言實現高級編程.

3 六足爬蟲機器人的搭建過程

開始搭建之前需要把所需20個舵機全部恢復到初始狀態.首先將所有舵機每三個或者兩個串聯到一起，此時共有七組舵機組合.然后將七組舵機都連接到控制器上對應的舵機接口，下載初始化程序進行舵機的復位工作.

3.1 搭建機器人的頭部

在頭部中間需搭建紅外測距傳感器并連接到控制器IO接口，在頭部左右兩側安裝兩個紅外接近傳感器，需連接控制器IO接口.頭部搭建完成如圖3-1所示.

圖3-1 機器人的頭部

3.2 連接控制器

由于控制器只有8個舵機接口（0-7），所以需要先將每條腿上三個舵機和頭部兩個舵機串聯在一起，然后再與控制器相連.為了方便編寫程序，兩個紅外接近傳感器（從左至右）分別連接控制器10、11號IO接口，紅外測距傳感器連接控制器7號AD接口.搭建完成的六足爬蟲機器人如圖3-2所示.

圖3-2 六足爬蟲機器人硬件設計圖

4 六足爬蟲機器人的步態規劃設計

步態是指機器人的每條腿按一定的順序和軌跡的運動過程，正是因為這一運動過程實現了機器人的步行運動.目前已知的步態規劃分類有：三角步態、波動步態、自由步態、跟隨步態等.本研究利用三角步態理論，實現六足爬蟲機器人相對穩定的步態規劃設計.六足昆蟲在爬行過程中，將三對足部兩兩分組，以相對穩定的三角形結構維持身體平衡并交替前行.身體左上、左下足及右足組成三角形結構，其余部分為另一三角形結構.當一組三角形結構中三只足部同時抬起時，則另一組的所有足部支撐身體并保持平衡[3].同時由于關節的帶動作用使身體向前運動.同時，重心落在另一組“三角形結構”的三足上.然后再重復前一組的動作，相互輪換重復進行.這種行走方式在任何一個時刻，自身都是平衡的，即使在某個時間點停止行走，也不會翻倒，對于六足爬蟲機器人來說三角步態的行走方式具有很明顯的優勢.

4.1 機器人的前進步態

Step1 六足爬蟲機器人開始運動之前，將左前、左后足以及右足抬起，準備向前移動，另外三足站立支撐保持平衡，確保機器人的重心處于穩定區域內.

Step2 在舵機的驅動控制下，左前、左后足及右足同時落下，由足部關節帶動其余三足向前擺動使機器人整體向前移動一步.

Step3 此時，更換由左前、左后足及右足站立支撐保持平衡，左足及右前、右后組抬起，準備向前移動.

Step4 六足爬蟲機器人的左足及右前、右后足同時落下，使機器人整體向前移動一步.重復執行步態Step1至Step4，實現機器人的不斷向前運動.

4.2 機器人的轉向步態

當機器人在前進過程中，前方遇到障礙物需向左或向右轉向進行避讓.此時待轉一側的足部運動狀態需和前進過程的運動步態完全相反[4].

5 六足爬蟲機器人的避障策略

本文設計的六足爬蟲機器人其特點是具有避障的功能，使用紅外接近傳感器判斷前方是否有障礙物.程序流程如圖5-1所示.

（1）設置三個變量 io0、io1、ad，分別用于獲取左右紅外接近傳感器和紅外測距傳感器的值.

圖5-1 程序流程圖

（2）設置判斷條件，設置 io0==1，io1==1，若條件成立，表示前方沒有障礙物，六足足爬蟲可以前進，可以自定義代碼，手動編寫前進代碼.

（3）當條件不成立時，既 io0==0，io1==0，表示前方有障礙物，六足爬蟲后退，可以自定義代碼，手動編寫后退代碼.再進行判斷障礙物的位置，若io0==0，條件成立時，表示左前方有障礙物，六足爬蟲進行左轉.可以自定義代碼，手動編寫左轉代碼.條件不成立時，表示右前方有障礙物，六足爬蟲進行右轉.可以自定義代碼，手動編寫右轉代碼.

（4）當機器人陷入“死點”即無法脫離的角落，通過傳感器判斷感測障礙物的次數是否超過預期，如果超過預期次數，便進行U型反轉.

6 總結

利用創意之星平臺進行科學研究，開發實踐項目，不僅豐富了實踐教學內容，而且促進相關專業建設的協同發展.以創意之星平臺為載體，進行開放式創新實踐，能夠較好的鍛煉學生動手能力[5].通過自主學習及組裝機器人，可以使課堂講授知識變得更有趣味性，學生主動學習專業知識，從中探索其中的奧秘，大大提高了學生創新意識與能力以及團隊合作能力.

〔1〕李訓栓，金武，等.教學機器人開發過程的實踐與探索-以六足機器人為例[J].教學機器人開發過程的實踐與探索,2016.

〔2〕徐昊.高校機器人教育分析[J].教育探索,2013.

〔3〕漆向軍,陳霖，等.控制六足仿生機器人三角步態的研究[J].計算機仿真,2007,24（04）:158-161.

〔4〕徐小云,于國清，等.微型六足仿生機器人及其三角步態的研究[J].光學精密工程,2002(4):393-396.

〔5〕牛玉艷.創意之星機器人在機電實踐教學中的應用[J].甘肅科技，2015,31（23）:51-52.

TP24

A

1673-260X（2017）09-0039-02

2017-05-05

安徽省滁州學院校級規劃項目（2015GH23）