四足仿生機器狗行走步姿控制

李金林 彭軍發 翁劍鵬 何金松 鄭譽煌

摘 要：文章從仿生學出發，設計出了一款基于STM32的四足機器狗，模擬了犬類的行走姿態。控制器主要以STM32為核心，它接收到來自上位機軟件所發出的舵機指令，再利用芯片產生的9路標準脈寬型控制協議控制機器狗的每個關節運動，從而實現相應的運動步態。

關鍵詞：STM32；機器狗；舵機

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）28-0034-02

Abstract： Based on bionics， this paper designs a quadruped robot dog based on STM32， and simulates the walking posture of dogs. The controller mainly takes STM32 as the core， which receives the steering gear instruction from the upper computer software， then uses the 9 channels standard pulse width control protocol produced by the chip to control each joint movement of the robot dog， thus realizing the corresponding walking posture.

Keywords： STM32； robot dog； steering gear

1 概述

目前，在研究領域中，移動機器人平臺的開發處于一個較活躍而且重要的地位。從移動方式的不同，大致可把移動機器人分為兩種。一種是滾輪式機器人，另一種是足式機器人。特別是四足機器人具有行走效率高的特點。本文以模擬犬類的四足機器人為研究對象，研究了四足仿生機器狗行走步姿控制問題[1]。本機器人以STM32為核心控制芯片[2]，以舵機為動力源，能為四足機器人平穩運動提供可靠的保障。

2 四足仿生狗運動結構

文中的四足仿生機器狗采用了如圖1所示的結構。整體由4條腿，外加1個頭部構成。每條腿有2個關節，分別由2個伺服電機配合法蘭盤等結構件鏈接組成；加上頭部，全體即共有伺服舵機9個。機器人的左右腿呈對稱結構，前腿分布較后腿寬些，增大腳掌爬行時與運動平面的接觸面積，從而增大抓地力，也提高了機器狗整體的平衡性。由各條腿的2號舵機協同工作進行機器人在整體上面的移動，由1號舵機來調節各動作時的姿勢，使其穩定運作。由控制器協調各個舵機按特定方向轉動特定的角度，停定在預設的位置；或者通過事先設置好相應的姿勢，利用各姿勢的時間差區別開來，巧妙地將每個姿勢兩兩相連形成一連串的仿生動作。該四足機械狗結構能夠滿足自然界中大部分四足生物的各種爬行動作和姿態[3]。

3 四足仿生機器狗的控制電路

主控電路、通信電路和電源電路構成控制系統的三大組成部分。

主控電路的核心是STM32F103VET6，它通過響應PC端和遙控端的信號，控制機器人上9個舵機的工作。

PC端通過USB線連接到主控制器中的USBRT接口，然后進行上位機操作產生代碼數據，數據傳輸至與USBRT相連接的RS232總線驅動和接收器MAX3232上，并由其將STM32異步通信口的TTL電平轉換為RS232電平，從而達到兩者通訊的目的。

遙控端是采用2.4GHz頻段的無線通信方式與控制板之間連接。用戶可以通過上位機自定義遙控手柄按鍵的功能，從而實現對應的功能。

電源為機器人各部分運作提供了所需的能量。由于電流波動往往會促使機器人運行不穩定，為了提高整體運行效率，本文的控制系統和舵機驅動采用分立供電的方式。機器人使用的舵機是ToWerPro MG996R大扭力舵機，工作電壓范圍在4.8～6.6V；STM32芯片工作電壓范圍在2.0～3.6V。外電路部分使用了AMS1117-3.3降壓穩壓器模塊，其作用是為芯片工作提供3.3V的穩定電源。外電路是采用一個7.4V的航模電池作為整個機器人的供電電源。

4 四足仿生機器狗的行走步姿控制

步姿控制分為兩步：單步姿設計、多步姿組合。

利用STM32上位機對機器狗的9個舵機分別控制。上位機最多可以對32個舵機進行控制，本文只需控制9個舵機。上位機模擬舵機分布圖，如圖2所示。每個舵機控制面板內設有拉條，每一個拉條控制對應輸出端上的舵機在120度內轉動，往左拉舵機逆時針旋轉，往右拉舵機順時針旋轉，每拉動一格舵機拉條便舵機轉動一個固定角度，也可輸入值，例如五號舵機圖3，利用軟件的儲存功能對機器狗一個動作每一個姿態中九個舵機的不同角度進行存儲，完成機器狗單步姿的設計。再通過每個不同姿態的舵機位串聯在一起就能實現機器狗的多步姿組合。

5 結束語

本文實現了基于STM32芯片控制的四足機器狗，它可在地面正常爬行并按照自編排的姿態完成一系列連貫動作，在運動過程中較為穩定，并且芯片對于各舵機的旋轉角度的控制也較為精準。該四足機器仿生狗擁有外設擴展功能強大，體積小的優點。下一步將改進機械結構，優化程序設計。

參考文獻：

[1]陳德明.四足仿生機器人運動控制系統的設計與實現[D].西北工業大學，2007.

[2]范甜甜，俞志偉，楊屹巍，等.基于STM32F103VET6的四足機器人控制系統設計[J].機械與電子，2012（12）：53-55.

[3]孫立寧，王鵬飛，黃博.四足仿生機器人嵌入式多關節伺服控制器的研究[J].機器人，2005，27（6）：517-520.

[4]張建，尹學愛.攻擊型四足仿生輪式機器人設計[J].科技創新應用，2017（33）：39-41.

[5]王睿.基于Arduino的視覺四足步行機器人的研究[J].科技創新應用，2016（10）：71.