基于單片機(jī)的六足仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)

韓根源 張凱 李文軒 何鑫

摘要：設(shè)計(jì)了基于STC5l單片機(jī)為主控芯片的六足仿生機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人的行走是學(xué)習(xí)了穩(wěn)定性最好的三角步態(tài)方式進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)計(jì)其構(gòu)造框架和軟件程序，使用單片機(jī)控制18路舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。通過紅外傳感器結(jié)合單片機(jī)控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障功能。實(shí)驗(yàn)表明 51單片機(jī)對(duì)六足機(jī)器人進(jìn)行控制是完全可行的，程序設(shè)計(jì)與硬件構(gòu)造合理。

關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人;51 單片機(jī);舵機(jī);PWM

中圖分類號(hào)：Q811;TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-9129（2020）13-0056-01

在現(xiàn)實(shí)生活中經(jīng)常存在一些我們無(wú)法到達(dá)的地方以及有可能有危險(xiǎn)的場(chǎng)合。例如：地震搶險(xiǎn)救災(zāi)，洪水救援和礦洞坍塌等，如何在這些危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行救援和研已是當(dāng)今社會(huì)以及科學(xué)研究的重要話題。這些環(huán)境幾乎都擁有不規(guī)則的地形使在以往的輪式移動(dòng)方式變得不再適合行駛，所以履帶式機(jī)器人從此誕生，但它在不規(guī)則地面上的行駛?cè)匀缓懿钜约爱a(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械晃動(dòng)，這將會(huì)導(dǎo)致機(jī)器變得容易損壞和大大縮短其壽命。而與這些移動(dòng)工具相比六足機(jī)器人在不規(guī)則的地形中具有良好的穩(wěn)定性。隨著單片機(jī)的日益進(jìn)步，六足機(jī)器人的研究迅速發(fā)展起來(lái)。

1系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框架主要是由單片機(jī)最小系統(tǒng)、pvc材料板構(gòu)成的主體支架、遠(yuǎn)程藍(lán)牙控制設(shè)備組成。其中單片機(jī)負(fù)責(zé)收發(fā)和處理數(shù)據(jù)。機(jī)器人主體則接受單片機(jī)發(fā)送的命令并做出相應(yīng)的動(dòng)作。遠(yuǎn)程控制設(shè)備則是手機(jī)上下載的藍(lán)牙助手，用來(lái)在手機(jī)上給仿生機(jī)器人發(fā)送命令。

1.1外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)器人主體實(shí)物由單片機(jī)開發(fā)板、18路舵機(jī)六足、紅外避障系統(tǒng)、藍(lán)牙模塊和電池模塊組成。其中單片機(jī)開發(fā)板作為機(jī)器人的信息處理核心，具有非常重要的作用。18路舵機(jī)六足給機(jī)器人的移動(dòng)提供了基礎(chǔ)條件。藍(lán)牙模塊相當(dāng)于機(jī)器人的眼睛和耳朵，負(fù)責(zé)接收信息。電池模塊相當(dāng)于機(jī)器人的“食物”，為機(jī)器人提供源源不斷的動(dòng)力。六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部件為對(duì)稱的六腳螞蟻腿結(jié)構(gòu)，機(jī)器人整體長(zhǎng)：13.5 cm;寬：9 cm;高：4 cm;機(jī)器人載重平臺(tái)高：10 cm。單足長(zhǎng)度為：寬13cm;完全伸展?fàn)顟B(tài)下足長(zhǎng)：13cm。每一個(gè)腳均裝有三個(gè)數(shù)字舵機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)高度靈活的運(yùn)動(dòng)控制。

1.2控制邏輯設(shè)計(jì)。控制邏輯可劃分為3個(gè)主要部分，分別是單片機(jī)最小系統(tǒng)接收與處理;紅外避障傳感器的中斷處理;藍(lán)牙模塊的遠(yuǎn)程無(wú)線串口通信。單片機(jī)最小系統(tǒng)通過讀取接受的數(shù)據(jù)，來(lái)控制機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作。紅外避障傳感器模塊通過發(fā)送紅外線來(lái)得知前方是否有障礙物，如果存在障礙也就是說(shuō)紅外線被發(fā)射回來(lái)，則避障模塊向最小系統(tǒng)傳送有效電平，最小系統(tǒng)收到信號(hào)后則控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出pwm信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)向，最終以達(dá)到避障的目標(biāo)。方向控制指令的接收與處理模塊用的是用藍(lán)牙技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在手機(jī)上下載并安裝藍(lán)牙串口助手APP，然后打開手機(jī)藍(lán)牙，最后編輯按鈕名稱和發(fā)送的命令。然后點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，藍(lán)牙助手給最小系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的指令，機(jī)器人做出相應(yīng)的動(dòng)作。機(jī)器人的行動(dòng)可以根據(jù)控制程序設(shè)定好的行動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，也可以通過藍(lán)牙串口助手發(fā)送預(yù)設(shè)的指令來(lái)進(jìn)行人工控制。

1.3機(jī)器人控制核心程序。在機(jī)器人的控制程序中收集了完成各種動(dòng)作的過程中各個(gè)舵機(jī)的角度數(shù)據(jù)，通過將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)來(lái)對(duì)對(duì)應(yīng)的舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這些封裝好的數(shù)據(jù)可以支持機(jī)器人自動(dòng)移動(dòng)以及人工控制移動(dòng)。程序還在移動(dòng)過程 中通過感應(yīng)模塊檢測(cè)移動(dòng)路徑是否可行，如果會(huì)發(fā)生意外就會(huì)及時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，阻止進(jìn)一步的行動(dòng)或者改變路徑。

1.4藍(lán)牙控制設(shè)備設(shè)計(jì)。藍(lán)牙控制設(shè)備設(shè)計(jì)是通過手機(jī)端的一個(gè)app來(lái)完成的。使用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與手機(jī)端的通信，可以在機(jī)器人附近通過手機(jī)進(jìn)行遙控。給動(dòng)作組的數(shù)據(jù)編號(hào)，當(dāng)藍(lán)牙模塊收到手機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)會(huì)改變產(chǎn)生PWM信號(hào)函數(shù)的參數(shù)，改變現(xiàn)在正在進(jìn)行的動(dòng)作。

2功能實(shí)現(xiàn)方案

六足機(jī)器人步態(tài)設(shè)計(jì)分為前進(jìn)、后退、左平行、右平行步態(tài)設(shè)計(jì)與旋轉(zhuǎn)步態(tài)設(shè)計(jì)。其中步態(tài)設(shè)計(jì)為三角行走步態(tài)，在所有六足機(jī)器人步態(tài)中三角步態(tài)具有很高的穩(wěn)定性，也是行走速度最快是我一種其它步態(tài)或多或少無(wú)法解決機(jī)器人的搖擺問題，但三角步態(tài)可以使機(jī)器人的重心始終不變，從而避免了搖晃問題。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1六足步態(tài)測(cè)試。機(jī)器人步態(tài)的穩(wěn)定性測(cè)試內(nèi)容分為前進(jìn)步態(tài)測(cè)試、旋轉(zhuǎn)步態(tài)測(cè)試和避障步態(tài)測(cè)試，在帶有格子線的地面上測(cè)試，待機(jī)器人行走5M后，測(cè)試偏移距離。

3.2自動(dòng)避障測(cè)試。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室搭建了模仿自然環(huán)境的小型模擬室來(lái)測(cè)試機(jī)器人的自動(dòng)避障能力。將機(jī)器人放入模擬室內(nèi)并調(diào)節(jié)六足機(jī)器人為自動(dòng)駕駛模式，模擬時(shí)主要觀察機(jī)器人的碰撞情況和行走流暢度，為了更好地模仿自然環(huán)境我們使用了海綿路面來(lái)測(cè)試機(jī)器人的穩(wěn)定性，經(jīng)過一系列測(cè)試證明在一些輪式機(jī)器人無(wú)法行走的路面上，六足機(jī)器人具有很好的適應(yīng)性。

4結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)充分利用單片機(jī)最小系統(tǒng)及藍(lán)牙串口與紅外測(cè)距各自的優(yōu)勢(shì)，基于51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了能前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、站立、下蹲、自動(dòng)避障的六足仿生機(jī)器人。該機(jī)器人是以STC89C51單片機(jī)為控制基礎(chǔ)，采用舵機(jī)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)，該系統(tǒng)還采用了舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板來(lái)間接驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，使單片機(jī)只需在舵機(jī)改變角度時(shí)發(fā)送命令即可，大大的提高了舵機(jī)的控制效率。并安裝了紅外避障模塊，實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)駕駛防撞功能：當(dāng)紅外裝置感應(yīng)到前方存在障礙使，就會(huì)向單片機(jī)發(fā)送有效電平，單片機(jī)接受后會(huì)控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板從而間接驅(qū)動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行左轉(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎從而避開障礙物繼續(xù)前行。其核心代碼的大小也控制在51單片機(jī)能接受存儲(chǔ)的范圍內(nèi)并實(shí)現(xiàn)了所有功能。整個(gè)設(shè)備擁有電路簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、穩(wěn)定性強(qiáng)以及優(yōu)秀的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]牟海軍. C語(yǔ)言進(jìn)階重點(diǎn)、難點(diǎn)與疑點(diǎn)解析，機(jī)械工業(yè)出版社，2012年，17-22.