蔡勝宇　儲(chǔ)澤楠

摘 要：本文以矩形輪腿式的六足機(jī)器人為試驗(yàn)機(jī)器人，以STM32單片機(jī)為主要控制核心，以舵機(jī)控制板為輔助板，利用上位機(jī)編程來編寫六足機(jī)器人的動(dòng)作組，通過PS2手柄發(fā)送命令到單片機(jī)，單片機(jī)控制舵機(jī)板實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作組，后期采用Arduino控制板通過傳感器對(duì)環(huán)境變化的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作組的控制，實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的自動(dòng)化移動(dòng)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合運(yùn)動(dòng);STM32;上位機(jī);PS2;舵機(jī)控制板Arduino

中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）26-0010-04

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人類涉足的范圍盡管不斷增加，但在人類社會(huì)和自然界中還存在一些可能危及我們生命的特殊場(chǎng)合，如深山、發(fā)生災(zāi)難的礦井、救援救助等人類當(dāng)前尚沒有辦法到達(dá)的地方，這些地方的地形具有共同的特點(diǎn)：崎嶇不平和地形不規(guī)則。通過以往的試驗(yàn)可以看出，在比較平坦的路面上，輪式機(jī)器人無論在速度和靈活程度上都有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但在不平坦的路面上，輪式機(jī)器人在能量消耗上更加明顯且靈活程度大大降低。相對(duì)而言，履帶式機(jī)器人在不平坦的地面上更具優(yōu)勢(shì)，但在機(jī)動(dòng)性和平衡性方面存在較大缺陷。與輪式、履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比，在崎嶇路面上步行的機(jī)器人具有更為優(yōu)越的性能。

筆者結(jié)合六足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)和輪式移動(dòng)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了輪腿式復(fù)合機(jī)器人。這種復(fù)合式機(jī)器人通過輪式與足式的不斷變換，不僅可以在平坦的路面上快速行駛，而且能平穩(wěn)地通過崎嶇的地面[1，2]。

1 六足機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇

本項(xiàng)目中需要考慮的主要問題是六足復(fù)合式機(jī)器人的輪腿結(jié)構(gòu)組合方式。現(xiàn)有的輪腿組合方式主要有3種：輪、腿結(jié)合式;輪、腿獨(dú)立式;輪即是腿，腿即是輪式。六足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)有很多，大部分以圓周型和矩形為主。

本項(xiàng)目采用矩形機(jī)械結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。從圖上可以看出，機(jī)器人的輪子和腿相對(duì)獨(dú)立，分別獨(dú)立安裝在機(jī)器人的本體上，當(dāng)腿向某一方向折疊收起時(shí)，輪子就與地面接觸，這時(shí)機(jī)器人就可以做輪式運(yùn)動(dòng);當(dāng)關(guān)節(jié)伸展站立時(shí)，輪子與地面脫離，這時(shí)機(jī)器人可進(jìn)行腿式步行。相對(duì)圓周形機(jī)械結(jié)構(gòu)，矩形機(jī)械結(jié)構(gòu)中六足的平行性恰好滿足了機(jī)器人由足變成輪時(shí)兩組輪子恰好實(shí)現(xiàn)了平行性移動(dòng)的特點(diǎn)。

圖1 六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)三維圖

1.2 控制板的選擇

控制板是整個(gè)六足機(jī)器人的核心。控制板多種多樣，有樹莓派、32單片機(jī)、51單片機(jī)、Arduino控制板等?？紤]到整個(gè)項(xiàng)目對(duì)六足機(jī)器人的智能控制和便捷操作、板子面積及功耗等方面的影響，加上32單片機(jī)有強(qiáng)大的PWM輸出效率、運(yùn)行速度快、內(nèi)存大、強(qiáng)大的工程編程環(huán)境、數(shù)量比較多的IO口，所以選擇32單片機(jī)為主要控制板。

本項(xiàng)目采用STM公司的STM32F103系列的單片機(jī)，該系列的單片機(jī)高性能、低成本、低功耗，具有144個(gè)引腳，給項(xiàng)目提供更多IO的使用，內(nèi)核采用ARM Cortex?-M3微控制器，1μs的雙12位ADC，4Mb/s的UART，18Mb/s的SPI，18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度。

2 六足機(jī)器人的步態(tài)控制

2.1 六足機(jī)器人的三角步態(tài)

六足機(jī)器人步行行走步態(tài)（見圖2）是機(jī)器人研究的重要問題，自然界內(nèi)六足類的動(dòng)物在行走時(shí)，一般六足并不是同時(shí)直線前進(jìn)的，而是像人一樣將三對(duì)足分成兩組，相當(dāng)于人的左右腿，以三角形態(tài)結(jié)構(gòu)交替前進(jìn)。六足動(dòng)物身體左側(cè)的前足、后足及右側(cè)的中足為一組，其他的為一組。在行進(jìn)的過程中，其中一組為支撐組，另一組為運(yùn)動(dòng)組，這時(shí)重心在支撐組。然后，運(yùn)動(dòng)組變?yōu)橹谓M，支撐組變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)組，這樣周而復(fù)始，就可以實(shí)現(xiàn)六足的三角步態(tài)行走[3-5]。

[X][A][B][C][Z][F][E][D][A][B][C][D][E][F][步長(zhǎng)][Y]

圖2 三角步態(tài)示意圖

2.2 舵機(jī)控制核心

六足機(jī)器人足是由18個(gè)舵機(jī)組成的關(guān)節(jié)組合，舵機(jī)控制板可以同時(shí)控制多個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，轉(zhuǎn)動(dòng)角度。上位機(jī)制作是實(shí)現(xiàn)電腦對(duì)舵機(jī)控制板圖形化編程的重要步驟，其能直接明了地實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)舵機(jī)及舵機(jī)動(dòng)作組的編程。

2.3 單片機(jī)對(duì)舵機(jī)控制板的控制步態(tài)

32單片機(jī)對(duì)舵機(jī)控制板是通過串口的通信控制舵機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作或者動(dòng)作組。單片機(jī)和舵機(jī)控制板存在通信協(xié)議，該協(xié)議在波特率為9600的環(huán)境下通信，該協(xié)議的命令由4部分組成，即幀頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、指令、參數(shù)。舵機(jī)板在連續(xù)接收到兩個(gè)0X55的情況下，表示開始接收數(shù)據(jù)，即幀頭。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度就是指令和參數(shù)占用一個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度。

例如，控制舵機(jī)動(dòng)作組的實(shí)現(xiàn)，需要的指令名為CMD _ACTION_GROUP_RUN，可以看出指令值為6，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為5，這里只涉及三個(gè)參數(shù)，格式和控制舵機(jī)命令一樣。參數(shù)1：要運(yùn)行的動(dòng)作組的編號(hào);參數(shù)2：動(dòng)作組要運(yùn)行的次數(shù)低八位;參數(shù)3：動(dòng)作組要運(yùn)行的次數(shù)高八位。

例如，控制2號(hào)動(dòng)作組：幀頭：0X55 0X55;數(shù)據(jù)長(zhǎng)度0X05;指令值：0X06;參數(shù)：0x01 0x02 0x01。

通過通信協(xié)議的建立，控制舵機(jī)動(dòng)作組的不單單是舵機(jī)控制板，32單片機(jī)也可以通過串口通信命令的發(fā)送實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)動(dòng)作及動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。

3 六足機(jī)器人的輪腿轉(zhuǎn)換

3.1 輪腿轉(zhuǎn)換的形態(tài)

由于六足機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)的特點(diǎn)，加上我們使用的是矩形機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此，筆者仿照六輪裝甲車多輪轉(zhuǎn)向的外形，使六足機(jī)器人變形以后呈現(xiàn)出六輪機(jī)動(dòng)車的形態(tài)，同時(shí)使用六足機(jī)器人的多關(guān)節(jié)可活動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)六輪的多轉(zhuǎn)向性，使機(jī)器人更加得靈活。六輪的同時(shí)轉(zhuǎn)向比以往的兩輪轉(zhuǎn)向或者速度轉(zhuǎn)向更加便捷，對(duì)電機(jī)速度的要求降低，且操作起來相對(duì)比較簡(jiǎn)單。六足機(jī)器人的輪式三維圖見圖3。

圖3 六足機(jī)器人的輪式三維圖

3.2 單片機(jī)對(duì)六足機(jī)器人足變輪變形的控制

本項(xiàng)目中，筆者采用32單片機(jī)控制舵機(jī)控制板，采用PS2手柄進(jìn)行手動(dòng)控制。通過PS2手柄發(fā)送命令給32單片機(jī)，然后單片機(jī)把指令發(fā)送給舵機(jī)控制板，舵機(jī)控制板接收到發(fā)送過來的指令后做出相應(yīng)的動(dòng)作組或者動(dòng)作，完成變形任務(wù)。其流程如圖4所示。

PS2由手柄和接收器組成。手柄的接收器由8個(gè)接口組成，分別是DIDAT、DO/CMD、NC、GND、ACK、CS/SEL、CLK和VDD。DIDAT和DO/CMD接口是手柄到主機(jī)和主機(jī)到手柄信號(hào)的流向接口，這個(gè)信號(hào)是一個(gè)8BIT的串行數(shù)據(jù);CS/SEL是手柄的觸發(fā)信號(hào);CLK則是一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，主要用于數(shù)據(jù)的同步;ACK是一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。

在CS觸發(fā)信號(hào)發(fā)生時(shí)，手柄開始進(jìn)入通信狀態(tài)。數(shù)據(jù)（1bit）的發(fā)送與接收是在單片機(jī)時(shí)鐘下降時(shí)完成的，并且是同時(shí)完成的。當(dāng)控制板想要向手柄發(fā)送命令或者讀取命令時(shí)，會(huì)拉低CS的電平，并發(fā)送“0X01”的命令，手柄回復(fù)之后，控制板將發(fā)送“0X42”的請(qǐng)求數(shù)據(jù)的命令，之后手柄就會(huì)發(fā)送“0X5A”命令到單片機(jī)，單片機(jī)就開始接收數(shù)據(jù)。表1為PS2通信各個(gè)數(shù)據(jù)位的意義。

表1 PS2通信各個(gè)數(shù)據(jù)位的意義

[順序 DO DI Bit0、Bit1、Bit2、Bit3、Bit4、Bit5、Bit6、Bit7 0 0X01 idle - 1 0X42 ID - 2 Idle OX5A - 3 WW data SELECT、L3、R3、START、UP、RIGHT、DOWN、LEFT 4 YY data L2、R2、L1、R1、△、○、×、□ 5 idle data PSS_RX（0X00=left、0XFF=right） 6 idle data PSS_RY（0X00=up、0XFF=down） 7 idle data PSS_LX（0X00=left、0XFF=right） 8 idle data PSS_LY（0X00=up、0XFF=down） ]

3.3 輪式形態(tài)的控制

做項(xiàng)目的電機(jī)分類有很多：步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和直流減速電機(jī)。筆者采用的是減速直流電機(jī)。相比而言，直流減速電機(jī)更容易控制，編程簡(jiǎn)單，體積更小，速度控制方面更加準(zhǔn)確?？刂齐姍C(jī)則要用到32單片機(jī)中PWM輸出模式，在32單片機(jī)中，單片機(jī)通過對(duì)時(shí)鐘的控制與寄存器的控制實(shí)現(xiàn)PWM波輸出的控制。簡(jiǎn)單來說，PWM的輸出主要靠控制占空比來實(shí)現(xiàn)PWM波的輸出，從而控制控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

輪式形態(tài)的控制主要是對(duì)舵機(jī)的控制，通過對(duì)舵機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)直行、后退、轉(zhuǎn)彎等多種形態(tài)。由于六足機(jī)器人有18個(gè)關(guān)節(jié)，因此，六足機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)形態(tài)較多。筆者選擇把輪子裝在前后兩組足關(guān)節(jié)的第二個(gè)關(guān)節(jié)上，這樣輪子既不會(huì)阻礙足式移動(dòng)，又能很好地進(jìn)行足輪轉(zhuǎn)換。足輪轉(zhuǎn)換過后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向就會(huì)發(fā)生變化，如圖5和圖6所示。足式機(jī)器人及其俯視圖見圖7和圖8。

[電機(jī)1][電機(jī)2][電機(jī)4][電機(jī)3]

圖5 直行電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向

[電機(jī)1][電機(jī)2][電機(jī)4][電機(jī)3]

圖6 后退電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向

圖7 足式機(jī)器人

圖8 俯視圖

4 六足機(jī)器人智能自控的實(shí)現(xiàn)

4.1 Arduino的應(yīng)用

Arduino是一款與32單片機(jī)相似的控制板，其能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他裝置來反饋、影響環(huán)境。本項(xiàng)目中以Arduino控制板為輔助板，安裝各種傳感器，如聲音傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器。在六足機(jī)器人6個(gè)足的底部安裝紅外傳感器以防止六足機(jī)器人墜落，利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)避障功能。同樣，Arduino控制和32單片機(jī)控制相同，都是通過串口發(fā)送命令給舵機(jī)控制板，舵機(jī)控制板再做出相應(yīng)的動(dòng)作。Arduino命令流程見圖9。

4.2 整體自動(dòng)化的形成

通過傳感器對(duì)環(huán)境變化的感應(yīng)，向Arduino發(fā)送數(shù)字模擬量，Arduino做出相應(yīng)的命令控制舵機(jī)控制板。這樣一來，各個(gè)傳感器的相互配合，Arduino就可以識(shí)別復(fù)雜環(huán)境狀況，使六足機(jī)器人做出相應(yīng)的動(dòng)作來適應(yīng)相應(yīng)的環(huán)境，從而使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目從開始選題到買材料再到制作成品，遇到了許多困難，但在這段時(shí)間內(nèi)，筆者獲益匪淺。從選材料開始，就從各個(gè)方面尋找能用到的機(jī)器人零件、舵機(jī)、舵機(jī)控制板、電機(jī)等，每樣?xùn)|西都考慮再三，為后期制作編程節(jié)約了較多時(shí)間。在設(shè)置PS2手柄時(shí)，使用手柄發(fā)送命令，舵機(jī)卻一直收不到相應(yīng)命令，在不斷調(diào)試和編程的情況下，終于實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能。

但是，該項(xiàng)目的各個(gè)功能還有不足之處，仍需要不斷優(yōu)化，特別是在利用傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制方面，需要進(jìn)一步深入研究。

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