摘 要： 介紹了一款基于單片機(jī)控制的六足仿生蟑螂機(jī)器人。該機(jī)器人在外形和足部結(jié)構(gòu)上仿生蟑螂，六足均勻分布于身體兩側(cè)，每足給出了3個(gè)自由度；機(jī)器人的步態(tài)采用經(jīng)典的三足步態(tài)法；該運(yùn)動(dòng)控制器由STC12C5A60S2單片機(jī)和舵機(jī)組成，采用多舵機(jī)分時(shí)控制的方法，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)按所設(shè)計(jì)的步態(tài)規(guī)劃進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作；同時(shí)添加了語(yǔ)音模塊，機(jī)器人能在預(yù)定程序下隨音樂進(jìn)行舞蹈動(dòng)作。
關(guān)鍵詞： 六足仿生機(jī)器人；三足步態(tài)法；STC12C5A60S2單片機(jī)；舵機(jī)
0 引言
仿生學(xué)是20世紀(jì)60年代初誕生的一門集生物科學(xué)和工程技術(shù)于一體的邊緣學(xué)科，主要通過學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及控制機(jī)制，來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的或創(chuàng)造新的機(jī)械、儀器、建筑和工藝過程[1]。蟑螂運(yùn)動(dòng)靈活穩(wěn)定，對(duì)地形適應(yīng)能力強(qiáng)，是仿生的熱點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的六足仿生爬蟲機(jī)器人，其外形及其機(jī)械結(jié)構(gòu)參考蟑螂的特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)控制器由STC12C5A60S2單片機(jī)和舵機(jī)組成，采用多舵機(jī)分時(shí)控制，能夠按照指令要求正確切換功能并且完成相應(yīng)動(dòng)作。
1 機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
仿生蟑螂六足機(jī)器人由軀體和足兩個(gè)基本部分組成，足和軀體的配置采用正相對(duì)稱分布。基于自然界中絕大部分蟑螂的軀體都呈近似長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，因此軀體設(shè)計(jì)成以身體縱向中心線為對(duì)稱軸的多邊形，且長(zhǎng)與寬之比約為3：1，材料選用高強(qiáng)度且質(zhì)量較輕的鋁合金。6條腿均勻分布于身體兩側(cè)，腿形參考蟑螂足部結(jié)構(gòu)，4個(gè)關(guān)節(jié)分別為髖關(guān)節(jié)、大腿、小腿和踝關(guān)節(jié)，其中前3個(gè)關(guān)節(jié)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)之間的連桿分別稱為基節(jié)、股節(jié)和脛節(jié)[2]。3個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖1中黑點(diǎn)所示，關(guān)節(jié)間連接構(gòu)件采用性能良好的合成塑料代替鋁合金，進(jìn)一步降低了整機(jī)的重量，又增加了整機(jī)機(jī)構(gòu)的靈活度。系統(tǒng)通過控制相應(yīng)關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)18個(gè)自由度的靈活運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)步行足在可達(dá)區(qū)域內(nèi)任意自由定位。
2 步態(tài)規(guī)劃
六足仿生機(jī)器人通常采用典型的交替三角形步態(tài)[3]進(jìn)行直線行走，即將身體兩側(cè)的6條腿分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。身體左側(cè)的前、后足及右側(cè)的中足為一組，右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個(gè)三角形支架。當(dāng)一組三角形支架中所有的足同時(shí)提起時(shí)，另一組三角形支架的3只足原地不動(dòng)支撐身體，接著重心前移，并以中足為支點(diǎn)向前移動(dòng)，同時(shí)機(jī)體的重心落在另一組三角形支架的3只足上，然后再重復(fù)前一組的動(dòng)作，以此交替運(yùn)動(dòng)使機(jī)體前行。
在所設(shè)計(jì)的步行機(jī)器人尾部左右兩端分別安裝兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制位于自己對(duì)應(yīng)側(cè)的前腿和后腿，兩腿中間用鉸鏈相連，使得兩腿擺動(dòng)方向一致。中間兩條腿采用第三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可驅(qū)動(dòng)中間兩條腿同時(shí)沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)20°~30°。當(dāng)機(jī)器人從休息狀態(tài)開始向前直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人中間兩腿不轉(zhuǎn)動(dòng)方向，前腿和后腿同時(shí)向后移動(dòng)，從而使機(jī)器人向前移動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，第三驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中間兩腿沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度（20°~30°），從而使機(jī)器人向右側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)機(jī)器人的重量由右側(cè)前腿、右側(cè)后腿和左側(cè)中間腿支撐，左側(cè)前腿和左側(cè)后腿向前移動(dòng)。同理，當(dāng)驅(qū)動(dòng)中間兩腿沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度（20°~30°）時(shí)，機(jī)器人向左移動(dòng)。
3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 STC12C5A60S2芯片介紹
STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8~12倍；內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 k/s），針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。STC12C5A60S2系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)片上系統(tǒng)。
3.2 直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊
受機(jī)器人的框架材料影響，機(jī)器人本身的重量大，所以對(duì)直流電機(jī)的力矩要求就很高，本文選用了力矩大約為5 kg/cm的25GR-370直流減速電機(jī)。在測(cè)試過程中，該電機(jī)性能穩(wěn)定，輸出力矩也達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。
直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用ST公司的L298N芯片，可以直接驅(qū)動(dòng)兩路46 V、2 A以下的直流電機(jī)，可以方便地控制直流電機(jī)速度和方向，也可以控制兩相步進(jìn)電機(jī)。本模塊應(yīng)用了光耦芯片TLP521-4隔離控制信號(hào)與L298橋式驅(qū)動(dòng)部分電路的電氣連接，控制信號(hào)為低電平時(shí)導(dǎo)通光耦驅(qū)動(dòng)L298工作，控制信號(hào)可以直接接單片機(jī)I/O口，杜絕了單片機(jī)不能驅(qū)動(dòng)光耦的現(xiàn)象；輸入控制信號(hào)與L298橋式驅(qū)動(dòng)部分分開布地，嚴(yán)格單點(diǎn)共地。以上兩個(gè)措施最大限度地減小了強(qiáng)電部分對(duì)控制電路部分的影響，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
L298N型驅(qū)動(dòng)器的電路連接圖如圖2所示。
L298有邏輯電源和動(dòng)力電源兩路電源，圖中6 V為邏輯電源，由J4接入，12 V為動(dòng)力電源，由J6接入；J1與J2分別為單片機(jī)控制兩個(gè)電機(jī)的輸入端；J3與J5分別與兩個(gè)電機(jī)的正負(fù)極相連；ENA與ENB直接接入6 V邏輯電源，使兩個(gè)電機(jī)時(shí)刻都工作在使能狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中使用的電機(jī)是線圈式的，在從運(yùn)行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)或從順時(shí)針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時(shí)針狀態(tài)時(shí)會(huì)形成很大的反向電流，因此在電路中加入二極管進(jìn)行泄流，保護(hù)芯片的安全。
3.3 舵機(jī)
舵機(jī)即伺服馬達(dá)，是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。這里選用的是Power HD 1501MG型舵機(jī)，這款舵機(jī)的力矩比較大，達(dá)到了17 kg/cm，完全滿足小型簡(jiǎn)易機(jī)器人的需求。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸入線分別為控制信號(hào)線、電源線以及地線，3根線需連接準(zhǔn)確，否則會(huì)損害單片機(jī)可控板。
舵機(jī)的控制利用的是周期為20 ms的PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)，其脈沖寬度為0.5 ms~2.5 ms，分別對(duì)應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)角為-90°~+90°，如圖3所示。控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓進(jìn)行比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。使用單片機(jī)控制舵機(jī)，多是利用定時(shí)器和中斷的方式來(lái)完成控制[4]。
本文所設(shè)計(jì)的仿生爬蟲機(jī)器人共用了18個(gè)舵機(jī)，其連接方式參考了蟑螂的足部結(jié)構(gòu)，舵機(jī)連接位置為圖1中的黑色圓點(diǎn)處。
3.4 語(yǔ)音模塊
語(yǔ)音模塊采用華仕通訊推出的新一代語(yǔ)音模塊HSTAMFP，內(nèi)部采用華邦工業(yè)級(jí)語(yǔ)音芯片，功放采用美國(guó)進(jìn)口數(shù)字式功放，全部是昂貴的IC，從而設(shè)計(jì)出大功率、高品質(zhì)的語(yǔ)音模塊，支持6~20k動(dòng)態(tài)采樣，動(dòng)態(tài)加載不同采樣率音頻文件不需要改動(dòng)外部時(shí)鐘。數(shù)字功放是迄今為止最好的功放，不用散熱片就能達(dá)到高功率輸出，其效率極高，是常用的OTL功放的4~5倍。
4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
4.1 編譯軟件及芯片添加
采用了C語(yǔ)言編寫，并在Keil uVision2開發(fā)環(huán)境下編譯、調(diào)試。開發(fā)界面如圖4所示。
由于Keil uVision2是一款國(guó)外軟件，而所使用的STC12C5A60S2芯片是國(guó)產(chǎn)的，在Keil uVision2的芯片數(shù)據(jù)庫(kù)里沒有，因此需在Keil uVision2中添加國(guó)產(chǎn)的STC系列芯片才能進(jìn)行編譯。
4.2 程序設(shè)計(jì)思路
采用定時(shí)器和中斷的方式來(lái)完成對(duì)18個(gè)舵機(jī)的分時(shí)控制。由于舵機(jī)信號(hào)周期T為20 ms，信號(hào)的脈沖寬度為0.5~2.5 ms，因此在一個(gè)周期內(nèi)最多可以控制8路信號(hào)（20 ms/2.5 ms=8）。將18個(gè)舵機(jī)分成3組，定時(shí)器0控制舵機(jī)1~6，定時(shí)器1控制舵機(jī)7~12，定時(shí)器2控制舵機(jī)13~18。先預(yù)裝高電平時(shí)間長(zhǎng)度，啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)觸發(fā)中斷，電平拉低并重裝低電平時(shí)間長(zhǎng)度。舵機(jī)控制程序流程圖如圖5所示。
4.3 舵機(jī)控制器軟件
對(duì)機(jī)器人舞蹈動(dòng)作的控制，本文采用的是32路舵機(jī)控制器軟件，其工作界面如圖6所示。
該軟件可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)舵機(jī)的直接控制，其使用方法如下：電腦插上藍(lán)牙，打開軟件界面，選擇好藍(lán)牙com口和波特率，點(diǎn)擊界面最下方的“導(dǎo)入”、“導(dǎo)入完整值”，選擇編譯好的舵機(jī)控制文檔，并點(diǎn)擊“恢復(fù)初始位置”，打開機(jī)器人上的電源開關(guān)，點(diǎn)擊軟件界面“聯(lián)機(jī)”，當(dāng)界面閃爍顯示“on line”之后再次點(diǎn)擊“恢復(fù)初始位置”，最后點(diǎn)擊“運(yùn)行”即可，機(jī)器人即按照預(yù)定程序自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的舞蹈動(dòng)作。
5 結(jié)論
本文所設(shè)計(jì)的六足仿生蟑螂機(jī)器人樣機(jī)長(zhǎng)約16 cm，寬約6 cm，高約3 cm，重量約4.3 kg，外形如圖7所示。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行行走實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明該樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)直線行走及左、右拐彎等，還可隨音樂按既定程序?qū)崿F(xiàn)跳舞功能。
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