基于STC 單片機的仿生六足機器人設計*

吳宏岐 ，郭夢宇

(寶雞文理學院電子電氣工程系，陜西 寶雞721007)

在自然界和人類社會中存在一些可能危及人類生命的特殊場合。災難發生礦井、防災救援和反恐斗爭等，對這些危險環境進行不斷地探索和研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學技術發展和人類社會進步的需要。地形不規則和崎嶇不平是這些環境的共同特點。從而使輪式機器人和履帶式機器人的應用受到限制。與輪式、履帶式移動機器人相比，多足步行機器人的腿部具有多個自由度，使其運動的靈活性大大增強。它可以通過調節腿的長度保持身體水平也可以通過調節腿的伸展程度調整重心的位置因此不易翻倒［4］。在這種背景下多足步行機器人的研究非常重要，而仿生步行機器人的出現更加顯示出步行機器人的優勢。

1 六足機器人仿生原理及總體設計方案

1.1 步態仿生原理

六足步行機器人的步態是多樣的，其中三角步態是六足步行機器人實現步行的典型步態［6］。“六足綱”昆蟲步行時，一般不是六足同時直線前進，而是將三對足分成兩組，以三角形支架結構交替前行。目前，大部分六足機器人采用了仿昆蟲的結構，6 條腿分布在身體的兩側，身體左側的前、后足及右側的中足為一組，右側的前、后足和左側的中足為另一組，分別組成兩個三角形支架，依靠大腿前后劃動實現支撐和擺動過程，這就是典型的三角步態行走法，如圖1 所示。

圖1 三角步態

圖1中機器人的髖關節在水平和垂直方向上運動。此時，B、D、F 腳為擺動腳，A、C、E 腳原地不動，只是支撐身體向前。由于身體重心低，容易穩定，所以這種行走方案能得到廣泛運用。

1.2 總體設計方案

1.2.1 主要部件——舵機

本設計采用YZW－Y09G 型舵機圖2 所示，作為六足機器人關節件，該舵機具有重量小、扭力大和定位精確的特點，適用于機器人的制作［5］。舵機主要用作運動方向的控制組件，它有著高力矩、高性能、低價格等優點。當它接收到一個位置指令，它就會運動到制定的位置。因此，許多小型機器人也常用到它來驅動運動的關節。

圖2 舵機圖解

一個舵機內部包括了一個小型直流馬達;一組變速齒輪組;一個可調電位計及一塊電子控制板［7］。其中，高轉速的直流馬達提供了原始動力，帶動減速齒輪組，使之產生高扭力的輸出。一個舵機是一個典型閉回路控制系統，其原理可由圖3 所示。

圖3 舵機控制系統簡圖

減速齒輪組由馬達驅動，其輸出端帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓回授給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產生修正脈沖，并驅動馬達正向或反向地轉動，是齒輪組的輸出位置與設定值相符，令修正脈沖趨近于0，從而達到使馬達精確定位的目的。

舵機有一個三線的接口，分別接電源線、地線及控制線。電源線和地線用于提供舵機內部的直流電機和控制線路所需的能源.電壓通常介于4 V ～6 V，一般取5 V。控制線的輸入是一個寬度可調的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20 ms。如圖4 所示，當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸的角度發生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。

圖4 舵機輸出轉角與脈沖寬度的關系

1.2.2 動力選擇

六足機器人采用了18 個舵機作為關節件，通過之前對舵機的介紹我們知道舵機是由直流電機，減速齒輪組，電位器與相應控制電板組成，舵機里的主要耗電部分就是直流電機。YZW－Y09G 型舵機里的直流電機耗電量相對標準舵機里的要小，但18 個舵機加起來仍然是很大的。YZW－Y09G 型舵機里的電機靜載電流應該在100 mA 至150 mA，而負載時電流會增大到500 mA 至600 mA 之間。這樣18 個舵機的電流需求范圍大概就是2 A 至10 A 左右［8］。

考慮到實際應用，采用電池供電。電池種類有很多，干電池，鉛蓄電池，鋰電池等等。干電池的放電電流小，可以供電一兩個舵機，但多了就不行了。鉛蓄電池可以提供大電流放電，但體積比較大，不適合小型機器人攜帶。本設計采用7.4 V 鋰聚合物電池供電，此電池能夠大電流輸出［9］，并且體積小，便于安放在機器人上。供電時，通過D25XB80 整流橋降壓到6 V 左右，為18 個舵機供電。

1.2.3 材料選擇

制作機器人中，選用PVC 作為肢體材料，PVC主要成分是聚氯乙烯，又叫聚氯乙烯樹脂，PVC 材料在實際使用中經常加入穩定劑、潤滑劑、輔助加工劑、色料、抗沖擊劑及其它添加劑。具有不易燃性、高強度、耐氣侯變化性以及優良的幾何穩定性。加工時采取手工加工的方式，在實驗室就可進行，方便快捷，六足機器人樣機如圖5 所示。

圖5 六足機器人樣機圖片

2 系統硬件設計

2.1 主框圖

本設計以單片機為核心，在計算機上完成步行程序后，通過串口模塊寫入單片機，單片機與舵機控制板進行通信，控制舵機運動，主框圖如圖6 所示。

圖6 設計方框圖

2.2 單片機最小系統

如圖7 所示，采用STC12C5A60S2 型單片機，由宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8 倍～12 倍。內部集成MAX810 專用復位電路，2 路PWM，8 路高速10 bit A/D 轉換，針對電機控制，強干擾場合［3］。

圖7 最小系統原理圖

2.3 電源轉換電路

由于單片機所使用電壓為5 V，需要將鋰電池電源進行降壓。圖8 為降壓穩壓電路:輸入端接電源正極，經過如圖所示的AMS1117－5.0 芯片降壓成5 V 后，供應給單片機。

圖8 降壓穩壓電路原理圖

2.4 舵機控制板

采用AET168P1 舵機控制板，如圖9 所示，從硬件上來看其實也就是一塊單片機開發板，一片單片機加上一些外圍電路。由于將多路舵機控制程序寫入到單片機中，這個外表上看似普通的單片機開發板便有了不一樣的價值。舵機控制板還有個方便之處在于有一套與之相對應的PC 調試軟件，面向用戶界面，使用戶能夠更直觀的操控舵機位移，而且還能把調整出來的動作保存下來，形成連貫的動作組。

圖9 舵機控制板原理圖

主芯片為LPC1114，其核心是Cortex－M0 處理器，是市場上現有的最小、能耗最低、最節能的ARM處理器。輸入電壓為5 V，降壓電路如圖7 所示。另外，為擴大數據存儲量，連接一個AT24C256 型存儲器，容量256 kbyte，便于進行調試與運行。

3 系統軟件設計

3.1 舵機移動指令

指令格式:#(舵機號)P(脈沖寬度)………#(舵機號)P(脈沖寬度)T(移動時間)

舵機號:1 ～24

脈沖寬度:500 μs ～2 500 μs，對應角度0°～180°

移動時間:從現在位置移動到指定位置所需的時間，單位ms，時間越短舵機反應越快，但過快舵機則反應不過來，一般在定在100 ms 以上［10］。

:回車符，指令結束符

3.2 調試與運行過程

調試過程不需要單片機參與，在計算機中裝入舵機控制板的上位機軟件，通過USB 轉TTL 模塊，進行計算機與舵機控制板的直接通信。

編寫單片機程序使用Keil uVision2 軟件，它是現今的主流編譯軟件，本身小巧并且功能強大。燒錄時使用STC－ISP 軟件，將編譯生成的代碼寫入單片機即可。實際運行時，將舵機移動指令以字符串的形勢編寫入程序中，由單片機發送至舵機控制板從而控制各個舵機移動。

4 結束語

本次設計敘述了六足機器人的基本原理及制作方法，給出了一種六足機器人的設計方案。利用單片機程序設計原理，來實現六足機器人的各項功能。調試后，六足機器人可按要求工作，能夠在不平的路面上穩定行走，未出現陷入松軟地面及側翻問題。加裝上紅外遙控裝置后，它可廣應用于探測、運輸、救援等各個領域。

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