基于傾角傳感器技術的全地形水平運載系統

張 強，趙麗琴，黃 卓，馮靖凱，郭 梁

（中北大學 機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

足式機器人是現代機器人技術發展的前沿，相比于輪式和履帶式機器人，具有更加優良的非結構化環境通過性，對各種地面有很強的適應能力，不易陷入松軟地面里，在這種背景下，多足步行機器人的研究蓬勃發展起來。

1）多足步行機器人的運動軌跡是一系列離散的足印，運動時只需要離散的點接觸地面，對環境的破壞程度也較小；可以在可能到達的地面上選擇最優的支撐點，對崎嶇地形的適應性強。

2）多足步行機器人的腿部具有多個自由度，使運動的靈活性大大增強。

3）多足機器人的的身體與地面是分離的，當機器人需要攜帶物品時，首先將腿部固定，然后精確控制身體在三維空間中的運動，就可以達到對對象進行操作的目的。

另外，在全地形的運動中不可避免會有顛簸狀態，運輸特殊貨物時需要盡可能避免這種現象的發生，因此，本設計是一種能夠實現自動化、高精度的水平調節裝置，采用高精度傾角傳感器采集擺動過程中平板的角度數據，將所采樣的數據轉換成角度反饋給單片機，由此控制步進電機的轉動量來達到一定的輸出，從而控制平板的升降調節來保持平衡。這種自動化的、較高精度的水平調節裝置在生產和生活中會有較為廣泛的應用前景，尤其在國防領域，如導彈的移動發射[8]。

1 六足機器人的設計與制作

1.1 機械部分

參考目前市面上的六腳仿真機器人，我們選用硬鋁合金和亞克力板作為機器人身架的主要材料，這樣機器人既能滿足強度要求，也能滿足輕便性要求。

圖1 機械結構的總立體圖Fig.1 The mechanical structure of stereogram

機器人整體采用對稱式結構，由六只腳和底架（身體）組成。每只腳有3個關節，每個關節處采用舵機連接，所用舵機型號為：MG996R舵機，可在固定平面內旋轉180°。

其中舵機1控制機器人腳前后擺動；舵機2控制機器人上下擺動；舵機3控制機器人內外伸縮。3個舵機配合即可實現機器人腿部在三位平面內的擺動。

圖2 1、2、3分別為三個不同位置的舵機Fig.2 Three different location of the steering gear

機器人身體、腿部均布滿各種鏤空圖案，主要有3點作用：1）減輕機器人重量；2）增加機器人的美觀度；3）作為安裝和定位孔。

機器人采用對稱式結構，主要尺寸大致為：機器人全長：250.0 mm；底架（身體寬）：220.0 mm；機器人身高（正常工作）：170.0 mm；“舵機 1”距“舵機 3”距離：90.0 mm；Leg2 長度：195.0 mm；Leg3長度：390.0 mm。

1.2 舵機及其舵機控制板控制系統

舵機是一個通過輸出軸的轉動來控制物體轉動的裝置。它在特定編碼的驅使下可以轉動到工作范圍內的任意給定位置。因為它的輕便，位置控制簡易且精確，在機器人中使用尤多。多舵機的協調工作可滿足機器人的多自由度要求。舵機可以實現0～180°的旋轉，而舵機的轉動角度控制是由加載在控制線上的脈沖周期完成的，即所謂的脈沖編碼調制。

選用32路舵機控制板QSC32E型，來協調18個舵機的動作。

舵機控制板的使用：

1）在使用控制板前，需給控制板提供4.8～7.5 V的直流電。

降壓二級管“－”接 VSS，舵機板 VSS接高電壓，舵機板“+”接降壓后電壓，降壓二極管是把電池電壓從7.4－8.4整體降壓 6.2～7.2 V。

2）USB調試：①安裝驅動。使用MINI－USB線連接上舵機板，找到相對應WINXP/WIN7_QSC舵機控制器（PL2303）的驅動；②雙擊打開上位機軟件Q－Robot_Servo_Control，如圖3所示。

圖3 上位機軟件界面Fig.3 PCsoftware interface

另外，本機器人通過PS2無線遙控手柄控制其動作組的運行。32路舵機控制板上擴展有PS2控制模塊。

1.3 機器人動作步態規劃和程序編寫

1.3.1 步態介紹

本設計只選取了機器人的三腳，四腳和波動 （五腳）步態，作為設計。設定L1、L2、L3分別是機器人的左前腿、左中腿、左后腿；R1、R2、R3分別是機器人的右前腿、右中腿、右后腿。在編寫行走步態程序前，首先要建立幾個數組，儲存各個舵機標號及初始數據。如下：

1.channelno[18]={0，1，2，3，4，5，6，7，8，31，30，29，28，27，26，25，24 23}；

2.initposi[18]={900，755，785，655，810，820，680，714，920，645，750，715，785，750，755，890，825，815}； //身體水平

3.initposi1[18]={900，655，685，655，710，720，680，614，820，645，850，815，785，850，855，890，925，915}； //抬高身體

4.initposi2[18]={900，855，885，655，910，920，680，814，1020，645，650，615，785，650，655，890，725，715}； //身體下沉

1.3.2 三腳步態

三腳步態，它是六腳機器人行走時，速度最快但也最不穩定的一種步態。它將機器人六只腳分成兩組，L1，L3和R2一組，R1，R3和L2一組。機器人行進時兩組腿交替前擺和著地后撥。在兩組腿交接時，瞬間六條腿同時著地，是為了增強機器人的穩定性。編程序時，將機器人每條腿單周期T分為四個步驟，分別是上抬，前擺，下落，后擺。設定，四個步驟的時間分別為 T1，T2，T3 和 T4（下同）.T1+T2+T3=5T/12（T1，T2，T3 均為 5T/36），T4=7T/12； 機器人行進規則為 R1，L2，R3 一起抬腿，7T/12之后 R2，L3，L1一起抬腿，然后依次循環[2]。 如圖4所示，黑色表示腿著地，白色表示腿騰空。

圖4 運動循環圖Fig.4 Motion cycle chart

另外，還有左右轉，俯臥撐，舞蹈，螃蟹步等行動步態。

1.4 測試與結果分析

左右轉，以左轉為例。在四腳步態基礎上修改而成，只是每一組腳起步時，左腳起腳前邁，而右腳起腳后擺。其順序為：

左腳：抬腿——前擺——下落——后擺

右腳：抬腿——后擺——下落——前擺

此六腳機器人的創新之處：

1）控制方式多樣化，本六腳爬蟲機器人采用無線遙控，還可以外接單片機控制。

2）動作多樣化，設計了多種展示動作，開發者可以直接輸入不同的參數就可以變換機器人的動作，增強了機器人的二次可開發性[6]。

2 水平調節裝置的結構原理和設計

2.1 水平裝置的工作原理

本設計制作一個自動調平的平板控制系統，在平板傾斜的過程中，利用電機控制平板，傾角傳感器測量平板水平方向傾角來確定平板何時達到平衡，主要由以下3大部分組成：

1）水平平板框架（圖5）：包括萬向球形鏈接支架等，起支撐作用，平板位于裝有豎直連桿的支架上；2）檢測系統（圖6）：通過傳感器檢測出平板工作臺的角度變化，指示出不平衡度的大小，并經過一系列的單片機數據處理后，控制步進電機的運轉；3）液壓機構（圖8）：液壓機構通過步進電機的轉動量來達到一定的輸出，在達到平衡狀態時，高壓油管處的舵機開關啟動，關閉高壓通道，鎖存平衡狀態。

圖5 萬向載物臺Fig.5 Universal objective table

2.2 水平裝置的設計

2.2.1 感應區

如前所述，這一部分被用于感應調節載物臺面相對于水平面的傾斜情況。本設計采用高精度雙軸傾角傳感器模塊作為感應區核心元件，該傳感器可以檢測上/下/左/右—4個方向的傾斜角度，檢測范圍是+900。當平板相對于地面有傾斜角度時，與平板相連的傾角傳感器即可檢測出相應的傾斜角度數據，反饋給單片機進行相應的處理[3]。

圖6 SCA100T接口Fig.6 Interface of SCA100T

2.2.2 處理區

檢測模塊中的傾角傳感器將檢測到的傾角數據鏈接到單片機的I/O上，單片機將對應的傾角數據編入程序中，并傳入與驅動模塊相連的I/O串口上[1]。如圖7所示的電路圖。

2.2.3 執行區

從處理區傳出的執行信號進入驅動器后，控制步進電機的轉速與轉動角度，當閥芯向右移動后，舵機開始運行，打開高壓油的開關，高壓油從左側進入油缸，右側的油被壓入油池，導桿右移。由于此液壓機構屬于二階非線性系統，所以采用步進電機1進行反饋后的補償，從而使得系統正確。當檢測到調整平衡時，舵機反轉，關閉高壓油通道，鎖存此時的平衡狀態，在糾偏后使得系統時時調節，保持平衡狀態。它將控制步進電動機的運行，進而控制導桿的升降，以實現載物臺的水平調節[4]。

3 結 論

1）該全地形水平運載機器人的設計采用無線遙控全地形六足步行機器人，控制方式多樣化，而且利用機器人自由度多的特點，設計了多種展示動作，編寫軟件都已成型，開發者可以直接輸入不同的參數就可以變換機器人的動作，增強了機器人的二次可開發性[5]；

圖7 單片機控制電路Fig.7 Single chip microcomputer control circuit

圖8 液壓機構Fig.8 Hydraulic unit

2）自行設計的自動調節水平裝置是通過傾角傳感器測量地面與水平面的傾斜情況，并由單片機和驅動器控制步進電動機的運行，同時，此液壓機構屬于二階非線性系統，所以采用步進電機進行反饋后的補償，從而使得系統正確。這種自動化的、較高精度的水平調節裝置可以實現全地形下的水平運載。

這兩大創新點的結合共同構成全地形水平運載機器人，實現全地形中的行走以及水平運輸的功能。

隨著對多足步行機器人的研究的日益深入和發展，多足步行機器人在速度、穩定性、機動性和對地面的適應能力等方面的性能都將不斷提高，自主化和智能化也將逐步的實現，從而使其能夠在更多特殊環境和場合中使用，因而具有廣闊的應用前景[7]。

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