基于多舵機(jī)協(xié)同操作的避障蜘蛛機(jī)器人設(shè)計(jì)

衛(wèi) 馳 宋家賓 黃家盛 尚曉宇 陳健超 / 上海工程技術(shù)大學(xué)

基于多舵機(jī)協(xié)同操作的避障蜘蛛機(jī)器人設(shè)計(jì)

衛(wèi) 馳 宋家賓 黃家盛 尚曉宇 陳健超 / 上海工程技術(shù)大學(xué)

本文針對(duì)多舵機(jī)協(xié)同操作的蜘蛛機(jī)器人設(shè)計(jì)，提出蜘蛛機(jī)器人的行走與避障方案，利用紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)了蜘蛛機(jī)器人的穩(wěn)定行走與避障。

機(jī)器人；傳感器算法；機(jī)械臂控制

引言

隨著科技的進(jìn)步以及人類對(duì)于智能化的需求，智能科學(xué)和機(jī)器視覺成為近些年研究的熱點(diǎn)。機(jī)器人相比于人工操作有著巨大的優(yōu)勢(shì)。首先，機(jī)器人將人類從繁雜的任務(wù)中解放出來(lái)，且機(jī)器人的效率更高，效果更好，成本更低；其次，某些領(lǐng)域的工作可能會(huì)有一定的危險(xiǎn)，使用機(jī)器人可以有效地避免人類受到傷害。

而小型機(jī)器人可以為驗(yàn)證大型機(jī)器人的相關(guān)算法提供平臺(tái)，因此全球各地涌現(xiàn)出了大批機(jī)器人粉，通過(guò)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了很多奇思妙想。而市面上已有的機(jī)器人產(chǎn)品，多為輪式或履帶式機(jī)器人。這兩種類型的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單，但是遇到階梯、沙地等非常規(guī)場(chǎng)地時(shí)，行動(dòng)會(huì)受到極大限制。為此，我們小組在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)蜘蛛運(yùn)動(dòng)的觀察，決定設(shè)計(jì)出一款六足機(jī)器人，并以此機(jī)器人為平臺(tái)，利用紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)蜘蛛機(jī)器人的避障功能。

1.控制方案

蜘蛛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是通過(guò)觀察并模仿蜘蛛行走時(shí)的腿部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，用單片機(jī)輸出特定的 PWM波形傳給18個(gè)舵機(jī)，以實(shí)現(xiàn)蜘蛛機(jī)器人六條腿的相互配合工作使得蜘蛛機(jī)器人的穩(wěn)定行走。控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于IAR Embedded Workbench編程環(huán)境，單片機(jī)使用飛思卡爾公司K64F芯片，程序使用C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

2.行走方案

自然界中，六足昆蟲在行走時(shí)大部分都不是六條腿同時(shí)前進(jìn)，而是將六條腿分為兩組，用穩(wěn)定的三角型支撐結(jié)構(gòu)，互相交替前進(jìn)，其中三角步態(tài)最為常見。蜘蛛在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保持一邊一條腿和另一邊的兩條腿同時(shí)著地，形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，保持身體平衡。

如圖1所示，我們標(biāo)定蜘蛛的左邊三條腿從前到后的順序分別為左一、左二、左三，右邊三條腿從前到后的順序分別為右一、右二、右三。蜘蛛直行時(shí)的腿部運(yùn)動(dòng)為，步驟一：左一、左三、右二下部關(guān)節(jié)向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)抬起，左二、右一、右三支撐身體，左一、左三、右二上部關(guān)節(jié)正向轉(zhuǎn)動(dòng)使腿向前，然后下部關(guān)節(jié)向下轉(zhuǎn)動(dòng)落地；步驟二、左二、右一、右三下部關(guān)節(jié)向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)抬起，左一、左三、右二支撐身體，同時(shí)上部關(guān)節(jié)反向轉(zhuǎn)動(dòng)將蜘蛛身體重心前移，左二、右一、右三下部關(guān)節(jié)向外轉(zhuǎn)動(dòng)落地。，步驟一步驟二如此反復(fù)，依靠上部關(guān)節(jié)前后劃動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)直行過(guò)程；蜘蛛橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)與直行時(shí)抬腿順序一致，依靠中部關(guān)節(jié)左右轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向運(yùn)動(dòng)，模仿了最典型的三角步態(tài)的行走方式，重心低，穩(wěn)定性好。

蜘蛛機(jī)器人的每條腿由三個(gè)舵機(jī)和若干支撐桿組成，一個(gè)蜘蛛機(jī)器人裝有六條腿，每條腿上有3個(gè)舵機(jī)。通過(guò)18個(gè)舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)來(lái)模仿蜘蛛腿的邁動(dòng)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能。蜘蛛機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)示意圖如圖2所示。

圖1

圖2

3.避障方案

我們?cè)跈C(jī)器人四個(gè)方向均安裝一個(gè)紅外傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)避障功能。在這里我們選用了GP2Y0A02YK0F紅外距離測(cè)量傳感器單元，由PSD集成組合(位置敏感探測(cè)器) 、IRED（紅外發(fā)光二極管）和信號(hào)處理電路。各種物體反射利率，對(duì)環(huán)境溫度和運(yùn)行時(shí)間不易受到影響的距離檢測(cè)。由于采用三角測(cè)量方法，該裝置輸出對(duì)應(yīng)的電壓檢測(cè)距離，所以這種傳感器還可以用來(lái)作為接近傳感器。紅外傳感器檢測(cè)到的值與障礙物之間的距離之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3

這里存在一個(gè)問(wèn)題，從曲線上來(lái)看一個(gè)電壓值會(huì)對(duì)應(yīng)兩個(gè)距離值。但由于左半邊的上升曲線斜率過(guò)大，電壓變化速度過(guò)快，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在此段距離內(nèi)采集到的電壓數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定，所以為了避免采集到的電壓數(shù)據(jù)出現(xiàn)在曲線峰值左半邊的情況，在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)只考慮利用曲線峰值的右半邊，通過(guò)簡(jiǎn)單的加減換算，就能將采集到的電壓數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)到唯一的距離上，故當(dāng)返回電壓值大于2v 時(shí)我們可以判斷前方有障礙物，從而讓蜘蛛機(jī)器人進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)。

4.評(píng)測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)調(diào)試，蜘蛛機(jī)器人可以穩(wěn)定的運(yùn)行并完成前進(jìn)后退左右移動(dòng)等動(dòng)作。在前方30cm左右遇到障礙物，可以識(shí)別出前方的障礙物，若左右兩側(cè)無(wú)障礙物，則向左移動(dòng)直到前方無(wú)障礙物繼續(xù)前行，同時(shí)檢測(cè)右側(cè)，直到右側(cè)無(wú)障礙物，向右移動(dòng)回到原定路線繼續(xù)前行。

5.結(jié)論

該蜘蛛機(jī)器人使用飛思卡爾K64F單片機(jī)作為核心控制單元，編寫了蜘蛛機(jī)器人的控制和避障程序，最終實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)。

[1]陳懇等.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]林良明.仿生機(jī)械學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1991，4：21-23.

[3]GP2Y0A02YK0F DATASTEET,2006.

[4]錢晉武.六足步行機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定的必要性與充分性[J].上海科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1992 Voll5 No4:200-203.

[5]蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[6]馬惠欽.昆蟲與仿生學(xué)淺談[J].昆蟲知識(shí).2003，03：12-13.