六足仿生機器人設計與實現

韓凱

摘要：為解決非結構環境下機器人地形適應性差、運動靈活性低等問題，本文基于仿生學原理設計開發了六足仿生機器人，以飛思卡爾K60處理器為主控芯片，完成了六足機器人的機械結構與控制系統設計，增設多種傳感器模塊，增強機器人的穩定性和自適應能力。

Abstract： In order to solve the problems of poor terrain adaptability and low motion flexibility of robots in unstructured environments， this article designed and developed a six-legged bionic robot based on the principle of bionics， using Freescale K60 processor as the main control chip to complete the mechanical of the six-legged robot Structure and control system design， add a variety of sensor modules to enhance the stability and adaptive ability of the robot.

關鍵詞：單片機;仿生機器人;機械結構;尋跡

Key words： singlechip;bionic robot;mechanical structure;trace

0 ?引言

隨著現代技術的不斷發展，人類對于自然界的探索范圍也日趨擴大，對于某些人類不能進入的地方只能依賴于機器人進行替代。

目前對于陸面機器人的研究成果主要體現在輪式、足式和履帶式機器人上，輪式和履帶式機器人在平面運動上穩定性高，應用較為廣泛，不足之處在于不能應用于崎嶇地形，適應能力較差。相比之下足式機器人具備冗余的機械結構，落足點可以任意離散分布在工作空間，可以適應復雜的非結構地形和不確定環境，提高機器人運動的可靠性。

本文基于仿生學原理，以六足昆蟲為仿生模型，分析其身體結構和運動機理，設計開發六足機器人適用于復雜地形的運動。

1 ?本體結構設計

以六足昆蟲為仿生模型，要求機械結構本體對稱且可靠性高，各機構零件連接可靠易裝配，機器人運動自由度合理分配不存在干涉。

如圖1所示，設計的機器人選用全鋁框架材質，在保持輕量化的同時具備較高強度，整體為似菱形外形，六條腿均勻對稱分布在身體兩側使機器人重心穩定，上頂機蓋預留位置用于傳感器的安裝。

機器人腿部設計如圖2所示，在機器人腿部2膝關節4髖關節和6根關節處安裝舵機進行驅動，每條腿三個自由度，一共安裝有18個舵機。

六足機器人關節的轉動是靠運動副實現的，因此各個關節均設計有軸承。使用軸承可以減小各個關節轉動時的阻力，從而減小機器人的功耗。

2 ?控制系統設計

控制系統要求穩定性強、實用性高、經濟性好，滿足機器人實時控制，預留控制接口以便于二次開發升級。

2.1 硬件設計

機器人的底層控制系統硬件設計如圖3所示。

硬件部分主要包括最小系統模塊、電源模塊、傳感器模塊和運動控制模塊。

最小系統中采用MK60DN512VLL10 為主控芯片，其運算速度快、外部接口豐富且能耗較低，能夠全方位的滿足六足機器人的控制要求。

電源模塊主要為機器人供電，主要包括舵機部分供電和控制器供電，同時考慮電壓需求和運動續航能力。本文設計采用12V、4200mah三芯鋰電池為電源，同時設計降壓模塊，分別提供6V、5V、3.3V供電。

為了實時采集機器人周圍環境信息并進行反饋控制，本文設計表1所示的傳感器模塊。

采用PWM信號對舵機進行控制，由于機器人共需18路PWM信號，因此選用兩片pca9658芯片通過IIC通信來進行擴展，可同時控制32個舵機。

2.2 軟件設計

本文在IAR開發環境下按照分層思想進行了軟件的編寫，軟件整體設計如圖4所示。

以圖5所示視覺傳感器為例，器件型號為OV7725， 工作電壓為DC3V，IIC 總線控制、8 位并行數據傳輸，圖像輸出幀率 0-150（幀/秒）軟件可調，同時可以設置不同的分辨率?？芍苯佑布敵龆祷瘓D像，大大減輕單片機壓力。

機器人在黑白跑道運動時，將左右兩側的黑色像素點取平均值，可以算出機器人偏差，由于機器人的轉向角度是離散的，不需要復雜的PID控制。當其方向偏左，調用向右轉向的動作組即可，方向偏右時同理。

while（1）

{

OV7725_Init（image_bin）;

OV7725_get_img（）; ? ? img_extract（image_bin，img，CAMERA_SIZE）;

imgErr = imgProcess（）;

if（imgErr < -22）

motionCtr（left）;

if（imgErr > 22）

? ?motionCtr（right）;

if（imgErr >= -22 && imgErr <= 22）

? ?motionCtr（forward）;

}

3 ?結論

本文基于仿生學原理，以六足昆蟲為仿生模型，設計開發了六足機器人，完成了本體結構設計，并使用K60對六足機器人的控制系統進行軟硬件設計，編寫了相應的控制程序，增設傳感器提高了機器人的適應能力。

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