基于STM32的全地形六足機器人系統設計

何玉鑫,王瀚翔,包世杰

(南京航空航天大學金城學院,江蘇 南京 211156)

0 引言

國內救援機器人研究相對晚起,但已有不少進展。重點研究包括蛇形機器人,憑借多關節、高靈活性適應各種地形;履帶式機器人具備強大的機動性,適應復雜環境;輪式機器人速度快、穩定。然而,救援機器人仍存在:造價昂貴,控制復雜,搭載視覺探測系統和機械臂二次破壞等問題。未來研究應側重于降低成本,簡化控制系統,減小體積和重量,以適應復雜環境。

1 總體設計方案

六足機器人母體平臺系統設計,如圖1所示。本設計主要分為硬件和軟件兩大部分:硬件主要包括硬件結構設計和結構強度優化;軟件部分主要包括仿生原理、六足步態算法、上位機檢測和App控制。

圖1 六足母體平臺整體設計

1.1 總體硬件結構

對于一個六足機器人搭建,至少需要以下6部分:18個舵機、肢體結構、航模電池、18路驅動控制板等。舵機控制板是機器人的中樞神經,負責協調動作;機器人主控則是大腦,負責處理外界信息、指揮;機器人擴展的傳感器是感官系統,負責接收信息。為實現機器人智能化,需添加主控并添加各種傳感器模塊,形成機器人智能化框架。因此,在搭建六足機器人母體平臺前,需先配好硬件。

1.2 舵機方面

本系統采用數字舵機驅動六足機器人,因為其需要精確的數據控制和信號收發。數字舵機由伺服電機和減速箱組成,擁有微處理器控制電路,可對信號進行預處理,提高控制精度。其伺服電機比直流電機更穩定且能產生固定的絕對角位移。MG90S數字舵機是目前性價比最好的數字金屬齒輪舵機,拉力僅次于14 kg標準舵機?？紤]到舵機性能、六足機器人最大扭矩需求和性價比,本系統選擇了MG90S數字舵機。

1.3 全身機械結構

市場上機架結構材料主要有玻璃纖維、鋁合金、工程塑料和碳纖維。玻璃纖維機架質量更輕,剛度更高,適合輕量化應用;鋁合金成本低、輕量化,但強度不高;工程塑料輕量化,但對火和溶劑敏感,力學性能一般;碳纖維成本高,適合高性能應用。因此,本次選材設計采用成本較低、性能較好的玻璃纖維方案,可以支撐六足機器人的機械足和底盤硬件。

1.4 能源驅動方面

鑒于六足機器人需要使用18路舵機來控制姿態動作,因此在選擇電源時,本系統選擇使用兩塊2 S 220 m 30C規格的航模鋰電池作為六足機器人母體的能源供應,以確保可以提供足夠的電壓和電流帶動六足機器人的18個MG90S舵機以及主控板。

1.5 主控板方面

現主流32位單片機多采用ARM Cortex架構,具有高性能、低功耗、大內存和豐富外設等優點,可滿足本次設計要求。故本系統選用STM32F103C8T6單片機最小系統板,其具備足夠算力、基本功能、小體積,以確保主控板能容納其他部件。

1.6 驅動擴展版

對于六足機器人來說,每條機械足需要3個舵機,六條機械足至少需要18個舵機。而選擇的STM32F103C8T6單片機最小系統板沒有足夠的IO接口來滿足至少18路舵機的控制,所以本系統選擇24路驅動擴展板。該舵機擴展版擁有足夠的IO接口和拓展配置,以確保有足夠的擴展接口驅動六足機器人母體平臺。

2 六足機器人軟件設計

2.1 六足機器人系統總體設計

六足機器人系統軟件設計流程,如圖2所示。在不同的外部環境中采集數據和外界參數,經過數據的處理和分析,利用程序及三角步態算法、轉向步態算法、波浪步態等算法,確保六足機器人在崎嶇不平的道路中能夠保持步態穩定并翻越障礙物,以獲得在多種復雜環境中擁有較強的生存、越障能力。

圖2 六足機器人系統軟件設計流程

2.2 仿生原理分析

本系統采用仿生式六足機器人,又稱蜘蛛機器人,它是一種多足機器人。設計靈感來源于昆蟲的運動原理,足由基節、轉節、腿節、脛節、跗節和前跗節等部分構成。昆蟲的行走方式是以三條腿為一組進行的,即一側的前、后足與另一側的中足為一組,形成三角形支架結構。這種行走方式使昆蟲具有很強的實用性和穩定性。本系統采用六個三自由度機械臂分別控制每條足,從而控制六足機器人的前進、后退、轉向等動作。

2.3 三角步態介紹

機器人的步態是按照一定順序和軌跡運動的過程,實現機器人步行。腿根據規律,輪番完成“提-擺-放”動作,從而使機器人穩定移動。步態周期是所有腿輪番完成一次動作所花費的時間。占地系數是每條腿接觸地面時間和步態周期的比值。當占地系數為0.5時,機器人用兩組腿交替擺動,稱為小跑步態。步幅是重心在步態周期中的平移距離,會影響機器人的速度和穩定性。靜態穩定性要求機器人重心投影始終在三條腿的立足點構成的三角形內。六足機器人采用三角步態,通過兩個三角形支架結構交替前行,實現步態。在此步態下,髖關節在水平和垂直方向上運動,容易保持穩定,因此被廣泛應用。

本系統六足機器人使用的步態如下:(1)三角步態。六足機器人用三支撐腿保持穩定,另三條腿交替前移,形成三角形。移動腿與支撐腿形成新三角形。簡單、穩定,適合平地行走。(2)波浪步態。六足機器人用一支撐腿,其余五條腿按相間順序交替向前移動。移動腿承重,支撐腿不負重。先將一支撐腿前移,移動腿落地后,支撐腿離地。另兩腿前移成為新支撐腿和新移動腿,重復直到到達目標位置。(3)轉向步態。改變六足機器人行進方向,前后腿分別向相反方向移動,形成“V”字。先移動一支撐腿,剩余兩腿左右移動,另兩腿前移成為支撐腿和新移動腿。(4)螃蟹步態。用于橫向移動,前后腿向同一方向移動,形成螃蟹姿勢。向左時,前腿左移,后腿右移;向右時,前腿右移,后腿左移。適用于狹窄空間內。(5)邁步步態。大步幅行走,交替使用支撐腿,形成兩相鄰三角形。移動腿落地后,成為新支撐腿。步幅大,速度受影響。(6)彈跳步態。跳躍行走方式,前三腿向前移動,同時跳躍。重心下落,落地后后三腿為支撐腿,前三腿為移動腿。速度快,能耗大,適用于快速移動場景。

3 六足機器人調試過程

六足機器人母體平臺由于需要步態調試與算法優化,因此需要使用上位機進行步態調試。本系統采用一款GitHub上開源的舵機控制上位機,可以分別編寫各個舵機的參數,并將參數保存并上傳。

為了方便六足機器人的控制,本系統選基于Android架構搭建一款基于Wi-Fi連接的手機App,并將上位機調試的參數導入其中,以實現對六足機器人的步態和方向前進控制。

由于之前黑色大體積的六足機器人在加裝,機械臂、激光雷達、攝像頭后顯得較為臃腫,無法較好地展現六足步態。因此本系統重新構建了一個小型六足機器人,以便更好地展示六足步態和全地形偵察姿態。六足機器人步態展示及全地形偵察,如圖3所示。

圖3 六足機器人步態展示及全地形偵察

4 結語

本文描述了一種基于STM32微控制器的全地形六足機器人系統。該機器人系統能夠在各種地形上行走,包括平坦的地面、石頭、沙灘等。六足機器人的設計旨在提高穩定性、機動性和適應性?？傊?基于STM32的全地形六足機器人系統具有高度靈活的運動性能和較強的適應性,可在各種復雜地形上行走。這種機器人系統在探險、救援和科學研究等領域具有廣泛的應用前景。