基于STM32單片機的四足仿生蜘蛛機器人控制系統設計*

鄧江濤，熊中剛，賀曉瑩，李先順，裴春春，覃啟豪，周柳穎，文 琴

（桂林航天工業學院機電工程學院，廣西桂林 541004）

0 引言

由于仿生機器人科技的日益發展，仿生機器人的應用也越來越普遍，不同的仿生機器人也出現在了大家眼前[1-2]。陸地移動機器人根據運動方式的差異，可以分為輪式移動機器人、履帶式移動機器人以及足式移動機器人[3]。相較于輪式移動機器人和履帶式移動機器人，腿足機構具備很高的靈活性，因此足式機器人在自然環境下作業有著巨大的優勢。目前，仿照四足哺乳動物的運動方式，大量的研究團隊開展了對四足機器人的研究。其中，電機驅動四足機器人憑借其控制簡單及維護方便等優勢成為當今研究的熱點。分析目前國內研究發展狀況，四足機器人的發展趨勢逐漸向著小型化、智能化、多用途和自適應的方面發展。1968 年，由美籍GE 公司Ralph Moshe 所設計的在崎嶇地勢下可以協助步兵使用工具的裝置Walking Truck，可以完成足端在2 個方向的旋轉和1 個方向的移動，雖然因為當時的技術設備限制而不具有智能操作，但卻實現了運動的支撐功能。

美國波士頓動力有限公司在Big Dog平臺上，又開發出Cheetah 、Little Dog，其中Cheetah 是當今世界上速度最高的自動化機器人的速度記錄，它的最高速度為47 km∕h。2011 年，日本東京大學開發出了四腳機器人PLGORAS，可模擬神經系統“自主”地完成運動。國內首先開展四足機器人技術研發的是以上海交大馬培蓀博士為首的研發隊伍。其研發了關節式哺乳動物的四腳自動化機器人JTUMM—III，整機具有12 個控制自由度，通過直流伺服電機的帶動，并通過它的足端壓力感應器，以及速度與壓力的綜合控制系統，實現自動化機器人系統的中低速動態運行操作。本文研究的四足仿生蜘蛛是近些年來提出的新式四足機器人，相較于傳統四足機器人增加了避障模塊、平衡模塊、藍牙遙控等各項輔助功能。該四足機器人相較于傳統設計更為靈活，在面對復雜環境的搶險救災、地質勘探等方面有較大的使用前景。在自然界中，蜘蛛的腿部結構最為特殊，可通過較小的力量支撐起龐大的軀干，具有較好的參考價值，故本文采用蜘蛛的腿型結構來設計該四足機器人。

1 系統總體方案設計

所設計的四足機器人實物樣機如圖1 所示。該機器人共有12 個自由度，每條腿上都有3 個旋轉關節，分別稱為轉向關節、髖和膝。其轉向關節都處于機體和腿部之間的連接處，共同承擔著整個腿的向前運動；髖和膝處于后腳的中部和尾部，完成了大腿和小腿之間的屈伸運動功能。該機器人四腳式仿生蜘蛛機器人的系統，根據功能可分為6種模組：開關電源模組、藍牙通信模組、驅動控制器模組、主控模組、避障模組和平衡模組。硬件總體設計框圖如圖2所示。電源模塊通過對鋰電池輸出的電壓實現穩壓和變壓以為整機供電，主控模塊選用STM32 單片機以實現各個模塊之間的串聯，控制驅動控制器模組完成對舵機旋轉方向的控制。避障模塊利用一個超聲波模塊測量與前方障礙物的距離，反饋給主控模塊實現避障功能。機器人搭載的三軸陀螺儀模塊可實時反饋整機的傾角，實現調平功能。其搭載的藍牙通信模塊可以利用移動操控終端實現對智能機器人的無線操控。

圖1 實物展示

圖2 硬件系統設計框架

2 控制系統的硬件設計

2.1 避障模塊

本文選擇HC-SR04 超聲波模組為定距感應器，其測距能力最高可進行2～400 cm 的非接觸式位置感測，定距精度最高能達到3 mm；系統中包含了超聲波發射機、傳感器和控制電路[4]。在整機運行中，如果反饋回的信號顯示與障礙物之間的距離小于預設的安全距離，中央控制模塊就控制蜘蛛一側舵機轉動，實現轉向或緊急停止功能。超聲波模塊的接線如圖3 所示。HC-SR04 超聲波模塊電器參數如表1所示。

圖3 超聲波模塊接線

表1 HC-SR04超聲波模塊電器參數

2.2 驅動系統

機器人驅動控制系統的設計主要包括在STM32 模塊和驅動器模塊間的通信設計以及驅動模塊和運動執行模塊之間的通信設計。STM32 和PCA9685 之 間通過IIC通信協議進行交流 ， 而 PCA9685 和DS3120 型數字操舵裝置之間利用PWM 波進行交流。圖4 所示為不同頻率PWM波所對應的舵機轉動角度。

驅動模塊PCA9685 是一個I2C 總線控制器的16 通道的PWM 波發生器，在各個輸出通道上均有各自的12 個高分辨率固定頻率單獨PWM控制器，該控制器在典型的24～1 526 Hz 的可程序化頻率下工作，占空比從0～100%可調控制。PCA9685 還帶有一個外置時鐘輸入接口，能夠接收用戶所提出的時鐘（最大為50 MHz），以代替原來內置的25 MHz 振蕩器，此功能也可以同步多臺裝置，只占用了主控器的4 個插針，通過I2C 通信協議就能夠驅動16個操舵裝置[5-6]。

（1）PCA9685對PMW脈沖頻率的設置

PCA9685 脈沖輸出信號頻段的覆蓋范圍是40～1 000 Hz，而通常舵機操控所要求的頻段覆蓋范圍是50 Hz。計算公式如下所示：

式中：Pprescal為在頻率選擇寄存器（位置為0XFEH）上輸入的數據；EEXTCIK為控芯片的時鐘頻率；Rrefresh_rate為所希望獲得的PWM脈沖頻率，此處為50。

（2）PCA9685對PMW脈沖寬度的設置

圖4 PWM占空比與舵機轉動角度間的關系

PCA9685 的每個通道中都有4 個輔助寄存器，用來設定12個計數器以進行脈寬調整，分別用來調節從高電平起始到終止的時間，通常把LEDn_ON 設定為0，但是假設脈寬值是Dduty，那么LEDn_OFF的計算公式如下：

（3）運動執行部分

運動執行模塊由12 個數字舵機構成，確定了機器人運動行為準確度的好壞。根據四足機械人輕質化設計原則和質量分布對扭矩控制、振動速度以及整體協調性等的影響，采用DS3120 型數字操舵裝置。該舵機的控制信息為周期是20 ms 的PWM 信息，其脈沖長度為0.5～2.5 ms，對舵機的角度則為0°～180°，其輸入和輸出都是線性關系。操舵裝置總質量為55 g，尺寸40 mm×19 mm×42.9 mm，最大工作轉矩為12 kg∕cm，最大運行電流為3.0～7.0 V。考慮實際需求，在試驗中采用5 V 電流的操舵裝置電源。該型數字操舵裝置可適應工業機器人一般的運動要求。在自動控制器中，作為執行部件，將所接收的電信號轉換成在電機主軸上的角位移或轉動速度輸出。

表2 ds3120伺服電機電機主要參數

2.3 陀螺儀模塊

蜘蛛機器人采用MPU6050 型陀螺儀，是一個六軸運動處理傳感器，可用于測量或維護方位和角速度的設備。它是一個旋轉的圓盤，其中旋轉軸可以不受影響地設定在任何方向。當旋轉發生時，根據角動量守恒定律，該軸的方向不受支架傾斜或旋轉的影響。該陀螺儀還整合了3 軸MEMS 陀螺儀，包括3 軸MEMS 加速度計，此外還有一種可擴充的數位運動信息處理器DMP（DIgital Motion Processor），能夠利用I2C 端口連結某個第三方的數位傳感器，如磁力計；擴展后，就能夠利用其I2C端口，輸出一組六軸信號。MPU6050 對陀螺旋轉儀和加速度計都應用了3 個16 位ADC，使其難計算的模擬量數據轉變為可計算的數據量。為精確追蹤物體快速或者慢的移動，感應器的測量范圍通常都是由用戶控制的。陀螺儀的頻率可測定區域為±250、±500、±1 000、±2 000°∕s，而加速度計可測量區域則為±2g、±4g、±8g、±16g。這樣可減少機器人摔倒的概率，實現保證機器人行走維持穩定的功能。圖5 所示為陀螺儀模塊接線圖。

3 運動步態研究

足式運動的步態是指腿的擺動和支撐運動以及這些運動之間的相對時間關系。不同的步態規則決定了不同的足式運動方式，從而形成了不同的步態形式。

目前對步態的研究主要是為了實現機器人的穩定周期運動。研究的重點是具體的步態規劃方法。傳統步態規劃內容包括足端軌跡規劃，以及協調腿和腿之間運動的相對時間關系，也就是步態時序。其中，足端運動軌跡還包括擺線相軌跡和支撐相軌跡，兩者決定了單個腿的運動特征，而規劃不同的步態時序對應了機器人整體的不同步態形式。

按照平衡方式，四足機器人的步態大致可以分為3種[7-9]。

（1）行走

Walk 運走是一個靜止步態，即在整個跑步過程中始終只有3 個腳處在支撐相，而至多有1 個腳處在擺動相，四足動物在Walk 步態中4 條腿最常見的輪換順序為1→3→4→2→1。

（2）小跑（支撐相和擺動相成對角）

Trot 步態是一個動態步態，特別適合于在中低速奔跑，同時擁有相當大的跑步速率范圍，另一項主要特點則是在中等轉速下的Trot步態擁有最大的運動能量效率。上述特征使得Trot步態為最常見的四足步態。

（3）Gallup∕Run奔跑

在該步態中，整機會有一段騰空的時間，對機器的硬件要求較高。

綜合各方面考慮，本文采用最常見且應用較廣的Trot步態。它的特征為對角一致、兩組相差半周，即對角線上的2條腿為一組，同組內腿運動步調一致，兩腿運動狀態相差半個周期。下面為實際運動中的足跡分布示意。

圖6 步態規劃

4 控制系統的軟件設計

4.1 主程序控制流程

本設計采用KEILμVision5編寫控制程序，其中包括超聲波測距、舵機PWM 的產生和閉環控制、MPU6050模塊和藍牙通信等各個部分的程序設計。控制系統主程序流程如圖7所示。

圖7 控制系統主程序流程

4.2 超聲波模塊程序設計

圖8 所示為超聲波時序圖。由圖可知，如果只需產生一次10μs的脈沖觸發頻率，該系統里面就將產生8 個40 kHz 時間電平，并測試回波。如果測試到了回波信息，將產生響應信息。響應訊號的脈沖頻率和被測量的長度成正比。因此通過發出訊號和接收的響應訊號時間間隔可算出長度[10-11]，距離=高電平時間×聲速（340 m∕s）∕2。

4.3 基于PID調節的MPU6050控制舵機平衡程序設計

為了使整機在面對不同地形時依然能保持平衡并做出相應的精確變化，引入位置式PID計算方法[12-16]：

圖8 超聲波時序圖

式中：e（k）為目標值減控制環境的當前狀態值；Kpe（i）為比例部分P；∑e(k) 為誤差的累加，為積分I；e（k）-e（k-1）為微分D。

PID控制程序如圖9所示。

圖9 PID控制程序

5 實物分析

為測試蜘蛛在不同環境下的平穩性，對其進行數次實驗，圖10所示為蜘蛛運行情況。

圖10 蜘蛛運行情況

圖11 避障數據折線圖

為了能夠更加直觀地看出機器的平穩性，在蜘蛛的背部放置了一個塑料瓶，整個測試過程中塑料瓶一直為屹立不倒的狀態。針對蜘蛛的避障功能，通過測量其產生避障反應到障礙物之間的距離來測試其避障性能。在本次測試中，將蜘蛛放在同一位置啟動，同時在程序中將避障距離調整為30 mm，共進行10次測量，結果如圖11所示。由圖可知，蜘蛛能夠有效避障，且避障距離均穩定在預設距離附近。

6 結束語

本文基于蜘蛛的生物原型，采用單片機作為控制系統核心，設計了一款采用STM32 單片機的四足仿生蜘蛛機器人控制系統。相較于傳統的四足機器人，該系統增加了超聲波避障、藍牙無線控制、陀螺儀自動調平等一系列功能，以單片機為控制核心可以充分發揮其體積小、能耗低的特點。通過軟件仿真和實物制作進行了測試，結果表明：該設計結構合理，四足蜘蛛機器人在通過崎嶇路面、避障、遠程控制等方面均實現了預期功能，證明了其可行性，該設計解決了傳統四足機器人在復雜環境下穩定性較差的問題。結合社會實際需求，四足機器人在面對惡劣的地形時具有極強的適應性，一款穩定的四足機器人控制系統能夠更好地幫助使用者發揮四足機器人的優點。