郗艷華 董群峰 張希 焦振田 謝佳凱

摘要：針對輪式和履帶式機(jī)器人不能到達(dá)一些崎嶇、惡劣的環(huán)境的特點(diǎn)，基于仿生學(xué)角度，設(shè)計(jì)一種能夠在復(fù)雜環(huán)境中行走的蜘蛛機(jī)器人。該機(jī)器人通過無線模塊接收控制端發(fā)出信息，經(jīng)過分析處理后發(fā)出控制信號，從而使機(jī)器人完成各種操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人除了可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、避障躍障等基礎(chǔ)動作以外，還可以通過控制端實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的運(yùn)動速度和方向的實(shí)時控制，具有操作簡單、工作穩(wěn)定、實(shí)時性強(qiáng)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：蜘蛛機(jī)器人；無線模塊；控制

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-3044（2018）16-0182-03

Design and Implementation of a Spider Robot Based on Wireless WiFi

XI Yan-hua， DONG Qun-feng， ZHANG Xi， JIAO Zhen-tian， XIE Jia-kai

（Department of Physics， Xianyang Normal University， Xianyang 712000， China）

Abstract： A intelligent spider robot based on the bionics is designed because the wheeled and tracked robot cant move in some rugged and harsh environment. The robot can receive information sent by control terminal through the wireless module，it can analyse the message and send the control information. The robot can complete a variety of operation. Experiment show that the robot can move forward and backward， turn left， turn right。 obstacle avoidance based action step，the speed and direction of the robot can be achieved by the control. the system is simple， stable， real-time and strong characteristics.

Key words： spider robot； wireless module； control

相比輪式或履帶式機(jī)器人，足式移動機(jī)器人的落足點(diǎn)是離散的，因而它能夠在足尖點(diǎn)可達(dá)范圍內(nèi)靈活調(diào)整行走姿態(tài)，并選擇合理的支撐點(diǎn)，使得機(jī)器人具有更高的行走能力[1]。足式移動機(jī)器人可以在含有巖石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物的崎嶇地形中穩(wěn)定運(yùn)動，并且對復(fù)雜多變的地形具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。因此足式移動機(jī)器人在軍事 國 防、航 空、 航 天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。蜘蛛機(jī)器人是一種基于仿生學(xué)原理研制開發(fā)的仿生六足移動機(jī)器人，它具備前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、避障和躍障等功能外，還可通過控制端實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動速度和方向的控制。

1總體方案

該蜘蛛機(jī)器人系統(tǒng)由無線模塊、微控制器、驅(qū)動部分和電源組成。機(jī)器人基本框架用合金作為關(guān)節(jié)連桿，用舵機(jī)作為關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)各種動作?？刂贫藢⒖刂菩畔⑼ㄟ^無線模塊傳給微控制器，微控制器收到信息后進(jìn)行分析處理，一方面協(xié)調(diào)、控制驅(qū)動部分實(shí)現(xiàn)預(yù)想操作，另一方面將微控制器的信息反饋給控制端。

2單元電路硬件設(shè)計(jì)

2.1微控制器

蜘蛛機(jī)器人要求微處理器能夠在較短的時間內(nèi)完成較為復(fù)雜的動態(tài)控制，即要求微控制器容量大，速度快。因此選用成本低、速度快、性價比高的STM32F103C8T6單片機(jī)，它基于ARM32位的Cortext-M3內(nèi)核生產(chǎn)的，CPU工作頻率最大可達(dá)72MHz，具有64KB的Flash存儲器與20KB 的SRAM存儲器，還集成了如看門狗、定時器、GPIO 口、DMA 控制器、ADC、UART、SPI接口、IIC 接口等片內(nèi)外設(shè)[2]。

2.2無線模塊

無線模塊主要用來實(shí)現(xiàn)控制端對機(jī)器人的遠(yuǎn)距離操控。該模塊采用樂鑫信息科技有限公司開發(fā)ESP8266 芯片作為控制端和機(jī)器人執(zhí)行端無線連接的橋梁[3]。該芯片性 能穩(wěn)定、體積小、成本低、實(shí)用性強(qiáng)，支持完善簡潔高效的AT 指令，提供激活、睡眠和深度睡眠模式三種能耗模式，本設(shè)計(jì)中其工作在Station模式，其部分原理圖如圖1所示。

2.3驅(qū)動及動力部分設(shè)計(jì)

機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動部分使用最多的是MG996R舵機(jī)[4]。它是現(xiàn)有市場上性價比最高的大扭力舵機(jī)之一。產(chǎn)品凈重55g，拉力9.4kg/cm（4.8V），11kg/cm（6V）。該機(jī)器人擁有18個舵機(jī)操控的關(guān)節(jié)，因此需要產(chǎn)生18路控制舵機(jī)的50Hz的PWM控制信號。

PCA9685芯片為16通道12位I2C總線協(xié)議的控制芯片，其頻率范圍在40Hz至1000Hz 的固定頻率的獨(dú)立PWM控制器，占空比在0%到100%之間可調(diào)。因此可用兩片該芯片級聯(lián)來驅(qū)動舵機(jī)。其原理圖如圖2所示。

2.4電源部分設(shè)計(jì)

通常一個舵機(jī)在工作時最大電流為0.3A左右，若18個舵機(jī)同時工作，系統(tǒng)的瞬時電流會達(dá)到6A左右。因此選用7.4V 2200MA 25C的鋰電池組對系統(tǒng)供電。因舵機(jī)工作電壓為6V，因此使用兩個大功率二極管的整流橋使鋰電池電壓降低到6V。STM32 的典型供電電壓是3.3 V， ESP8266模塊的輸入電壓為3.0-3.3V，采用穩(wěn)壓芯片AMS1117將鋰電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，為控制器STM32 及無線模塊ESP8266供電。

3運(yùn)動學(xué)分析

蜘蛛機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析主要由三部分組成：正運(yùn)動學(xué)分析、逆運(yùn)動學(xué)分析及結(jié)構(gòu)分析。正運(yùn)動學(xué)分析分析了機(jī)器人在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的位型參數(shù)。逆運(yùn)動學(xué)分析中分析指出了若要將機(jī)器人運(yùn)行到指定位置需要如何設(shè)置控制參數(shù)。結(jié)構(gòu)分析中分析了機(jī)器人的關(guān)節(jié)與連桿的數(shù)目及關(guān)系，同時計(jì)算了機(jī)器人的自由度。

3.1機(jī)器人站立腿正運(yùn)動分析

對機(jī)器人機(jī)構(gòu)圖建立坐標(biāo)系時，需對地面建立地坐標(biāo)系X-Y-Z，同時需要對每一個關(guān)節(jié)建立自己的坐標(biāo)系x-y-z。涉及到工具軸、機(jī)器人軸設(shè)計(jì)的問題，通常來說有四個參數(shù)：繞z軸旋轉(zhuǎn)的角度θ（自轉(zhuǎn)角），表示在z軸兩條相鄰的公垂線之間的距離d，表示每一條公垂線的長度a（也叫關(guān)節(jié)偏移量），以及表示兩個相鄰的z軸之間的角度α（也叫關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)）[5]。通過這四個元素可以在MATLAB下繪制如圖3所示機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)圖。同時，為了方便分析蜘蛛機(jī)器人的腿部運(yùn)動時在空間的位置情況，繪制出了其中一條站立腿的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示。圖中，Ai表示機(jī)器人站立腿的立足點(diǎn)， Bi表示機(jī)器人機(jī)體與上臂關(guān)節(jié)的連接點(diǎn)li表示第i個連桿的長度其中，l1、l2、l3屬于平面連桿機(jī)構(gòu)，[φi]、[ψi]、χi代表驅(qū)動各個關(guān)節(jié)的位置，εi、δi、θi表示被動關(guān)節(jié)的位置[6]。

圖中，以地面為零水平面，ΣBi則表示固定于臀關(guān)節(jié)Bi同時使其旋轉(zhuǎn)軸線與z軸相互重合的相對坐標(biāo)系。oPAi和oPBi分別為Ai和Bi在零水平面上參考坐標(biāo)系的位置矢量，腳關(guān)節(jié)模型則由三個相互正交的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與兩個連桿l4與l5組成，在實(shí)際當(dāng)中，l4與l5都等于0。蜘蛛機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)中各機(jī)體和連桿與地面間的數(shù)學(xué)描述在此通過坐標(biāo)系來建立。由于三維空間中的位置和方向可以通過齊次變化矩陣來描述，則使用齊次變換來建立其幾何關(guān)系[7]。

對蜘蛛機(jī)器人左下方腳（一般作為三號腳）進(jìn)行分析。首先令ΣBi坐標(biāo)系與Σo坐標(biāo)系重合，繼而從Ai到Bi進(jìn)行平移與旋轉(zhuǎn)變換通過齊次變換得到ΣBi坐標(biāo)系最終的位置與方向，即：

[ΤBi=trans（oxc ， oyc， ozc）×rot（z，εi）×trans（0 ， 0， l5）×trans（l4，0 ， 0， ）×rot（y，εi）×trans（0 ， 0， l3）×rot（y，λi）×trans（0 ， 0， l2）×rot（y，ψi）×trans（0 ， 0， l1）×rot（y，τi2）×rot（z，φi）]

從而得出蜘蛛機(jī)器人臀關(guān)節(jié)正運(yùn)動學(xué)解，即臀關(guān)節(jié)ΣBi的位置與姿態(tài)角是由給定關(guān)節(jié)給定的[8]。同時，上式也能夠間接反映出蜘蛛機(jī)器人機(jī)體的姿態(tài)和位置。

3.2機(jī)器人站立腿逆運(yùn)動分析

逆運(yùn)動是指已知機(jī)器人的位置與姿態(tài)，根據(jù)其位置姿態(tài)計(jì)算機(jī)器人的驅(qū)動關(guān)節(jié)的變量值[9]。由于機(jī)器人的控制并不是一完全正向化操作，需要假定姿態(tài)（預(yù)先設(shè)想需要實(shí)現(xiàn)的姿態(tài)）來設(shè)定其各個關(guān)節(jié)的變量，這也是仿生機(jī)器人區(qū)別于真實(shí)動物的關(guān)鍵。

使用正運(yùn)動的結(jié)果作為逆運(yùn)動的已知條件，根據(jù)矢量與坐標(biāo)的變換關(guān)系，得求出未知驅(qū)動變量，得到t1和t2的最終表達(dá)式

[ψi=2tan-1t1λi=2tan-1t2-2tan-1t2]

3.3自由度

機(jī)器人的自由度指當(dāng)機(jī)器人的執(zhí)行器在空間的移動至各點(diǎn)位置和任意時刻行走姿態(tài)時所需要的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目。有空間機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算公式Kutzbach Grubler：

[M=d（n-g-1）+i=1gfi]

其中，d=6代表運(yùn)動參數(shù)，n代表連桿（總構(gòu)件數(shù)），g代表關(guān)節(jié)數(shù)（運(yùn)動副數(shù)），Pi為各運(yùn)動副自由度數(shù)（第i個關(guān)節(jié)的自由度數(shù)）。蜘蛛機(jī)器人機(jī)構(gòu)特征圖如圖5 所示。

蜘蛛機(jī)器人與地面的接觸點(diǎn)可以看作是球型關(guān)節(jié)其余關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。所以蜘蛛機(jī)器人的運(yùn)動自由度為

[fo=6×（20-24-1）+3×6+1×18=6]

因此該機(jī)器人的機(jī)動性能不僅包括三維平面的三個坐標(biāo)，還能包括三維轉(zhuǎn)動的三個歐拉角。

3.4步態(tài)分析

步態(tài)決定著蜘蛛機(jī)器人的行進(jìn)效率，此蜘蛛機(jī)器人選擇三腳步態(tài)，是“蜘蛛綱”昆蟲最常使用的一種靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)。此種步態(tài)結(jié)構(gòu)利用三角形穩(wěn)定原理，移動模式較簡單，對于步行架構(gòu)的機(jī)器人若是直線行走姿態(tài)較為試用，行進(jìn)中既穩(wěn)定又快速。三角步態(tài)為占地系數(shù)為0.5的波形步態(tài)。蜘蛛機(jī)器人中將六條腿分為兩組，以三角支架結(jié)構(gòu)交替前行，其步態(tài)示意圖如圖6所示。運(yùn)動時需兩組其中的一組三條腿依次交替支撐，從而達(dá)到前進(jìn)的目的。

圖中，（a）圖代表機(jī)器人最初始的位置狀態(tài)，首先令1、3、5號腿不動， 令2、4、6號腿抬起。與地面接觸的1、3、5號腿向后運(yùn)動，同時2、4、6號腿向前運(yùn)動，即為（b）圖中所示動作。而（b）對（a）而言，由于與地面接觸腿的旋轉(zhuǎn)作用，機(jī)器人向前行進(jìn)腿轉(zhuǎn)過的距離。而后，（b） 圖中懸空運(yùn)動的腿落下接觸地面，同時先前接觸地面的腿抬起，兩組運(yùn)動腿之間交換狀態(tài)。以此類推，周期的運(yùn)動下去。由圖中可以看出，機(jī)器人先后前進(jìn)了2S的距離，中間由（c）運(yùn)動到（d）的調(diào)整距離相交于2S可不計(jì)。因此，根據(jù)上述三腳步態(tài)方案，蜘蛛機(jī)器人可以以2s的運(yùn)動周期前進(jìn)。

3.5蜘蛛機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

蜘蛛機(jī)器人在做固定動作時的步態(tài)已寫入舵機(jī)控制板當(dāng)中，其軟件設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是指蜘蛛機(jī)器人如何接受控制信號，并將該信號翻譯為動作信號，并將動作信號傳導(dǎo)至舵機(jī)控制板，選擇合適的動作。具體程序流程圖如圖7所示。

4總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了以STM32為主控芯片能進(jìn)行運(yùn)動速度和方向的無線控制蜘蛛機(jī)器人系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、行走速度快、靈活度高諸多特點(diǎn)。

但該蜘蛛機(jī)器人電源工作時發(fā)熱太快，主要因?yàn)槟Ｐ椭胁牧系脑蚴沟脵C(jī)器人本身太重，導(dǎo)致其工作時電流太大，影響其性能，下一步應(yīng)該考慮其工作電源和制作材料選擇。

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