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 薛英娟，李光亞

 （中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西  太原  030051）

摘要：針對野外復(fù)雜環(huán)境，結(jié)合腿足式行走和輪式行走機器人的優(yōu)點，設(shè)計了一套足輪組合式探測機器人的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了腿足模式和輪式模式的切換。通過分析“六足綱”昆蟲各腿的協(xié)調(diào)關(guān)系，提出了六足機器人的三角步態(tài)行走法，并在此基礎(chǔ)上對足輪組合運動模式進(jìn)行了分析，建立了足輪組合式機器人的運動模型和控制理論。設(shè)計的機器人能夠完成實時環(huán)境視頻采集，在四輪模式下的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，六足模式下的前進(jìn)、后退、左橫行、右橫行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，以及機器人的跟蹤定位等功能。

關(guān)鍵詞：探測機器人；足輪組合；三角步態(tài)中圖分類號：TP242.6

0引言

 隨著電子技術(shù)的發(fā)展和普及應(yīng)用，社會發(fā)展對電子技術(shù)的要求越來越高，這也為機器人能夠更好運用于無人區(qū)代替人工作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

 與傳統(tǒng)的探測機器人相比，足輪組合式機器人在爬越坡面、跨越障礙和壕溝以及在碎石路面上行走方面具有很大的通過性，在平地行走時也有很高的速度。因此足輪組合式野外探測機器人具有一定的推廣應(yīng)用價值。本文設(shè)計了一種具有野外探測功能的機器人系統(tǒng)，通過本項目的研究，可以建立機器人的運動模型、仿真模型和控制理論。

1六足機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

  機器人采用六足型，在機身前、中、后兩側(cè)分別安裝一對足，分別稱為前足、中足和后足，如圖1所示；在其下面加裝小車底盤（兩個驅(qū)動輪和兩個轉(zhuǎn)向輪），構(gòu)成了本項目所用的機器人結(jié)構(gòu)。

  機器人的六足與機械手一共有20個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)安裝一個舵機，采用專用舵機驅(qū)動器驅(qū)動�？刂齐娐钒褰邮諄碜孕盘柧�的控制信號，控制電機轉(zhuǎn)動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而到達(dá)目標(biāo)。

 機器人有兩個驅(qū)動輪，每個車輪安裝一個自帶測速編碼器的直流減速電機，提供較低的轉(zhuǎn)速和較大的力矩。

2足式步行運動設(shè)計

 仿生式六足機器人借鑒了自然界“六足綱”昆蟲的運動原理，行走時，同側(cè)的前足和后足以及另一側(cè)的中足做為一組足，另外三組做為另一組足，每組足都構(gòu)成三角形狀的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。當(dāng)一組足支撐地面并向后蹬時，另一組足抬起并做好替換前一組足的準(zhǔn)備。這種行走方式模仿了六足昆蟲的行走方式，而且由于重心一直落在三角結(jié)構(gòu)之內(nèi)，因此可以隨時隨地停止。這種行走法在水平和垂直方向上運動，身體重心低，容易穩(wěn)定，因而得到廣泛運用。

 基于三角步態(tài)行走法，設(shè)計出一種直線運動方案（如圖2所示），由六個姿態(tài)循環(huán)執(zhí)行實現(xiàn)：

 姿態(tài)一：由初始狀態(tài)的六足支撐變?yōu)橐唤M三角形三足支撐。

 姿態(tài)二：支撐足的水平關(guān)節(jié)向后旋轉(zhuǎn)，使機器人向前移動，同時懸空足向前旋轉(zhuǎn)，為下一姿態(tài)做準(zhǔn)備。

 姿態(tài)三：懸空足下降，變?yōu)榱�足支撐，為交換支撐做準(zhǔn)備（該姿態(tài)為過渡姿態(tài)，機器人不發(fā)生位置變化）。 

姿態(tài)四：先前支撐的三足抬起，改由另外三足支撐。

 姿態(tài)五：同姿態(tài)二（僅是變換了支撐足與懸空足）。

 姿態(tài)六：同姿態(tài)三（僅是變換了支撐足與懸空足）。

 返回姿態(tài)一，循環(huán)執(zhí)行后退和旋轉(zhuǎn)的方案，以此類推。

3機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

機器人運行流程如圖3所示。

3.1  系統(tǒng)硬件設(shè)計

 系統(tǒng)硬件主要包括機器人主控制器＼上位機無線收發(fā)器、無線視頻傳輸模塊和GPS定位器。

 (1)機器人主控制器由單片機、無線通信模塊、穩(wěn)壓電路和各種接口組成。單片機選用

STC12C5A60S2，無線通信模塊選用NRF905模塊。該控制器通過無線模塊接收上位機的信號，然后發(fā)出信號給舵機控制器和L298驅(qū)動電路，從而控制機器人各個部分動作。

 (2)上位機無線收發(fā)器由單片機、無線通信模塊、穩(wěn)壓電路和各種接口組成。單片機選用STC12C5A60S2，無線通信模塊選用NRF905模塊，通過RS232串口線與上位機通信，接收上位機的信號，通過無線模塊發(fā)送給機器人。

 (3)無線視頻傳輸設(shè)備中，由攝像頭采集到視頻信號，傳輸給視頻發(fā)送設(shè)備，然后通過無線通信方式傳輸給視頻接收設(shè)備，最后傳輸給上位機實時顯示出來。

 (4) GPS定位器通過上位機訪問開發(fā)商提供的網(wǎng)頁，可實時跟蹤定位器的當(dāng)前狀態(tài)以及在設(shè)定時間段內(nèi)的軌跡回放。

3.2  系統(tǒng)軟件設(shè)計

 (1)機器人控制器的主控芯片是單片機，除了基本的I/O功能外，還用到了SCI數(shù)據(jù)傳輸、SPI數(shù)據(jù)傳輸、CAP邊沿捕獲、定時器等功能，采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計，控制器程序流程如圖4所示。

 (2)上位機無線收發(fā)器的主控芯片是單片機，除了基本的I/O功能外，還用到了SCI數(shù)據(jù)傳輸、SPI數(shù)據(jù)傳輸、中斷等功能，采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計，其程序流程圖如圖5所示。

4足輪機器人步態(tài)實驗

 將六足機器人的六足分為兩組，每組三足，對上述的幾種姿態(tài)進(jìn)行了驗證性實驗，如圖6所示。

 實驗過程中，首先機器人的一組三足抬起變?yōu)閼铱兆�，另一組三足作為支撐足，其水平關(guān)節(jié)向后旋轉(zhuǎn)推動機器人向前運動；接著懸空足落地變?yōu)橹�撐足，而原來的支撐足抬起成為支撐足，其水平關(guān)節(jié)向后旋轉(zhuǎn)推動機器人向前運動，完成一個周期運動。

 后退、橫行和旋轉(zhuǎn)的控制方式與前進(jìn)類似。

 通過實驗，驗證了機器人的行走能力達(dá)到了預(yù)期的目的。

5結(jié)論

 本文系統(tǒng)地論述了基于GPS足輪組合式野外探測機器人的實現(xiàn)方法，設(shè)計的機器人能夠完成實時環(huán)境視頻采集，在四輪模式下的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，六足模式下的前進(jìn)、后退、左橫行、右橫行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，以及機械手對物體的抓取。通過本項目的研究，建立了輪足復(fù)合型機器人的運動模型、仿真模型和控制理論，該機器人可以廣泛地應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境以及具有危險性的區(qū)域。本文對于實驗室機器人的研究與開發(fā)具有一定的參考價值。