基于STM32F4 的12 自由度四足機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（新疆大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

近年來機(jī)器人在軍事、生活、工業(yè)領(lǐng)域越來越受社會和國家重視，而能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境地形的足式機(jī)器人更是受到廣泛關(guān)注，足式機(jī)器人可以擺脫輪式機(jī)器人對復(fù)雜環(huán)境地形的限制，自由穿梭于森林、河流、山坡、沙漠等嚴(yán)峻的地貌。足式機(jī)器人又分為雙足、四足、六足，其中四足的應(yīng)用范圍較其他2 種更為廣泛[1-3]。美國Shigle 及Baldwin 在20 世紀(jì)60 年代開始設(shè)計(jì)使用凹凸輪的連桿機(jī)構(gòu)來設(shè)計(jì)機(jī)動性較好的步行車，但由于技術(shù)限制，步行車的復(fù)雜地面車適應(yīng)性較差，1968 年美國人MOSher 設(shè)計(jì)出Walking Truck。Walking Truck 雖然在操作過程中并不能實(shí)現(xiàn)流暢行走，但是其已經(jīng)具備有效行走及跨過障礙物的能力，Walking Truck 的出現(xiàn)被視為現(xiàn)代步行機(jī)器人發(fā)展歷程中的偉大突破[4-7]。國內(nèi)的足式機(jī)器人較國外起步較晚，以清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)等高校及單位為代表的團(tuán)隊(duì)對于多足機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行研究的成果頗豐。以浙江大學(xué)2017 年研制的“赤兔”四足機(jī)器人以及2018 年研制的“絕影”四足機(jī)器人為例，具有對于復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)地面的適應(yīng)能力，可以實(shí)現(xiàn)爬坡、爬樓梯、崎嶇路面行走、小跑和奔跑、負(fù)重前進(jìn)的功能[7-9]。

本文提出了一種以STM32F4 芯片為核心，采用對角小跑的步態(tài)算法，通過輸出12 路PWM 波控制12 個舵機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)了12 自由度四足機(jī)器人的原地踏步、直線行走和轉(zhuǎn)彎等功能，并可以通過藍(lán)牙進(jìn)行無線遠(yuǎn)程控制。

1 機(jī)器人設(shè)計(jì)

機(jī)器人設(shè)計(jì)部分分為機(jī)械模塊設(shè)計(jì)、電路模塊設(shè)計(jì)、算法模塊設(shè)計(jì)。

1.1 機(jī)械模塊設(shè)計(jì)

使用SOULUDWORKS軟件繪制四足機(jī)器人的各部分零件，包括大腿、小腿、舵機(jī)、固定連接件、身體等。將繪制完成的各零件拼接繪制成完整的四足機(jī)器人工程圖，如圖1 所示。

圖1 四足機(jī)器人工程圖

1.2 電路模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人硬件電路主要分為控制模塊、驅(qū)動模塊與舵機(jī)信號隔離模塊[10-12]，系統(tǒng)硬件框圖如圖2。

機(jī)器人控制模塊采用STM32F429 作為主控芯片，包括復(fù)位電路、藍(lán)牙模塊電路、5 V 供電電路、測試模塊電路、晶振電路、程序下載電路、用作PWM 波輸出的12 路IO 口，控制模塊電路如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

圖3 控制電路原理圖

機(jī)器人驅(qū)動模塊包括3 個轉(zhuǎn)壓電路，轉(zhuǎn)壓芯片采用XL4016，輸入電壓范圍為8～40 V，輸出電壓可在1.25～36 V 之間連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流可達(dá)8 A，本設(shè)計(jì)驅(qū)動舵機(jī)的供電電壓有2 種，一種是5 V，一種是7.4 V，因此設(shè)計(jì)總電源是+12 V 電壓供電，通過3 個轉(zhuǎn)壓模塊轉(zhuǎn)出2 種供電電壓，每一個轉(zhuǎn)壓模塊轉(zhuǎn)出的電壓最多給4 個舵機(jī)供電以保證每一個舵機(jī)的功率充足。轉(zhuǎn)壓模塊電路內(nèi)部另設(shè)有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)，及輸出短路保護(hù)，驅(qū)動模塊原理圖如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動模塊原理圖

舵機(jī)信號隔離模塊采用光耦隔離電路，因?yàn)榭紤]到舵機(jī)在轉(zhuǎn)動過程中會在信號線產(chǎn)生回流，影響芯片正常工作，因此在控制模塊與舵機(jī)之間設(shè)計(jì)了光耦隔離電路，對二者之間連接的信號線進(jìn)行物理隔離，消除回流。舵機(jī)信號模塊原理圖如圖5 所示。

圖5 光耦隔離電路原理圖

1.3 算法模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用舵機(jī)作為動力，舵機(jī)的控制原理較為簡單，需要一個20 ms 的脈沖周期，本項(xiàng)目使用180°舵機(jī)，在20 ms 的脈沖周期中配置不同占空比的高低電平，不同的占空比對應(yīng)不同的角度[13-14]，占空比和角度具體對應(yīng)如表1 所示。

表1 占空比和角度對應(yīng)表

PWM 波輸出使用了STM32F429 中的3 個通用定時器，每個定時器產(chǎn)生4 路PWM 輸出。

控制算法模型的建立是以每個足端為獨(dú)立的原點(diǎn)分別建立空間直角坐標(biāo)系，根據(jù)整體設(shè)計(jì)，四足機(jī)器人各零件尺寸如表2 所示。

表2 四足機(jī)器人各零件尺寸

根據(jù)大腿小腿和肋骨的固定長度，通過運(yùn)動學(xué)推導(dǎo)出3 個關(guān)節(jié)的角度關(guān)于足端對獨(dú)立空間直角坐標(biāo)系(x,y,z)位置的函數(shù)，設(shè)足端坐標(biāo)為(x,y,z)，機(jī)器人高度為RobotH，則肋骨舵機(jī)角度由公式(1)算出，小腿舵機(jī)角度由公式(2)算出，大腿舵機(jī)角度由公式(3)算出[15-16]。

公式中先計(jì)算出肋骨舵機(jī)角度angle1與小腿舵機(jī)角度angle3，再根據(jù)小腿舵機(jī)角度angle3 計(jì)算出大腿舵機(jī)angle2 步態(tài)采用對角小跑步態(tài)，2 個對角的足端做相差1/2 個相位的半周期橢圓函數(shù)軌跡運(yùn)動，設(shè)機(jī)器人在運(yùn)動過程中足端抬起高度最大值為ΔH，足端運(yùn)動軌跡示意圖如圖6。

圖6 足端運(yùn)動軌跡示意圖

機(jī)器人足端在半周期橢圓軌跡上取的期望點(diǎn)越多，整體步態(tài)越穩(wěn)定流暢。本設(shè)計(jì)在半周期橢圓軌跡上取的期望點(diǎn)數(shù)為16 個，以保證步態(tài)的穩(wěn)定性。

程序使用C 語言編寫，編寫環(huán)境為Keil5，程序包括系統(tǒng)初始化函數(shù)、定時器配置函數(shù)、指令函數(shù)、藍(lán)牙通信初始化函數(shù)、機(jī)器人步態(tài)算法函數(shù)、機(jī)器人待機(jī)函數(shù)、主函數(shù)等，程序流程如圖7 所示。

圖7 程序流程

3 機(jī)器人實(shí)現(xiàn)

2.1 電路板制作與實(shí)現(xiàn)

將繪制完成的電路原理圖封裝成PCB 圖，進(jìn)行布局和連線，打印電路板實(shí)物，將各元件焊接在電路板上，完成電路板的制作，控制電路板實(shí)物如圖8 所示。

圖8 控制電路板實(shí)物

驅(qū)動模塊上有3 個XL4016 轉(zhuǎn)壓芯片，分別由3 個滑動變阻器來控制輸出電壓，轉(zhuǎn)換為2 個7.4 V電壓輸出和1 個5 V 電壓輸出，驅(qū)動模塊電路板實(shí)物如圖9 所示。

圖9 驅(qū)動模塊電路板實(shí)物

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

對裝配好的四足機(jī)器人進(jìn)行測試，包括步行前進(jìn)和左右轉(zhuǎn)彎。步行轉(zhuǎn)彎是四足機(jī)器人穩(wěn)定性的首選指標(biāo)，因此測試步行前進(jìn)和左右轉(zhuǎn)彎是相當(dāng)重要的。

測試中機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定前進(jìn)步行，步行速度約為10 cm/s，步行采用較為穩(wěn)定的對角步態(tài)，機(jī)器人步行前進(jìn)步態(tài)測試圖如圖10，完成了2 個周期對角步態(tài)。

圖10 機(jī)器人前進(jìn)步態(tài)測試圖

轉(zhuǎn)彎能力可以協(xié)助機(jī)器人通過各種復(fù)雜地形，因此轉(zhuǎn)彎也是保證四足機(jī)器人機(jī)動性能的一個重要指標(biāo)，測試中機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的原地左右轉(zhuǎn)彎約為15°/s，左右轉(zhuǎn)彎依舊采用較為穩(wěn)定的對角步態(tài)，順利通過轉(zhuǎn)彎半徑為30 cm 的圓形軌跡，單周期左轉(zhuǎn)彎過程如圖11。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的12 自由度四足機(jī)器人模型由3D打印件構(gòu)成，以STM32F4 單片機(jī)為控制核心，采用對角小跑的步態(tài)算法，通過輸出12 路PWM 波控制12 個舵機(jī)協(xié)調(diào)工作，可以實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人原地踏步、直線行走和轉(zhuǎn)彎等動作。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，與較輪式或履帶式機(jī)器人相比該四足機(jī)器人的適應(yīng)性更強(qiáng)，可應(yīng)用于復(fù)雜和危險環(huán)境地形。

圖11 單周期左轉(zhuǎn)彎過程圖