六足仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)

李威

摘? 要：本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的六足仿生機(jī)器人采用了D-H建模來(lái)構(gòu)建機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的模型，運(yùn)用三角算法、六次項(xiàng)軌跡規(guī)劃等算法來(lái)調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，最后經(jīng)由運(yùn)動(dòng)學(xué)的求逆，運(yùn)算出每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角，進(jìn)而模擬出六足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。

關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器人;三維建模;六次軌跡算法;單片機(jī)技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12296/j.2096-3475.2021.05.341

仿生機(jī)器人是仿生學(xué)與機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用需求的結(jié)合產(chǎn)物。仿生機(jī)器人同時(shí)具有生物和機(jī)器人的特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸在反恐防爆、搶險(xiǎn)救災(zāi)等各種不適合人工親自進(jìn)行的任務(wù)中得到應(yīng)用[1]。本設(shè)計(jì)主要研究的是小型仿生六足機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，其采用自主設(shè)計(jì)的控制器作為硬件平臺(tái)?？刂破髦饕形⑻幚砥?、驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、外圍擴(kuò)展構(gòu)成。其中驅(qū)動(dòng)模塊采用了分時(shí)復(fù)用的原理，將處理器的6路PWM信號(hào)擴(kuò)展成18路，具有信號(hào)質(zhì)量好、占用處理器資源少的優(yōu)點(diǎn)。

一、六足仿生機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中主要研究的是仿生六足機(jī)器人的控制器開(kāi)發(fā)，其采用了多種技術(shù)，有仿生學(xué)原理、電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)學(xué)建模仿真、數(shù)據(jù)處理等等。在仿生機(jī)器人領(lǐng)域，采用了算法控制的仿生六足機(jī)器人，在運(yùn)動(dòng)上更加逼近以真實(shí)生物，使得仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，首先運(yùn)用了三維建模軟件，構(gòu)造機(jī)器人的三維實(shí)體模型;再構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，對(duì)仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了仿真與分析，并采用了六次項(xiàng)軌跡算法構(gòu)建仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡;之后采用電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等，將六足機(jī)器人的控制模型與控制方式以程序的方式加載在控制器中;最后對(duì)控制模型進(jìn)行調(diào)試與調(diào)整。

二、設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程

1.方案策劃

通過(guò)研究不同模塊的原理，找出可靠的設(shè)計(jì)方案，充分發(fā)揮每個(gè)原件的特性。通過(guò)基礎(chǔ)理論，研究如何讓系統(tǒng)穩(wěn)定高效且平穩(wěn)的運(yùn)行。通過(guò)Modelsim、MATLAB、CAD仿真，驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的正確性;設(shè)計(jì)制作模塊電路，通過(guò)模塊硬件化系統(tǒng)模塊聯(lián)調(diào)，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);研究資料進(jìn)行總結(jié)，規(guī)劃出項(xiàng)目具體方案。

2.硬件搭建

六足機(jī)器人的實(shí)體模型結(jié)構(gòu)制作，對(duì)于一個(gè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)必須先建立模型框架才能進(jìn)行下一步工作。PCB設(shè)計(jì)制作，做一個(gè)電子產(chǎn)品最主要的部分就包括PCB的繪制，要對(duì)需要做的產(chǎn)品功能進(jìn)行仔細(xì)的分析，畫(huà)好pcb之前對(duì)PCB上所需要的電路做一個(gè)預(yù)先的仿真實(shí)驗(yàn)，之后選擇性價(jià)比合適的元器件，制作性能高，信號(hào)穩(wěn)定，且價(jià)格合適的PCB板圖，在確定無(wú)誤后發(fā)廠家進(jìn)行制作。

3.調(diào)試

準(zhǔn)備工作完成之后，進(jìn)行模型搭建和代碼燒錄。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合測(cè)試。如過(guò)機(jī)器人不能正常工作運(yùn)行，則需要對(duì)系統(tǒng)和代碼進(jìn)行進(jìn)一步的修改完善。如在測(cè)試階段能正常完成任務(wù)，則表明系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期完成效果。

三、本設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

1.數(shù)學(xué)模型的建立

仿生六足機(jī)器人的六條腿的每條腿的結(jié)構(gòu)都是一樣且都為三軸串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，所以只要分析一條腿的數(shù)學(xué)模型就可以得出仿生六足機(jī)器人的腿部的數(shù)學(xué)模型。但是如果要構(gòu)建姿態(tài)變換的數(shù)學(xué)模型，是要構(gòu)建并聯(lián)型機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型，就不能單單只分析一條腿，而是要整體進(jìn)行分析。

2.控制器的功能分析

控制器實(shí)際上是包含了微處理器、驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、 外圍模塊等等的硬件。因?yàn)樘幚砥鞯挠?jì)算結(jié)果位數(shù)都是有限的，像本項(xiàng)目中采用的 ARMstm3二、芯片，其運(yùn)算結(jié)果可以精確到小數(shù)點(diǎn)后 7 位，基本可以滿足運(yùn)動(dòng)控制的需求，如果是需要更高精度的計(jì)算，可以采用 DSP 芯片。

3.誤差與校準(zhǔn)分析

在仿生六足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配過(guò)程中，是存在著一定的裝配誤差的。有時(shí)候，運(yùn)動(dòng)部件的齒輪的嚙合也會(huì)造成一定的裝配誤差。而微處理器的計(jì)算結(jié)果由于運(yùn)算精度的問(wèn)題，也會(huì)產(chǎn)生誤差。為了盡量的克服這些裝配誤差造成的運(yùn)動(dòng)精度的下降，就必須對(duì)這些誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。采用人機(jī)交互控制對(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行誤差校準(zhǔn)。

四、結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要研究了小型仿生六足機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，通過(guò)解決數(shù)學(xué)模型的建立、控制器的功能分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配誤差與校準(zhǔn)分析等計(jì)算難題，模擬出仿生機(jī)器人六足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的六足仿生機(jī)器人還能進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]王國(guó)彪，陳殿生，陳科位等.仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2015（13）：27-44.

[2]朱國(guó)杰，田文凱，呂承哲等.六足仿生機(jī)器人機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2017（1）：55-58.

基金項(xiàng)目：2020年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目——《六足仿生機(jī)器人》編號(hào)：S2020-11407-031G

（北方民族大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)? 寧夏銀川? 750000）