六足機械裝置控制系統(tǒng)

緒論研究背景為了滿足持續(xù)的科技的發(fā)展和人類社會進(jìn)步的需求，近些年來，人類對于這類特殊的地理構(gòu)造進(jìn)行著不斷的探索與研究，只為解決此類問題尋求可行的途徑。這類環(huán)境的共同特點是地形不規(guī)則、材質(zhì)多樣與多變的地貌特征、崎嶇不平的路況。這類地貌讓在常規(guī)地貌通過速度最快的輪式機器人寸步難行，也超出了履帶式機器人工作環(huán)境的最大范圍?？偨Y(jié)了相關(guān)的文獻(xiàn)和技術(shù)參數(shù)我們可以得出以下結(jié)論：輪式機器人的結(jié)構(gòu)簡單，在不崎嶇的路面上正常行駛時，運動迅速而且平穩(wěn)、控制容易。但在不是很平坦的地面上行駛時，將會有大幅度能量消耗。而在沙土地面上與特別崎嶇的山川地貌上，此類地貌條件下車輪失去了機動優(yōu)勢，其移動的速度將會驟降。為了適應(yīng)此類特殊的環(huán)境，履帶式機器人由此而生。雖然履帶式機器人在崎嶇地貌下的行動能力略有提升，但是仍然不能完全滿足條件需求。機器人在行駛時的機身左右晃動依舊十分的嚴(yán)重。在崎嶇不平的道路上多足機器人與輪式機器人和履帶式機器人相比具有獨特的優(yōu)勢。所以在近年來多足步行機器人的相關(guān)研究能夠得到快速發(fā)展。仿生多自由度的多足步行機器人的出現(xiàn)說明了多足機器人的優(yōu)點。多足機器人的運動足跡的地面投影圖像可以理解為是一系列離散分布的足跡圖像。在機器人移動時只需離散的足跡點與地面接觸，這樣可以相對減少對環(huán)境的破壞。在將要經(jīng)過的地面上尋求所有的可能的落腳點，并從所有的可能的落腳點當(dāng)中選擇最優(yōu)的落腳點。因此，多自由度的多足機器人不僅對環(huán)境的破壞程度相對較小而且對崎嶇地形的適應(yīng)性強。崎嶇的地形通常會包含巖石和泥沙等障礙物和不規(guī)則陡坡與高落差懸崖。由于輪式和履帶機器人的路徑是連續(xù)的且路況的高度通過性不高。在如此的地貌下能夠機器人能夠平穩(wěn)通過的連續(xù)路徑也非常有限，輪式和履帶式機器人不再適合這種地形。多自由度的多足機器人的腿也具有多自由度，多自由度的腿能夠極大地提高運動的靈活性?？刂葡到y(tǒng)可以通過調(diào)整每條腿的支撐長度來在復(fù)雜條件下保持身體的水平、調(diào)整重心的位置、確保機器人不會側(cè)翻，具有更高的穩(wěn)定性。多組步行機器人在具備了上述的優(yōu)點的同時，也有不足之處。例如，控制系統(tǒng)為了能夠平穩(wěn)應(yīng)對各種路況需要人工進(jìn)行多種的控制系統(tǒng)算法進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)優(yōu)化，為了靈活的通過障礙物，其機械結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜的。仿生機器人的活動能力和自然界中爬行動物相比依舊存在較大差異。受到電池等能源技術(shù)的局限，多足機器人的實際應(yīng)用過程中所暴露的續(xù)航時間短的問題，還需要進(jìn)一步解決。研究目的和意義研究目的六足機器人能夠在火星的星球表面、事故礦井、防災(zāi)救援和反恐斗爭、軍警特種作戰(zhàn)、特種工況環(huán)境等，地形崎嶇不平，不規(guī)則崎嶇的地形上自由移動行走，普通常規(guī)機器人無法到達(dá)的惡劣環(huán)境區(qū)域是這些環(huán)境的共同特點。履帶機器人與輪式機器人的常規(guī)運行受制于此類環(huán)境狀況。即便在相對平坦的地面上行駛時擁有巨大優(yōu)勢的輪式移動機器人具備了結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、運動速度較快以及平穩(wěn)的優(yōu)點，但行駛在極為不平坦的崎嶇地形、松軟的沙土地上，亦或者在山路地面上時，其能耗較高，且移動性及穩(wěn)定性也相對較差。以上述問題作為研究背景，多自由度的多足步行機器人因其特有的崎嶇地形上的優(yōu)越性能從而得到了蓬勃發(fā)展，相關(guān)方面的優(yōu)勢也在多自由度的仿生步行機器人問世后相繼顯現(xiàn)出來。2019年3月，四川省涼山發(fā)生森林火災(zāi)有30多名撲火人員因山火爆燃最終遇難。由于地形特殊，車輛無法到達(dá)，飛機也無法進(jìn)行長時間的有效滅火作用，只能人工作業(yè)，此次事故所暴露出的缺乏相關(guān)的高原復(fù)雜地形條件下的特種作業(yè)機械平臺，缺乏有效的局域通信交互設(shè)備的問題值得深思。雖然本次的設(shè)計只能實現(xiàn)設(shè)想中的的幾個基本功能，但是最初設(shè)計時我們預(yù)留了平臺后續(xù)開發(fā)的接口，我們可以進(jìn)行二次開發(fā)。并將開發(fā)后的機器人應(yīng)用在搶險救災(zāi)，戶外營救，野外礦物勘察，山區(qū)巡邏，復(fù)雜路況條件下的物資運輸?shù)确矫?。研究意義地球上有很大部分的生物的結(jié)構(gòu)特征是兩足或多個足交替行進(jìn)的移動方式。之所以是此種移動方式，是因為此類方式具有全方位顯著的優(yōu)勢，對于環(huán)境的適應(yīng)速度極強，自我操作控制能力靈活。在人們對于世界的不斷探索，尋求新的認(rèn)知的過程中，依舊存在人類無法達(dá)到的區(qū)域和危機人身安全的情況，例如災(zāi)難救援、外太空的星體探測和戰(zhàn)場偵察等。仿生機器人的出現(xiàn)為解決諸如此類的棘手問題提供了新的選項，最重要的是可在一定程度上保障救援人員的安全。生物在與自然之間的抗?fàn)幹胁粩噙M(jìn)化，也正因其適應(yīng)了環(huán)境變遷過程中對其身體結(jié)構(gòu)以及機能所帶來的影響，才能得以長久的生存。多足爬行動物較強的適應(yīng)惡劣地形環(huán)境的能力在不規(guī)則、不均勻的特殊地形環(huán)境中得以顯現(xiàn)。所以，多足仿生機器人的研究為復(fù)雜條件下的救災(zāi)勘探、星球探測等諸多受環(huán)境限制的棘手問題的解決，給予了突破性的進(jìn)展。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀2008年，Belter,D.與Walas,K.和Kasinski,A.提出了一種有18自由度的六足機器人的直流伺服電機分布式控制系統(tǒng)。并就行走機器人的多層驅(qū)動控制進(jìn)行了討論。其中的每個關(guān)節(jié)代表的自由度都會有一個直流伺服電機實現(xiàn)。系統(tǒng)通過對機器人關(guān)節(jié)的分布式控制，去完成在不可預(yù)測的環(huán)境和高不確定性因素下進(jìn)行的。傳感系統(tǒng)通過這些傳感器組成閉合的控制回路。每條腿都有單獨的控制器。腿控制器與機器人主控制器相連。主控制器負(fù)責(zé)主機與主機之間的通信REF_Ref10106254\r\h錯誤!未找到引用源。。2009年，G?rner,M;Wimb?ck,T;Hirzinger,G;提出一種高度集成的機械DLR六足機器人的控制和步態(tài)生成方法。與所有DLR機器人一樣，關(guān)節(jié)力矩傳感器讓機器人在與環(huán)境的主動交互方面起著重要的作用。為了控制爬行器，他們制作了一套控制系統(tǒng)，并使用了兩種不同的步態(tài)生成方法。第一種方法是針對一般的不平的地形，采用可伸縮的固定協(xié)調(diào)模式和腿部伸展反射。對于第二種方法，在極特殊地形中使用，應(yīng)用了生物學(xué)家在爬行昆蟲研究中發(fā)現(xiàn)的一套規(guī)則REF_Ref10106445\r\h錯誤!未找到引用源。。2010年KAMEYAMATakuya研究了在六腿機器人的不使用大腿連接角傳感器的控制方法。利用一個數(shù)學(xué)模型設(shè)計了一個控制裝置(卡爾曼濾波器)，在這個數(shù)學(xué)模型中，輸入是支撐腿上大腿連接的驅(qū)動力矩，輸出是身體高度、俯仰角度和滾動角度。用估計的狀態(tài)向量來控制姿態(tài)，六足機器人通過三維仿真和實驗可以實現(xiàn)平穩(wěn)行走REF_Ref10106497\r\h錯誤!未找到引用源。。2011年ShibenduShekharRoy;DilipKumarPratihar;開發(fā)了基于軟計算的系統(tǒng)，用于預(yù)測六足機器人轉(zhuǎn)彎時的能量消耗和穩(wěn)定性。除了反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之外，還開發(fā)了3種系統(tǒng)，這些系統(tǒng)是依照自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理的方式開發(fā)的，并對其性能進(jìn)行了比較。其中，依照生物進(jìn)化論中優(yōu)勝劣汰的生存模式以及遺傳因素而進(jìn)行計算方式的詳盡搜索，這種計算方式的自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)比其他方法更有效REF_Ref10106508\r\h錯誤!未找到引用源。。2013年，美國研究人員研制出應(yīng)用于月球基地建設(shè)及發(fā)展的全地形六足戶外探測器機器人——ATHLETE。運動員可以使用機器人頂部所配置的重達(dá)15噸的月球底座進(jìn)行隨意移動，從而實現(xiàn)在月球上達(dá)到任何目的地。當(dāng)?shù)缆繁容^平坦時，運動員機器人可以加快行駛速度；當(dāng)其面臨復(fù)雜地形的時候，由于其六個輪子具備足夠的靈活性，故而完全能夠適應(yīng)各種地形。無論是在月球基地的宇航員，還是在地球上的任務(wù)控制中心都可以實現(xiàn)對ATHLETE機器人的控制。2014年，ShibenduShekharRoy和DilipKumarPratihar研究了一種六足機器人的運動學(xué)、動力學(xué)和功耗分析，該機器人能夠產(chǎn)生沿圓形軌跡旋轉(zhuǎn)的運動。在實時控制所必需的估計六足機器人的能量最優(yōu)足力和關(guān)節(jié)力矩，為了確定最佳足力，提出了兩種方法，分別用最小二乘法將足力的范數(shù)最小化和關(guān)節(jié)力矩的范數(shù)最小化，并對其性能進(jìn)行了比較。通過計算機模擬，對所開發(fā)的動力學(xué)和運動學(xué)模型進(jìn)行了測量，以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的六足機器人在平坦地形上的轉(zhuǎn)彎運動，其中有四種不同的工作因素。分析了平均功耗隨軀干高度和徑向偏移量的變化，找出了能量最優(yōu)的立足點。通過對機器人角速度的變化進(jìn)行了能量消耗的參數(shù)研究，最大程度的降低能量的消耗。發(fā)現(xiàn)能量消耗隨著某一特定運動距離角速度的增加而減小REF_Ref10106536\r\h錯誤!未找到引用源。。2016年JoaoC.M.Carvalho和TadeuR.Silvestre;認(rèn)為雖然多足機器人由于其在不均勻地形上的移動能力出眾，而被認(rèn)為是最通用的機器人類型，但是已經(jīng)研究出的機器人并沒有太多的移動能力。一般來說，這種通過性的缺乏與自由度的數(shù)量有關(guān)，復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的求解使得他們很難并將其應(yīng)用于控制系統(tǒng)。在基于平行結(jié)構(gòu)的多足機器人上解決這個問題是不可能的，通過對每條腿的運動學(xué)分析，他分析了機器人的兩種運動:三腳架式和四腳架式。通過對機器人行為的運動分析，提前了解機器人行走時可能發(fā)生的情況REF_Ref10106545\r\h錯誤!未找到引用源。。2018年，位于北美洲的一家動力公司發(fā)布了旗下的自主完成指定操作的四足機械裝置，稱其為SpotMini，該機械裝置可以完成很多靈活的四足動物動作，一次充電最大運行時長為90分鐘，并且可以進(jìn)行復(fù)雜運行條件的自適應(yīng)，路線規(guī)劃，多個同類型機器人的交互，通信和配合。國內(nèi)研究現(xiàn)狀雷永峰在2008年提出了基于仿生學(xué)的三足為一組的三角步態(tài)和六足機器人行走法并設(shè)計了機器人物理樣機。以單片機為控制器，并輔以行走機構(gòu)和外圍的必要電路，同時引入了虛擬力場算法實現(xiàn)了路徑的優(yōu)化REF_Ref10107047\r\h錯誤!未找到引用源。。2009年趙小川等人依照觀察六足節(jié)肢動物的實驗結(jié)果，對六足節(jié)肢動物的體形、結(jié)構(gòu)特征以及三維步態(tài)的有效信息進(jìn)行捕獲。此外，他們在仿真軟件環(huán)境下完成了仿生六足機器人的物理建模和數(shù)據(jù)仿真，編制了相對應(yīng)的運動控制程序并實現(xiàn)了步態(tài)的自動規(guī)劃REF_Ref10107062\r\h錯誤!未找到引用源。。高軍,馮華山,劉桉,劉超在2010年提出了四足仿生機器人足部六維力傳感器設(shè)計。他們結(jié)合了爬行生物的足部結(jié)構(gòu)提出了一種能所受到多個維度的力矩新型傳感原件。其彈性體的各種狀態(tài)與特性的模擬則是采用有限元方法完成的。整理數(shù)據(jù)后得到了彈性體的變形圖和固有頻率等相關(guān)數(shù)據(jù)。通過初步分析總結(jié)出存在于感應(yīng)模塊反應(yīng)速率、模塊中撤去外力作用后可恢復(fù)至原有狀態(tài)物體的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線與維間的可能導(dǎo)致有效信號造成接收錯誤的信號。分析過后得出，感應(yīng)模塊的反應(yīng)速率快、干擾小以及物體在外力作用后回到原本狀態(tài)的自然頻率高的特點，滿足了測量要求REF_Ref10107071\r\h錯誤!未找到引用源。。尤波，劉玉飛在2013年提出了六足機器人的障礙自識別步態(tài)規(guī)劃。因為其雖然能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的控制，但是需要提前制定復(fù)雜的步態(tài)規(guī)劃和算法模擬，當(dāng)遇到特殊的地形障礙時，常規(guī)的算法已經(jīng)不能夠支持其正常通過，需要進(jìn)行特殊的人工優(yōu)化。通過建立了D-H坐標(biāo)系并利用正、逆運動學(xué)對各腿進(jìn)行了齊次坐標(biāo)的實時的變換，同時根據(jù)足端力反饋來進(jìn)行各種步態(tài)規(guī)劃REF_Ref10107077\r\h錯誤!未找到引用源。。李滿宏，張明路等人在2016年提出了以離散的單足工作空間為基礎(chǔ)并整合中心模式發(fā)生器模型和反射模型的中心思想的有關(guān)多足機器人的離散化的自由步態(tài)算法和仿生步態(tài)。構(gòu)建相應(yīng)的穩(wěn)定性分析狀態(tài)模型以確定機器人的穩(wěn)定位置和狀態(tài)空間的同時提出了一種基于此類方法的新的自由步態(tài)算法，該算法與測試原型相結(jié)合以執(zhí)行步態(tài)測試。為實現(xiàn)機器人的靈活運動，需要按照給定的速度要求同自由步態(tài)生成算法相結(jié)合，以此來計算出滿足要求且符合生物運動特性的穩(wěn)定步態(tài)REF_Ref10107087\r\h錯誤!未找到引用源。。2017年能夠自主完成指定操作的六足機械裝置HEXA問世。作為控制程序可編寫的適用于各種地貌的消費級別的機械裝置HEXA的出現(xiàn)具有劃時代的意義。其搭配有先進(jìn)的CPU處理器和各式各樣的傳感器，在復(fù)雜的地形下可以速度1.2公里/小時的速度自由行走，并成功攀爬超過15厘米的障礙物。此外，該機器人在適應(yīng)復(fù)雜場景與地形方面均表現(xiàn)良好。綜合上述優(yōu)點，對于人類無法進(jìn)入的環(huán)境，該機器人可以輕而易舉的實現(xiàn)。它配備了激光測距傳感器、紅外發(fā)射器、夜視攝像頭、三軸加速度計和其他傳感器去感知空間并能準(zhǔn)確測量與周圍物體的距離并避開它們。上海交通大學(xué)于2018年帶領(lǐng)由我國研制的能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)控制行走的電機傳感復(fù)合驅(qū)動器的六足機器人“青雅”參與了大賽。為了讓機器人更輕巧，其采用了輕量化的設(shè)計結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定的三足步態(tài)讓該機器人在賽場上穩(wěn)定發(fā)揮，并以其優(yōu)越的性能獲得2018年世界機器人大會比賽冠軍。六足仿生機器人的發(fā)展趨勢(1)腿輪組合式機器人。雖然腿式機器人對復(fù)雜地形的適應(yīng)性強，但是通過障礙時或者在普通路面的行走速度和效率比較低，在探測其他星球時仍然是很困難的。腿輪組合步行機器人綜合兼?zhèn)渌俣群瓦m應(yīng)能力與高適應(yīng)性和速度優(yōu)點，并且能量的轉(zhuǎn)化效率也相比于多足機器人有大幅度的提升，更適用于行星探測。在未知的復(fù)雜路況下，輪腿組合的方法可以提高行走速度節(jié)省燃料，正常續(xù)航的時間和周期更長。(2)微型步行機器人。硬件的微型化讓各行各業(yè)的配套設(shè)施也逐步有著微型化的趨勢。微型步行機器人可進(jìn)入極小的復(fù)雜情況的空間內(nèi)，在工業(yè)生有很大的發(fā)展?jié)摿??？梢詮浹a管道內(nèi)行走、探傷檢測、采集樣品、施工作業(yè)和維修等任務(wù)的機械檢測的空缺。(3)仿生步行機器人。目前的多足機器人的靈活性與多足昆蟲有較大的差距，其還有各方面的問題需要等待解決。今后研究步行機器人的重點是提高步行機器人的行走速度和對外界變化的靈活反應(yīng)、優(yōu)化控制算法，進(jìn)而自主完成指定操作的六足機械裝置的各方面優(yōu)勢得以實現(xiàn)。論文的主要內(nèi)容本設(shè)計主要針對自主完成指定操作的六足機械裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究。（1）自主完成指定操作的六足機械裝置，其控制系統(tǒng)的設(shè)計將節(jié)肢動物的體貌特點中的有效信息進(jìn)行采取并依照其運動機理完成的。（2）對自主完成指定操作的六足機械裝置的矩形模型與六邊形模型進(jìn)行解讀與比較。（3）自主完成指定操作的六足機械裝置的硬件控制系統(tǒng)采用單片機的一片式解決方案完成了該部分的設(shè)計與制作。（4）六足機器人控制系統(tǒng)的程序部分在KeiluVision5開發(fā)平臺完成編寫。六足仿生機器人控制系統(tǒng)設(shè)計部分經(jīng)過反復(fù)的編譯、仿真以及調(diào)試以后基本完成。（5）針對六足仿生機器人的構(gòu)造及其移動時的步態(tài)特性，結(jié)合數(shù)理邏輯方法與數(shù)學(xué)語言建立該機器人的數(shù)學(xué)模型，MATLAB用于仿真系統(tǒng)。并對程序進(jìn)行移植，進(jìn)而高適應(yīng)性以及高實時性的六足仿生機器人步態(tài)控制得以實現(xiàn)。小結(jié)緒論主要闡述了六足仿生機器人的國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀以及在研究中存在的問題、未來的發(fā)展趨勢，并描述了本篇論文的目的、方向以及主要能夠提高本項設(shè)計的可靠性與穩(wěn)健性的工作內(nèi)容。

六足機器人的結(jié)構(gòu)分析與步態(tài)規(guī)劃昆蟲的運動原理分析昆蟲的腿部結(jié)構(gòu)六足節(jié)肢動物有長在前、中、后胸上的附肢共計三對。節(jié)肢動物的每一足主要由五部分構(gòu)成REF_Ref10144903\r\h錯誤!未找到引用源。，如圖2.1所示。圖2.1昆蟲腿的結(jié)構(gòu)圖（1）基節(jié)：其作用是為整個足的活動支撐，從結(jié)構(gòu)上看，其位置靠近胸部，形狀上為短粗的一節(jié)。（2）轉(zhuǎn)節(jié)：足的轉(zhuǎn)動方向用其進(jìn)行協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)上的特點是十分短小。（3）腿節(jié)：其作用是用以承受足的重量，結(jié)構(gòu)上的特點是長而粗壯，并且有著很強的負(fù)荷能力。（4）脛節(jié)：長而細(xì)，形狀大小變化自如，可控制足部完成動作的執(zhí)行。（5）跗節(jié)：活動時受在前端的通常由兩個爪子的脛節(jié)控制。（6）前跗節(jié)：跗節(jié)前端的兩個爪，故而方柏霓其扒附在光滑的物體上以及感受周圍環(huán)境。昆蟲的三足步態(tài)節(jié)肢動物以三足步態(tài)的形式進(jìn)行移動。節(jié)肢動物的六足劃分為兩組，左側(cè)的三足和右側(cè)的三足。甲蟲移動的過程中，其軀體重量由三條足構(gòu)成的三教教進(jìn)行支撐，具體為右中、左前和左后，而其余三條足則可以進(jìn)行自由的移動。機器人的移動正是得益于這六條足的重復(fù)交替運行。如圖2.2即為昆蟲的直線行走步態(tài)圖。圖2.2昆蟲直線行走步態(tài)（○：支撐腿昆蟲在轉(zhuǎn)彎的過程中，通常會由一組三角形步態(tài)作為支架的足先支撐住身體，然后由另一組向目標(biāo)方向移動。向左轉(zhuǎn)時，邁步腿向左前方移動；向右轉(zhuǎn)時，邁步腿向右前方移動。圖2.3即為昆蟲轉(zhuǎn)彎步態(tài)圖。圖2.3昆蟲轉(zhuǎn)彎步態(tài)（○：支撐腿 六足機器人的六邊形模型與長方形模型之間的比較長方形模型六足機器人進(jìn)行步態(tài)分析的一般模型是簡單的矩形模型。如圖2.4所示，可用矩形表示六足機器人的身體部分。6個分別腿固定在矩形長邊的兩側(cè)。六足機器人的腿的編號分別是左側(cè)1、2、3，右側(cè)4、5、6。能夠到達(dá)的區(qū)域的大小和形狀取決于腿的設(shè)計。對于這個模型，基節(jié)關(guān)節(jié)(連接身體和腿的關(guān)節(jié))是一個有垂直軸線的關(guān)節(jié)，因此腿能夠到達(dá)的區(qū)域是一個環(huán)形區(qū)域的，圖2.5即為該模型的示意圖。圖2.4六足機器人矩形模型圖2.5可到達(dá)區(qū)域和環(huán)形之間的關(guān)系此類腿的這種設(shè)計因為同側(cè)相鄰的腿的移動有重疊的區(qū)域，從而影響正常運動。這使得步態(tài)分析更為復(fù)雜。解決此問題的方法有兩種（1）一種方法是消除所有的重疊區(qū)，使得每條腿有一塊獨立的只有它能夠到達(dá)而其它的腿不能到達(dá)的區(qū)域。同時界定了能夠到達(dá)區(qū)域的矩形區(qū)域，如圖2.6所示。（2）另一種方法是先標(biāo)示重疊區(qū)域，讓相鄰的兩條腿能夠在沖突沒有發(fā)生時，順利到達(dá)這些區(qū)域。圖2.6所示為標(biāo)示出重疊區(qū)域的模型。通過使用此模型，機器人可以用更大的步長和最科學(xué)迅速的高效率的步態(tài)移動。圖2.6矩形模型的可到達(dá)區(qū)域圖2.7具有擴展的可到達(dá)區(qū)域的模型六邊形模型六邊形模型使用正六邊形作為機器人的主結(jié)構(gòu)。六邊形的每條邊上固定一條腿。圖2.8標(biāo)明了能夠到達(dá)的區(qū)域和環(huán)形之間的關(guān)系。如圖2.8左側(cè)所示，將腿進(jìn)行編號則是為了更便于描述，。圖2.8六邊形六足模型容錯步態(tài)移動時的矩形模型的最大步長為0.5P。對于六邊形的模型而言，使用容錯步態(tài)時，當(dāng)重心落在支撐腿之間間連線的交叉點，此時的最大步長等于0.5rmax。而rmax^P。六足機器人的轉(zhuǎn)彎取決于轉(zhuǎn)彎中心的位置。在此處是在比較轉(zhuǎn)彎中心和重心的位置。我們假設(shè)在轉(zhuǎn)彎后,機器人的腿的端點還能夠到達(dá)的原來區(qū)域的中心，然后比較每一步的最大轉(zhuǎn)角。從圖2.5和圖2.8中可得出如下結(jié)論，矩形模型的轉(zhuǎn)角是受限制的，機器人必須保證下一個落腳點是在能夠到達(dá)的區(qū)域內(nèi)，然后才能轉(zhuǎn)彎，然而對于六邊形模型，繞重心轉(zhuǎn)彎是相對最容易的。在六邊形六足模型中，六條腿的距離和角度變化是完全相同的，此方案的硬件和軟件實現(xiàn)相對容易的。轉(zhuǎn)角的大小取決于圖2.5中環(huán)形面積的大小。通過比較上述性能，我們可以看出六邊形模型表現(xiàn)的更為靈活，在容錯步態(tài)中有相對更平穩(wěn)的穩(wěn)定性，在大部分的環(huán)境中有更大的步長，所以在我們的六足仿生機器人中采用了六邊形模型REF_Ref10144198\r\h錯誤!未找到引用源。。

使用SolidWorks2018軟件實體造型圖2.9實體模型使用SolidWorks2018對六足仿生機械裝置的腿、身體、舵機等零部件進(jìn)行了實體造型，然后裝配成一個可自主完成指定操作的六足機械裝置。這樣便于接下來進(jìn)行的自主完成指定操作的六足機械裝置的構(gòu)造分析和步態(tài)規(guī)劃。如圖2.9所示即為實體模型。

六足機器人的結(jié)構(gòu)分析六足仿生機器人整體結(jié)構(gòu)的確立是以昆蟲的身體結(jié)構(gòu)為參考得來的，兩者都由軀體和足兩部分構(gòu)成，并且其六條足均以軀體為軸線呈對稱分布。圖2.10機械結(jié)構(gòu)簡圖其主平臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用對稱結(jié)構(gòu)的六邊形方案，身體兩側(cè)各分布有3條腿。該設(shè)計方式使得各條腿的運動空間擴大了，最大化的減少了腿部之間的碰撞REF_Ref10145157\r\h錯誤!未找到引用源。REF_Ref10145159\r\h錯誤!未找到引用源。。圖2.10所示即為其基礎(chǔ)機械構(gòu)造。其腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計采用與圖2.11所示的節(jié)肢昆蟲的腿相似的結(jié)構(gòu)，這種機械構(gòu)造形式被稱為RRRS型開鏈機構(gòu)REF_Ref10144282\r\h錯誤!未找到引用源。，如圖2.11表示。圖2.11腿部結(jié)構(gòu)各個關(guān)節(jié)分別由舵機驅(qū)動。連接部分和軀體等采用強度高、密度低的鋁合金材料制造，在滿足強度要求的前提下，我們希望可以在能力所及的范圍內(nèi)最大程度提高機器人運動時的靈活性，為實現(xiàn)該目的，我們采用減輕機器人的重量的方式來滿足這一需求。圖2.12中所示即為其腿部機械構(gòu)造簡圖。圖2.12腿部機械結(jié)構(gòu)簡圖步態(tài)規(guī)劃機器人坐標(biāo)系的定義如圖2.13即為本次六足機器人的結(jié)構(gòu)示意圖。機器人整體呈六邊形，六條腿呈對稱分布，在定義坐標(biāo)系中X軸為機器人的橫向?qū)ΨQ軸，Y軸為機器人的縱向?qū)ΨQ軸，Z軸與機器人身體所在平面形成空間上的九十度直角，如果以其身體構(gòu)造的幾何中心為軸，則整個坐標(biāo)系符合右手定則。6條足呈六邊形分布，兩條足之間的垂直距離為L，機器人基礎(chǔ)六邊形結(jié)構(gòu)的最大寬度為W2，最小寬度為W1。圖2.13結(jié)構(gòu)簡圖

圖2.14所示即為六足仿生機器人的腿部結(jié)構(gòu)圖。L1部分與L2部分繞著平行于XY平面的軸線轉(zhuǎn)動，L3部分繞著平行于Z軸方向的軸線轉(zhuǎn)動。圖2.14腿部結(jié)構(gòu)圖腿部運動分析在六條腿的仿生機械裝置的移動過程中，無論是以轉(zhuǎn)彎的方式移動，還是采用直線行走等步態(tài)，都需要六條腿的共同合作、協(xié)同動作。然而，就其結(jié)構(gòu)而言，六條腿大致相同，其運動也是相似的。因此在這里以一條腿為例，進(jìn)行詳細(xì)的運動分析，為接下來分析的轉(zhuǎn)彎步態(tài)以及直線行走步態(tài)提供了基礎(chǔ)。圖2.14所示為六足仿生機器人腿部機械構(gòu)造。為方便對其加以分析，將該部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化。圖2.15所示即為簡化后的機械結(jié)構(gòu)。完整的腿部結(jié)構(gòu)由L1部分、L2部分、L3部分和關(guān)節(jié)1、2、3構(gòu)成，關(guān)節(jié)1、2的轉(zhuǎn)動軸線沿Y軸方向，而沿Z軸方向轉(zhuǎn)動的是關(guān)節(jié)3。θ1為L1部分相對X軸的轉(zhuǎn)角，θ2為L2部分相對X軸的轉(zhuǎn)角。規(guī)定由X軸處開始逆時針旋轉(zhuǎn)得到的角度為正，反之則為負(fù)。機器人身體離開地面的高度用H表示，L為腿部的支撐點在XY平面內(nèi)到關(guān)節(jié)3轉(zhuǎn)動軸線的距離。圖2.15腿部結(jié)構(gòu)簡圖整個腿部結(jié)構(gòu)為一個4桿機構(gòu)，對其分別在X軸和Z軸投影，即可得到關(guān)于θ1和θ2方程組如下： （2-1） 上述方程組中，θ1和θ2待求量，其余為已知量，而其中的H和L在運動過程中是可以調(diào)節(jié)的。求出θ1和θ2后，用于舵機驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。

為了求出關(guān)節(jié)3的轉(zhuǎn)動角度，做出腿部結(jié)構(gòu)在XY平面內(nèi)的投影，如圖2.16所示。圖2.16腿部結(jié)構(gòu)XYθ3為關(guān)節(jié)3的轉(zhuǎn)動角度，LX為L在X軸方向上的投影。為了確保機器人在直線行走的過程中一直沿Y方向運動，腿部的支撐點的運動軌跡為虛線所示。為此LX運動過程中保持不變，而在運動過程中θ3是不斷變化的，所以L也是不斷變化的。從而導(dǎo)致θ1和θ2也是不斷變化的。在腿部運動分析的求解過程中，由LY求出θ3，結(jié)合LX求出L，再結(jié)合H求出θ1和θ2，求出θ1、θ2和θ3后，相繼對關(guān)節(jié)1、2、3進(jìn)行驅(qū)動后使其轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實現(xiàn)機器人腿部的運動。直線行走步態(tài)當(dāng)其以三角步態(tài)的形式進(jìn)行移動，移動的過程中依據(jù)其六條腿存在分組的情況，可總結(jié)為每組三條腿，并將六條腿進(jìn)行編號，奇數(shù)號腿為A組，偶數(shù)號腿為B組。自主完成指定操作的六足仿生機械裝置進(jìn)行直線行走的過程中，存在A組先邁步和B組先邁步兩種情況REF_Ref10144401\r\h錯誤!未找到引用源。REF_Ref10144404\r\h錯誤!未找到引用源。REF_Ref10144406\r\h錯誤!未找到引用源。。首先以A組先邁步為例，一個完整的邁步周期的過程如圖2.17所示。圖(a)：其正處于初始狀態(tài)，六條腿都正在處于支撐狀態(tài)。圖(b)：A組正在處于自由邁步狀態(tài)，B組正在處于支撐狀態(tài)，機器人向前運動。圖(c)：B組正在處于自由邁步狀態(tài)，A組正在處于支撐狀態(tài)，機器人向前運動。圖(d)：A組正在處于自由邁步狀態(tài)，B組正在處于支撐驅(qū)動狀態(tài)。至此，六足仿生機器人直線行走一個邁步周期完成了。圖2.17六足仿生機器人直線行走步態(tài)（○：支撐腿在上述過程中，由（a）到（b）的過程和由（c）到（d）的過程是不同的，因為（a）圖中機器人正處于初始狀態(tài)，所以這兩個過程中邁步的步長不同，二者的足的矢量終點是不同的。轉(zhuǎn)彎行走步態(tài)六足機器人轉(zhuǎn)時有兩種狀態(tài)：（1）定點轉(zhuǎn)彎：在轉(zhuǎn)彎時不進(jìn)行前進(jìn)操作，圍繞固定一點進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，相對較靈活（2）行進(jìn)轉(zhuǎn)彎：在轉(zhuǎn)彎時還進(jìn)行前進(jìn)操作，不圍繞固定一點進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎半徑大，且相對不靈活且容易引起各個腿之間的運動干涉。因此在這里我們只介紹定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)。圖2.18六足仿生機器人轉(zhuǎn)彎步態(tài)（○：支撐腿轉(zhuǎn)彎步態(tài)分為左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)兩種。二者的步態(tài)類似，我們以左轉(zhuǎn)步態(tài)為例。如圖2.18所示，轉(zhuǎn)彎步態(tài)分為4個階段。由于每條腿的轉(zhuǎn)動范圍所限和避免相鄰的腿在運動過程中發(fā)生干涉，機器人在轉(zhuǎn)彎過程中不能一步轉(zhuǎn)過90度，需要分3步，每步轉(zhuǎn)過30度。圖（a）：機器人正處于轉(zhuǎn)彎前的初始狀態(tài)，6條腿都處于支撐狀態(tài)。圖（b）：A組正在處于自由邁步狀態(tài)，B組正在處于支撐狀態(tài)，機器人身體左轉(zhuǎn)。圖（c）：A組正在處于支撐狀態(tài)，而B組正在處于自由邁步狀態(tài)，機器人身體左轉(zhuǎn)。圖（d）：機器人完成左轉(zhuǎn)后的狀態(tài)，機器人實現(xiàn)了左轉(zhuǎn)90度.至此，六足仿生機器人左轉(zhuǎn)行走一個周期完成了。橫向行走步態(tài)前文完成了其步態(tài)中的轉(zhuǎn)彎步態(tài)、直線步態(tài)的研究，并對其進(jìn)行了分析?，F(xiàn)分析另一種行走步態(tài)，即類似于螃蟹行走的橫向行走步態(tài)。橫向行走步態(tài)，就是行走的方向和其身體的縱向夾角呈90度角。前直線行走步態(tài)是行走方向和其縱向方向相同。在直線行走中如果需要轉(zhuǎn)90度的彎，此時需要進(jìn)行轉(zhuǎn)彎步態(tài)。有了橫向行走步態(tài)以后，可以直接使用橫向行走步態(tài)，而不必再經(jīng)過轉(zhuǎn)彎步態(tài)繼續(xù)采用直線行走步態(tài)，可以增加機器人的靈活性。橫向行走步態(tài)分為相對機器人自身向左橫向行走步態(tài)和向右橫向行走步態(tài)。在此以相對于機器人自身向右行走為例分析橫向行走步態(tài)。橫向行走步態(tài)分為4個階段，如圖2.19所示。圖2.19橫向行走步態(tài)（○：支撐腿圖（a）：機器人處于橫向行走步態(tài)之前的初始狀態(tài)，6條腿都處于支撐狀態(tài)。圖（b）：橫向行走步態(tài)的第一步，A組正在處于自由邁步狀態(tài)，B組正在處于支撐狀態(tài)，同時機器人身體橫向行走。圖（c）：橫向行走步態(tài)的第二步，A組正在處于支撐狀態(tài)，B組正在腿處于自由邁步狀態(tài)，同時機器人身體繼續(xù)橫向行走。圖（d）：回到A組正在處于自由邁步狀態(tài)，而B組正在處于支撐驅(qū)動狀態(tài)。至此，完成了六足仿生機器人橫向行走一個邁步周期。越障行走步態(tài)為使其能在不同地形移動時都具備良好的適應(yīng)能力，越障步態(tài)對于此類機器人時必不可缺的?，F(xiàn)對六足仿生機器人的越障步態(tài)進(jìn)行討論[21]。越障的移動方式不同于正常行走以及轉(zhuǎn)彎的方式。在正常行走方式和轉(zhuǎn)彎移動時使用三角步態(tài)，就是在移動的過程中，同一時刻由三條腿用于支撐機械裝置的身體，另外的三條腿自由邁步。但是在越障步態(tài)中則不使用三角步態(tài)。越障步態(tài)分為4個階段，如圖2.20所示。圖2.20越障步態(tài)（○：支撐腿圖（a）：其正處于越障步態(tài)前的初始狀態(tài)，6條腿都處于支撐狀態(tài)。圖（b）：越障步態(tài)的第一步，機器人身體整體提高并使身體傾斜。前腿1和4處于自由邁步狀態(tài)，邁步到高處，2、3、5和6號腿在此時處于支撐狀態(tài)，并驅(qū)動機器人身體向前移動，使中腿2和5靠近高處，準(zhǔn)備邁步到高處。圖（c）：越障步態(tài)的第二步，中腿2和5邁步到高處，而1、3、4和6號腿在此時處于支撐狀態(tài)，并驅(qū)動機器人身體，使其繼續(xù)向前進(jìn)行移動，使后腿3和6靠近高處，準(zhǔn)備邁步到高處。圖（d）：越障步態(tài)的第三步，后腿3和6邁步到高處，1、2、4和5號腿在此時處于支撐狀態(tài)，以此驅(qū)動并實現(xiàn)機器人向前移動的動作。至此，機器人的整個身體都移動到了高處，完成了越障步態(tài)。小結(jié)仿生結(jié)構(gòu)模型的建立是以六足昆蟲的運動機理以及生理結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。并針對機器人的運動過程以及機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。此外，本文還研究了六足機器人常用步態(tài)之一的三足步態(tài)。并對機器人的直線行走步態(tài)、轉(zhuǎn)彎步態(tài)、橫向行走步態(tài)和越障步態(tài)加以分析?；谶@些理論知識，機器人控制系統(tǒng)部分的設(shè)計工作才得以完成，接下來便可以對機器人進(jìn)行下一階段更為深入的研究。

硬件設(shè)計六足機器人的六條腿，每條腿均包含三個用舵機驅(qū)動的關(guān)節(jié)，共計十八個，因此要用十八路PWM來控制這十八個舵機。因此控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是如何協(xié)調(diào)控制這18個舵機來實現(xiàn)直線行走和轉(zhuǎn)彎等步態(tài)。此外，我們要設(shè)計的是能夠自己計算生成步態(tài)所需數(shù)據(jù)并且能夠根據(jù)需要實時調(diào)節(jié)步態(tài)的控制系統(tǒng)，所以主控芯片需要具有足夠快的執(zhí)行速度和良好的數(shù)學(xué)計算能力。舵機的原理及其控制舵機又名為伺服電機，它可作為那些需要隨時進(jìn)行角度變化并依舊可以保持平衡的控制系統(tǒng)的位置伺服驅(qū)動器。舵機具有操作簡單、便于控制的特點，單片機可通過簡單的控制對其進(jìn)行驅(qū)動，因為舵機在日常應(yīng)用中可作為輸出執(zhí)行機構(gòu)。轉(zhuǎn)向齒輪的工作原理：直流偏置電壓的輸出是在接收機對應(yīng)通道中存在的控制信號進(jìn)入到信號調(diào)制芯片以后得到的。其所需的以20ms為周期、1.5ms為寬度的基準(zhǔn)信號是由其內(nèi)部包含的基準(zhǔn)電路所產(chǎn)生的。電阻值可依照某種變化方式調(diào)節(jié)的電阻元件的電壓與晶體管位于放大狀態(tài)時其基極和發(fā)射機之間的電壓差值得到輸出。最終，電極的轉(zhuǎn)動方向由電壓差的正負(fù)決定。當(dāng)電極運行速率恒定時，電位器通過級聯(lián)減速齒輪旋轉(zhuǎn)，從而電壓差降為零，電極停止旋轉(zhuǎn)。舵機需要一20ms左右的脈沖以滿足其控制需求，其中高電平占空比時長一般為0.5至2.5ms。圖3.1為舵機控制信號。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s11舵機控制信號輸入信號的脈沖寬度和舵機輸出轉(zhuǎn)角之間存在線性關(guān)系，如圖3.2所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s12控制信號脈寬和舵機轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系在我們此次使用的是MG996R舵機，其參數(shù)如下：圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s13MG996R舵機1.尺寸：40.7×19.7×42.9mm2.重量：55g3.反應(yīng)轉(zhuǎn)速：無負(fù)載速度0.17s/60°（4.8V）；0.13s/60°（6.0V）4.工作死區(qū)：4us5.工作電壓：3.0～7.2V6.工作扭矩：13kg·cm7.使用溫度：-30～+60℃控制系統(tǒng)的方案設(shè)計和選擇傳統(tǒng)方法產(chǎn)生PWM方波是將大量電路中常用的分立元件進(jìn)行組合后所實現(xiàn)的，產(chǎn)生的脈沖頻率和寬頻帶并不準(zhǔn)確，因而對舵機實現(xiàn)精確的控制是很困難的。但是因為集成電路芯片穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、程序編寫靈活等各方面優(yōu)點，由其輸出的脈沖調(diào)制波在十幾種得到了廣泛的應(yīng)用。綜合考慮各個方面，初步確定了以下的3種方案。方案一：選用AVR單片機同時輔以外圍電路，并結(jié)合軟件編程，能夠產(chǎn)生18路PWM方波。但關(guān)鍵是在軟件編程的時候要巧妙的使用定時中斷REF_Ref10144543\r\h錯誤!未找到引用源。。采用這個方案，雖然能夠輸出18路PWM方波，六足仿生機器人的控制也得以實現(xiàn)。但是由于采用定時器中斷編程實現(xiàn)輸出18路PWM方波，給其他部分的編程造成了困難。AVR單片機的資源有限，不便于其他功能的擴展。此外，AVR單片機的執(zhí)行速度和數(shù)學(xué)計算能力一般，不能很好的滿足控制系統(tǒng)的控制需求。方案二：采用FPGA產(chǎn)生PWM方波，因FGPA特有的可同時執(zhí)行多個的能力以及眾多的輸入輸出端口，可用其產(chǎn)生若干PWM方波，同時采用集成電路芯片與之通信，實現(xiàn)對18個舵機的控制REF_Ref10144554\r\h錯誤!未找到引用源。。這種方案的優(yōu)點是可以輸出多路獨立的PWM方波，不僅控制精度高，而且簡單可靠，還可以實現(xiàn)在線編程。但是FPGA用于產(chǎn)生PWM方波的時候，不具備事務(wù)處理能力，需要與單片機協(xié)同工作，由單片機來實現(xiàn)控制。硬件電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且具有較高的開發(fā)成本。方案三：以STM32系列單片機作為MCU，可輸出18路獨立的PWM方波，并且在輸出PWM方波時不影響其他部分程序的編寫和運行。同時具有相對較好的執(zhí)行速度和優(yōu)秀的數(shù)學(xué)計算能力REF_Ref10144617\r\h錯誤!未找到引用源。。此方案的控制系統(tǒng)的所有功能采用一個STM32芯片即可全部實現(xiàn)，STM32系列的芯片具有性能高、功耗低和價格低、具有豐富的外設(shè)，方便功能擴展的特征。能夠很好的滿足控制系統(tǒng)的控制需求。綜合比較以上三種方案，第三種方案的電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，具有低功耗、高性能以及良好的可擴展性，完全滿足控制系統(tǒng)的要求。我們選擇第三種方案用于六足仿生機器人的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)分析七彩光子太極M3——STM32開發(fā)板，主控芯片：STM32F103ZET6實物圖如下：圖STYLEREF1\s34開發(fā)板正面圖STYLEREF1\s35開發(fā)板反面板載外設(shè)：1、AT24C02，用于掉電數(shù)據(jù)保存；2、W25Q64，大容量FLASH閃存模塊，用于保存圖片字庫等；3、ch340、usb傳送端口、可用于下載程序或與電腦通信；4、MAX232，TTL轉(zhuǎn)RS232，可方便的與具有DB9接口的RS232接口設(shè)備連接；5、有源蜂鳴器，可通過跳線選擇是否連接到IO口，防止調(diào)試其他程序時蜂鳴器亂叫，也可通過杜邦線將蜂鳴器連接到其他的IO口，方便的檢測IO口狀態(tài)。6、RTC電池座，可用于RTC供電，方便RTC實驗。7、TF卡座，用于需要使用TF卡的場合；8、4顆獨立按鍵，方便實驗。9、3顆LED燈，其中一顆為電源指示燈，另外兩顆又IO口驅(qū)動，可通過程序指定功能。

主控芯片介紹圖STYLEREF1\s36STM32F103ZET6芯片STM32系列32位閃存微控制器采用為嵌入式領(lǐng)域低功耗、高性能、實時應(yīng)用以及高性價比的使用需求專門設(shè)計而成的具有突破性的ARMCortex-M3處理器作為其內(nèi)核。在設(shè)計控制系統(tǒng)硬件的時候我們采用的芯片型號為STM32F103ZET6，屬于STM32控制器中的增強型系列。該芯片在72MHz的頻率下進(jìn)行工作，結(jié)構(gòu)上包含片內(nèi)隨機存取存儲器以及豐富的外設(shè)。先介紹其性能如下。內(nèi)核：ARM32位的Cortex-M3中央處理器：1.25DMips≤MHz。在存儲器的0等待周期訪問時間；單周期乘法和硬件除法。存儲器512K字節(jié)閃存程序存儲器；高達(dá)64K字節(jié)SRAM；具有4個芯片選擇的靈活靜態(tài)存儲器控制器；支持cf卡，sram，psram，nor和nand內(nèi)存；并行l(wèi)cd接口，兼容8080/6800模式。3.時鐘、復(fù)位和電源管理2.0或3.6V電源，I/O引腳；ON/OFF復(fù)位(POR/PDR)，可編程電壓監(jiān)控器(PVD)；嵌入式4～16MHz晶振，嵌入式RC振蕩器，出廠調(diào)整8MHz。具有校準(zhǔn)功能的嵌入式RC振蕩器，具有校準(zhǔn)的40kHz；32kHzRTC振蕩器。4.低功耗睡眠，停止和待機模式;VBAT為RTC和備份寄存器供電。5.3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時間(多達(dá)21個輸入通道)轉(zhuǎn)換范圍：0至3.6V，具有三重采樣和維護(hù)功能。6.112個快速I/O口112個多功能雙向I/O端口，所有I/O端口均可映射到16個外部中斷。除了模擬輸入口以外的IO口可容忍5V信號輸入。7.11個定時器有4個16位定時器，每個定時器有4個通道，分別用于輸入捕獲、輸出比較、PWM或脈沖計數(shù)。有2個16位高級控制定時器，每個定時器有6個通道，最多6個PWM輸出，并且?guī)绤^(qū)控制。有2個看門狗計時器(獨立和加窗)；系統(tǒng)時間計時器：24位自減型計數(shù)；2個16位基本定時器用于驅(qū)動DAC。13個通信接口2個支持SMBus/PMBus的I2C接口。5個分別為ISO7816、LIN、IRDA接口和調(diào)制解調(diào)控制的USART接口。3個SPI接口(每秒18m比特)。2個可復(fù)用為I2S接口；CAN接口(2.0B默認(rèn))；USB2.0全速接口；SDIO接口。內(nèi)置CRC計算單元工作溫度：－40℃至+85℃。.

控制模塊設(shè)計主控芯片采用STM32F103系列中的Zet6型號芯片。最小控制板單元必需的外圍電路，搭建出能使芯片正常工作的最小系統(tǒng)。然后將舵機控制接口引出。各個舵機有輸入信號線、電源線以及地線，共計3根控制線。圖3.3所示即為控制模塊的原理圖。圖STYLEREF1\s37stm32f103zet6原理圖

電源模塊設(shè)計電源選用品勝LCDPowerstationTS-199的便攜式移動電源USB供電，內(nèi)置直流電壓轉(zhuǎn)換模塊，其輸出電壓為5V。舵機的額定工作電壓為5V，stm32芯片的額定工作電壓為2.0到3.6伏特。我們采用3.3V供電。需要設(shè)計一個將5V轉(zhuǎn)換為3.3V的電源轉(zhuǎn)換模塊。選擇AMS1117-3.3作為穩(wěn)壓集成電路使用。圖STYLEREF1\s38電源模塊供電原理圖串口通信模塊設(shè)計在與單片機進(jìn)行串口通信時，通常使用DB9的接口與計算機相連。這種通信方式中有9個通信信號，分為基本的數(shù)據(jù)傳輸信號和調(diào)制解調(diào)控器制信號兩類?；緮?shù)據(jù)傳輸信號有：發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）、接收數(shù)據(jù)（RXD）、地（GND）。調(diào)制解調(diào)控制信號有：數(shù)據(jù)終端就緒（DTR）、請求發(fā)送信號（RTS）、數(shù)據(jù)設(shè)備就緒（DSR）、允許發(fā)送（CTS）、數(shù)據(jù)載波檢測（DCD）、振鈴（RI）。圖STYLEREF1\s39RS232接口電路原理圖在pc與微控制器的通信中只使用基本的數(shù)據(jù)傳輸信號線，而不使用調(diào)制解調(diào)器來控制信號線。即三線式。RS232異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口準(zhǔn)通常采用負(fù)邏輯。-15V～-5V為邏輯1的電平范圍，+5V～+15V為邏輯0的電平范圍。PC機的串口信號線在進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后方能和TTL電平的單片機信號線進(jìn)行連接。我們此次使用MAX232芯片來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這確保了pc和mcu之間的正常通信。其原理圖如圖3.5所示。圖STYLEREF1\s310USB轉(zhuǎn)TTL原理圖超聲波測距模塊HC-SR04超聲波測距模塊具有2-400cm的非接觸式測距功能，其測距精度可達(dá)3mm；該模塊包括控制電路、超聲波發(fā)射機以及接收機。像智能汽車或某些項目的距離測量和轉(zhuǎn)向一樣，它經(jīng)常被使用。應(yīng)用在智能車測距時，該模塊能實時的察覺到前方障礙物，使智能車及時進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，從而繞開障礙物。工作原理：1．將電源和地接入超聲波模塊。2.給脈沖觸發(fā)引腳（trig）輸入一個長為20us的高電平方波3.當(dāng)檢測模塊輸入正方波后將自動發(fā)出8個聲波，其頻率為40kz，而回聲引腳端帶你平將由低變高；（此時應(yīng)啟動定時器計時）4。當(dāng)檢測模塊接收到超聲波返回信號后，回波針的電平將從高變?yōu)榈停?此時計時器計數(shù)應(yīng)停止)，超聲波從發(fā)射到返回的總時長將由計時器進(jìn)行記錄。5。測量距離可根據(jù)空氣中的聲速為344m/s計算。圖STYLEREF1\s311HC-SR04超聲波模塊原理圖圖STYLEREF1\s312HC-SR04超聲波模塊實物圖藍(lán)牙模塊當(dāng)藍(lán)牙連接成功時，我們可以先不管藍(lán)牙內(nèi)部完成通訊所必須遵守的規(guī)定，可直接將藍(lán)牙作為通信串口使用。當(dāng)建立連接后，兩設(shè)備使用相同的通道，即相同的串行端口。主從設(shè)備分別作為接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)的裝置。當(dāng)然,為形成這樣的信道連接，在使用時需要先設(shè)置藍(lán)牙為AT模式，才能夠滿足執(zhí)行配對連接時的特定條件,即,,原理圖如圖所示。外形如圖所示。圖STYLEREF1\s313HC05藍(lán)牙原理圖圖STYLEREF1\s314HC05藍(lán)牙外形圖HC05藍(lán)牙模塊引腳說明1.RXD:接收端2.TXD:發(fā)送端3.AT:設(shè)置工作模式1)工作模式:自動連接，又稱為透傳模式2)AT指令設(shè)置模式:命令回應(yīng)，又稱為AT模式4.VCC:模塊供電正極(5V)5.GND:模塊供電負(fù)極3.4小結(jié)依照多自由度的自主完成指定操作的六足仿生機械裝置的控制系統(tǒng)的工作原理以及設(shè)計需求，我設(shè)計了主控集成電路為STM32F103ZET6的控制系統(tǒng)的硬件電路。并包含電源模塊和通信模塊等。能夠輸出18路獨立的且占空比可調(diào)的PWM方波來控制多自由度六足機器人的18個舵機，從而完成其行走、轉(zhuǎn)彎和越障等動作。

六足機器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計依照其運動控制需求的同時與控制系統(tǒng)硬件備份的設(shè)計原理相結(jié)合?？刂葡到y(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括控制系統(tǒng)主程序、機器人轉(zhuǎn)彎程序、機器人直線行走程序以及串口通信程序等。軟件設(shè)計采用KeiluVision5編寫、編譯、仿真和調(diào)試。在軟件設(shè)計則采用以模塊化彼此獨立的程序作為其設(shè)計思想，簡化了程序設(shè)計和調(diào)試，使程序具有較強的可讀性?？刂葡到y(tǒng)的主程序圖4.1控制系統(tǒng)主程序的流程圖圖4.1所示即為六足仿生機器人控制系統(tǒng)主程序的工作流程圖。程序開始后的的第一步便是系統(tǒng)初始化，包括I/O端口的配置、定時器設(shè)置和USART接口配置等系統(tǒng)配置。然后執(zhí)行舵機初始化程序，初始化舵機的角度位置并保持，為機器人的運動做好準(zhǔn)備。至此完成了系統(tǒng)所需的所有的初始化，控制系統(tǒng)進(jìn)入等待命令階段。當(dāng)接受到命令時，就執(zhí)行相應(yīng)的運動控制程序，如直線行走、轉(zhuǎn)彎等。六足機器人的單腿控制程序設(shè)計在2.5.3節(jié)給出了用牛頓-辛普森方法求解六足仿生機器人單腿運動關(guān)于θ1和θ2方程組：的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程。使用MATLAB軟件根據(jù)牛頓-辛普森方法的原理編寫求解該方程組的程序REF_Ref10144769\r\h錯誤!未找到引用源。，通過實驗表明程序能夠求出該方程組足夠精確的解。程序需要兩個輸入?yún)?shù)height和length，分別對應(yīng)到方程組中的H和L3-L。輸出參數(shù)分別為output_angle(1)和output_angle(2)，分別對應(yīng)到方程組中的θ1和θ2。圖4.2所示即為程序的運行結(jié)果。輸入?yún)?shù)為height=60，length=90，對應(yīng)的程序的輸出結(jié)果為θ1=－102.9521°，θ2=137.9357°。我們對機器人處在height=60，length=90的狀態(tài)的時候的θ1和θ2測試，結(jié)果與程序的結(jié)果完全吻合。上面給出了用MATLAB軟件求解機器人單腿運動的程序和結(jié)果。但是這個程序只能在以MATLAB為軟件開發(fā)環(huán)境下運行。對其進(jìn)行略微的修改，即可移植到STM32芯片上投入使用。然后就可以用于機器人單腿控制程序中。圖4.2MATLAB程序運行結(jié)果單腿控制程序中最重要的部分是生成步態(tài)所需的數(shù)據(jù)，即用去驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的3個舵機的角度數(shù)據(jù)θ1、θ2和θ3。而程序的輸入?yún)?shù)有3個，除了上面提到的height和length外，還有一個步長參數(shù)steplength。程序流程是由步長參數(shù)求出θ3，同時確定參數(shù)length的大小，然后結(jié)合參數(shù)height采用上述方法即可求出參數(shù)θ1和θ2。六足機器人的直線行走程序設(shè)計為了便于程序說明，對其十八個舵機進(jìn)行編號1－18，如圖4.3所示。而六條腿仍如前文所述，A組腿包含1、3和5號腿，B組腿則包含2、4和6號腿。其中1、2、3、7、8、9、13、14和15號舵機用于驅(qū)動A組腿，為A組舵機；其余的舵機用于驅(qū)動B組腿，為B組舵機。圖4.3機器人舵機編號其直線行走方式和橫向行走方式的程序設(shè)計思想大致相同，在這里以直線行走步態(tài)為例分析程序設(shè)計。圖4.4所示即為機器人的直線行走程序流程圖。機器人直線行走分A組腿先邁步和B組腿先邁步兩種，在這里只分析A組腿先邁步的程序設(shè)計，B組腿先邁步的程序設(shè)計類似。首先是進(jìn)行系統(tǒng)初始化，為控制系統(tǒng)能夠正常工作做好準(zhǔn)備工作，包括IO口配置、定時器設(shè)置和舵機初始位置設(shè)定等。系統(tǒng)初始化完成后控制系統(tǒng)驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)機器人行走。首先是A組舵機驅(qū)動A組腿自由邁步，B組腿在B組舵機驅(qū)動下，完成機器人身體向前移動的動作，這是直線行走的第一步。接下來A組舵機驅(qū)動A組腿使機器人身體繼續(xù)向前移動，而B組舵機驅(qū)動B組腿自由邁步，至此直線行走的一個邁步周期就結(jié)束了。然后繼續(xù)循環(huán)運行上面兩步直到運動結(jié)束。圖4.4直線行走程序的流程圖六足機器人的轉(zhuǎn)彎程序設(shè)計機器人的轉(zhuǎn)彎分為左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)兩種，在這里只分析左轉(zhuǎn)的程序設(shè)計，右轉(zhuǎn)的程序設(shè)計類似。圖4.5所示即為六足仿生