仿生六足機(jī)器人控制系統(tǒng)（D-H數(shù)學(xué)模型、程序、硬件原理圖）

ID:113472 · 發(fā)表于 2016-4-13 03:40

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仿生六足機(jī)器人 D-H數(shù)學(xué)模型 P.7-10.pdf (234.1 KB, 下載次數(shù): 109)
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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)。控制器主要有微處理器、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 3 路 PWM 信號(hào)擴(kuò)展成
24 路，具有信號(hào)質(zhì)量好、占用處理器資源少的優(yōu)點(diǎn)。
在軟件層上，采用了 D-H 建模、三角算法、六次項(xiàng)軌跡規(guī)劃等算法來(lái)構(gòu)建機(jī) 器人的運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，首先是由三角算法構(gòu)建機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，之后運(yùn)用六次軌跡規(guī)劃算法模擬出六足動(dòng)物的抬腿擺動(dòng)軌跡，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)。

摘要................................................................................................................................ I
Abstract ........................................................................................................................ II

第 1 章緒論.................................................................................................................. 1
1.1  機(jī)器人的發(fā)展史 .............................................. 1
1.2 仿生機(jī)器人的發(fā)展............................................. 1
1.2  仿生機(jī)器人的用途 ............................................ 2
1.3 仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)算法與控制的熱點(diǎn)............................. 3
1.4 仿生六足機(jī)器人的開(kāi)發(fā)流程..................................... 4
第 2 章仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算...................................................................... 6
2.1 仿生六足機(jī)器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)....................................... 6
2.2 機(jī)器人的位置運(yùn)動(dòng)學(xué)........................................... 7
2.3  D-H 參數(shù)法的簡(jiǎn)介............................................. 7
2.4  仿生六足機(jī)器人的腿部正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算 ............................ 8
2.6  仿生六足機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué) ................................... 10
第 3 章仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)算法........................................................................ 13
3.1  運(yùn)動(dòng)軌跡的主要參數(shù) ......................................... 13
3.2  六次項(xiàng)足跡規(guī)劃 ............................................. 13
3.3 行走步態(tài)設(shè)計(jì)................................................ 16
3.4 轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計(jì)................................................ 18
3.4.1 原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎 .............................................. 18
3.4.2 定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計(jì) ...................................... 19
第 4 章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)................................................................................................ 20
4.1  控制系統(tǒng)概述及其要求 ....................................... 21
4.2 舵機(jī)原理介紹................................................ 21
4.3 下位機(jī)硬件開(kāi)發(fā).............................................. 22
4.3.1  主處理器的選型........................................ 22
4.3.2 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) .......................................... 23
4.3.3  驅(qū)動(dòng)模塊信號(hào)測(cè)試...................................... 24
4.3.4 電源模塊設(shè)計(jì) .......................................... 24
4.3.5  下位機(jī)軟件架構(gòu)........................................ 25
4.4 上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā).............................................. 26
4.4.1  上位機(jī)軟件的主要功能.................................. 26

4.4.3  上位機(jī)軟件界面........................................ 28
4.5  誤差分析 ................................................... 29 結(jié)論.............................................................................................................................. 29 參考文獻(xiàn)...................................................................................................................... 30 致謝.............................................................................................................................. 31 附錄 1 機(jī)器人零件工程圖 ............................................ 30 附錄 2 驅(qū)動(dòng)模塊 PCB .................................................................................................. 30 附錄 3 控制系統(tǒng)硬件原理圖....................................................... 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。

第1章       緒論

1.1  機(jī)器人的發(fā)展史

1920 年《Rossum’s Universal Robots》
由 Karel  Capek 寫(xiě)的劇本第一次在人類文學(xué) 上出現(xiàn)了機(jī)器人概念；隨后這個(gè)概念引來(lái)了無(wú)數(shù)人的遐想，同時(shí)也造就了眾多有關(guān)機(jī)器
人的小說(shuō)或是電影；而隨著人類科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們驚訝的發(fā)現(xiàn):遐想不在是遐想，機(jī)器人已經(jīng)在不知不覺(jué)中出現(xiàn)在人們的生活生產(chǎn)里面[1]。
美國(guó)在 1954 年出現(xiàn)第一臺(tái)可編程的磁控制器，其是有 Geoge  Devol 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。由于采用了示教再現(xiàn)的控制技術(shù)，使得其具有了在當(dāng)時(shí)的優(yōu)秀的可控性能。這標(biāo)志著現(xiàn)代機(jī)器人已經(jīng)初具雛形，隨后該技術(shù) 促進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床也緊跟著出現(xiàn)。
1955 年，D-H 建模開(kāi)始出現(xiàn)在機(jī)器人領(lǐng)域，其運(yùn)用了數(shù)學(xué)的矩陣變換來(lái)描述機(jī)器人的姿態(tài)變換運(yùn)動(dòng)[2]。并由此推導(dǎo)出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的變換方程，人們稱之為 D-H 參數(shù)建模。隨著該模型的不斷發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)成為了機(jī)器人建模最為簡(jiǎn)潔的方法之一。
隨著機(jī)器人技術(shù)更新的越來(lái)越快，機(jī)器人開(kāi)始不再只是局限于工業(yè)領(lǐng)域，機(jī) 器人開(kāi)始在一些非工業(yè)領(lǐng)域嶄露頭角，如在一些高危行業(yè)，如災(zāi)難發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)、復(fù) 雜地貌地區(qū)、非人類居住區(qū)域等等。
這些有人類不可完成的任務(wù)，用機(jī)
器人卻可以達(dá)到很好的效果。如圖
1-1 與圖 1-2，都是機(jī)器人技術(shù)的在非工業(yè)領(lǐng)域的具體運(yùn)用。圖 1-1 是輪式機(jī)器人在外星球執(zhí)行影像、土壤、氣體等資料的收集；圖 1-2 是美國(guó)的全地形六足機(jī)器人，其可以在輪式機(jī)器人與履帶式機(jī)器人無(wú)法到達(dá)的區(qū)域執(zhí)行任務(wù)。

1.2 仿生機(jī)器人的發(fā)展

圖 1-2  美國(guó)全地形六足機(jī)器人

現(xiàn)代機(jī)器人由于一開(kāi)始是出現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域，其對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)力較為底下，而隨著人類的需求的不斷的擴(kuò)大，現(xiàn)代機(jī)器人開(kāi)始模仿自然界的動(dòng)物的肢體結(jié)構(gòu)或是行為模式來(lái)設(shè)計(jì)，以便增強(qiáng)機(jī)器人的自然環(huán)境的適應(yīng)能力。由于生物的自然進(jìn)化經(jīng)過(guò)幾億年的自然選擇，其本身就具有極大的研究性，這對(duì)現(xiàn)代機(jī)器人的技術(shù)的更新起到了重要的作用。
仿生機(jī)器人的誕生是多種學(xué)科融合的結(jié)果，涉及仿生學(xué)、人工智能、力學(xué)、傳感技術(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)、微電子學(xué)、控制學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算科學(xué)等學(xué)科知識(shí)[3]。仿生機(jī)器人不僅具有傳統(tǒng)機(jī)器人的特點(diǎn)，也具有生物運(yùn)動(dòng)的部分特點(diǎn)，這使其的運(yùn) 行效率大大增加！
自然界的生物種類有很多，仿生機(jī)器人的種類也相對(duì)較多，但一般分為兩類：類人型、非人型。在當(dāng)代的仿生機(jī)器人技術(shù)的前沿，類人型機(jī)器人主要研究的是仿人型的行走姿態(tài)的變換、指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的變化、手臂運(yùn)動(dòng)等姿態(tài)。非人型仿生機(jī) 器人主要研究集中在陸地昆蟲(chóng)、深海魚(yú)類、空中飛行等方面。

1.2  仿生機(jī)器人的用途

在自然界存在許多人類無(wú)法正常到達(dá)或是會(huì)對(duì)生命產(chǎn)生危險(xiǎn)的場(chǎng)合，如礦難發(fā)生地點(diǎn)、月球表面、恐怖組織活動(dòng)區(qū)域等等。為了對(duì)這些危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)與研究，通常需要運(yùn)用機(jī)器人來(lái)滿足人類的需求。而這些區(qū)域通常都是凹凸不平、地勢(shì)不規(guī)則，在人類還沒(méi)有對(duì)仿生機(jī)器人進(jìn)行大規(guī)模研究的時(shí)候，都是運(yùn)用輪式機(jī)器人與履帶式機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)。雖然輪式機(jī)器人在平坦的路面上具有很高的機(jī)動(dòng)性與靈活性，但是在松軟的地面上，輪式機(jī)器人的適應(yīng)力卻極差。為了改善機(jī)器人在松軟地面上的適應(yīng)力，人們采用了履帶式機(jī)器人，但履帶式機(jī)器人在凹凸不平的路面上其可控性、平穩(wěn)性仍然很差。尤其是在一些地貌復(fù)雜區(qū)域上，輪式機(jī)器人與履帶式機(jī)器人的能耗都將大大的增加，平穩(wěn)性、可控性能也大大降低。
雖然仿生多足機(jī)器人在平穩(wěn)性與適應(yīng)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是由于使腿部協(xié) 調(diào)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)算法都比較復(fù)雜，相對(duì)于自然界的節(jié)肢動(dòng) 物仿生多足步行機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性還有很大差距。

隨著現(xiàn)代仿生學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，仿生機(jī)器人的用途必然隨著人類發(fā)展而越來(lái)越廣泛，仿生多足機(jī)器人已經(jīng)在多變的地貌上展現(xiàn)實(shí)用價(jià)值，與當(dāng)代科學(xué)技術(shù)所生產(chǎn)的常規(guī)的機(jī)器人相比，仿生多足機(jī)器人在這方面擁有難以超越的實(shí)用性與方便性[4]。由于仿生多足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的時(shí)候是點(diǎn)接觸，是一系列離散的點(diǎn)，它可以在行走經(jīng)由算法處理而選擇最佳的路徑行走[5]；一個(gè)很顯著的特點(diǎn)就是仿生多足機(jī)器人可以通過(guò) 算法主動(dòng)隔振，通過(guò)對(duì)機(jī)身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng) 足跡的解耦，做到機(jī)體姿態(tài)的相對(duì)平穩(wěn)；由于是離散的點(diǎn)，仿生多足機(jī)器人在不平地面與松軟地面的能耗也相應(yīng)減少，而且運(yùn)動(dòng)速度較快。正是由于這些特點(diǎn)，仿生多足機(jī)器人在戰(zhàn)地偵查、行星表面、災(zāi)難救援運(yùn)用的越來(lái)越廣。
如圖 1-3 是美國(guó) iRobot 公司研究院開(kāi)發(fā)的美國(guó)大狗，其具有良好的運(yùn)動(dòng)性能，能在復(fù)雜的地貌上執(zhí)行任務(wù)。即使受外力干擾，如遭到人類的猛踢、地面打滑等，它也能經(jīng)由傳感器向中央處理器發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，自動(dòng)校正自己的姿態(tài)，使自身不會(huì)跌倒。這些性能保證了美國(guó)大狗能在戰(zhàn)場(chǎng)上運(yùn)送物資、執(zhí)行一些人類不能執(zhí)行的任務(wù)，具有極強(qiáng)的實(shí)用性。

1.3 仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)算法與控制的熱點(diǎn)

雖然仿生學(xué)在不斷完善，但是由于一些基礎(chǔ)理論并沒(méi)有得到有效的解決，當(dāng) 代的技術(shù)并不能很好的仿生出動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)性能。但是隨著越來(lái)越多的研究人員關(guān) 注，仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)算法與控制發(fā)展的越來(lái)越好。
多足步行機(jī)器人是仿生機(jī)器人的一個(gè)重要分支，因?yàn)槠淠茉趶?fù)雜的地面上行

為了能自主處理在不同的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，多足步行機(jī)器人必然需要一個(gè)步態(tài)控制系統(tǒng)，步態(tài)控制系統(tǒng)主要分為力控制與位置控制，都是經(jīng)由動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué) 模型而來(lái)。由于采用了動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，多足步行機(jī)器人的控制系統(tǒng)能對(duì)生物的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行較為真實(shí)的仿真。基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的控制算法，能實(shí)現(xiàn)分層次控制。例如將多足機(jī)器人分為腿部模型與機(jī)體模型，在底層能操縱多足機(jī)器人的每一條腿，在高層次上能實(shí)現(xiàn)機(jī)體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制。

1.4 仿生六足機(jī)器人的開(kāi)發(fā)流程

在本文中主要研究的是仿生六足機(jī)器人的控制器開(kāi)發(fā)，其采用了多種先進(jìn) 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)更加平穩(wěn)、順滑。
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。

圖 1-4  仿生六足機(jī)器人的開(kāi)發(fā)流程

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，像本中采用的 ARMstm32 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)。

本章小結(jié)

仿生機(jī)器人由于具有自然環(huán)境的生物的一些特性，相對(duì)于輪式、履帶式機(jī)器
人，其具有的優(yōu)勢(shì)是無(wú)可比擬的，如仿生機(jī)器人可以運(yùn)用在自然環(huán)境惡劣的情況下，完成人類無(wú)法執(zhí)行的任務(wù)。但是仿生機(jī)器人由于其行走的的復(fù)雜性，其控制系統(tǒng)更為復(fù)雜。在仿生機(jī)器人領(lǐng)域，雖然仍有一些基礎(chǔ)理論并沒(méi)有得到有效的解決，但相信隨著人類技術(shù)的發(fā)展與需要的不斷擴(kuò)大，相信其會(huì)發(fā)展的越來(lái)越好。

第2章       仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

2.1 仿生六足機(jī)器的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

圖 2-1  螞蟻的身體結(jié)構(gòu)圖

仿生六足機(jī)器是以自然
界的多足生物為原形而建立起的模型。如圖 2-1 是螞蟻身體的結(jié)構(gòu)示意。本文中的仿生六足機(jī)器人的研究忽略了腿部末端的跗節(jié)與刺爪，只研究仿生六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng) 的時(shí)候主體結(jié)構(gòu)與基節(jié)的轉(zhuǎn) 動(dòng)角度、基節(jié)與股節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng) 角度、股節(jié)與脛節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，這三個(gè)角度。多足生物末端的跗節(jié)、刺爪主要的作

用是抓附，或者是微小動(dòng)作的操作，而在本文中主要研究的是多足生物的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)問(wèn)題，故在此不做詳細(xì)分析。

仿生六足機(jī)器人是由機(jī)體和六條腿所組成的，機(jī)體與腿部通過(guò)運(yùn)動(dòng)部件相連接。六條腿通過(guò)一定的布置規(guī)則安放在機(jī)體上。仿生六足機(jī)器人的腿部與三自由度工業(yè)機(jī)械手相類似，都是串聯(lián)型結(jié)構(gòu)。從整體上看，仿生六足機(jī)器人是并聯(lián)型結(jié)構(gòu)。

2.2 機(jī)器人的位置運(yùn)動(dòng)學(xué)

一個(gè)物體在在三維空間可以采用基坐標(biāo)系與在物體上固連一個(gè)坐標(biāo)系來(lái)表示，基坐標(biāo)系為已知，基坐標(biāo)系與物體的固連坐標(biāo)系關(guān)系為已知，這樣一個(gè)物體的位置與姿態(tài)就可以通過(guò)與基坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系來(lái)表達(dá)。
如果采用矩陣來(lái)表達(dá)，就是：

n、y、x 通常這三個(gè)單位向量互相垂直，在矩陣中，每一個(gè)單位向量都有它
們所在的基坐標(biāo)系中的三個(gè)分量表示，其意義是表達(dá)著物體的姿態(tài)。 px、p y、pz
表達(dá)著物體在基坐標(biāo)系的位置。該矩陣是齊此變換矩陣，最后一行為比例因子。機(jī)器人是一種開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)變量為已知的時(shí)候，我們可以通過(guò) 正向運(yùn)動(dòng)學(xué)通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出其末端執(zhí)行器的位姿；當(dāng)我們只知道機(jī)器人的末端
位姿的時(shí)候，可以通過(guò)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的求逆，得出機(jī)器人的關(guān)節(jié)變量。正如前面的所描述的，固連在物體上的坐標(biāo)系的原點(diǎn)有三個(gè)自由度，我們只
需三條信息就可以將其確定下來(lái)。故，坐標(biāo)系的原點(diǎn)可以采用任意的坐標(biāo)系來(lái)描述，而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)則可以通過(guò)在坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)來(lái)描述。常用的坐標(biāo)系描述有：
①       比卡爾（直角）坐標(biāo)
②       圓柱坐標(biāo)
③       球坐標(biāo)
④       鏈?zhǔn)剑ㄐD(zhuǎn)）坐標(biāo)
在這里我們采用的是鏈?zhǔn)阶鴺?biāo)，在后面的 D-H 參數(shù)法建模中，會(huì)詳細(xì)談?wù)摗?其它坐標(biāo)，在此不做討論。

2.3  D-H 參數(shù)法的簡(jiǎn)介

仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)建模采用的是 Denavit 和 Hartenberg 提出來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)方法，稱為 D-H 模型，D-H 建模方法適用于任何復(fù)雜的機(jī)器人建模[2]。

通常機(jī)器人都是有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、滑動(dòng)關(guān)節(jié)等組成的，而連桿的長(zhǎng)度則是根據(jù)需求來(lái)制定的即是長(zhǎng)度是可以任意的。在構(gòu)建機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型時(shí)，首先要做的就是固連一個(gè)參考的坐標(biāo)系，然后就是選擇最簡(jiǎn)便的變換順序，把坐標(biāo)從第一個(gè)的關(guān)節(jié)變換到最后的關(guān)節(jié)。

圖 2-2  D-H 參數(shù)法關(guān)節(jié)標(biāo)注

2.4  仿生六足機(jī)器人的腿部正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

若一個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是由很多個(gè)的關(guān)節(jié)與連桿組成，且依次連接的三個(gè)關(guān)節(jié) 能在坐標(biāo)系中通過(guò)變換互相轉(zhuǎn)換；可將第一個(gè)關(guān)節(jié)為關(guān) 節(jié) n,依次類推為關(guān)節(jié) n+1、關(guān)節(jié) n+2,同時(shí)稱在 n 與 n+1 之間的關(guān)節(jié)為連桿 n，依照順序?yàn)檫B桿 n+1、連桿 n+2。至于矩陣變換，將在仿生六足機(jī)器人的腿部正逆運(yùn)動(dòng)學(xué) 計(jì)算詳細(xì)講解[2]。

圖 2-3  腿部簡(jiǎn)化模型

法則確定 Z 軸的方向。在關(guān)節(jié) 1 處的 Z
軸為 Z 0 ，依次類推。
在確立了 Z 軸后，繼續(xù)建立 X 軸。 X 0 的方向可以自由設(shè)定，但 X 1 的方向由 Z 0 指向 Z1 的垂線所確立， X 2 也類似。 X 3 - Z 3 坐標(biāo)系固連在簡(jiǎn)化模型尾
端，由于尾端沒(méi)有接其他關(guān)節(jié)，故
X 3 - Z 3 坐標(biāo)系與 X 2 - Z 2 坐標(biāo)系坐標(biāo)系

如圖 2-3  是仿生六足機(jī)
器人的腿部簡(jiǎn)化模型。由于只有三自由度，其只有位置，而沒(méi)有姿態(tài)。
仿生六足機(jī)器人的腿部簡(jiǎn) 化模型有三個(gè)關(guān)節(jié)，確定其旋轉(zhuǎn)的正方向。
如圖 2-4 在確定關(guān)節(jié)的旋
轉(zhuǎn)方向之后，以每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸心為 Z 軸，并以右手旋轉(zhuǎn)

圖 2-4  腿部簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

一樣，即從 X 2 - Z 2 坐標(biāo)系平移至 X 3 - Z 3 坐標(biāo)系，其姿態(tài)不變。建立坐標(biāo)系后，
將參數(shù)導(dǎo)入 D-H 表即表 2-1。

參數(shù)說(shuō)明：
       θ n 為 X n 1 繞 Z n 1 旋轉(zhuǎn)至與 X n 平行的旋轉(zhuǎn)角度。
       α n 為 Z n 1 繞 X n 1 旋轉(zhuǎn)至與 Z n 平行的旋轉(zhuǎn)角度。
       d n 為 Z n 1 與在 Z n 軸上分別做的兩條公垂線的距離。
       a n 為 Z n 1 與 Zn 的垂線距離。
變換順序?yàn)椋?br /> ①       X n 1 繞 Z n 1 旋轉(zhuǎn)至與 X n 平行。
②       X n 1 -Z n 1 平移至 X n -Z n 坐標(biāo)系。
③       Z n 1 繞 X n 1 旋轉(zhuǎn)至與 Z n 平行。

從變換順序可得知，每次的坐標(biāo)系的變換都是按當(dāng)前坐標(biāo)系變換，即在最終
變換的時(shí)候都是矩陣右乘。從關(guān)節(jié) 1（即基節(jié)，以此關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系作為基坐標(biāo)系）變換到關(guān)節(jié) 2 得 A 1 ，依次變換到關(guān)節(jié) 3，可得 A 2 、A 3 。
依據(jù) D-H 表，將參數(shù)代入變換矩陣 A 中。

得到每個(gè)關(guān)節(jié)的變換矩陣后，可得到從關(guān)節(jié) 1 變換到關(guān)節(jié) 3 的最終變換：

式（2-8）表達(dá)的數(shù)學(xué)意義是：在三個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度為已知的前提下，通過(guò)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算，可以推導(dǎo)出仿生六足機(jī)器人的腿部簡(jiǎn)化模型的尾端位置。

2.6  仿生六足機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)

在上節(jié)式（2-8）表達(dá)的意義是在知道每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度后，就可以求得仿生六足機(jī)器人的腿部簡(jiǎn)化模型的尾端位置。也可以依據(jù)兩矩陣的關(guān)系得到尾端坐標(biāo)系的姿態(tài)，而建立矩陣的最終目的并不在此，而在于矩陣的逆求解，即逆運(yùn) 動(dòng)學(xué)解，其意義是在仿生六足機(jī)器人的簡(jiǎn)化模型的尾端的位姿為已知的情況下，求得每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。
在上面的運(yùn)動(dòng)方程中，有很多角度是耦合在一起的，這就必須從矩陣中提取足夠的元素來(lái)解耦，如 a3S1C2C3   a3S1S2 S3  a2 S1C2   a1S1 。

為使角度解耦，可以采用矩陣

式（2-12）、（2-14）、（2-17）這三個(gè)角度的函數(shù)關(guān)系式表達(dá)的數(shù)學(xué)意義是：在已知仿生六足機(jī)器人的腿部簡(jiǎn)化模型的尾端位置的前提下，可以通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué) 的計(jì)算推導(dǎo)出仿生六足機(jī)器人的腿部的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度。

本章小結(jié)
仿生六足機(jī)器人的腿部屬于串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)其正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解，可以求得其關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角與腿部末端姿態(tài)的函數(shù)關(guān)系式。由這些函數(shù)關(guān)系式，就可以對(duì) 仿生六足機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

第3章       仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)算法

3.1  運(yùn)動(dòng)軌跡的主要參數(shù)

仿生六足機(jī)器人在地面上行走時(shí)，依靠的是腿的運(yùn)動(dòng)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。尤其是在復(fù)雜的地面上，對(duì)腿的擺動(dòng)軌跡有著很高的要求。因此在設(shè)計(jì)的腿的擺動(dòng)的時(shí) 候，必須考慮幾點(diǎn)重要參數(shù)：
① 運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的高寬比[6]。該值可以直接體現(xiàn)出仿生六足機(jī)器人的單腿的運(yùn)動(dòng)特性。該值越大，仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力就越高。但是該值也會(huì)影響仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，該值越大，仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)相應(yīng)變慢。故，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該考慮一個(gè)合適的值，在運(yùn)動(dòng)能力與運(yùn)動(dòng)速度兩者之間有所收放。
② 運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的弧長(zhǎng)[6]。當(dāng)弧長(zhǎng)的寬度固定時(shí)，軌跡曲線越長(zhǎng)，則仿生六足機(jī)器人的單腿在空中滯留的時(shí)間就越長(zhǎng)，相應(yīng)的仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)變慢。但是，如果該值過(guò)低，會(huì)影響仿生六足機(jī)器人越過(guò)具有一定高度的障礙物的能力。
③ 運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的運(yùn)算復(fù)雜程度[6]。當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線所限制的參數(shù)越多，其的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線將會(huì)加強(qiáng)仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性，但是與之相對(duì)應(yīng)的是其運(yùn)算復(fù)雜性會(huì)成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。運(yùn)算越復(fù)雜，處理器產(chǎn)生的誤差也會(huì)越大。因此在選擇運(yùn)動(dòng)軌跡的步態(tài)算法時(shí)，要優(yōu)先考慮中央處理器是否能勝任，產(chǎn)生的誤差是否在可允許范圍內(nèi)。

3.2  六次項(xiàng)足跡規(guī)劃

在仿生機(jī)器人的領(lǐng)域，通常都是將多足機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)末端的從支撐面抬起再到降落至支撐面的過(guò)程叫為擺動(dòng)相，這一過(guò)程中所產(chǎn)生的曲線就是上一節(jié)所說(shuō)的仿生多足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。從支撐面抬起那個(gè)點(diǎn)稱為起始坐標(biāo)，降落至支撐面的那個(gè)點(diǎn)稱之為終點(diǎn)坐標(biāo)。在設(shè)計(jì)擺動(dòng)相的時(shí)候，不僅僅只是限制其起始坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)，還要限制其他幾個(gè)重要參數(shù)，如：中點(diǎn)坐標(biāo)、起始速度、終

度、中點(diǎn)加速度等參數(shù)。在上一節(jié)的仿生六足機(jī)器人的單腿的擺動(dòng)設(shè)計(jì)中，可知：當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線
所限制的參數(shù)越多的時(shí)候，其運(yùn)算復(fù)雜程度也會(huì)越大。由數(shù)學(xué)知識(shí)可知，越高次數(shù)的多次項(xiàng)所擬合的曲線越精確。而仿生六足機(jī)器人的腿部末端的軌跡曲線可以由下面的多次項(xiàng)來(lái)表達(dá)：

將約束條件代入（3-1）式中，并解方程就可以得出系數(shù)矢量。在文獻(xiàn)[3,96-97]
中由于求解方式繁瑣且不明朗，不適合實(shí)際運(yùn)用。故在這里采用 MATLAB 高級(jí)科學(xué)計(jì)算器來(lái)求解，代碼如下：

3.3 行走步態(tài)設(shè)計(jì)

仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是要協(xié)調(diào)多條腿來(lái)共同完成的，為了維持其在運(yùn)動(dòng)時(shí) 的穩(wěn)定性，采用“三角算法”來(lái)設(shè)計(jì)其行走步態(tài)[5]。
所謂的“三角算法”即是仿生六足機(jī)器人在行走的時(shí)候是有三條腿作為支撐點(diǎn)的，仿生六足機(jī)器人的重心穩(wěn)定在三條腿組成的三角形中，另三條腿處于擺動(dòng) 狀態(tài)中。
在仿生六足機(jī)器人執(zhí)行行走、轉(zhuǎn)彎時(shí)，每條腿都是分成兩部分動(dòng)作來(lái)完成的，第一部分是抬腿擺動(dòng)相，第二部分是支撐摩擦相。
仿生六足機(jī)器人在行走步態(tài)時(shí)有三個(gè)重要參數(shù)：t1 抬腿擺動(dòng)時(shí)間參數(shù)、t2 支撐摩擦?xí)r間參數(shù)、t3 中繼時(shí)間參數(shù)。其中中繼時(shí)間參數(shù)是包含在在擺動(dòng)相與支撐
摩擦相的時(shí)間參數(shù)內(nèi)。當(dāng)中繼時(shí)間參數(shù)為 0 時(shí)，表達(dá)的意義是完成抬腿擺動(dòng)相后才進(jìn)行支撐摩擦相；當(dāng)中繼時(shí)間參數(shù)大于 0 時(shí)，表達(dá)的意義是在抬腿摩擦相運(yùn)行至 (t1  t3 ) 時(shí)，支撐摩擦相就開(kāi)始進(jìn)行；當(dāng)中繼時(shí)間參數(shù)小于 0 時(shí)，與中繼時(shí)間運(yùn)
動(dòng)步驟參數(shù)大于 0 相反。
通常 t3 時(shí)間都設(shè)為 0，其用途是增加支撐腿的摩擦力，或是減少仿生六足機(jī)
器人行走時(shí)完成一個(gè)步態(tài)的時(shí)間，在此只分析 t3 為 0 時(shí)的情況。
如圖 3-1 至圖 3-4 是仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)圖，在這里將每個(gè)腿都看出是一個(gè)整體，其關(guān)節(jié)變化不做分析。將腿分為兩組，A 組與 B 組。

圖 3-1  仿生六足機(jī)器人行走時(shí)腿部姿態(tài)變換
(a)站立姿態(tài) (b)A 組腿運(yùn)動(dòng) (c)B 組腿運(yùn)動(dòng) （d）A 組腿運(yùn)動(dòng)

圖 3-1(a)是仿生六足機(jī)器人的站未進(jìn)入行走步態(tài)時(shí)的站立圖,此時(shí)的重心位
于坐標(biāo)中心點(diǎn).
當(dāng)仿生六足機(jī)器人處于行走步態(tài)時(shí)，其的腿的擺動(dòng)順序可由 A→B，或者是由 B→A。這里的腿的擺動(dòng)順序并不會(huì)影響仿生六足機(jī)器人的步行的效果，故在
這里只分析 A→B 的擺動(dòng)順序，B→A 的分析也與之類似。
圖 3-1(b)是仿生六足機(jī)器人從站立姿態(tài)向行走步態(tài)轉(zhuǎn)換是的第一個(gè)步態(tài)，A 組腿此時(shí)都處于抬腿擺動(dòng)相中，B 組腿為支撐腿。從圖中可以看出仿生六足機(jī)器人此時(shí)的重心位于由 B 組腿即是支撐腿所組成的三角形中。
圖 3-1(c)是當(dāng) A 組腿的抬腿擺動(dòng)相完成，支撐摩擦相開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，B 組腿的抬腿擺動(dòng)相也相應(yīng)開(kāi)始。在圖中我們可以看出隨著 A 組腿的支撐摩擦相的變化，仿生六足機(jī)器人的重心都是穩(wěn)定在由三條腿組成的三角形內(nèi)，在仿生六足機(jī)器人的原點(diǎn) Y 軸上變化，其變化幅度與其一個(gè)步態(tài)的行走距離相關(guān)。
圖 3-1(d)是與圖 3-1(c)的運(yùn)動(dòng)效果相似，只是抬支撐摩擦相變?yōu)橛?B 組執(zhí) 行，A 組進(jìn)行抬腿擺動(dòng)相。即是此時(shí)又變換為了圖 3-2 所示的運(yùn)動(dòng)效果，這樣不

斷的往復(fù)循環(huán)，構(gòu)成了仿生六足機(jī)器人的行走步態(tài)。從圖 3-1(d)中可以看出仿生六足機(jī)器人的重心的變換跟圖 3-1(c)是一樣的。
當(dāng)已知行走步態(tài)一個(gè)步態(tài)的行走距離與仿生六足機(jī)器人的初始的時(shí)候六條腿相對(duì)腿的三維坐標(biāo)值時(shí)，由以上的分析可以得出抬腿擺動(dòng)相結(jié)束后相對(duì)于腿部坐標(biāo)軸的坐標(biāo)值，由此可以由六次項(xiàng)規(guī)劃對(duì)軌跡進(jìn)行求解，再有腿部的數(shù)學(xué)模型求解出關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。

3.4 轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計(jì)

3.4.1 原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎

所謂的原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎，即是仿生六足機(jī)器人繞著其自身的中點(diǎn)自轉(zhuǎn)，其與之前的行走步態(tài)相類似，都是由抬腿擺動(dòng)相、支撐摩擦相組成，但是其軌跡的求解比行走步態(tài)較為復(fù)雜。在上一節(jié)，已經(jīng)指出仿生六足機(jī)器人的行走、轉(zhuǎn)彎都是兩部分組成的，即抬腿擺動(dòng)相，支撐摩擦相。當(dāng)仿生六足機(jī)器人由站立姿態(tài)向原點(diǎn)轉(zhuǎn) 彎步態(tài)變換的時(shí)候，若先是 A 組腿先執(zhí)行抬腿擺動(dòng)相，其繞原點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)的順序與優(yōu)先由 B 組腿執(zhí)行的順序剛好相反。

（a)       (b)
圖 3-2  仿生六足機(jī)器人原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎時(shí)腿部姿態(tài)變換
（a)站立姿態(tài) (b)A 組腿抬腿

如圖 3-2（a)，為仿生六足機(jī)器人的站立姿態(tài)，從圖中可以看出：在仿生六
足機(jī)器人的初始設(shè)置中，其六條腿的站立點(diǎn)都是在以仿生六足機(jī)器人的中心為原點(diǎn)的圓中。當(dāng)仿生六足機(jī)器人原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎時(shí)，其每條腿都是在這個(gè)圓上運(yùn)動(dòng)的。由于仿生六足機(jī)器人是以點(diǎn)來(lái)支撐的，其每個(gè)步態(tài)的軌跡并不需要如圖中為一段圓
弧，在這里拆分成長(zhǎng)度為 width 的直線一斷斷來(lái)逼近圓弧，這樣可以減少運(yùn)算量，在下面的章節(jié)分析中，也做類似的處理。
圖 3-2（b)為仿生六足機(jī)器人由站立姿態(tài)向繞原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)變化時(shí)的第一步。

從中可以看出其與行走步態(tài)時(shí)相類似，不過(guò)其軌跡的投影是與 Y 軸成一定角度的為 3 ，通常在繞原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎時(shí)，其步態(tài)的行走距離是已知的。只要求解出 3 ，在已知起始點(diǎn)的位置坐標(biāo)，就可以求解出仿生六足機(jī)器人的腿部在抬腿擺動(dòng)相結(jié)束時(shí)所處的位置坐標(biāo)。
因仿生六足機(jī)器人的每條腿在原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎時(shí)，其運(yùn)動(dòng)類似，在這里只分析 A1 腿ɑ的求解。如圖 3-2 中 d1 是 A1 腿部末端原點(diǎn)坐標(biāo)軸上 Y 軸的投影；d2 是 A1 腿部在 Y 軸的投影；d3 是 A1 腿部中點(diǎn)到原點(diǎn)的距
離；width 是繞原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎時(shí)一個(gè)步態(tài)的行走距離。這些參數(shù)都是在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與初始化參數(shù)設(shè)置中已
知的。設(shè) A1 腿末端的初始點(diǎn)的相對(duì)于腿部的坐標(biāo) 軸為 x, y  （因高度在初始與結(jié)束后不變，在此忽略 z )。由坐標(biāo)變換可得 x0 , y0  相對(duì)于原點(diǎn)的坐標(biāo) 為 x  d 3, y  d 2。r 是原點(diǎn)到 A1 腿部末端的距離，
也是仿生六足機(jī)器人在原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)中腿部末端

圖 3-2  A1 腿角度分析

所在點(diǎn)的圓的半徑。依圖與幾何知識(shí)可得：

由以上三式可得仿生六足機(jī)器人的 A1 腿的抬腿擺動(dòng)相結(jié)束后相對(duì)于 A1 腿部坐標(biāo)軸的坐標(biāo)為：x0   width * sin 3, y0  width * cos 3 。由此可以由六次項(xiàng)規(guī)劃對(duì)軌跡進(jìn)行求解，再有腿部的數(shù)學(xué)模型求解出關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。

3.4.2 定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計(jì)

在自然界中，生物的轉(zhuǎn)彎姿態(tài)除了有繞原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎外，還有繞一定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎，與汽車(chē)轉(zhuǎn)彎相類似，繞一定點(diǎn)進(jìn)行一段軌跡為圓弧的運(yùn)動(dòng)。其的步態(tài)跟上一節(jié)的原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)有一定的相似性，一個(gè)步態(tài)也是分為抬腿擺動(dòng)相、支撐摩擦相，但是由于繞的點(diǎn)不再是原點(diǎn)，其軌跡點(diǎn)變得更為復(fù)雜。
如圖 3-3 為仿生六足機(jī)器人由站立姿態(tài)向繞一定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)的第一步，從圖中可看出 A1 組的是繞定點(diǎn) o 在作半徑為 r1、r2、r3 的圓弧運(yùn)動(dòng)（在仿生六足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故 r1  r2 ）。

圖 3-3  A 組腿抬腿

由幾何知識(shí)可知： width1  r1 。其相對(duì)坐標(biāo)值的求解與上一節(jié)是類似的，
width 3       r3
都是由已知的機(jī)構(gòu)參數(shù)與初始化坐標(biāo)參數(shù)來(lái)求得夾角，再求得相對(duì)坐標(biāo)值。但是由于是繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎，其 A3 腿的運(yùn)動(dòng)方向與上一節(jié)是有所不同，在此因引起注意！

本章小結(jié)
仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，涉及一個(gè)六次項(xiàng)方程的求解，通過(guò)該六次項(xiàng) 曲線擬合，可以模仿出六足動(dòng)物運(yùn)動(dòng)時(shí)的抬腿擺動(dòng)相。通過(guò)對(duì)在“三角算法”上設(shè)計(jì)出了機(jī)器人的在運(yùn)動(dòng)時(shí)的行走步態(tài)、轉(zhuǎn)彎步態(tài)等。

4.1  控制系統(tǒng)概述及其要求

仿生六足機(jī)器人的控制系統(tǒng)是嵌
入式控制系統(tǒng)。其是下位機(jī)軟硬件采用的是 keil MDK 開(kāi)發(fā)環(huán)境，主處理器采用的是 stm32 單片機(jī)；其上位機(jī)軟件是基于 Visual  Basic 6.0  的開(kāi)發(fā)環(huán)境所開(kāi)發(fā)的采用串口通訊的控制軟件。
如圖 4-1 是仿生六足機(jī)器人控制
系統(tǒng)的架構(gòu)圖，其中的工作原理是：主處理器負(fù)責(zé)算法計(jì)算，并將處理的結(jié)果發(fā)送至驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊集成了源，可以直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件即關(guān)節(jié)按照主處理器的指令進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；上位機(jī)軟件通過(guò)通訊模塊與主處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)的通訊，上位機(jī)軟件將指令發(fā)送至主處理器后，主處理器會(huì)返回?cái)?shù)據(jù)給上位機(jī)軟件，并將指令下達(dá)給驅(qū)動(dòng)模塊、外圍器件；外圍可擴(kuò)展器件是可選擇安裝的器件，在硬件方案設(shè)計(jì)的初期已經(jīng)考慮到了外圍器件的可擴(kuò)展性，故預(yù)留了較多接口，可自行擴(kuò)展所需要的硬件。
由于仿生六足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候是 18 個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)作，其控制難度相比普通的輪式機(jī)器人更為復(fù)雜。這就對(duì)控制系統(tǒng)提出了一定要求，具體為：
①  實(shí)時(shí)可控性。仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是由 18 個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)同完成的，其工作的時(shí)候如果指令發(fā)送時(shí)間有較大的誤差的，將會(huì)嚴(yán)重影響仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 性能。而且仿生六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，其每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)量是有所不同的。故對(duì)驅(qū) 動(dòng)模塊發(fā)送指令有一定的實(shí)時(shí)可控性的要求。
② 運(yùn)算速度較快。仿生六足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，其軌跡點(diǎn)都是由數(shù)學(xué)方程式運(yùn)算所得，再加載到仿生六足機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型中，如果控制系統(tǒng)運(yùn)算速度過(guò)慢，將會(huì)導(dǎo)致仿生六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)滯瀉。
③ 人機(jī)界面的友好性，即是對(duì)上位機(jī)軟件的界面有一定的要求。人機(jī)界面是交互界面，它可以將人類的控制意圖直接傳送給控制系統(tǒng)，而人類也可以通過(guò) 人機(jī)界面了解控制系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。這就對(duì)人機(jī)界面提出了一定的要求，其必須簡(jiǎn)單明了，不能由于人機(jī)界面的過(guò)于復(fù)雜，而造成控制錯(cuò)誤。
④ 外圍器件的可擴(kuò)展性。如圖計(jì)算機(jī)升級(jí)一樣，控制系統(tǒng)隨著研究的不斷深入，也需要升級(jí)，這時(shí)就必須有一定的接口來(lái)滿足升級(jí)的需求。
4.2 舵機(jī)原理介紹

圖 4-2  舵機(jī)結(jié)構(gòu)

仿生六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的的時(shí) 候是需要關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，由于是小型機(jī)器人，這里采用目前在航模上運(yùn)用較多的舵機(jī)來(lái)作為運(yùn) 動(dòng)關(guān)節(jié)。舵機(jī)具有小巧、驅(qū)動(dòng)力矩大等優(yōu)點(diǎn)，很適合小型機(jī)器人的原形機(jī)開(kāi)發(fā)。控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng) 原理是依據(jù)舵機(jī)而開(kāi)發(fā)，故在此有必要對(duì)舵機(jī)的原理做簡(jiǎn)單介紹。

如圖 4-2 是舵機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，其里面集成了信號(hào)接收裝置、電機(jī)、減速裝置等。常用的舵機(jī)的有數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之分，模擬舵機(jī)的信號(hào)要補(bǔ)間斷保持，，而數(shù)字舵機(jī)只需在改變的時(shí)候發(fā)送數(shù)字信號(hào)，且多個(gè)舵機(jī)可同時(shí)聯(lián)線。在本文中采用的是改進(jìn)的數(shù)碼舵機(jī)，其本質(zhì)仍為模擬舵機(jī)（加了自保持信號(hào)裝置）。在此僅對(duì)模擬舵機(jī)做簡(jiǎn)單的介紹。
舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是由信號(hào)接收裝置對(duì)信號(hào)與當(dāng)前角度的做過(guò)對(duì)比之后，若與當(dāng)前角度值有所不同，就經(jīng)由直流電機(jī)帶動(dòng)減速裝置，在減速裝置上有一個(gè)電位器（相當(dāng)于位置傳感器），當(dāng)達(dá)到信號(hào)預(yù)定位置后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
舵機(jī)接受的信號(hào)是周期為 20ms 的脈沖調(diào)制信號(hào)即是 pwm 波，其脈沖寬度多為 0.5ms-  2.5ms，對(duì)應(yīng)的舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)值為 0 至 180 度。當(dāng)信號(hào)固定為某一個(gè)值后，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)固定在對(duì)應(yīng)的位置，只要外界所加力矩不超過(guò)舵機(jī)所能承受的最大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，其會(huì)一直保持該狀態(tài)，直至信號(hào)改變。

圖 4-3  舵機(jī) pwm 信號(hào)脈寬與轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)照表

4.3 下位機(jī)硬件開(kāi)發(fā)

4.3.1  主處理器的選型

在上一節(jié)的中已經(jīng)提出了對(duì)控制系統(tǒng)的要求的，依照要求選擇了意法半導(dǎo)體
的 stm32F103 增強(qiáng)性單片機(jī)作為處理器，其是一種高性能、成本低、功耗少的
Cortex-M3 內(nèi)核的單片機(jī)。該系列的單片機(jī)是 32 位單片機(jī)，其時(shí)鐘頻率達(dá)到
72MHz，可超頻至 144MHz，其內(nèi)置 32K 到 128K 的內(nèi)存，內(nèi)置多個(gè)外設(shè)接口，可進(jìn)行多種不同的擴(kuò)展處理[8]。
即使是后期對(duì)處理器有更高要求，也可以選擇 Cortex-M4 內(nèi)核的意法半導(dǎo)體的單片機(jī)，這種單片機(jī)內(nèi)部集成了 DSP 算法，運(yùn)算速度有顯著提升，但價(jià)格較貴，由于都是同一公司生產(chǎn)的單片機(jī)，對(duì)于程序的移植有一定的方便性。

圖 4-4  stm32 最小系統(tǒng)供電方案

如圖 4-4 是 stm32F100xx 系列最小系統(tǒng)供電方案，其只需外圍接幾個(gè)電容，
加個(gè) 3.3V 電源就可以正常工作，其硬件設(shè)置簡(jiǎn)單方便，便于開(kāi)發(fā)[8]。

4.3.2 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊在整個(gè)硬件設(shè)計(jì)中，其難度最高。由于要考慮到控制的系統(tǒng)的實(shí)時(shí) 性、干擾性，又要考慮到對(duì)主處理器的端口資源的占用度，這對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊提出了很高的要求，市面上同類的驅(qū)動(dòng)器基本都是直接利用單片機(jī)的端口發(fā)送指令，資源利用效率極低。這里采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，利用分時(shí)復(fù)用原理通過(guò)外圍芯片來(lái)擴(kuò)展信號(hào)的輸出。
對(duì)于驅(qū)動(dòng)模塊，設(shè)計(jì)了以下兩個(gè)方案：
①       采用 74HC573 八進(jìn)制 3 態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器，stm32 輸出 8 路 pwm 信號(hào)，用 3 個(gè)管腳分別控制 74HC573 的輸出使能端，每 20ms 更新一次數(shù)據(jù)。可輸出 24 路 pwm 信號(hào)[9]。
②  采用 74HC595 移位寄存器，stm32 輸出 4 路 pwm 信號(hào)，用 2 個(gè)管腳輸出 spi 協(xié)議數(shù)據(jù)，對(duì) 3 個(gè) 74HC595 輸出通道進(jìn)行選擇。每 2.5ms 更新一次數(shù)據(jù)。可輸出 24 路 pwm 信號(hào)。
在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)方案一雖然占用 cpu 資源少，但是 8 路 pwm 信號(hào)同時(shí)輸出會(huì)有信號(hào)失真的現(xiàn)象發(fā)生，且占用管腳較多，不利于后期擴(kuò)展設(shè)計(jì)。只能放棄該

方案。
在對(duì)舵機(jī)的原理分析的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)只要在 20ms 的周期內(nèi)對(duì)舵機(jī)發(fā)出一個(gè) pwm 信號(hào)（最大脈寬為 2.5ms），舵機(jī)就能對(duì) pwm  信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。也就是說(shuō)對(duì)一個(gè)舵機(jī)來(lái)說(shuō)其實(shí)質(zhì)的信號(hào)范圍為 0-2.5ms，剩余的 17.5ms 可以利用高低電平來(lái)補(bǔ)足。
基于以上發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了方案二。在實(shí)際測(cè)試中，該方案表現(xiàn)出色，輸出信號(hào) 質(zhì)量高，占 cpu 資源較少，占用管腳少，有利于后期擴(kuò)展設(shè)計(jì)。故采用該方案。

4.3.3  驅(qū)動(dòng)模塊信號(hào)測(cè)試

由于舵機(jī)的接受信號(hào)是 20ms 周期內(nèi)才有效的，在驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)完畢后，有必要對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)輸出做一定的測(cè)試。
如圖 4-5 是驅(qū)動(dòng)模塊的信號(hào)周期的測(cè)試在示波器上的波形圖，從圖中可以看出其波形為標(biāo)準(zhǔn)的 pwm 波，波形除了一些外部干擾外，其余皆正常，周期也穩(wěn)定在 20ms 左右。
如圖 4-6  是隨機(jī)選取一個(gè)信號(hào)接收點(diǎn)對(duì)信號(hào)測(cè)試的波形圖。在該信號(hào)點(diǎn)上 stm32 單片機(jī)的 pwm 設(shè)置參數(shù)是：自動(dòng)重載值為 1000,預(yù)置分頻值是 180（在主頻為 72MHz 情況下）。在上一節(jié)的方案選擇中，已經(jīng)指出采用的是分時(shí)復(fù)用的原

理，stm32 單片機(jī)發(fā)送的周期是 1000 *180
72000KMz

= 2.5ms ,經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路處理后擴(kuò)展出的

信號(hào)周期是 20ms。故在做信號(hào)測(cè)試對(duì)比時(shí)是截取 2.5ms 的周期。在該信號(hào)點(diǎn)上

stm32 發(fā)送的 pwm 值是 622，即其占空比為

622  = 0.622 。由示波器上多得數(shù)值計(jì)
1000

算示波器上的 pwm 的占空比為 1.56 = 0.624 ，可得其誤差為 0.2%，信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)秀。
2.5

4.3.4 電源模塊設(shè)計(jì)

由于六足機(jī)器人的基本關(guān)節(jié)就有 18 個(gè)，而單個(gè)舵機(jī)的最大供電流需達(dá)到
250ma，總共需要 6000ma 電流，電源電流較大。這對(duì)電源的效率、穩(wěn)定性、散熱都提出了要求。故電源模塊設(shè)計(jì)了以下三個(gè)方案。
①       直接利用多個(gè)二極管直接降壓，但是進(jìn)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這樣二極管發(fā)熱量較大，且不具有限流保護(hù)作用。故放棄該方案。
②  LM4600 是小型 DC-DC 大電流供電模塊，最大電流可大 10A，其采用  LGA 封裝，具有外形尺寸小、輸送電流大、速度反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在瞬態(tài)電流變化上具有出色的反應(yīng)能力。LM4600 由于只有 2.8mm 可以方便的集成在電路板上，
很適合本文中的小型機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，但是其價(jià)格偏高，單個(gè)需 100 多 RMB。基于成本考慮，放棄該方案。

圖 4-7  LTM4600 與硬幣比較

③       LM 2596  是國(guó)內(nèi)現(xiàn)行使用較多的低成本開(kāi)關(guān)電源，最大能輸出 3A 驅(qū)動(dòng)電
流，其內(nèi)部集成了電源管理芯片，具有良好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。其對(duì)于外圍器件要求相對(duì)較低，只需 4 個(gè)外圍元件就可以搭建成一個(gè)開(kāi)關(guān)電源。且其可以選擇標(biāo)準(zhǔn)的電感，這大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)難度。其封裝有 DIP 封裝與 SMD 封裝，可以很方便的集成在電路板上。
該器件還可以獨(dú)立控制電源的關(guān) 斷，或是由芯片內(nèi)部的電源管理
芯片控制，當(dāng)電流過(guò)載或是溫度過(guò)高時(shí)可以自動(dòng)切斷。這些特性可以大大降低舵機(jī)因?yàn)殡娐穯?wèn)題而導(dǎo)致?lián)p壞的可能性。

經(jīng)過(guò)方案比較與成本考慮，最終選擇了 LM2596 開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)

圖 4-8  LM2596 的典型應(yīng)用 5V 輸出

器。基于保證舵機(jī)的安全性，并沒(méi)有采用擴(kuò)流管擴(kuò)流的設(shè)計(jì)方式。而是采用 24
個(gè)舵機(jī)分為 3 組，每組由一個(gè) LM2596 模塊獨(dú)立供電的方式。

圖 4-9  下位機(jī)軟件架構(gòu)

如圖 4-9 是下位機(jī)的軟件架構(gòu)圖，它的主要工作原理是：
①       由通訊模塊接受來(lái)自上位機(jī)的指令或是硬件輸入模塊的接受到指令；
②       經(jīng)由指令處理模塊處理后，發(fā)送參數(shù)給步態(tài)規(guī)劃模塊，步態(tài)規(guī)劃模塊發(fā) 送每一個(gè)步態(tài)所需參數(shù)給六次項(xiàng)軌跡運(yùn)算模塊；
③       六次項(xiàng)軌跡運(yùn)算出步態(tài)所需的三維參數(shù)坐標(biāo)，經(jīng)由 D-H 模型運(yùn)算模塊運(yùn) 算后得出每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角；
④       旋轉(zhuǎn)角參數(shù)由底層驅(qū)動(dòng)模塊加工后以 pwm 波的信號(hào)形式發(fā)送給舵機(jī)；存儲(chǔ)模塊工作在開(kāi)機(jī)初始化或是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)需要刷新時(shí)。在開(kāi)機(jī)初始化的過(guò)程
中，將存儲(chǔ)芯片預(yù)置的參數(shù)傳入指令模塊中；當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)需刷新時(shí)，指令處理模塊發(fā)送指令到存儲(chǔ)模塊，經(jīng)由存儲(chǔ)芯片的協(xié)議將數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)芯片內(nèi)；
外圍擴(kuò)展模塊包含了一些外圍器件連接處理器的驅(qū)動(dòng)協(xié)議，如 spi、iic 等協(xié)議，當(dāng)需要擴(kuò)展外圍器件時(shí)，只需要調(diào)用這個(gè)模塊就能快速的開(kāi)發(fā)新的功能。

4.4 上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)

4.4.1  上位機(jī)軟件的主要功能

由于技術(shù)的限制仿生六足機(jī)器人并不能完全自主的執(zhí)行動(dòng)作，必然需要人類

系統(tǒng)的功能需求分析，設(shè)計(jì)了如圖 4-10 的上位機(jī)軟件的人機(jī)界面交互的功能圖。在這個(gè)界面可以對(duì)仿生六足機(jī)器人的許多參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如在步態(tài)執(zhí)行時(shí)所需的步距、時(shí)間，在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎步態(tài)時(shí)所需的轉(zhuǎn)彎半徑等等。這些參數(shù)在上位機(jī)軟件的加載的時(shí)候已經(jīng)設(shè)定了初始化的參數(shù)值，可以方便的對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。這個(gè) 界面同時(shí)也提供實(shí)時(shí)的控制功能，可以實(shí)時(shí)的對(duì)步態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖 4-10  上位機(jī)軟件功能框圖

4.4.2  上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)收發(fā)

仿生六足機(jī)器人的上位機(jī)軟件是基于 Visual  Basic 開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用 Basic 語(yǔ)言所開(kāi)發(fā)出來(lái)的。Visual  Basic 簡(jiǎn)稱 VB，具有易上手，編程直觀等特點(diǎn)。對(duì) 于小型程序的開(kāi)發(fā)采用 VB 比采用 VC++具有更快的開(kāi)發(fā)的速度，更小的開(kāi)發(fā)難度。
上位機(jī)軟件采用 VB 的 MSComm 控件與電腦串口構(gòu)成軟件的通訊接口，MSComm
采用事件驅(qū)動(dòng)模式，當(dāng) MSComm 控件的接受緩沖區(qū)接受到數(shù)據(jù)后，MSComm 控件就會(huì) 捕獲事件并進(jìn)行處理，然后有上位機(jī)下達(dá) 處理指令[10]。
如圖 4-11 是仿生六足機(jī)器人的上位機(jī)軟件的流程圖，其中主要利用的就是 VB 的 MSComm 控件來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。當(dāng)下位機(jī)向上位機(jī)軟件接受緩存區(qū)發(fā)生數(shù)據(jù)是，
MSComm 控件就會(huì)因該事件而觸發(fā)，當(dāng)數(shù)據(jù) 接收完畢后，有軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在顯

27

圖 4-11  上位機(jī)軟件流程圖

示窗口顯示處理結(jié)果；當(dāng)由于鍵盤(pán)或是鼠標(biāo)對(duì)上位機(jī)軟件的參數(shù)進(jìn)行更改后，會(huì) 觸發(fā)數(shù)據(jù)處理指令，把當(dāng)前的指令生產(chǎn)數(shù)據(jù)包格式，通過(guò) MSComm 控件發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送至下位機(jī)。

4.4.3  上位機(jī)軟件界面

圖 4-12  上位機(jī)軟件界面
如圖 4-12 是仿生六足機(jī)器人的上位機(jī)軟件的初設(shè)化界面。界面主要分為三個(gè)部分：第一部分是配置界面，該部分主要有串口設(shè)置，校準(zhǔn)設(shè)置組成，這些基本配置正確后，仿生六足機(jī)器人才能正常的接受上位機(jī)指令執(zhí)行動(dòng)作；第二部分是仿生六足機(jī)器人的控制界面，該部分主要有幾個(gè)圖形按鈕組成，采用圖形按鈕具有簡(jiǎn)單明了的特點(diǎn)，使使用者一目了然按鍵功能；第三部分是顯示信息界面，該界面直接顯示上位機(jī)軟件所接受到下位機(jī)的返回的數(shù)據(jù)，可以明了的了解到下位機(jī)接受了哪些指令。實(shí)驗(yàn)室功能是開(kāi)發(fā)者的功能，里面集成了所有仿生六足機(jī) 器人的行走參數(shù)、步態(tài)參數(shù)，開(kāi)發(fā)者可以在里面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的復(fù)合，這些可以用來(lái)研究或者開(kāi)發(fā)新的功能。

圖 4-13  上位機(jī)軟件的通訊設(shè)置界面       圖 4-14  上位機(jī)軟件的校準(zhǔn)設(shè)置界面

4.5  誤差分析

仿生六足機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如上所述，其有硬件、軟件共同構(gòu)成。在完成這些設(shè)計(jì)后，與仿生六足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了組裝、調(diào)試，并進(jìn)行了設(shè) 計(jì)測(cè)試。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)由較大的誤差，經(jīng)過(guò)分析有幾個(gè)原因：機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差、機(jī)械裝配不緊密、軟件層運(yùn)算取舍誤差、舵機(jī)位置傳感器不精準(zhǔn)。由于是小型機(jī) 器人，對(duì)誤差有較大的容忍范圍，故在此采用的是軟件層調(diào)整方法：在軟件層設(shè) 置一個(gè)調(diào)整參數(shù)數(shù)組，在每次使用機(jī)器人后對(duì)其在校準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)整，并將參數(shù)存入存儲(chǔ)芯片中，在開(kāi)機(jī)初始化狀態(tài)中讀取參數(shù)，并將參數(shù)加載到驅(qū)動(dòng)模塊中。

本章小結(jié)
本章主要研究的是仿生六足機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)主要是有上位機(jī)軟件、下位機(jī)軟硬件等組成。控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的對(duì)步態(tài)進(jìn)行規(guī)劃，且多種參數(shù)可以設(shè)置，達(dá)到了設(shè)計(jì)初期規(guī)劃的的要求。

結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的仿生六足機(jī)器人的控制系統(tǒng)，利用了仿生學(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)處理等多種先進(jìn)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)初期規(guī)劃的要求，如能執(zhí)行直走、橫走、定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎、原點(diǎn)轉(zhuǎn)彎等基本步態(tài)，而且多種參數(shù)可調(diào)，如步距、時(shí)間、擺動(dòng)高度等。在上位機(jī)軟件里還設(shè)置了實(shí)驗(yàn)室功能，這個(gè)功能可以對(duì)仿生六足機(jī)器人的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整和多種步態(tài)的復(fù)合，為后期開(kāi)發(fā)新的功能預(yù)留了接口。
但是仿生六足機(jī)器人的控制系統(tǒng)由于技術(shù)上的限制，仍然有缺陷，如行走時(shí) 軌跡點(diǎn)跟理論值有一定的差距，造成這種誤差的主要原因有幾個(gè)：機(jī)械加工誤差，裝配誤差，運(yùn)算誤差等。運(yùn)算誤差的來(lái)源主要是處理器運(yùn)算的取舍誤差，由于運(yùn)算結(jié)果并不是一步到位的，在取舍誤差的影響下，還會(huì)有累計(jì)誤差。這些都是仿生六足控制系統(tǒng)需要改進(jìn)的地方。
隨著人類技術(shù)的不斷的進(jìn)步，機(jī)器人將不再會(huì)僅僅局限于工業(yè)領(lǐng)域，它將會(huì) 在人類的生活中扮演越來(lái)越重要的角色。而有仿生學(xué)與現(xiàn)代機(jī)器人相結(jié)合的仿生機(jī)器人也注定會(huì)越來(lái)越多樣化、智能化。