基于单片机的六足仿生机器人设计

[摘 要]基于仿生原理，设计、制作动作灵活、结构简单的六足机器人，对其结构组成、行走原理、步态规划算法与控制系统设计进行介绍。实验表明，本系统具有良好的控制稳定性。

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0315-01

前言

机器人技术融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。轮式车辆在平地公路运输中有着无可替代的用途，而履带车辆被广泛应用在沙地和泥泞的地面。足式步行机器人适合于山地和复杂多障碍地面的移动，多足步行机器人由于足端与地面接触面积小的特点，机器人能够在足端点可达工作范围内自由调整步行姿态，灵活选择机械腿的落脚点，越过障碍物和小沟壑，具有很高的避障、越障能力，因此能更好的适应崎岖地形，其研究对于军事运输、矿山开采、星球探测等领域具有重要的意义。

本文开发设计一种可靠、实用的六足圆形仿生机器人，该机构具有结构紧凑，传动可靠的优点，且留有较大的负重余量，便于今后功能的扩展。

1.六足机器人机构设计及分析

本文设计的圆形六足仿生机器人作为一个系统，其运动关节、机械足以及机身构成了机器人的整体，六条机械足与机身通过舵机相连，均匀分布的圆形躯干的四周。机器人质量重1.98kg。六足机器人打开时的整体直径为640mm，身高为100mm；收起时的机器人整体直径为300mm，身高为290mm。六足机器人每条腿上有3个关节，即3个自由度，全身共18个自由度。如图1所示。对于一个仿生机器人来说，每条腿上的3个自由度基本能满足到达各个位置的要求，实现躯干的灵活攀爬。

按照由躯干到足端的顺序，六足机器人每条腿上的三个自由度其传动方式如下：

第一个自由度，由舵机带动腿部转节前后摆动，从而使整条腿前后摆动。

第二个自由度，由舵机带动腿部股节上下摆动。

第三个自由度，由舵机带动腿部胫节上下摆动。

为了增加整个躯干的支撑稳定性，六条腿呈环绕式分布在躯干周围。前两个自由度的转动轴线相互垂直，后两个自由度的转动轴线相互平行，分别由三个独立的舵机驱动。每个舵机扭矩为14kg.cm，全部采用金属齿轮传动。

2.六足机器人控制系统

对于机器人设计来说，除了机器人机体本身的设计外，还有很重要的一个部分就是机器人的控制器系统。该六足仿生机器人采用森汉科技生产的STC12C5A60S2控制板。此控制板设计合理，扩展了STC12C5A60S2系列单片机的所有外接端口。功能强大，操作简单。

STC12C5A60S2单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内置2KBEEPROM，60KBFlash，两片电可擦除存储芯片AT24C512，存储空间共128KB，使机器人程序存储器空间扩充至190KB。带欠压保护电路，系统供电低于6V时，系统将无限制的复位，且保护电压可调。4pinRS232接口，带“CTS”判断位，可同时输出RS232电平和TTL电平。

该控制板按装有蜂鸣器可发出响声与用户进行信息交互。此外，电路板共扩展35个IO口，其中24个专业舵机控制口（7.4V），11个万能口。采用STC标准的串口ISP编程方式。

3.六足机器人步态规划

3.1 步态分析

由于仿生机器人的支撑点相对于人形机器人要多，所以行走起来更方便。按照传统机器人的结构划分，六足仿生机器人划分水平面和竖直平面，如图3所示。

机器人前进时，采用交互式行走步伐。所谓交互动作，即水平面（H平米）运动与竖直平米（V平面）运动同时进行。设初始位置时机器人每条腿成90度站立，其动作流程如图4所示。

4.结束语

本论文设计了一种圆形六足仿生机器人，以STC12C5A60S2为核心设计了六足机器人运动控制系统，实时驱动18个关节运动，并对其步态进行了分析，实现了机器人在地面的稳定前进运动.运动过程中机器人整体系统运行稳定可靠，控制系统对机器人各关节的控制准确。该六足机器人控制系统在实时计算能力、存储容量、外设扩展性以及小型化上都有较好优势。

本文中机器人的相关数据由北京森汉科技有限公司提供，感谢北京森汉科技有限公司对本文的大力支持。