摘  要： 介紹了一款基于單片機(jī)控制的六足仿生蟑螂機(jī)器人。該機(jī)器人在外形和足部結(jié)構(gòu)上仿生蟑螂，六足均勻分布于身體兩側(cè)，每足給出了3個自由度；機(jī)器人的步態(tài)采用經(jīng)典的三足步態(tài)法；該運(yùn)動控制器由STC12C5A60S2單片機(jī)和舵機(jī)組成，采用多舵機(jī)分時控制的方法，機(jī)器人能實現(xiàn)按所設(shè)計的步態(tài)規(guī)劃進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作；同時添加了語音模塊，機(jī)器人能在預(yù)定程序下隨音樂進(jìn)行舞蹈動作。

　　關(guān)鍵詞： 六足仿生機(jī)器人；三足步態(tài)法；STC12C5A60S2單片機(jī)；舵機(jī)

0 引言

　　仿生學(xué)是20世紀(jì)60年代初誕生的一門集生物科學(xué)和工程技術(shù)于一體的邊緣學(xué)科，主要通過學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及控制機(jī)制，來改進(jìn)現(xiàn)有的或創(chuàng)造新的機(jī)械、儀器、建筑和工藝過程[1]。蟑螂運(yùn)動靈活穩(wěn)定，對地形適應(yīng)能力強(qiáng)，是仿生的熱點(diǎn)。本文所設(shè)計的六足仿生爬蟲機(jī)器人，其外形及其機(jī)械結(jié)構(gòu)參考蟑螂的特點(diǎn)，運(yùn)動控制器由STC12C5A60S2單片機(jī)和舵機(jī)組成，采用多舵機(jī)分時控制，能夠按照指令要求正確切換功能并且完成相應(yīng)動作。

1 機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　仿生蟑螂六足機(jī)器人由軀體和足兩個基本部分組成，足和軀體的配置采用正相對稱分布。基于自然界中絕大部分蟑螂的軀體都呈近似長方形結(jié)構(gòu)，因此軀體設(shè)計成以身體縱向中心線為對稱軸的多邊形，且長與寬之比約為3：1，材料選用高強(qiáng)度且質(zhì)量較輕的鋁合金。6條腿均勻分布于身體兩側(cè)，腿形參考蟑螂足部結(jié)構(gòu)，4個關(guān)節(jié)分別為髖關(guān)節(jié)、大腿、小腿和踝關(guān)節(jié)，其中前3個關(guān)節(jié)為驅(qū)動關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)之間的連桿分別稱為基節(jié)、股節(jié)和脛節(jié)[2]。3個驅(qū)動關(guān)節(jié)均由伺服電機(jī)驅(qū)動，如圖1中黑點(diǎn)所示，關(guān)節(jié)間連接構(gòu)件采用性能良好的合成塑料代替鋁合金，進(jìn)一步降低了整機(jī)的重量，又增加了整機(jī)機(jī)構(gòu)的靈活度。系統(tǒng)通過控制相應(yīng)關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的運(yùn)動，使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)18個自由度的靈活運(yùn)動，能夠?qū)崿F(xiàn)步行足在可達(dá)區(qū)域內(nèi)任意自由定位。

　　2 步態(tài)規(guī)劃

　　六足仿生機(jī)器人通常采用典型的交替三角形步態(tài)[3]進(jìn)行直線行走，即將身體兩側(cè)的6條腿分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。身體左側(cè)的前、后足及右側(cè)的中足為一組，右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個三角形支架。當(dāng)一組三角形支架中所有的足同時提起時，另一組三角形支架的3只足原地不動支撐身體，接著重心前移，并以中足為支點(diǎn)向前移動，同時機(jī)體的重心落在另一組三角形支架的3只足上，然后再重復(fù)前一組的動作，以此交替運(yùn)動使機(jī)體前行。

　　在所設(shè)計的步行機(jī)器人尾部左右兩端分別安裝兩個驅(qū)動電機(jī)，每個驅(qū)動電機(jī)控制位于自己對應(yīng)側(cè)的前腿和后腿，兩腿中間用鉸鏈相連，使得兩腿擺動方向一致。中間兩條腿采用第三個驅(qū)動電機(jī)，可驅(qū)動中間兩條腿同時沿順時針或逆時針方向轉(zhuǎn)動20°~30°。當(dāng)機(jī)器人從休息狀態(tài)開始向前直線運(yùn)動時，機(jī)器人中間兩腿不轉(zhuǎn)動方向，前腿和后腿同時向后移動，從而使機(jī)器人向前移動。當(dāng)機(jī)器人向右運(yùn)動時，第三驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動中間兩腿沿順時針方向轉(zhuǎn)動一定角度（20°~30°），從而使機(jī)器人向右側(cè)轉(zhuǎn)動，這時機(jī)器人的重量由右側(cè)前腿、右側(cè)后腿和左側(cè)中間腿支撐，左側(cè)前腿和左側(cè)后腿向前移動。同理，當(dāng)驅(qū)動中間兩腿沿逆時針方向轉(zhuǎn)動一定角度（20°~30°）時，機(jī)器人向左移動。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　3.1 STC12C5A60S2芯片介紹

　　STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8~12倍；內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 k/s），針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。STC12C5A60S2系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統(tǒng)。

　　3.2 直流電機(jī)及其驅(qū)動模塊

　　受機(jī)器人的框架材料影響，機(jī)器人本身的重量大，所以對直流電機(jī)的力矩要求就很高，本文選用了力矩大約為5 kg/cm的25GR-370直流減速電機(jī)。在測試過程中，該電機(jī)性能穩(wěn)定，輸出力矩也達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求。

　　直流電機(jī)驅(qū)動模塊采用ST公司的L298N芯片，可以直接驅(qū)動兩路46 V、2 A以下的直流電機(jī)，可以方便地控制直流電機(jī)速度和方向，也可以控制兩相步進(jìn)電機(jī)。本模塊應(yīng)用了光耦芯片TLP521-4隔離控制信號與L298橋式驅(qū)動部分電路的電氣連接，控制信號為低電平時導(dǎo)通光耦驅(qū)動L298工作，控制信號可以直接接單片機(jī)I/O口，杜絕了單片機(jī)不能驅(qū)動光耦的現(xiàn)象；輸入控制信號與L298橋式驅(qū)動部分分開布地，嚴(yán)格單點(diǎn)共地。以上兩個措施最大限度地減小了強(qiáng)電部分對控制電路部分的影響，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

　　L298N型驅(qū)動器的電路連接圖如圖2所示。

　　L298有邏輯電源和動力電源兩路電源，圖中6 V為邏輯電源，由J4接入，12 V為動力電源，由J6接入；J1與J2分別為單片機(jī)控制兩個電機(jī)的輸入端；J3與J5分別與兩個電機(jī)的正負(fù)極相連；ENA與ENB直接接入6 V邏輯電源，使兩個電機(jī)時刻都工作在使能狀態(tài)。本設(shè)計中使用的電機(jī)是線圈式的，在從運(yùn)行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)或從順時針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時針狀態(tài)時會形成很大的反向電流，因此在電路中加入二極管進(jìn)行泄流，保護(hù)芯片的安全。

　　3.3 舵機(jī)

　　舵機(jī)即伺服馬達(dá)，是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。這里選用的是Power HD 1501MG型舵機(jī)，這款舵機(jī)的力矩比較大，達(dá)到了17 kg/cm，完全滿足小型簡易機(jī)器人的需求。舵機(jī)驅(qū)動模塊的輸入線分別為控制信號線、電源線以及地線，3根線需連接準(zhǔn)確，否則會損害單片機(jī)可控板。

　　舵機(jī)的控制利用的是周期為20 ms的PWM（脈寬調(diào)制）信號，其脈沖寬度為0.5 ms~2.5 ms，分別對應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)角為-90°~+90°，如圖3所示。控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。舵機(jī)內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓進(jìn)行比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。使用單片機(jī)控制舵機(jī)，多是利用定時器和中斷的方式來完成控制[4]。

　　本文所設(shè)計的仿生爬蟲機(jī)器人共用了18個舵機(jī)，其連接方式參考了蟑螂的足部結(jié)構(gòu)，舵機(jī)連接位置為圖1中的黑色圓點(diǎn)處。

　　3.4 語音模塊

　　語音模塊采用華仕通訊推出的新一代語音模塊HSTAMFP，內(nèi)部采用華邦工業(yè)級語音芯片，功放采用美國進(jìn)口數(shù)字式功放，全部是昂貴的IC，從而設(shè)計出大功率、高品質(zhì)的語音模塊，支持6~20k動態(tài)采樣，動態(tài)加載不同采樣率音頻文件不需要改動外部時鐘。數(shù)字功放是迄今為止最好的功放，不用散熱片就能達(dá)到高功率輸出，其效率極高，是常用的OTL功放的4~5倍。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　4.1 編譯軟件及芯片添加

　　采用了C語言編寫，并在Keil uVision2開發(fā)環(huán)境下編譯、調(diào)試。開發(fā)界面如圖4所示。

　　由于Keil uVision2是一款國外軟件，而所使用的STC12C5A60S2芯片是國產(chǎn)的，在Keil uVision2的芯片數(shù)據(jù)庫里沒有，因此需在Keil uVision2中添加國產(chǎn)的STC系列芯片才能進(jìn)行編譯。

　　4.2 程序設(shè)計思路

　　采用定時器和中斷的方式來完成對18個舵機(jī)的分時控制。由于舵機(jī)信號周期T為20 ms，信號的脈沖寬度為0.5~2.5 ms，因此在一個周期內(nèi)最多可以控制8路信號（20 ms/2.5 ms=8）。將18個舵機(jī)分成3組，定時器0控制舵機(jī)1~6，定時器1控制舵機(jī)7~12，定時器2控制舵機(jī)13~18。先預(yù)裝高電平時間長度，啟動定時器，當(dāng)計數(shù)溢出時觸發(fā)中斷，電平拉低并重裝低電平時間長度。舵機(jī)控制程序流程圖如圖5所示。

　　4.3 舵機(jī)控制器軟件

　　對機(jī)器人舞蹈動作的控制，本文采用的是32路舵機(jī)控制器軟件，其工作界面如圖6所示。

　　該軟件可實現(xiàn)上位機(jī)對舵機(jī)的直接控制，其使用方法如下：電腦插上藍(lán)牙，打開軟件界面，選擇好藍(lán)牙com口和波特率，點(diǎn)擊界面最下方的“導(dǎo)入”、“導(dǎo)入完整值”，選擇編譯好的舵機(jī)控制文檔，并點(diǎn)擊“恢復(fù)初始位置”，打開機(jī)器人上的電源開關(guān)，點(diǎn)擊軟件界面“聯(lián)機(jī)”，當(dāng)界面閃爍顯示“on line”之后再次點(diǎn)擊“恢復(fù)初始位置”，最后點(diǎn)擊“運(yùn)行”即可，機(jī)器人即按照預(yù)定程序自動執(zhí)行相應(yīng)的舞蹈動作。

5 結(jié)論

　　本文所設(shè)計的六足仿生蟑螂機(jī)器人樣機(jī)長約16 cm，寬約6 cm，高約3 cm，重量約4.3 kg，外形如圖7所示。對樣機(jī)進(jìn)行行走實驗，其結(jié)果表明該樣機(jī)可實現(xiàn)直線行走及左、右拐彎等，還可隨音樂按既定程序?qū)崿F(xiàn)跳舞功能。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 申景金.一種新型六足仿生蟲的結(jié)構(gòu)設(shè)計與動力學(xué)分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

　　[2] 張建斌，宋榮貴，陳偉海，等.基于運(yùn)動靈活性的蟑螂機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2010，36（5）：513-518.

　　[3] 韓建海，趙書尚，李濟(jì)順.六足機(jī)器人行走步態(tài)的協(xié)調(diào)控制[J].機(jī)電工程，2004，21（4）：8-10.

　　[4] 儲忠，阮賢實，虞剛明.六足仿生機(jī)器人步態(tài)研究和運(yùn)動控制器設(shè)計[J].伺服控制，2009（8）：67-70.