六足仿生机器人设计与实现

韩凯

摘要：为解决非结构环境下机器人地形适应性差、运动灵活性低等问题，本文基于仿生学原理设计开发了六足仿生机器人，以飞思卡尔K60处理器为主控芯片，完成了六足机器人的机械结构与控制系统设计，增设多种传感器模块，增强机器人的稳定性和自适应能力。

Abstract： In order to solve the problems of poor terrain adaptability and low motion flexibility of robots in unstructured environments， this article designed and developed a six-legged bionic robot based on the principle of bionics， using Freescale K60 processor as the main control chip to complete the mechanical of the six-legged robot Structure and control system design， add a variety of sensor modules to enhance the stability and adaptive ability of the robot.

關键词：单片机;仿生机器人;机械结构;寻迹

Key words： singlechip;bionic robot;mechanical structure;trace

0  引言

随着现代技术的不断发展，人类对于自然界的探索范围也日趋扩大，对于某些人类不能进入的地方只能依赖于机器人进行替代。

目前对于陆面机器人的研究成果主要体现在轮式、足式和履带式机器人上，轮式和履带式机器人在平面运动上稳定性高，应用较为广泛，不足之处在于不能应用于崎岖地形，适应能力较差。相比之下足式机器人具备冗余的机械结构，落足点可以任意离散分布在工作空间，可以适应复杂的非结构地形和不确定环境，提高机器人运动的可靠性。

本文基于仿生学原理，以六足昆虫为仿生模型，分析其身体结构和运动机理，设计开发六足机器人适用于复杂地形的运动。

1  本体结构设计

以六足昆虫为仿生模型，要求机械结构本体对称且可靠性高，各机构零件连接可靠易装配，机器人运动自由度合理分配不存在干涉。

如图1所示，设计的机器人选用全铝框架材质，在保持轻量化的同时具备较高强度，整体为似菱形外形，六条腿均匀对称分布在身体两侧使机器人重心稳定，上顶机盖预留位置用于传感器的安装。

机器人腿部设计如图2所示，在机器人腿部2膝关节4髋关节和6根关节处安装舵机进行驱动，每条腿三个自由度，一共安装有18个舵机。

六足机器人关节的转动是靠运动副实现的，因此各个关节均设计有轴承。使用轴承可以减小各个关节转动时的阻力，从而减小机器人的功耗。

2  控制系统设计

控制系统要求稳定性强、实用性高、经济性好，满足机器人实时控制，预留控制接口以便于二次开发升级。

2.1 硬件设计

机器人的底层控制系统硬件设计如图3所示。

硬件部分主要包括最小系统模块、电源模块、传感器模块和运动控制模块。

最小系统中采用MK60DN512VLL10 为主控芯片，其运算速度快、外部接口丰富且能耗较低，能够全方位的满足六足机器人的控制要求。

电源模块主要为机器人供电，主要包括舵机部分供电和控制器供电，同时考虑电压需求和运动续航能力。本文设计采用12V、4200mah三芯锂电池为电源，同时设计降压模块，分别提供6V、5V、3.3V供电。

为了实时采集机器人周围环境信息并进行反馈控制，本文设计表1所示的传感器模块。

采用PWM信号对舵机进行控制，由于机器人共需18路PWM信号，因此选用两片pca9658芯片通过IIC通信来进行扩展，可同时控制32个舵机。

2.2 软件设计

本文在IAR开发环境下按照分层思想进行了软件的编写，软件整体设计如图4所示。

以图5所示视觉传感器为例，器件型号为OV7725， 工作电压为DC3V，IIC 总线控制、8 位并行数据传输，图像输出帧率 0-150（帧/秒）软件可调，同时可以设置不同的分辨率。可直接硬件输出二值化图像，大大减轻单片机压力。

机器人在黑白跑道运动时，将左右两侧的黑色像素点取平均值，可以算出机器人偏差，由于机器人的转向角度是离散的，不需要复杂的PID控制。当其方向偏左，调用向右转向的动作组即可，方向偏右时同理。

while（1）

{

OV7725_Init（image_bin）;

OV7725_get_img（）;     img_extract（image_bin，img，CAMERA_SIZE）;

imgErr = imgProcess（）;

if（imgErr < -22）

motionCtr（left）;

if（imgErr > 22）

   motionCtr（right）;

if（imgErr >= -22 && imgErr <= 22）

   motionCtr（forward）;

}

3  结论

本文基于仿生学原理，以六足昆虫为仿生模型，设计开发了六足机器人，完成了本体结构设计，并使用K60对六足机器人的控制系统进行软硬件设计，编写了相应的控制程序，增设传感器提高了机器人的适应能力。

参考文献：

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