基于单片机的六足仿生机器人设计

韩根源 张凯 李文轩 何鑫

摘要：设计了基于STC5l单片机为主控芯片的六足仿生机器人系统，机器人的行走是学习了稳定性最好的三角步态方式进行规划，设计其构造框架和软件程序，使用单片机控制18路舵机的旋转角度实现机器人的行走。通过红外传感器结合单片机控制舵机实现了自动避障功能。实验表明 51单片机对六足机器人进行控制是完全可行的，程序设计与硬件构造合理。

关键词：六足机器人;51 单片机;舵机;PWM

中图分类号：Q811;TP242文献标识码：A文章编号：1672-9129（2020）13-0056-01

在现实生活中经常存在一些我们无法到达的地方以及有可能有危险的场合。例如：地震抢险救灾，洪水救援和矿洞坍塌等，如何在这些危险环境中进行救援和研已是当今社会以及科学研究的重要话题。这些环境几乎都拥有不规则的地形使在以往的轮式移动方式变得不再适合行驶，所以履带式机器人从此诞生，但它在不规则地面上的行驶仍然很差以及产生严重的机械晃动，这将会导致机器变得容易损坏和大大缩短其寿命。而与这些移动工具相比六足机器人在不规则的地形中具有良好的稳定性。随着单片机的日益进步，六足机器人的研究迅速发展起来。

1系统框架设计

系统框架主要是由单片机最小系统、pvc材料板构成的主体支架、远程蓝牙控制设备组成。其中单片机负责收发和处理数据。机器人主体则接受单片机发送的命令并做出相应的动作。远程控制设备则是手机上下载的蓝牙助手，用来在手机上给仿生机器人发送命令。

1.1外部结构设计。机器人主体实物由单片机开发板、18路舵机六足、红外避障系统、蓝牙模块和电池模块组成。其中单片机开发板作为机器人的信息处理核心，具有非常重要的作用。18路舵机六足给机器人的移动提供了基础条件。蓝牙模块相当于机器人的眼睛和耳朵，负责接收信息。电池模块相当于机器人的“食物”，为机器人提供源源不断的动力。六足机器人的运动部件为对称的六脚蚂蚁腿结构，机器人整体长：13.5 cm;宽：9 cm;高：4 cm;机器人载重平台高：10 cm。单足长度为：宽13cm;完全伸展状态下足长：13cm。每一个脚均装有三个数字舵机，可以实现高度灵活的运动控制。

1.2控制逻辑设计。控制逻辑可划分为3个主要部分，分别是单片机最小系统接收与处理;红外避障传感器的中断处理;蓝牙模块的远程无线串口通信。单片机最小系统通过读取接受的数据，来控制机器人完成相应的动作。红外避障传感器模块通过发送红外线来得知前方是否有障碍物，如果存在障碍也就是说红外线被发射回来，则避障模块向最小系统传送有效电平，最小系统收到信号后则控制舵机驱动电路输出pwm信号的占空比实现控制转向，最终以达到避障的目标。方向控制指令的接收与处理模块用的是用蓝牙技术来实现的。在手机上下载并安装蓝牙串口助手APP，然后打开手机蓝牙，最后编辑按钮名称和发送的命令。然后点击相应的按钮，蓝牙助手给最小系统发送相应的指令，机器人做出相应的动作。机器人的行动可以根据控制程序设定好的行动方式来实现自动控制，也可以通过蓝牙串口助手发送预设的指令来进行人工控制。

1.3机器人控制核心程序。在机器人的控制程序中收集了完成各种动作的过程中各个舵机的角度数据，通过将这些数据转化为对应的PWM信号来对对应的舵机进行驱动。这些封装好的数据可以支持机器人自动移动以及人工控制移动。程序还在移动过程 中通过感应模块检测移动路径是否可行，如果会发生意外就会及时产生中断信号，阻止进一步的行动或者改变路径。

1.4蓝牙控制设备设计。蓝牙控制设备设计是通过手机端的一个app来完成的。使用蓝牙模块实现机器人与手机端的通信，可以在机器人附近通过手机进行遥控。给动作组的数据编号，当蓝牙模块收到手机发来的数据会改变产生PWM信号函数的参数，改变现在正在进行的动作。

2功能实现方案

六足机器人步态设计分为前进、后退、左平行、右平行步态设计与旋转步态设计。其中步态设计为三角行走步态，在所有六足机器人步态中三角步态具有很高的稳定性，也是行走速度最快是我一种其它步态或多或少无法解决机器人的摇摆问题，但三角步态可以使机器人的重心始终不变，从而避免了摇晃问题。

3实验结果与分析

3.1六足步态测试。机器人步态的稳定性测试内容分为前进步态测试、旋转步态测试和避障步态测试，在带有格子线的地面上测试，待机器人行走5M后，测试偏移距离。

3.2自动避障测试。我们在实验室搭建了模仿自然环境的小型模拟室来测试机器人的自动避障能力。将机器人放入模拟室内并调节六足机器人为自动驾驶模式，模拟时主要观察机器人的碰撞情况和行走流畅度，为了更好地模仿自然环境我们使用了海绵路面来测试机器人的稳定性，经过一系列测试证明在一些轮式机器人无法行走的路面上，六足机器人具有很好的适应性。

4结束语

本设计充分利用单片机最小系统及蓝牙串口与红外测距各自的优势，基于51单片机实现了能前进、后退、转弯、站立、下蹲、自动避障的六足仿生機器人。该机器人是以STC89C51单片机为控制基础，采用舵机控制其转动移动，该系统还采用了舵机驱动板来间接驱动舵机，使单片机只需在舵机改变角度时发送命令即可，大大的提高了舵机的控制效率。并安装了红外避障模块，实现的自动驾驶防撞功能：当红外装置感应到前方存在障碍使，就会向单片机发送有效电平，单片机接受后会控制舵机驱动板从而间接驱动舵机进行左转弯或右转弯从而避开障碍物继续前行。其核心代码的大小也控制在51单片机能接受存储的范围内并实现了所有功能。整个设备拥有电路简单、性价比高、稳定性强以及优秀的可扩展性等优点，具有非常广阔的市场前景。

参考文献：

[1]牟海军. C语言进阶重点、难点与疑点解析，机械工业出版社，2012年，17-22.