六足仿生机器人的设计

李威

摘  要：本项目设计的六足仿生机器人采用了D-H建模来构建机器人的运动的模型，运用三角算法、六次项轨迹规划等算法来调整机器人运动的状态，最后经由运动学的求逆，运算出每个关节的旋转角，进而模拟出六足动物的运动步态。

关键词：仿生机器人;三维建模;六次轨迹算法;单片机技术

中图分类号：TP242                                            文獻标识码：A                                             DOI：10.12296/j.2096-3475.2021.05.341

仿生机器人是仿生学与机器人领域应用需求的结合产物。仿生机器人同时具有生物和机器人的特点，已经逐渐在反恐防爆、抢险救灾等各种不适合人工亲自进行的任务中得到应用[1]。本设计主要研究的是小型仿生六足机器人控制系统的开发，其采用自主设计的控制器作为硬件平台。控制器主要有微处理器、驱动模块、电源模块、外围扩展构成。其中驱动模块采用了分时复用的原理，将处理器的6路PWM信号扩展成18路，具有信号质量好、占用处理器资源少的优点。

一、六足仿生机器人的总体设计

在本项目设计中主要研究的是仿生六足机器人的控制器开发，其采用了多种技术，有仿生学原理、电子技术、单片机技术、运动控制、数学建模仿真、数据处理等等。在仿生机器人领域，采用了算法控制的仿生六足机器人，在运动上更加逼近以真实生物，使得仿生六足机器人的运动更加稳定。在开发过程中，首先运用了三维建模软件，构造机器人的三维实体模型;再构建数学模型，对仿生六足机器人的运动方式进行了仿真与分析，并采用了六次项轨迹算法构建仿生六足机器人的运动轨迹;之后采用电子技术、单片机技术等，将六足机器人的控制模型与控制方式以程序的方式加载在控制器中;最后对控制模型进行调试与调整。

二、设计实施过程

1.方案策划

通过研究不同模块的原理，找出可靠的设计方案，充分发挥每个原件的特性。通过基础理论，研究如何让系统稳定高效且平稳的运行。通过Modelsim、MATLAB、CAD仿真，验证理论设计的正确性;设计制作模块电路，通过模块硬件化系统模块联调，检测实验数据;研究资料进行总结，规划出项目具体方案。

2.硬件搭建

六足机器人的实体模型结构制作，对于一个机器人来说必须先建立模型框架才能进行下一步工作。PCB设计制作，做一个电子产品最主要的部分就包括PCB的绘制，要对需要做的产品功能进行仔细的分析，画好pcb之前对PCB上所需要的电路做一个预先的仿真实验，之后选择性价比合适的元器件，制作性能高，信号稳定，且价格合适的PCB板图，在确定无误后发厂家进行制作。

3.调试

准备工作完成之后，进行模型搭建和代码烧录。对整个系统进行综合测试。如过机器人不能正常工作运行，则需要对系统和代码进行进一步的修改完善。如在测试阶段能正常完成任务，则表明系统达到预期完成效果。

三、本设计的技术难点及解决方案

1.数学模型的建立

仿生六足机器人的六条腿的每条腿的结构都是一样且都为三轴串联型结构，所以只要分析一条腿的数学模型就可以得出仿生六足机器人的腿部的数学模型。但是如果要构建姿态变换的数学模型，是要构建并联型机器人的数学模型，就不能单单只分析一条腿，而是要整体进行分析。

2.控制器的功能分析

控制器实际上是包含了微处理器、驱动模块、电源模块、 外围模块等等的硬件。因为处理器的计算结果位数都是有限的，像本项目中采用的 ARMstm3二、芯片，其运算结果可以精确到小数点后 7 位，基本可以满足运动控制的需求，如果是需要更高精度的计算，可以采用 DSP 芯片。

3.误差与校准分析

在仿生六足机器人的机械结构装配过程中，是存在着一定的装配误差的。有时候，运动部件的齿轮的啮合也会造成一定的装配误差。而微处理器的计算结果由于运算精度的问题，也会产生误差。为了尽量的克服这些装配误差造成的运动精度的下降，就必须对这些误差进行校准。采用人机交互控制对实际运动模型进行误差校准。

四、结语

本设计主要研究了小型仿生六足机器人控制系统的开发，通过解决数学模型的建立、控制器的功能分析、机械结构装配误差与校准分析等计算难题，模拟出仿生机器人六足动物的运动步态。本项目设计的六足仿生机器人还能进一步研究和优化。

参考文献：

[1]王国彪，陈殿生，陈科位等.仿生机器人研究现状与发展趋势[J].计算技术与自动化，2015（13）：27-44.

[2]朱国杰，田文凯，吕承哲等.六足仿生机器人机构与控制系统设计[J].测控技术，2017（1）：55-58.

基金项目：2020年国家级大学生创新创业训练计划项目——《六足仿生机器人》编号：S2020-11407-031G

（北方民族大学测控技术与仪器专业  宁夏银川  750000）