薛英娟，李光亚
（中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051）
摘要：针对野外复杂环境，结合腿足式行走和轮式行走机器人的优点，设计了一套足轮组合式探测机器人的控制系统，实现了腿足模式和轮式模式的切换。通过分析“六足纲”昆虫各腿的协调关系，提出了六足机器人的三角步态行走法，并在此基础上对足轮组合运动模式进行了分析，建立了足轮组合式机器人的运动模型和控制理论。设计的机器人能够完成实时环境视频采集，在四轮模式下的前进、后退、左转、右转，六足模式下的前进、后退、左横行、右横行、左转、右转，以及机器人的跟踪定位等功能。
关键词：探测机器人；足轮组合；三角步态中图分类号：TP242.6
0引言
随着电子技术的发展和普及应用，社会发展对电子技术的要求越来越高，这也为机器人能够更好运用于无人区代替人工作业奠定了基础。
与传统的探测机器人相比，足轮组合式机器人在爬越坡面、跨越障碍和壕沟以及在碎石路面上行走方面具有很大的通过性，在平地行走时也有很高的速度。因此足轮组合式野外探测机器人具有一定的推广应用价值。本文设计了一种具有野外探测功能的机器人系统，通过本项目的研究，可以建立机器人的运动模型、仿真模型和控制理论。
1六足机器人整体结构设计
机器人采用六足型，在机身前、中、后两侧分别安装一对足，分别称为前足、中足和后足，如图1所示；在其下面加装小车底盘（两个驱动轮和两个转向轮），构成了本项目所用的机器人结构。
机器人的六足与机械手一共有20个关节，每个关节安装一个舵机，采用专用舵机驱动器驱动。控制电路板接收来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而到达目标。
机器人有两个驱动轮，每个车轮安装一个自带测速编码器的直流减速电机，提供较低的转速和较大的力矩。
2足式步行运动设计
仿生式六足机器人借鉴了自然界“六足纲”昆虫的运动原理，行走时，同侧的前足和后足以及另一侧的中足做为一组足，另外三组做为另一组足，每组足都构成三角形状的稳定结构。当一组足支撑地面并向后蹬时，另一组足抬起并做好替换前一组足的准备。这种行走方式模仿了六足昆虫的行走方式，而且由于重心一直落在三角结构之内，因此可以随时随地停止。这种行走法在水平和垂直方向上运动，身体重心低，容易稳定，因而得到广泛运用。
基于三角步态行走法，设计出一种直线运动方案（如图2所示），由六个姿态循环执行实现：
姿态一：由初始状态的六足支撑变为一组三角形三足支撑。
姿态二：支撑足的水平关节向后旋转，使机器人向前移动，同时悬空足向前旋转，为下一姿态做准备。
姿态三：悬空足下降，变为六足支撑，为交换支撑做准备（该姿态为过渡姿态，机器人不发生位置变化）。
姿态四：先前支撑的三足抬起，改由另外三足支撑。
姿态五：同姿态二（仅是变换了支撑足与悬空足）。
姿态六：同姿态三（仅是变换了支撑足与悬空足）。
返回姿态一，循环执行后退和旋转的方案，以此类推。
3机器人控制系统设计
机器人运行流程如图3所示。
3.1 系统硬件设计
系统硬件主要包括机器人主控制器＼上位机无线收发器、无线视频传输模块和GPS定位器。
(1)机器人主控制器由单片机、无线通信模块、稳压电路和各种接口组成。单片机选用
STC12C5A60S2，无线通信模块选用NRF905模块。该控制器通过无线模块接收上位机的信号，然后发出信号给舵机控制器和L298驱动电路，从而控制机器人各个部分动作。
(2)上位机无线收发器由单片机、无线通信模块、稳压电路和各种接口组成。单片机选用STC12C5A60S2，无线通信模块选用NRF905模块，通过RS232串口线与上位机通信，接收上位机的信号，通过无线模块发送给机器人。
(3)无线视频传输设备中，由摄像头采集到视频信号，传输给视频发送设备，然后通过无线通信方式传输给视频接收设备，最后传输给上位机实时显示出来。
(4) GPS定位器通过上位机访问开发商提供的网页，可实时跟踪定位器的当前状态以及在设定时间段内的轨迹回放。
3.2 系统软件设计
(1)机器人控制器的主控芯片是单片机，除了基本的I/O功能外，还用到了SCI数据传输、SPI数据传输、CAP边沿捕获、定时器等功能，采用C语言进行程序设计，控制器程序流程如图4所示。
(2)上位机无线收发器的主控芯片是单片机，除了基本的I/O功能外，还用到了SCI数据传输、SPI数据传输、中断等功能，采用C语言进行程序设计，其程序流程图如图5所示。
4足轮机器人步态实验
将六足机器人的六足分为两组，每组三足，对上述的几种姿态进行了验证性实验，如图6所示。
实验过程中，首先机器人的一组三足抬起变为悬空足，另一组三足作为支撑足，其水平关节向后旋转推动机器人向前运动；接着悬空足落地变为支撑足，而原来的支撑足抬起成为支撑足，其水平关节向后旋转推动机器人向前运动，完成一个周期运动。
后退、横行和旋转的控制方式与前进类似。
通过实验，验证了机器人的行走能力达到了预期的目的。
5结论
本文系统地论述了基于GPS足轮组合式野外探测机器人的实现方法，设计的机器人能够完成实时环境视频采集，在四轮模式下的前进、后退、左转、右转，六足模式下的前进、后退、左横行、右横行、左转、右转，以及机械手对物体的抓取。通过本项目的研究，建立了轮足复合型机器人的运动模型、仿真模型和控制理论，该机器人可以广泛地应用于复杂环境以及具有危险性的区域。本文对于实验室机器人的研究与开发具有一定的参考价值。
下一篇:返回列表
