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

　　關鍵詞： 六足仿生機器人；三足步態(tài)法；STC12C5A60S2單片機；舵機

0 引言

　　仿生學是20世紀60年代初誕生的一門集生物科學和工程技術于一體的邊緣學科，主要通過學習、模仿、復制和再造生物系統(tǒng)的結構、功能、工作原理及控制機制，來改進現(xiàn)有的或創(chuàng)造新的機械、儀器、建筑和工藝過程[1]。蟑螂運動靈活穩(wěn)定，對地形適應能力強，是仿生的熱點。本文所設計的六足仿生爬蟲機器人，其外形及其機械結構參考蟑螂的特點，運動控制器由STC12C5A60S2單片機和舵機組成，采用多舵機分時控制，能夠按照指令要求正確切換功能并且完成相應動作。

1 機體結構設計

　　仿生蟑螂六足機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?；谧匀唤缰薪^大部分蟑螂的軀體都呈近似長方形結構，因此軀體設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，材料選用高強度且質(zhì)量較輕的鋁合金。6條腿均勻分布于身體兩側，腿形參考蟑螂足部結構，4個關節(jié)分別為髖關節(jié)、大腿、小腿和踝關節(jié)，其中前3個關節(jié)為驅(qū)動關節(jié)，各關節(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)動關節(jié)均由伺服電機驅(qū)動，如圖1中黑點所示，關節(jié)間連接構件采用性能良好的合成塑料代替鋁合金，進一步降低了整機的重量，又增加了整機機構的靈活度。系統(tǒng)通過控制相應關節(jié)伺服電機的運動，使機器人能夠?qū)崿F(xiàn)18個自由度的靈活運動，能夠?qū)崿F(xiàn)步行足在可達區(qū)域內(nèi)任意自由定位。

　　2 步態(tài)規(guī)劃

　　六足仿生機器人通常采用典型的交替三角形步態(tài)[3]進行直線行走，即將身體兩側的6條腿分成兩組，以三角形支架結構交替前行。身體左側的前、后足及右側的中足為一組，右側的前、后足和左側的中足為另一組，分別組成兩個三角形支架。當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，并以中足為支點向前移動，同時機體的重心落在另一組三角形支架的3只足上，然后再重復前一組的動作，以此交替運動使機體前行。

　　在所設計的步行機器人尾部左右兩端分別安裝兩個驅(qū)動電機，每個驅(qū)動電機控制位于自己對應側的前腿和后腿，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，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°。當機器人從休息狀態(tài)開始向前直線運動時，機器人中間兩腿不轉(zhuǎn)動方向，前腿和后腿同時向后移動，從而使機器人向前移動。當機器人向右運動時，第三驅(qū)動電機驅(qū)動中間兩腿沿順時針方向轉(zhuǎn)動一定角度（20°~30°），從而使機器人向右側轉(zhuǎn)動，這時機器人的重量由右側前腿、右側后腿和左側中間腿支撐，左側前腿和左側后腿向前移動。同理，當驅(qū)動中間兩腿沿逆時針方向轉(zhuǎn)動一定角度（20°~30°）時，機器人向左移動。

3 硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

　　3.1 STC12C5A60S2芯片介紹

　　STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機。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專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 k/s），針對電機控制，強干擾場合。STC12C5A60S2系列單片機幾乎包含了數(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 直流電機及其驅(qū)動模塊

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

　　直流電機驅(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，可以方便地控制直流電機速度和方向，也可以控制兩相步進電機。本模塊應用了光耦芯片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通光耦驅(qū)動L298工作，控制信號可以直接接單片機I/O口，杜絕了單片機不能驅(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，嚴格單點共地。以上兩個措施最大限度地減小了強電部分對控制電路部分的影響，保證系統(tǒng)的可靠運行。

　　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分別為單片機控制兩個電機的輸入端；J3與J5分別與兩個電機的正負極相連；ENA與ENB直接接入6 V邏輯電源，使兩個電機時刻都工作在使能狀態(tài)。本設計中使用的電機是線圈式的，在從運行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止狀態(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行泄流，保護芯片的安全。

　　3.3 舵機

　　舵機即伺服馬達，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，這款舵機的力矩比較大，達到了17 kg/cm，完全滿足小型簡易機器人的需求。舵機驅(qū)動模塊的輸入線分別為控制信號線、電源線以及地線，3根線需連接準確，否則會損害單片機可控板。

　　舵機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，分別對應的舵機轉(zhuǎn)角為-90°~+90°，如圖3所示?？刂菩盘栍山邮諜C的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。舵機內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓進行比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(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，電機停止轉(zhuǎn)動。使用單片機控制舵機，多是利用定時器和中斷的方式來完成控制[4]。

　　本文所設計的仿生爬蟲機器人共用了18個舵機，其連接方式參考了蟑螂的足部結構，舵機連接位置為圖1中的黑色圓點處。

　　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，功放采用美國進口數(shù)字式功放，全部是昂貴的IC，從而設計出大功率、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系列芯片才能進行編譯。

　　4.2 程序設計思路

　　采用定時器和中斷的方式來完成對18個舵機的分時控制。由于舵機信號周期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個舵機分成3組，定時器0控制舵機1~6，定時器1控制舵機7~12，定時器2控制舵機13~18。先預裝高電平時間長度，啟動定時器，當計數(shù)溢出時觸發(fā)中斷，電平拉低并重裝低電平時間長度。舵機控制程序流程圖如圖5所示。

　　4.3 舵機控制器軟件

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

　　該軟件可實現(xiàn)上位機對舵機的直接控制，其使用方法如下：電腦插上藍牙，打開軟件界面，選擇好藍牙com口和波特率，點擊界面最下方的“導入”、“導入完整值”，選擇編譯好的舵機控制文檔，并點擊“恢復初始位置”，打開機器人上的電源開關，點擊軟件界面“聯(lián)機”，當界面閃爍顯示“on line”之后再次點擊“恢復初始位置”，最后點擊“運行”即可，機器人即按照預定程序自動執(zhí)行相應的舞蹈動作。

5 結論

　　本文所設計的六足仿生蟑螂機器人樣機長約16 cm，寬約6 cm，高約3 cm，重量約4.3 kg，外形如圖7所示。對樣機進行行走實驗，其結果表明該樣機可實現(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

　　[1] 申景金.一種新型六足仿生蟲的結構設計與動力學分析[D].南京：南京航空航天大學，2008.

　　[2] 張建斌，宋榮貴，陳偉海，等.基于運動靈活性的蟑螂機器人機構參數(shù)優(yōu)化[J].北京航空航天大學學報，2010，36（5）：513-518.

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

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