Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ／、 足仿生蟑螂机器人设计 —Ｌ 刘美华’，丈应基 ，蒲宏辉。 （１．湖南工程学院工程训练中心，湖南湘潭４１ １ １０１； ２．湖南工程学院应用技术学院，湖南湘潭４１ １ １０１） 摘 要：介绍了一款基于单片机控制的六足仿生蟑螂机器人。该机器人在外形和足部结构上佑 生蟑螂，六足均匀分布于身体两侧，每足给出了３个自由度：机器人的步态采用经典的三足步态法； 该运动控制器由ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机和舵机组成，采用多舵机分时控制的方法．机器人能实现按所 设计的步态规划进行前进、后退、左转、右转等动作；同时添加了语音模块，机器人能在预定程序下随 音乐进行舞蹈动作 、 关键词：六足仿生机器人；三足步态法；ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机；舵机 中图分类号： ＦＰ２４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—７７２０（２０１５）０６—００５０—０３ Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ ｈｅｘａｐｏｄ ｃｏｃｋｒｏａｃｈ ｒｏｂｏｔ Ｌｉｕ Ｍｅｉｈｕａ’，Ｗｅｎ Ｙｉｎｇｊｉ ，Ｐｕ Ｈｏｎｇｈｕｉ （１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ Ｈｕｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｌｌｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｎｇｔａｎ ４１ １ Ｊ０１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｎｇｔａｎ ４１ １ １０ｌ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ ｈｅｘａｐｏｄ ｃｏｃｋｒｏａｃｈ ｒｏｂｎｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ［）ａｐｅｘ‘．１ｆ ｉｓ ａ １）ｉｏｎｉｃ ｃｏｃｋｒｏａｃｈ ｉｎ ｃｏｎｆｉｇｌｉｒａｌｈｍ￣ＬＩｉｄ ｈ＇ｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｓｉｘ ｌｅｇｓ ａｒｅ ｅｖｅｎｌｙ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ ａｔ ｉｔｓ ｓｉｄｅｓ．Ｔｈｒｅｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｅｖｅ￣＇ｙ ｌｅｇ．Ｔｙｐｉｃａ｛ｔｈｔ ｉ ｇａｉｔ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｇａｉｔ．Ｂｏｉｈ ｏｆ ＳＴＣ １ ２Ｃ５Ａ６０Ｓ２ ｍｉｅｒｏｅｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ ａｒｅ ｌｌｓｅ（ｔ ｔｎ ｆｏｒｍ ｔｈｅ ｍｏｌｉｏａ ｔ２ＯＩｌ［Ｉｔ， 、ｒ． Ｂｅｃａｕｓｅ ｍｕｌｔｉ－ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｔｉｍｅ－ｓｈａｒｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｓ（）ｔＴｌｅ ａｅｌｉｏｎ ｓｕｃｈ ａ ｇｏｉｎｇ ｒ（）ｒ、、 “ｒ｛ｉ， ・ｉ；ｌ ｂａｃｋｗａｒｄ．ｔｕｒｎｉｎｇ ｌｅｆｔ．ｔｕｒｎｉｎｇ ｒｉｇｈｔ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｇａｉｔ ｔ，ｌａｎｎｉｎｇ．Ｍｏｒｅｏｖｅ１．ｔｈｅ ｐｒｏｎｕｎ（ｑａｔｉ（’¨ｎｌＯｌｈｌ ｉｒ ｊ ａｄｄｅｄ，ＳＯ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｐｅｒｆｍ‘ｒｅ ｔｏ ｔｈｅ ｍｕｓｉｃ ｕｎｄｅ ｒ ｔｈｅ ｓｃｌｍｄｕｌｅｄ ｐｍｇｒａＨＩ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅｘａｐｏｄ ｂｉｏｎｉｃ ｒｏｂｏｔ；ｔｈｒｅｅ－ｌｅｇｇｅｄ ｇａｉｔ；ＳＴＣ １２Ｃ５Ａ６０Ｓ２ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｓｔｅｅｌ’ｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ ０引言 仿生学是２０世纪６０年代初诞生的ｒ一门集生物科 学和丁程技术于一体的边缘学科，主要通过学习、模仿、 １机体结构设计 仿生蟑螂六足机器人由躯体和足两个 小 分Ⅲ 成，足和躯体的配置采用 相对称分布。綦ｆ『Ｉ然 －｝ｔ 绝大部分蟑螂的躯体都晕近似长方形结构， 此 比约为３：ｌ，材料选用高强度儿质艟较轻的 ／、 砹 ，ｎ 计成以身体纵向畸１心线为对称轴的多边形，¨ｌ Ｋ‘０ 范 复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机 制，米改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑干”＿ｌ［艺过 程Ｉ】Ｉ。蟑螂运动灵活稳定，对地形适应能力强，是仿生的 热点。本文所设计的六足仿生爬虫机器人，其外形及其 机械结构参考蟑螂的特点． 运动控制器由 ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机和舵机组成．采用多舵机分时控 制，能够按照指令要求正确切换功能并且完成相应动 作 基金项目：２０１４年湖南省大学生研究性学习和包Ｉ觏惶实验计划（湘教通 （２０１４）２４８号，编号４２２） 条腿均匀分布ｒ身体闪侧，腿彤参考蟑螂足部 缃 ４ 个关节分别为髋关节、大腿、小腿和罡粜父节， 【ｆＩ ３ １、 关节为驱动关节，各关节之间的连朴分别称为 ｊ，、股 节和胫节ｌ２ｊ。３个驱动关节均由伺暇电机驱动。 ｌ１｝ 黑点所永，关节问连接构仆采用 ｊ能良好的台成 料｛ 替锚合金，进一步降低了螯机的重 ，又增『ＪＩ ｌｒ 村ｌ 构的灵活度。系统通过控制相应美 ，¨ ｎ｛＝ＪＬ ｆ，ｎ边动， ５０ 《微型机与应用》２０１５年第３４卷第６期 Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ 使机器人能够实现１８个自由度的灵活运动，能够实现 步行足在可达区域内任意自由定位。 以直接驱动两路４６ Ｖ、２ Ａ以下的直流电机，可以方便 地控制直流电机速度和方向，也可以控制两相步进电 机。本模块应用了光耦芯片ＴＬＰ５２１—４隔离控制信号与 Ｌ２９８桥式驱动部分电路的电气连接，控制信号为低电 平时导通光耦驱动Ｌ２９８工作，控制信号可以直接接单 片机Ｉ／０ Ｅｌ，杜绝了单片机不能驱动光耦的现象；输入 控制信号与Ｌ２９８桥式驱动部分分开布地，严格单点共 图１机器人足部结构 地。以上两个措施最大限度地减小了强电部分对控制电 ２步态规划 路部分的影响，保证系统的可靠运行。 六足仿生机器人通常采用典型的交替三角形步态 Ｌ２９８Ｎ型驱动器的电路连接图如图２所示。 进行直线行走，即将身体两侧的６条腿分成两组，以三 ０ Ｉｒ一 １、２ 角形支架结构交替前行。身体左侧的前、后足及右侧的 ＋１２Ｖ 中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分 ｃ【Ｊ２ …， 别组成两个三角形支架。当一组三角形支架中所有的足 ，１ １０ ７ ＩＩＮＴ２ＮＴ１ Ｖ ＶＳ 十ｏ Ｖ２Ｖ上 ７ ｐ４． ６ ２ Ｄ８ ＤＥ ＤＩＯＤＥ ｏ Ｊ３同时提起时，另一组三角形支架的３只足原地不动支撑 １． １２ ＩＮＴ３ Ｄ１０ 【）Ｅ ＤＩＧ ＤＥ ‘ＩＩ』●，－’－ｌｎ。２ ：ｒ ｌ 身体，接着重心前移，并以中足为支点向前移动，同时机 ２＿＿＋６ ｊ ＥＮＡ ＯＵＴ２ ＩＮＴ４ ＯＵＴＩ ３ ２ ＯＵＴ１ＯＵＴ２ … ｒ 体的重心落在另一组三角形支架的３只足上．然后再重 ＥＮＢ ＯＵＴ３ １３ ＯＵＴ３ ： ２＋１２Ｖ ０ＵＴ４ １４ ｎＩ ＪＴ４ 兰 ’ 复前一组的动作，以此交替运动使机体前行。 １＿一 Ｒ ＧＮＤＩＳＥＮ Ａ ｌ Ｄ３Ｄ５ Ｄ７ Ｄ９ ＋ ＣＮ ． 在所设计的步行机器人尾部左右两端分别安装两 １—Ｌ ｌ Ｅ Ｂ ２ ２ ＤＩＯ ＤＥ ＤＩＯ ’个驱动电机，每个驱动电机控制位于自己对应侧的前腿 尝＝Ｄ１０ ＤＥ Ｄ１０ ＤＥ 和后腿，两腿中间用铰链相连，使得两腿摆动方向一致。 ： 中间两条腿采用第三个驱动电机，可驱动中间两条腿同 图２ Ｌ２９８Ｎ型驱动器的电路连接图 时沿顺时针或逆时针方向转动２０。～３Ｏ。。当机器人从休 Ｌ２９８有逻辑电源和动力电源两路电源．图中６ Ｖ为 息状态开始向前直线运动时，机器人中间两腿不转动方 逻辑电源，由Ｊ４接入，ｌ２ Ｖ为动力电源，由Ｊ６接入；Ｊ１ 向，前腿和后腿同时向后移动，从而使机器人向前移动。 与Ｊ２分别为单片机控制两个电机的输入端；Ｊ３与Ｊ５分 当机器人向右运动时，第三驱动电机驱动中间两腿沿顺 别与两个电机的正负极相连：ＥＮＡ与ＥＮＢ直接接入６ Ｖ 时针方向转动一定角度（２０。～３０。），从而使机器人向右 逻辑电源，使两个电机时刻都工作在使能状态。本设计 侧转动，这时机器人的重量由右侧前腿、右侧后腿和左 中使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停 侧中间腿支撑，左侧前腿和左侧后腿向前移动。同理，当 止状态或从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形 驱动中间两腿沿逆时针方向转动一定角度（２０￣～３０ｏ） 成很大的反向电流，因此在电路中加入二极管进行泄 时，机器人向左移动 流，保护芯片的安全。 ３硬件系统设计与实现 ３．３舵机 ３．１ ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２芯片介绍 舵机即伺服马达，是一种位置（角度）伺服的驱动 ＳＴＣｌ２Ｃ５Ａ６０Ｓ２／ＡＤ／ＰＷＭ系列单片机是宏晶科技生 器，适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统。 产的单时钟／机器周期（ＩＴ）的单片机，是高速／低功耗／ 这里选用的是Ｐｏｗｅｒ ＨＤ １５０ｌＭＧ型舵机，这款舵机的 超强抗干扰的新一代８０５１单片机。其指令代码完全兼 力矩比较大，达到了１７ ｋｇ／ｃｍ，完全满足小型简易机器 容传统８０５１，但速度快８～ｌ２倍；内部集成ＭＡＸ８１０专用 人的需求。舵机驱动模块的输入线分别为控制信号线、 复位电路，２路ＰＷＭ，８路高速１０位Ａ／Ｄ转换（２５０ ｋ／ 电源线以及地线，３根线需连接准确，否则会损害单片 Ｓ），针对电机控制，强干扰场合。ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２系列单 机可控板。 片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模 舵机的控制利用的是周期为２０ ｍｓ的ＰＷＭ（脉宽调 块，可称得上一个片上系统。 制）信号，其脉冲宽度为０．５ ｍｓ～２．５ ｍｓ，分别对应的舵 ３．２直流电机及其驱动模块 机转角为～９０。～＋９０。，如图３所示。控制信号由接收机 受机器人的框架材料影响，机器人本身的重量大， 的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。舵机内 所以对直流电机的力矩要求就很高，本文选用了力矩大 部有一个基准电路，产生周期为２０ ｍｓ、宽度为１．５ ｍｓ 约为５ ｋｇ／ｃｍ的２５ＧＲ一３７０直流减速电机。在测试过程 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压进 中，该电机性能稳定，输出力矩也达到了预期设计要求。 行比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电 直流电机驱动模块采用ＳＴ公司的Ｌ２９８Ｎ 片．可 机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通 《微型机与应用》２０１５年第３４卷第６期 欢迎网上投稿ｗｗｗ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｍ ５１