仿生蜘蛛机器人的设计与实现_施文灶

paly_motion = 7 paly_motion = 8
快速向右转 向左转
3 结束语
paly_motion = 9 paly_motion = 10 paly_motion = 11 paly_motion = 12 paly_motion = 13 paly_motion = 50 paly_motion = 60 paly_motion = 70
Design and Implementation of Bionic Spider Robot
SHI Wenzao，WANG Ping （ College of Photonic and Electronic Engineering，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China） Abstract According to the physiological structures and behaviors of biological spiders，a bionic spider robot is designed with bionic operations of stable six － foot walking，including the action of turning，attacking and getting down. The functions of sleep mode，voice activation，and remote control are added. Biological features are given to the robot，not only imitating the appearance of biology spiders in the hardware，but also simulating the biological behaviors by software design. Keywords bionic spider robot； Dynamixel AX － 12 + ； Dynamixel AX － S1； steering engine
始化之后，方能进行。原理上是将每个伺服器旋转角度
正常行为举止： 蜘蛛机器人的生物行为即自行通
调整到一定的位置上，使之呈现一个定型姿态，作为机 过传感器采集数据，对数据进行判断，然后进行处理的
器人的待机动作。通过改变整个系统结构的全局变量 一个仿生过程。设计过程将该生物行为定义为正常行
play_motion 来完成动作初始化，表 1 对该参数进行了对 为举止，即正常模式。该模式下，主要研究的是蜘蛛机
准备动作，初始化姿态
paly_motion = 2
向前走
paly_motion = 3
快速前行
paly_motion = 4
向后退
paly_motion = 5
快速向后退
paly_motion = 6
向右转
和 distance_f 两个参数进行分析。当上方障碍物所测 距离 distance_u≤20 时，即认为感应到上方有障碍物， 蜘蛛则产 生 坐 下 的 动 作。当 前 方 障 碍 物 所 测 距 离 distance_f≤100 时，再次检测一下距离是否 distance_f ≤20，如果 ＜ 20，则退后，向左转，回到正常模式； 如果 ＞ 20，则采取攻击，攻击结束后，回到正常模式。值得 注意的是，distance_u 与 distance_f 所采集数据也不是 实际的距离，也是通过量化后的数值。
图 2 蜘蛛机器人外形结构图
2 机器人行为设计
控制系统采用模块化设计，将整个工作流程划分为： 系统初始化、启动模式、生物行为等。图 3 是系统流程图。
图 1 Dynamixel AX － 12 + 控制位置角度图
图 3 系统流程图
1. 3 感觉器官设计 设计蜘蛛机器人的感官系统时，如果每个感官对
应一个传感器模块，那么对蜘蛛机器人关节活动便会 增加许多牵绊与阻碍。于是，设计采用 1 个集超声测 距传感器、声音检测传感器、亮度传感器、温度传感器 和红外线 接 收 器 于 一 身 的 Robotis 公 司 的 Dynamixel AX － S1 模块来充当机器人的感官系统。并且 AX － S1 与 AX － 12 + 机器人专用伺服电机在通信方式上一 致，以便于通信和控制器统一管理； 在机械上结构相 同，外观上也可以达到统一、美观。
近几年，仿生学已经从一个鲜为人知的边缘学科 除了行走，还有转弯、攻击、趴下等，每个行为作业都靠
走进人们视野，运用于生活中的各个领域。生物学机 脚部的运动来实现，因此对腿部的灵活度要求较高； 其
来自百度文库
理与机器人的结合，形成仿生机器人，成为广大研究人 员关注的一个焦点［1 － 3］。仿生机器人是机器人技术领
次，要使机器人具有生物的特性，需对外界的刺激做出 正确的判断和及时的响应，所以感觉器官的模拟也至
域中一个新兴的发展分支，是指模仿生物、能根据生物 关重要。
的外部形状，运动原理和行为方式等进行模仿，并能从 1. 1 躯干设计
事生物特点工作的机器人。仿生机器人的种类多样，
考虑到蜘蛛机器人躯干部位对灵活度基本没有要
涵盖了天上、地上、水中等活动领域的各类机器人［4］， 求，无需搭建活动关节，且整机控制器不宜受到关节活
是基于生物界中蜘蛛的生理结构，运用其生物行为，设 计出能平衡行走、判断方向、感受外界刺激的机器人； 另外，仿生蜘蛛机器人在结构上有别于人型或轮式机 器人，使其在较差路况下行走成为可能，可以执行在废 墟中搜救等任务［7 － 8］。因此仿生蜘蛛机器人的设计与 实现具有较高的研究价值和实际意义。
16 MI·s － 1 。对于小型仿生蜘蛛机器人的运动解算和 规划，该运 算 能 力 足 以 满 足 控 制 和 在 线 规 划 的 运 算 要求。 1. 2 腿部设计
其中地上行走的机器人，根据其行走方式的不同，还可 动干扰，于是将整机控制器作为躯干部位，完全符合要
以分为跳跃机器人、轮式机器人、足式机器人以及爬行 机器人［5 － 6］。文中主要对蜘蛛机器人进行设计，目标
求，并且便于操控。控制器采用 16 位高性能低功耗的 AVR 单 片 机，频 率 最 高 为 16 MHz，运 算 速 度 最 快 为
1. 4 本体结构
例如： 要设定 AX － 12 + 的位置控制状态，首先要选定所
根据生物蜘蛛外形，设计总体结构为： 以控制器作 要设置伺服器的 ID。ID = 1 的伺服器，令 address = 8，则
为身体部位，连接 6 足，将传感器模块作为头部。选取 进入其运转模式更改，设置 mode 变量，mode 只有两种
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器是一个较流行的模块化驱动器，由齿轮减速器、精密 直流电机和具有串联功能的电路板封装组成。尽管它 体积小巧紧凑，但它可以产生较大的扭矩，加上高品质 材料制造并具有一定的强度，可以抵御一定外部冲击。 同时它还是双向的伺服控制系统，具有回授功能，且具 有检测内部温度功能，例如改变内部温度和供电电压。 具有报警功能： 当内部温度，扭矩，供电电压等超过额 定范围时，它主动反馈这种情况并闪动 LED 灯或关闭 舵机扭矩来通知用户，达到报警效果。
Dynamixel AX － 12 + 的位置和速度控制精度可达 1 024 级 （ 0 ～ 1 023 ） ，关 节 型 舵 机 对 应 最 大 转 角 为 300°，控 制 角 度 分 辨 率 为 300 /1 024 = 0. 29° / 步。如 图 1所示，位置值 0 是 0°，位置值 512 是 150°，位置值 1 023是 300° 等。 通 信 波 特 率 为 7 343 bit · s － 1 ～ 1 Mbit·s － 1 ，命令信号是数字型数据包，通信协议类型 为半双工异步串口通信，不同舵机之间通过唯一的 ID 进行识别，最大有 254 个 ID。每个 Dynamixel AX － 12 + 舵机都有一个控制表存储舵机的状态和控制信息，这 个控制表由一个 RAM 区和 E2 PROM 区组成，对舵机 的控制实际是通过向其控制表中写指令； 而要获取舵 机当前状态实际就是读取控制表相应的值。
照解说，再调用 Load 函数执行该动作页面来实现功能。 器人对障碍物的判断，通过 AX － S1 采集到的 distance_u
表 1 蜘蛛行为状态设计对照表
行为动作（ paly_motion）
蜘蛛机器人行为状态设计
paly_motion = 0
强制停止当前动作页，不再往下页执行
paly_motion = 1
2. 1 系统初始化 机器人的初始化需要做两部分工作，一是初始化
每个伺服器的功能模式，并将每个伺服器切换到位置 控制状态； 二是初始化机器人的初始动作，也就是初始 状态，将机器人复位。 2. 1. 1 伺服器初始化
初始化伺服器的功能模式是因为 AX － 12 + 具有多 种功能，如果没有将其初始化，它将记忆之前的设置，按 照之前的设置模式完成此次控制，则 AX － 12 + 不会正 确工作。AX － 12 + 的每个功能对应地址［ADDRESS］的 固有号码，可以通过选择地址的方法来控制各个功能。
合适的连接件，最终拼装连接得到小型仿生蜘蛛机器 状态： mode = 0 是无线旋转模式，mode = 1 023 是正常位
人样机，如图 2 所示。
置控制状态。此处设计所用的 18 个伺服器被用作蜘蛛
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2013 年第 26 卷第 3 期 Electronic Sci. ＆ Tech. / Mar. 15，2013
仿生蜘蛛机器人的设计与实现
施文灶，王 平
（ 福建师范大学 光电与信息工程学院，福建 福州 350007） 摘 要 将仿生学与机器人相结合，是根据生物界蜘蛛的生理结构和行为举止，设计了一种能够运用 6 足稳定， 实现行走、转弯、攻击、趴下等系列动作的仿生蜘蛛机器人，并添加了睡眠模式、声音启动、遥控操作等功能。不仅 在硬件方面模仿生物蜘蛛的外观，而且在软件上设计了其生物行为，实现了机器人的生物特性。 关键词 仿生蜘蛛机器人; Dynamixel AX － 12 + ; Dynamixel AX － S1; 舵机 中图分类号 TP242 文献标识码 A 文章编号 1007 － 7820（ 2013） 03 － 090 － 03
机器人的 6 足，其位置控制状 态 应 该 设 置 为 mode = 当检测到像掌声一样一定大小以上的声音时计一次
1 023，且每一个伺服器都要初始化为此状态。
数，为避免把一次击掌误认为多次，在一次计数后，采
2. 1. 2 动作初始化
用延时方式，约为 80 μs 后继续计数。
动作初始化部分相对较简单，但要建立在伺服器初 2. 3 生物行为
腿部设计 是 实 现 蜘 蛛 机 器 人 功 能 的 关 键［10］。 机 器人设计有 6 足，行走时依靠两两间隔的 3 条腿构成
1 机器人本体设计
生物界蜘蛛的特点是拥有 8 条腿，在行走时，总会 有 4 条腿着地，用以保持自身的平衡［9］。其生物行为
稳定的三角形支撑地板，每只腿设计为 3 个关节，即具 有 3 个自由度。并且将轴向分布成 x 轴、y 轴、z 轴，实 现前 后、左 右、上 下 的 三 维 活 动 空 间。 选 取 18 个 Robotis公司的 Dynamixel AX － 12 + 机器人专用伺服电
快速向左转 坐下（ 收缩 6 足） 受到惊吓 攻击准备动作 向前攻击 蜘蛛正常行为举止连贯动作 蜘蛛采取躲避连贯动作 蜘蛛受到惊吓连贯动作
收稿日期： 2012 － 10 － 23 作者简介： 施文灶 ( 1982—) ，男，博士研究生，讲师。研究 方向: 电子系统设计。E-mail: swz@ fjnu. edu. cn
机充当肢体关节。 Dynamixel AX － 12 + 是机器人专用的伺服电机，
充当机器人的关节。首先，Dynamixel 系列机器人驱动