基于STM32的六足机器人制作

基于STM32的六足机器人制作

【摘要】基于仿生原理，以STM32为控制器的核心，制作动作灵活，结构简单的六足机器人，并且完成了直线、转弯步态的规划和控制。实验表明成功控制实现三足步态进行直线行走功能。文中详细介绍了该“蜘蛛”的结构组成、行走原理、步态规划算法与控制系统设计。

【关键词】六足机器人;仿生;步态规划;固定步态

机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术[1]。轮式车辆在平地公路运输中有着无可替代的用途，在沙地和泥泞的地面履带车辆被广泛应用，足式步行机合适于山地和复杂多障碍地面的移动[2]。由于多足步行机器人足端点与地面的接触面积小的特点，使机器人能够在足端点可达工作范围内自由调整步行姿态，因而能灵活的选择机械腿的落脚点，能灵活的越过障碍物和小沟壑，使多足步行机器人具有很高的避障、越障能力[3]。

1.仿生行走原理

六足机器人作为一个系统，它的运动关节、机械足以及机身构成了机器人的整体，六条机械足与机身通过舵机相连，机械腿的布局是模仿昆虫腿部布局围绕机身形成不完全对称的圆形布局。

本文设计控制六足机器人躯干纵向长150mm，宽130mm，站立时高160mm，共有六条腿，每条腿由三个自由度实现躯干的灵活攀爬。第一个自由度，由驱动关节带动腿部转节前后摆动;第二个自由度，由驱动关节带动腿部股节上下摆动;第三个自由度，由驱动关节带动腿部胫节上下摆动。为了增加整个躯干的支撑稳定性，六条腿呈环绕式分布在躯干周围。舵机选用TR213型号，可以提供达13Kg·cm的扭矩。

2.步态规划和控制实现

2.1 步态规划

在自然界中，可以观察到很多种的步行动物中的行走步态。为了描述步态，我们将步行动物的腿部行走分为两种状态[3]，一种是支撑状态，是指肢体接触地面，支撑身体的状态;另一种是摆动状态，是指肢体离开地面，向前进方向摆动，动物的行走就是由每条腿的这两种状态交替进行完成的。

2.1.1 摆动状态

摆腿的第一个动作为L1抬起腿，转动一定角度向前进方向跨出一定步长S;当L1缓慢落下变为支撑腿时，L2（此时状态为支撑状态）向前进方向的反方向

移动步长为S的支撑推动动作。

2.1.2 支撑状态

当L1落下为支撑状态，L2暂时移动完S步长后仍然为支撑状态，此时两足均为支撑状态，这段重叠时间成为过渡时间，之后L2抬腿重复L1的行走过程，而L1则重复L2从支撑，推动机身前进到变为摆动腿的过程;摆动足和支撑足有一个共同支撑六足机器人的时间段，这就是步态中的过渡时间。

2.2 控制实现

关节的调试及步态的控制都直接影响着机器人运动时的灵活性与准确性，因此准确高效的控制关节运动也是实现步态控制的重要部分，甚至是核心部分。机器人主控芯片选用STM32F103ZET6，它基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式，其时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能。

考虑到机器人的舵机有18个，需要控制系统输出18路互相独立的PWM信号，而单个微处理器无法提供这么多路PWM输出。如果用IO引脚通过软件实现多路PWM输出，则导致算法复杂度上升，增加了编程的工作量，且会使每路舵机的转角范围受到限制，因此采用舵机控制器作为PWM发生器。而姿态传感器、光电码盘、电机驱动、蓝牙串口模块等也分配了相应的STM32的IO口和内部定时器等资源。

3.实验结果

3.1 直线行走

机器人的末端轨迹规划数据是以三足步态获得的，对机器人控制直线行走实验如图6所示。实验数据显示机器人前进100cm，耗时，平均速度，规划的速度为，实际速度比规划速度略小，这是由于地面较滑，且机器人的机械结构存在空隙，每步实际前进距离低于规划值所致。前进100cm后在横向的偏移小于5cm，说明其直线行走性能良好。

3.2 定点转弯

机器人的定点转弯同样属于固定步态。机器人每步转角的大小与规划值存在一定误差，这主要是由两方面的原因造成的，一是由于机械加工与装配的误差，关节存在回程空隙，使得腿部运动精度降低。二是标定时的零点与程序零点之间存在误差，导致实际运动情况与预期有误差，同时机械的空隙的存在也影响标定的精度。

4.结论

（1）针对已设计的六足仿生机器人的机械本体设计了控制系统，采用STM32实现了对“蜘蛛”机器人上18个舵机的并行控制。该控制系统构架为不同步态控制策略的实现提供了可靠的硬件基础。

（2）进行了机器人的固定步态行走实验，实验结果表明步态规划算法的有效性。

参考文献

[1]韩建海，赵书尚，张国跃，王宝增，基于PIC单片机的六足机器人制作[J].机器人技术与应用，2003，6：29-32.

[2]陈学东，孙翊，贾文川等.多足步行机器人运动规划与控制[M].武汉：华中科技大学出版社会，2006，6（第1版）：4-10.

[3]武磊.基于三自由度并联腿的仿生六足机器人的设计[D].工学硕士学位论文：燕山大学，2012，12.

[4]李文政.六足仿生机器人步态规划与控制系统研究[D].硕士学位论文：山东大学，2011.

[5]王新杰，李培根，陈学东等.四足步行机器人动力学模型及脚力分配的研究[J].华中科技大学学报：自然科学版，2005，33（12）：1221.