西北民族大学 洪淼淼 蔡 宁



四足仿生机器人的研究与设计

西北民族大学 洪淼淼 蔡 宁

【摘要】基于仿生学原理，以STC公司生产的IAP15F2K61S2芯片作为主控制芯片，舵机作为驱动元件，使用 keil 编写程序后下载到主控制板对其控制，设计出机构灵活的四足机器人，能帮助人类从事各方面的工作，使生活趋于自动化。

【关键词】机器人；舵机控制；自动化

本文受国家自然科学基金资助（项目编号：61263002）。

1　设计理念

移动式机器人技术是当今时代机器人研究领域中一个较为热门的话题。常见的移动机器人有双足，四足和六足，其都有自己的特点和适用范围，各有各的优势与缺点。双足机器人的肢体结构相对于四机器人，其稳定性不好，动态特性差、负载能力低、地形适应性差，适用范围较狭隘；对于六足机器人而言，其稳定性虽好，但其足数较多，不便于控制。四足机器人的研究最具有使用性和广泛性。

本文根据观察四足爬行动物的爬行姿态，采用平面杆并联运动机构的爬行原理，并且基于仿生学基础之上设计了四足爬行机器人的主体结构，最终实现了与传统意义上的机器人不同的四足机器人。所设计出的四足仿生机器人，体积大小合适，又采用合适的材料使其质量轻便，适合于搬运的主体，并能轻松完成其他工作。结合自动化专业所学的知识：电力电子技术、自动化控制原理、传感器等多个学科知识的综合运用，并做一些其他方面欠缺的准备工作之后，最终设计出来一套结构完善的仿生肢体，此外还完成了行走程序及其它基本功能。

2　四足机器人的结构组成

2.1电源模块

AMS1117是一个正向低压降稳压器，在1A的电流输入情况下电压降低1.2V。它有固定输出和可调两个版本，输出的电压精度比较高。并且AMS1117的内部有继承过热保护电路和限流电路，电路系统比较完善，适合电池供电。工作结温范围是-40度至125度，适用的范围广泛。但是它所能够提供的电流比较小，且在大电流工作状态下易发热。这是它的弊端所在，因此我们不能将此系列的稳压器作为我们的选择。

于是我们决定使用额定电压为7.4V的可充电电源作为供电电源。通过7805稳压芯片电路稳出5V电源，为主控提供可靠的供电电源，确保主控能进行正常稳定的工作。但是由于舵机对电压电流要求较高，因此我们用7.4V电池经过滤波处理后给舵机供电，以保证舵机正常可靠的工作。

2.2控制模块

平常使用较为广泛的51单片机，指令简单，编写程序容易，也便于理解，并且此类单片机的外围电路简单，所以在硬件设计时也比较轻松。然而本系统的程序量较大，需要的I/O口资源较多，需要输出四路PWM波控制电调转动，并且其运算能力较低，速度较慢，功能相对单一，难以实现较复杂的任务要求。

采用IAP15F2K61S2芯片作为主控芯片。IAP15F2K61S2是STC公司生产的最新、最先进的一款增强型单片机，它有使用方便，易于控制等优点，适合用来作为四足仿生机器人的控制器。

3　系统方案设计

3.1机器人的机身

四足仿生机器人的机身如图1所示，我们采用PVC材料为主体，搭配一定量的铝合金材料作为相关部位的连接器件，使其有更高的耐压强度，同时尽量减少其本身的重量，使其更稳定。

图1　机器人整体布局

3.2机器人肢体

机器人的肢体机构设计要求结构不能过于复杂，结构复杂的杆件较多的腿部机构会是动力传递实现的复杂度提高，并且机器人在爬行的过程中腿部部件会交替的运动，会造成运动不灵活。所以在腿部的设计过程中就要求具有负载的情况下有能够适应整个机身重量的刚度和一定的负载能力。

该机器人有四个足，每个足安装了3个舵机，这样每个足就有了3个关节，以实现机器人的前进、后退、左转、右转等方向的行走功能。我们采用数字舵机作为关节，数字舵机具有易于控制，大力距等优点，被广泛应用于机器人、工业控制等方面。如下图所示在行走过程中舵机0左右转动，舵机1和舵机2上下转动，以保证机器人在迈步的过程中，迈步的那只脚不至于触地。这12个舵机的协调运作，让机器人的行走变得更灵活。

图2　机器人肢体运动方向

3.3机器人程序的整体设计

在程序设计方面，我们用C语言进程编程。C语言在当今是一种受到大家广泛喜爱的程序设计语言，它的程序结构规整，可读性强；并且有34种运算符，所以其语言表达灵活，我们仅仅使用平常人的思维即可进行编写程序，只要不违反其编程规则，就能顺利通过编译，便可实现我们想要控制的目的。

程序编写完成，烧录给主控芯片后，当我们人为的按下机器人的开始按钮，程序进入机器人初始化状态，接着MCU控制步态时序，通过串口通信给CDS5516舵机发送动作指令，舵机接收到指令后进行动作的完成，从而达到机器人前进、后退、左转、右转等功能。

4　系统的实现与测试

经过长时间的研究，设计出较为完善的四足仿生机器人，该机器人有四个足，每个足安装了3个舵机，这样每个足就有了3个关节，以实现机器人的前进、后退、左转、右转等方向的行走功能。我们采用数字舵机作为关节，数字舵机具有易于控制，大扭距等优点，被广泛应用于机器人、工业控制等方面。在行走过程中有舵机左右转动，也有舵机上下转动，以保证机器人在迈步的过程中，迈步的那只脚不至于触地。这12个舵机的协调运作，让机器人的行走变得更灵活、更平稳、更加自然。

此外，使用额定电压为7.4V的可充电电源作为供电电源。通过7805稳压芯片电路稳出5V电源，为主控提供可靠的供电电源，确保主控能正常稳定的工作。由于舵机对电压电流要求较高，因此用7.4V电池经过滤波处理后给舵机供电，舵机可以正常可靠的工作。

5　应用与展望

机器人在人类的生产生活中占据着一席之地。自从第一台机器人诞生以来，机器人正在迅速的发展，并且广泛的运用到军事、工业生产和生活中：在军事方面有排爆、运输机器人；在工业方面有焊接、喷漆机器人；在生活方面有扫地机器人等。使用机器人代替人类的工作有以下三个优势：第一,人类的某些工作可以由机器人直接代替完成任务，这将直接减少了人力劳动；第二，人类持续不休息的工作将会有身体各方面的疲劳感，造成工作效率下降，甚至会发生不可预料的事故；第三,某些工作领域是只靠人类是完成不了任务的。因此，使用机器人代替人类工作可以有效地提高生产效率，使工作生产有秩序的进行。

在科技发达的今天，机器人可以应用各个行业，使生产自动化，办公自动化更加普遍化，实现“机器人换人工”、“自动换机械”、“成套换单台”、等方式，研究和推广先进的机器人与自动化生产技术，为生产企业解决招工难、用工成本高、产品质量不稳定等问题，为其提供个性化的“机器人应用”整体解决方案、机器人自动化设备改造、自动化成套设备开发设计制造、软硬件系统集成及智能制造装备的操作、维护与管理等。

在未来的一段时间内，通过进一步的设计，四足仿生机器人将有美好的发展前景，如能够帮助人们打理生活，做一些简单的家务活；在大型灾难后，能进入人们所不能进入不了的废墟中，用红外线扫描废墟中的景象，把信息传送给在外面的搜救人员等。发展前景较为广阔。

参考文献

[1]许轶群,万隆君.四足机器人腿机构及其稳定性步态控制[J].机械科学与技术,2003,22(1):86-91.

[2]陈学东,郭鸿勋,渡边桂吾.四足机器人爬行步态的正运动学分析[J].机械工程学报,2003,39(2):8-12.

[3]王鹏飞.四足机器人稳定行走规划及控制技术研究[D].哈尔滨工业大学博士学位论文,2007:1-2.

[4]王新杰.多足步行机器人运动及力规划研究[D].华中科技大学博士学位论文,2005.