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【摘要】基于仿生原理，制作可无线遥控的六足机器人，采用32路舵机控制板、高扭矩舵机MG995实现了关节运动控制；采用PS2无线手柄实现对机器人的无线遥控。实验表明，该六足机器人能在无线遥控下实现直线行走或定点转弯运动，且动作具有较好的协同性。
【关键词】六足机器人 舵机 无线遥控
多足机器人是借鉴昆虫的肢体结构与运动规律而设计，相比传统的轮式、履带式机器人，它具有跨越较大障碍、行走平稳、复杂地形条件下行进速度快且能耗低等运动特性[1]。因此，它对非结构环境的适应性更强，可替代人类完成很多危险的作业，应用前景广泛。
1 控制方案
1.1机械结构
本文设计的六足机器人躯干纵向长214mm，宽200mm，站立时高110mm，样机是以身体纵向中心线为对称的近似八边形外形，六条腿均匀分布身体两侧，每条腿都有三个关节，共有18个关节，所有关节依靠伺服舵机驱动，由18个舵机实现六足机器人的运动。机器人每条腿有三个自由度，前两个自由度的转动轴线相互垂直，后两个自由度的转动轴线相互平行，分别由三个独立的舵机驱动。后两个自由度采用四连杆方式传动。为增加支撑的稳定性，六个足端呈椭圆形分布。对于每条腿，按照由躯干到足端的顺序包括了三个自由度的传动方式。
1.2 步态规划
采用三角步态方式实现六足机器人行走，向前运动时，左中足、右前足、右后足为一组足保持支撑地面，右中足、左前足、左后足为二组足抬起向前迈步，然后变为二组支撑地面，一组足做迈步动作，如此循环交替实现向前运动。转弯运动有两种方式，一种为自转，一种为公转。自转为一组足保持支撑地面，二组足抬起向一个方向旋转一定角度后落下支撑地面，然后抬起一组足同方向旋转，如此交替实现自转。公转方式与前进方式大体相同，只是左右两侧足迈步的距离不同[2]。
2. 电气控制系统
电气控制系统包括舵机及其驱动电路、无线遥控电路、供电电路等部分。其中舵机及其控制电路是控制系统的核心，是影响机器人整体性能的重要因素。
2.1 舵机及其控制电路
应用于六足仿生机器人的微型伺服电机要求具有体积小、重量轻、扭力大的特点，选用 TowerPro-MG995微型伺服电机作为机器人的关节驱动元件。微型伺服电机的驱动电路需要输出18路相互独立的PWM信号，且信号电流足够驱动18个伺服电机，驱动信号稳定，以便伺服电机能够正常工作不产生抖动，且结构紧凑，体积小，物理性能稳定。考虑到单个微处理器无法提供这么多路PWM输出，如果用I/O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32路舵机控制器，通过与主控制器的通信来实现对伺服电机的高效控制。这种控制方式的优点是，可以方便的实现多个伺服电机的协调优化控制，较为轻松的达到多个伺服电机的同时启停的控制。使程序的规模有相当大的精简，以往需要几十行的或者更多的程序，通常短短的几个控制字符就可以轻易的实现， 并且控制精度也有相当的提高， 程序设计者可以把丰富的精力用来研究机器人的动作规划。
2.2 无线遥控的实现
采用PS2无线手柄实现六足机器人的无线遥控。PS2无线手柄与控制器的接口包括同步时钟信号CLOCK、一对方向相反的串行数据DATA和COMMAND、手柄触发信号ATT、应答信号ACK。手柄是以串行方式和控制器进行通信，通信时钟由CLOCK提供，通信都是8 位串行数据最低有效位先行，PS2手柄总线的所有时码在时钟下降沿都是同步的，数据线的逻辑电平在时钟下降沿驱动下触发改变，数据的接收读取在时钟前沿到电平变化之前完成，在被选手柄接收每个COMMAND信号之后，手柄需拉低ACK电平在最后一个时钟 [3]。
2.3 电源设计
电源部分负责给机器人控制系统的硬件和舵机供电，在舵机驱动过程中为了避免电流波动影响机器人运动稳定性，将舵机驱动和控制系统分开供电。考虑到MG995每个工作电流100mA，18个电机工作电流1.8A，采用锂电池组供电。但是标称6V镍氢电池组实际充满会在7v左右，而模型用的标称7.4v的锂离子电池组充满会在8.4v左右，因此使用大功率整流桥D25XB80，降压到6V左右供机器人使用。
3 调试与实验
在32路舵机控制器软件中调试每一个舵机驱动信号参数实现速度与角度的控制，生成前进、后退、左转、右转等动作指令代码，并设置好PS2手柄按键所需执行的动作组编号。实验表明，借助PS2手柄能无线遥控六足机器人完成前进、后退、左行、右行、左转、右转等动作，同时还能实现加速、减速、越过一定高度障碍物等功能。六足机器人实物图如图1所示。
4 结语
本文对无线遥控的六足机器人进行机械结构设计与制作，利用32路舵机控制板、高扭矩舵机MG995实现了关节运动控制；采用PS2无线手柄实现对机器人的无线遥控。无线遥控机器人在地面稳定行进，实现指定动作，且动作具有较好的协同性。
【参考文献】
[1]伍立春，王茂森等.基于STM32的六足机器人控制系统设计[J].机械制作与自动化，2014（5）：150-161.
[2]庄严，宋鸣等.基于51 单片机的六足机器人控制系统设计与制作[J].价值工程，2013（30）：51-53.
[3]余俊杰，PSX游戏手柄红灯模式接口协议研究[J].企业技术开发（下半月），2015（8）：77-78.
基金项目：2014年浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划（2014R450010）
【关键词】六足机器人 舵机 无线遥控
多足机器人是借鉴昆虫的肢体结构与运动规律而设计，相比传统的轮式、履带式机器人，它具有跨越较大障碍、行走平稳、复杂地形条件下行进速度快且能耗低等运动特性[1]。因此，它对非结构环境的适应性更强，可替代人类完成很多危险的作业，应用前景广泛。
1 控制方案
1.1机械结构
本文设计的六足机器人躯干纵向长214mm，宽200mm，站立时高110mm，样机是以身体纵向中心线为对称的近似八边形外形，六条腿均匀分布身体两侧，每条腿都有三个关节，共有18个关节，所有关节依靠伺服舵机驱动，由18个舵机实现六足机器人的运动。机器人每条腿有三个自由度，前两个自由度的转动轴线相互垂直，后两个自由度的转动轴线相互平行，分别由三个独立的舵机驱动。后两个自由度采用四连杆方式传动。为增加支撑的稳定性，六个足端呈椭圆形分布。对于每条腿，按照由躯干到足端的顺序包括了三个自由度的传动方式。
1.2 步态规划
采用三角步态方式实现六足机器人行走，向前运动时，左中足、右前足、右后足为一组足保持支撑地面，右中足、左前足、左后足为二组足抬起向前迈步，然后变为二组支撑地面，一组足做迈步动作，如此循环交替实现向前运动。转弯运动有两种方式，一种为自转，一种为公转。自转为一组足保持支撑地面，二组足抬起向一个方向旋转一定角度后落下支撑地面，然后抬起一组足同方向旋转，如此交替实现自转。公转方式与前进方式大体相同，只是左右两侧足迈步的距离不同[2]。
2. 电气控制系统
电气控制系统包括舵机及其驱动电路、无线遥控电路、供电电路等部分。其中舵机及其控制电路是控制系统的核心，是影响机器人整体性能的重要因素。
2.1 舵机及其控制电路
应用于六足仿生机器人的微型伺服电机要求具有体积小、重量轻、扭力大的特点，选用 TowerPro-MG995微型伺服电机作为机器人的关节驱动元件。微型伺服电机的驱动电路需要输出18路相互独立的PWM信号，且信号电流足够驱动18个伺服电机，驱动信号稳定，以便伺服电机能够正常工作不产生抖动，且结构紧凑，体积小，物理性能稳定。考虑到单个微处理器无法提供这么多路PWM输出，如果用I/O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32路舵机控制器，通过与主控制器的通信来实现对伺服电机的高效控制。这种控制方式的优点是，可以方便的实现多个伺服电机的协调优化控制，较为轻松的达到多个伺服电机的同时启停的控制。使程序的规模有相当大的精简，以往需要几十行的或者更多的程序，通常短短的几个控制字符就可以轻易的实现， 并且控制精度也有相当的提高， 程序设计者可以把丰富的精力用来研究机器人的动作规划。
2.2 无线遥控的实现
采用PS2无线手柄实现六足机器人的无线遥控。PS2无线手柄与控制器的接口包括同步时钟信号CLOCK、一对方向相反的串行数据DATA和COMMAND、手柄触发信号ATT、应答信号ACK。手柄是以串行方式和控制器进行通信，通信时钟由CLOCK提供，通信都是8 位串行数据最低有效位先行，PS2手柄总线的所有时码在时钟下降沿都是同步的，数据线的逻辑电平在时钟下降沿驱动下触发改变，数据的接收读取在时钟前沿到电平变化之前完成，在被选手柄接收每个COMMAND信号之后，手柄需拉低ACK电平在最后一个时钟 [3]。
2.3 电源设计
电源部分负责给机器人控制系统的硬件和舵机供电，在舵机驱动过程中为了避免电流波动影响机器人运动稳定性，将舵机驱动和控制系统分开供电。考虑到MG995每个工作电流100mA，18个电机工作电流1.8A，采用锂电池组供电。但是标称6V镍氢电池组实际充满会在7v左右，而模型用的标称7.4v的锂离子电池组充满会在8.4v左右，因此使用大功率整流桥D25XB80，降压到6V左右供机器人使用。
3 调试与实验
在32路舵机控制器软件中调试每一个舵机驱动信号参数实现速度与角度的控制，生成前进、后退、左转、右转等动作指令代码，并设置好PS2手柄按键所需执行的动作组编号。实验表明，借助PS2手柄能无线遥控六足机器人完成前进、后退、左行、右行、左转、右转等动作，同时还能实现加速、减速、越过一定高度障碍物等功能。六足机器人实物图如图1所示。
4 结语
本文对无线遥控的六足机器人进行机械结构设计与制作，利用32路舵机控制板、高扭矩舵机MG995实现了关节运动控制；采用PS2无线手柄实现对机器人的无线遥控。无线遥控机器人在地面稳定行进，实现指定动作，且动作具有较好的协同性。
【参考文献】
[1]伍立春，王茂森等.基于STM32的六足机器人控制系统设计[J].机械制作与自动化，2014（5）：150-161.
[2]庄严，宋鸣等.基于51 单片机的六足机器人控制系统设计与制作[J].价值工程，2013（30）：51-53.
[3]余俊杰，PSX游戏手柄红灯模式接口协议研究[J].企业技术开发（下半月），2015（8）：77-78.
基金项目：2014年浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划（2014R450010）