一種基于stm32控制的六足十八自由度的探險機器人的制作方法
【專利說明】
[0001]技術領域:機械制造、自動化裝備與五金設備領域。
【背景技術】
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[0002]由于復雜地形或危險作業(yè)環(huán)境下，對于施工人員和維修人員存在著很大的安全隱患，尤其在火災現(xiàn)場和核污染源地搶險作業(yè)的時，需要更高的技術和更精確度的測量數(shù)據(jù)。所以復雜地智能機器人的應用必不可少。

【發(fā)明內容】

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[0003]一種六足十八自由度的探險機器人，機器人主要應用仿生學，其機體主要有腹板I和腹板II以及六個大腿和六個小腿組成；六足分為三組，構成并排側鏈系統(tǒng)，足是整個系統(tǒng)的運動器官。機器人共有3對足，在前胸、中胸和后胸各有一對。大腿和小腿之間用舵機鏈接，每一個鏈接處設為一個基節(jié)。大腿節(jié)和機體腹部轉節(jié)緊密相連而實現(xiàn)緊湊和靈活的自由度需求。腿節(jié)是最長最粗的一節(jié)。行走是以三條腿為一組進行的，即一側的前、后足與另一側的中足為一組。這樣就形成了一個三角形支架結構，當這三條腿放在地面分別于舵機基準零度持平表示向后蹬的動作時，另外三條腿相應被驅動基節(jié)于30度，即抬起向前準備替換。前足用爪固定物體后拉動機體向前，中足用來支持并舉起所屬一側的身體，后足則推動蟲體前進，同時使機體轉向。這種行走方式使機體可以隨時隨地停息下來，因為重心總是落在三角支架之內。能夠在復雜地形保持穩(wěn)態(tài)而使中心平穩(wěn)。
[0004]六足機器人控制板可以分為電源模塊、步進電機驅動電路模塊、通訊模塊和MP3模塊，同時六組機器人還搭載攝像頭模塊。電源模塊分為兩部分，分別為步進電機供電電源和控制板供電電源，一點接地，采用兩個電源可以有效的減小電機對控制板上芯片的干擾；步進電機驅動電路模塊主要由PS0C最小系統(tǒng)板組成；通訊模塊包括藍牙模塊和路由器模塊。
[0005]方案一、供電系統(tǒng)
[0006]系統(tǒng)采用兩個7.6V的大容量電池供電，通過電源芯片轉換為所需的電源。其中，電池為TPS5430供電，TPS5430是D⑶C電源芯片，能提供3安培的電流輸出，可以滿足除步進電機以外其他部分的供電要求，PS0C芯片采用5伏供電，而藍牙模塊使用3.3伏供電，所以使用LM1117將5伏轉為3.3伏。而19路步進電機的供電則相對麻煩，舵機在啟動瞬間的啟動電流可達7A，普通的穩(wěn)壓源無法滿足要求，因此采用購買的電源模塊，該模塊能夠提供8安培的持續(xù)電流，滿足電機的供電要求。
[0007]控制電路和舵機的供電也可以由一塊鋰電池，通過開關可以選擇控制電路的供電來源。
[0008]方案二、PS0C最小系統(tǒng)板電路
[0009]方案三、步進電機驅動電路
[0010]步進電機控制電路以PS0C最小板為核心，利用PS0C可編程的優(yōu)點，在PS0CCreator中調用PWM、Timer模塊，對個模塊進行配置，由于有19路步進電機，所以使用10個PWM模塊，每個模塊對應兩個步進電機，能夠很方便的對步進電機進行控制。
[0011]方案四、通信模塊
[0012]通信模塊主要是藍牙和路由器模塊，主要用于和控制板進行通信，接受控制板的控制指令，構建一個局域網(wǎng)，實現(xiàn)將攝像頭采集的信息發(fā)送到電腦終端，另一方面利用局域網(wǎng)實現(xiàn)android設備對六足機器人的控制，實現(xiàn)控制的多樣化。
[0013]MP3模塊主要用于實現(xiàn)六足機器人的語音應答功能，在語音控制模式下實現(xiàn)六足機器人與控制者的互動，同時具備娛樂，播放音樂等功能。Mp3電路圖主要有機部分組成:電源管理，STM32芯片，LD3320語音芯片和SD卡，其中SD卡存放音樂文件，LD3320實現(xiàn)音樂的播放。
[0014]方案六、步態(tài)分析
[0015]六足機器人共有8種步態(tài):前進、后退、左轉、右轉、左移、右移、站立和休息狀態(tài)。步態(tài)需要18個舵機之間進行相互配合才可以完成，為使容易擴展步態(tài)，此處采用了狀態(tài)點數(shù)組的方式，所謂狀態(tài)點數(shù)組的方式是指將每一個步態(tài)分割成幾個獨立的具有先后順序的狀態(tài)點，然后記錄每個狀態(tài)點的每個舵機的舵角值，然后存為數(shù)組，那么要完成一種步態(tài)就只需要按照數(shù)組的數(shù)據(jù)依次將每一舵機轉至特定的狀態(tài)點即可。六足機器人的步態(tài)數(shù)組由電腦客戶端程序調試得到。
[0016]站立和修狀態(tài)只有一種狀態(tài)，因此數(shù)組較為簡單，但是”前進“、”后退“等動作由多個狀態(tài)點組成，因此數(shù)組為多維數(shù)組。
[0017]狀態(tài)點數(shù)組的方式的優(yōu)點就是容易進行步態(tài)的擴展，當需要一種新的步態(tài)時則只需要增加新的狀態(tài)點數(shù)組即可，而不需要復雜的數(shù)學計算，但是其缺點也很明顯，那就是步態(tài)的適用性差，當硬件發(fā)生變化時，步態(tài)數(shù)組就不準確，需要重新調整。
[0018]本專利的核心內容:
[0019]一種基于STM控制的六足十八自由度的探險機器人，設置機器人機體下腹板機構，上腹板結構，I組側足左前轉向基節(jié)分別和機體下腹板和上腹板鏈接，I組左中轉向基節(jié)分別和機體下腹板和上腹板鏈接，I組左后轉向基節(jié)分別和機體下腹板和上腹板鏈接，設置左前大腿和左前基節(jié)項鏈接，左中大腿和左中轉向基節(jié)項鏈接，左后大腿和左后轉向基節(jié)相連接，設置左如小腿和左肖U大腿基節(jié)相鏈，左中小腿和左中大腿基相鏈接，左后小腿和左后大腿基節(jié)相連接；至此I組左側的側向活動關節(jié)系統(tǒng)的結構設計完成組右前轉向基節(jié)分別和機體下腹板和上腹板鏈接，I組右中轉向基節(jié)分別和機體下腹板和上腹板鏈接，II組右后轉向基節(jié)分別和機體下腹板和上腹板鏈接，設置右前大腿和右前轉向基節(jié)項鏈接，右中大腿和右中轉向基節(jié)項鏈接，右后大腿和右后轉向基節(jié)相連接，設置右前小腿和右如大腿基節(jié)相鏈，右中小腿和右中大腿基相鏈接，右后小腿和右后大腿基節(jié)相連接；至此II組右側的側向活動關節(jié)系統(tǒng)的結構設計完成；其中左側I組小腿基節(jié)、左前小腿基節(jié)1、左中小腿基節(jié)1、左后小腿基節(jié)分別和小腿、左前足小腿1、左中足小腿1、左后足小腿I相鏈接，右側II組小腿基節(jié)、右前小腿基節(jié)I1、右中小腿基節(jié)I1、右后小腿基節(jié)II分別和右側小腿、右前足小腿I1、右中足小腿I1、右后足小腿II相鏈接。
[0020]一種基于STM控制的六足十八自由度的探險機器人，開啟供電系統(tǒng)，為六足機器人提供動力源，下面詳細分解其動作的實現(xiàn)過程，前進動作時，右側II組系統(tǒng)的右前大腿基節(jié)，右后大腿基節(jié)，以及左側系統(tǒng)的左中大腿基節(jié)分別驅動度，右側II組系統(tǒng)的右前轉向基節(jié)，右后轉向基節(jié)，以及左側系統(tǒng)的左中轉向基節(jié)分別前移位度，右側系統(tǒng)的右前大腿基節(jié)，右后大腿基節(jié)，以及左側系統(tǒng)的左中大腿基節(jié)移位30度,右側系統(tǒng)的右中大腿基節(jié)，左側系統(tǒng)的左如大腿基節(jié)，以及左后大腿基節(jié)分別啟動抬起度，右側系統(tǒng)的右中轉向基節(jié)，左側系統(tǒng)的左前轉向基節(jié)，以及左后轉向基節(jié)分別前移度，同時右側II組系統(tǒng)的右前大腿基節(jié)，右后大腿基節(jié)，以及左側系統(tǒng)的左中大腿基節(jié)分別歸位即為移動-度，右側系統(tǒng)的右中大腿基節(jié)，左側系統(tǒng)的左前大腿基節(jié)，以及左后足大腿基節(jié)分別放下即為移動30度；右側II組系統(tǒng)的右前大腿基節(jié)，右后大腿基節(jié)，以及左側系統(tǒng)的左中大腿基節(jié)分別再次抬起度，右側II組系統(tǒng)的右前轉向基節(jié)，右后轉向基節(jié)，以及左側系統(tǒng)的左中轉向基節(jié)分別前移動度，同時右側系統(tǒng)的右中大腿基節(jié)，左側系統(tǒng)的左前大腿基節(jié)以及左后大腿基節(jié)分別歸位；后退動作，左移動作，右移動作，左轉動作，右轉動作，在前進動作的基礎上改變十八自由度的分步驟動作即可實現(xiàn)六足機器人的自由行使。
[0021]一種六足十八自由度的探險機器人，機器人越障物理結構，包括轉向子系統(tǒng)和擺腿子系統(tǒng)兩部分。擺腿長度為240_，因此，當十八自由度的六足機器人所裝備的超聲傳感器檢測到障礙物高度低于300_時，控制系統(tǒng)控制擺腿與機體協(xié)調動作，越過障礙物。當檢測到障礙物高度高于300_時，控制系統(tǒng)控制轉向系統(tǒng)運動，實現(xiàn)機器人轉向功能規(guī)避障礙物。調傾系統(tǒng)機器人的調傾系統(tǒng)是整體移動機器人設計的關鍵之一，其作用即是當機器人的穩(wěn)定性處于較低的水平時，調整調傾機體位置，提升機器人整體穩(wěn)定性。機器人的穩(wěn)定性主要取決于機器人的質心位置和質心所受力和力矩，其中，機器人的質心位置起主要作用，此調傾系統(tǒng)便是通過調整質心位置來提高機器人整體穩(wěn)定性。其調傾系統(tǒng)包括機體內部的重力傳感器，調傾電機及調傾控制子系統(tǒng)。通過傳感器測量的信息，STM32運算得到機器人此刻穩(wěn)定裕度，若穩(wěn)定裕度較低，便以一定的控制算法控制調傾電機調整擺箱位姿，提升其穩(wěn)定性，使其可以通過一些難度較大的障礙。移動機器人在運動過程中有三種運動規(guī)劃即正常行進規(guī)劃、越障規(guī)劃和避障規(guī)劃，根據(jù)遇到的不同地形選擇不同的運動規(guī)劃。在機器人處于平坦路面行駛狀態(tài)下，機器人六足按照三足步態(tài)行使，三條腿放在地面分別于舵機基準零度持平，表示向后蹬的動作時，另外三條腿相應被驅動基節(jié)于30度，即抬起向前準備替換。前足用爪固定物體后拉動機體向前，中足用來支持并舉起所屬一側的身體，后足則推動蟲體前進，同時使機體轉向即大腿腿與機器人腹板法平面夾角為30度此時擺腿電機不供電，且電機輸出軸抱死。在機器人在行進期間，常見的障礙大致可以歸為凸臺，壕溝與斜坡三種。當機器人遇到的凸臺高度低于100mm即車輪半徑時不作姿態(tài)調整，即可直接通過。而所遇到壕溝深度低于100mm或壕溝寬度小于600mm即正常行駛時著地輪之