CN204137154U - 一种基于stm32控制的六足十八自由度的探险机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于STM32控制的六足十八自由度的探险机器人，其机体主要有腹板I和腹板II以及六个大腿和六个小腿组成，六足分为三组，构成并排侧链系统，在前胸、中胸和后胸各有一对，大腿和小腿之间用舵机链接，每一个链接处设为一个基节，腿节是最长最粗的一节，行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组，形成一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面分别于舵机基准零度持平向后蹬的动作时，另外三条腿相应被驱动基节位于30度，即抬起向前准备替换，前足用爪固定物体后拉动机体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使机体转向，这种行走方式使机体可以随时随地停息下来，能够在复杂地形保持稳态而使中心平稳。

Description

一种基于STM32控制的六足十八自由度的探险机器人

技术领域：机械制造、自动化装备与五金设备领域。

背景技术：

由于复杂地形或危险作业环境下，对于施工人员和维修人员存在着很大的安全隐患，尤其在火灾现场和核污染源地抢险作业的时，需要更高的技术和更精确度的测量数据。所以复杂地智能机器人的应用必不可少。

发明内容：

一种六足十八自由度的探险机器人，机器人主要应用仿生学，其机体主要有腹板I和腹板II以及六个大腿和六个小腿组成；六足分为三组，构成并排侧链系统，足是整个系统的运动器官。机器人共有3对足，在前胸、中胸和后胸各有一对。大腿和小腿之间用舵机链接，每一个链接处设为一个基节。大腿节和机体腹部转节紧密相连而实现紧凑和灵活的自由度需求。腿节是最长最粗的一节。行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面分别于舵机基准零度持平表示向后蹬的动作时，另外三条腿相应被驱动基节于30度，即抬起向前准备替换。前足用爪固定物体后拉动机体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使机体转向。这种行走方式使机体可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。能够在复杂地形保持稳态而使中心平稳。

六足机器人控制板可以分为电源模块、步进电机驱动电路模块、通讯模块和MP3模块，同时六组机器人还搭载摄像头模块。电源模块分为两部分，分别为步进电机供电电源和控制板供电电源，一点接地，采用两个电源可以有效的减小电机对控制板上芯片的干扰；步进电机驱动电路模块主要由PSOC最小系统板组成；通讯模块包括蓝牙模块和路由器模块。

方案一、供电系统

系统采用两个7.6V的大容量电池供电，通过电源芯片转换为所需的电源。其中，电池为TPS5430供电，TPS5430是DCDC电源芯片，能提供3安培的电流输出，可以满足除步进电机以外其他部分的供电要求，PSOC芯片采用5伏供电，而蓝牙模块使用3.3伏供电，所以使用LM1117将5伏转为3.3伏。而19路步进电机的供电则相对麻烦，舵机在启动瞬间的启动电流可达7A，普通的稳压源无法满足要求，因此采用购买的电源模块，该模块能够提供8安培的持续电流，满足电机的供电要求。

控制电路和舵机的供电也可以由一块锂电池，通过开关可以选择控制电路的供电来源。

方案二、PSOC最小系统板电路

方案三、步进电机驱动电路

步进电机控制电路以PSOC最小板为核心，利用PSOC可编程的优点，在PSOCCreator中调用PWM、Timer模块，对个模块进行配置，由于有19路步进电机，所以使用10个PWM模块，每个模块对应两个步进电机，能够很方便的对步进电机进行控制。

方案四、通信模块

通信模块主要是蓝牙和路由器模块，主要用于和控制板进行通信，接受控制板的控制指令，构建一个局域网，实现将摄像头采集的信息发送到电脑终端，另一方面利用局域网实现android设备对六足机器人的控制，实现控制的多样化。

MP3模块主要用于实现六足机器人的语音应答功能，在语音控制模式下实现六足机器人与控制者的互动，同时具备娱乐，播放音乐等功能。Mp3电路图主要有机部分组成：电源管理，STM32芯片，LD3320语音芯片和SD卡，其中SD卡存放音乐文件，LD3320实现音乐的播放。

方案六、步态分析

六足机器人共有8种步态：前进、后退、左转、右转、左移、右移、站立和休息状态。步态需要18个舵机之间进行相互配合才可以完成，为使容易扩展步态，此处采用了状态点数组的方式，所谓状态点数组的方式是指将每一个步态分割成几个独立的具有先后顺序的状态点，然后记录每个状态点的每个舵机的舵角值，然后存为数组，那么要完成一种步态就只需要按照数组的数据依次将每一舵机转至特定的状态点即可。六足机器人的步态数组由电脑客户端程序调试得到。

站立和修状态只有一种状态，因此数组较为简单，但是”前进“、”后退“等动作由多个状态点组成，因此数组为多维数组。

状态点数组的方式的优点就是容易进行步态的扩展，当需要一种新的步态时则只需要增加新的状态点数组即可，而不需要复杂的数学计算，但是其缺点也很明显，那就是步态的适用性差，当硬件发生变化时，步态数组就不准确，需要重新调整。

本专利的核心内容：

一种基于STM控制的六足十八自由度的探险机器人，设置机器人机体下腹板机构，上腹板结构，I组侧足左前转向基节分别和机体下腹板和上腹板链接，I组左中转向基节分别和机体下腹板和上腹板链接，I组左后转向基节分别和机体下腹板和上腹板链接，设置左前大腿和左前基节项链接，左中大腿和左中转向基节项链接，左后大腿和左后转向基节相连接，设置左前小腿和左前大腿基节相链，左中小腿和左中大腿基相链接，左后小腿和左后大腿基节相连接；至此I组左侧的侧向活动关节系统的结构设计完成；II组右前转向基节分别和机体下腹板和上腹板链接，I组右中转向基节分别和机体下腹板和上腹板链接，II组右后转向基节分别和机体下腹板和上腹板链接，设置右前大腿和右前转向基节项链接，右中大腿和右中转向基节项链接，右后大腿和右后转向基节相连接，设置右前小腿和右前大腿基节相链，右中小腿和右中大腿基相链接，右后小腿和右后大腿基节相连接；至此II组右侧的侧向活动关节系统的结构设计完成；其中左侧I组小腿基节、左前小腿基节I、左中小腿基节I、左后小腿基节分别和小腿、左前足小腿I、左中足小腿I、左后足小腿I相链接，右侧II组小腿基节、右前小腿基节II、右中小腿基节II、右后小腿基节II分别和右侧小腿、右前足小腿II、右中足小腿II、右后足小腿II相链接。

一种基于STM控制的六足十八自由度的探险机器人，开启供电系统，为六足机器人提供动力源，下面详细分解其动作的实现过程，前进动作时，右侧II组系统的右前大腿基节，右后大腿基节，以及左侧系统的左中大腿基节分别驱动度，右侧II组系统的右前转向基节，右后转向基节，以及左侧系统的左中转向基节分别前移位度，右侧系统的右前大腿基节，右后大腿基节，以及左侧系统的左中大腿基节移位30度，右侧系统的右中大腿基节，左侧系统的左前大腿基节，以及左后大腿基节分别启动抬起度，右侧系统的右中转向基节，左侧系统的左前转向基节，以及左后转向基节分别前移度，同时右侧II组系统的右前大腿基节，右后大腿基节，以及左侧系统的左中大腿基节分别归位即为移动-度，右侧系统的右中大腿基节，左侧系统的左前大腿基节，以及左后足大腿基节分别放下即为移动30度；右侧II组系统的右前大腿基节，右后大腿基节，以及左侧系统的左中大腿基节分别再次抬起度，右侧II组系统的右前转向基节，右后转向基节，以及左侧系统的左中转向基节分别前移动度，同时右侧系统的右中大腿基节，左侧系统的左前大腿基节以及左后大腿基节分别归位；后退动作，左移动作，右移动作，左转动作，右转动作，在前进动作的基础上改变十八自由度的分步骤动作即可实现六足机器人的自由行使。

一种六足十八自由度的探险机器人，机器人越障物理结构，包括转向子系统和摆腿子系统两部分。摆腿长度为240mm，因此，当十八自由度的六足机器人所装备的超声传感器检测到障碍物高度低于300mm时，控制系统控制摆腿与机体协调动作，越过障碍物。当检测到障碍物高度高于300mm时，控制系统控制转向系统运动，实现机器人转向功能规避障碍物。调倾系统机器人的调倾系统是整体移动机器人设计的关键之一，其作用即是当机器人的稳定性处于较低的水平时，调整调倾机体位置，提升机器人整体稳定性。机器人的稳定性主要取决于机器人的质心位置和质心所受力和力矩，其中，机器人的质心位置起主要作用，此调倾系统便是通过调整质心位置来提高机器人整体稳定性。其调倾系统包括机体内部的重力传感器，调倾电机及调倾控制子系统。通过传感器测量的信息，STM32运算得到机器人此刻稳定裕度，若稳定裕度较低，便以一定的控制算法控制调倾电机调整摆箱位姿，提升其稳定性，使其可以通过一些难度较大的障碍。移动机器人在运动过程中有三种运动规划即正常行进规划、越障规划和避障规划，根据遇到的不同地形选择不同的运动规划。在机器人处于平坦路面行驶状态下，机器人六足按照三足步态行使，三条腿放在地面分别于舵机基准零度持平，表示向后蹬的动作时，另外三条腿相应被驱动基节于30度，即抬起向前准备替换。前足用爪固定物体后拉动机体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使机体转向即大腿腿与机器人腹板法平面夹角为30度此时摆腿电机不供电，且电机输出轴抱死。在机器人在行进期间，常见的障碍大致可以归为凸台，壕沟与斜坡三种。当机器人遇到的凸台高度低于100mm即车轮半径时不作姿态调整，即可直接通过。而所遇到壕沟深度低于100mm或壕沟宽度小于600mm即正常行驶时着地轮之间距离时，也可以直接通过。当所遇斜坡低于一定坡度时也可以直接通过，此坡度的大小可以由摄像头内置的视觉传感器辨别。除此之外的情况下，机器人将采取越障规划或避障规划。如遇到高度为100-300mm的凸台时，机器人将通过姿态变化跨越凸台，而当凸台高度大于300mm时(机器人越障极限为300mm)，机器人将采取避障规划。机器人攀爬凸台的运动姿态规划总共有六步。首先机器人在障碍较远时，机器人处于初始状态，并以一定的速度匀速前进。第二步，当机器人距离障碍一定距离时，后摆腿逆时针转动，使后摆腿末端轮接触地面，然后后摆腿停止转动，输出轴抱死。若凸台高度高于前摆腿末端轮的底点，则前摆腿暂时不作摆动，机器人继续前进使前摆腿末端轮搭上凸台；若凸台高度低于前摆腿末端轮底点，则前摆腿将顺时针摆动，使前摆腿末端轮底点与凸台平齐，机器人继续前进使前摆腿末端轮搭上凸台。第三步，机器人前部驱动电机停止转动，前部车轮随动，然后前后摆腿分别以顺时针和逆时针的方向转动，抬升机器人车身，使机器人底盘平行于水平面。第四步，机器人前部驱动电机恢复转动，机器人以一定速度匀速前进，使机器人后摆腿始端轮爬上台阶。第五步，机器人继续以一定速度匀速前进，后摆腿顺时针摆动，当转动到与机器人底盘为60°时，后摆腿停止摆动，电机输出轴抱死。然后前摆腿以一定角速度逆时针转动，当转动到与机器人底盘为60°时，后摆腿停止摆动，电机输出轴抱死。

附图说明：

附图为本发明的结构图，其中分别为：1、左前足小腿I，2、左前足大腿I，3、左前小腿基节I，4、左中足小腿I，5、左中小腿基节I，6、左中大腿基节I，7、左中足大腿I，8、左中转向基节I，9、机体下腹板I，10、左后转向基节I，11、左后小腿基节I，12、左后足小腿I，13、左后足大腿I，14、左后大腿基节I，15、机体上腹板II，16、右后转向基节II，17、右后足小腿II，18、右后足大腿II，19、右后大腿基节II，20、右后小腿基节II，21、右中转向基节II，22、右中大腿基节II，23、右中足小腿II，24、右中足大腿II，25、右中小腿基节II，26、右前大腿基节II，27、右前足小腿II，28、右前足大腿II，29、右前小腿基节II，30、右前转向基节II，31、左前转向基节I，32、左前大腿基节I。

具体实施方式：

下面根据附图，说明一下本专利的实施方式。

设置机器人机体下腹板机构9，上腹板结构15，I组侧足左前转向基节31分别和机体下腹板9和上腹板15链接，I组左中转向基节8分别和机体下腹板9和上腹板15链接，I组左后转向基节10分别和机体下腹板9和上腹板15链接，设置左前大腿2和左前基节31项链接，左中大腿7和左中转向基节8项链接，左后大腿13和左后转向基节10相连接，设置左前小腿1和左前大腿基节32相链，左中小腿4和左中大腿基6相链接，左后小腿12和左后大腿基节14相连接。至此I组左侧的侧向活动关节系统的结构设计完成。

II组右前转向基节30分别和机体下腹板9和上腹板15链接，I组右中转向基节21分别和机体下腹板9和上腹板15链接，II组右后转向基节16分别和机体下腹板9和上腹板15链接，设置右前大腿28和右前转向基节30项链接，右中大腿11和右中转向基节21项链接，右后大腿18和右后转向基节16相连接，设置右前小腿27和右前大腿基节26相链，右中小腿23和右中大腿基22相链接，右后小腿17和右后大腿基节19相连接。至此II组右侧的侧向活动关节系统的结构设计完成。其中左侧I组小腿基节3、左前小腿基节I，5、左中小腿基节I，11、左后小腿基节分别和小腿、左前足小腿I，4、左中足小腿I，12、左后足小腿I相链接，右侧II组小腿基节29、右前小腿基节II，25、右中小腿基节II，20、右后小腿基节II分别和右侧小腿27、右前足小腿II23、右中足小腿II，17、右后足小腿II相链接。

工作过程：

开启供电系统，为六足机器人提供动力，下面详细分解其动作的实现过程，前进动作时，第一步右侧二组系统的右前大腿基节，右后大腿基节足，以及左侧系统的左中大腿基节分别驱动30动，第二步右侧二组系统的右前转动基节，右后转动基节，以及左侧系统的左中转动基节分别前移位30度，第三步右侧系统的右前大腿基节，右后大腿基节，以及左侧系统的左中大腿基节移位-30度，第四步右侧系统的右中大腿基节，左侧系统的左前大腿基节，以及左后大腿基节分别启动抬起30度，第五步右侧系统的右中转向基节，左侧系统的左前转向基节，以及左后转向基节别前移30度，同时右侧二组系统的右前大腿基节，右后大腿基节，以及左侧系统的左中大腿基节分别归位即为移动-30度，第六步右侧系统的右中大腿基节，左侧系统的左前大腿基节，以及左后足大腿基节分别放下即为移动-30度。第七部右侧二组系统的右前大腿基节，右后大腿基节，以及左侧系统的左中大腿基节分别再次抬起30度，第八步右侧二组系统的右前转向基节，右后转向基节，以及左侧系统的左中转向基节分别前移动30度，同时右侧系统的右中大腿基节，左侧系统的左前大腿基节以及左后大腿基节分别归位。后退动作，左移动作，右移动作，左转动作，右转动作，在前进动作的基础上改变十八自由度的分步骤动作即可实现六足机器人的自由行使。

Claims (2)

1.一种基于STM控制的六足十八自由度的探险机器人，其特征为：设置机器人机体下腹板机构，上腹板结构，I组侧足左前转向基节分别和机体下腹板和上腹板链接，I组左中转向基节分别和机体下腹板和上腹板链接，I组左后转向基节分别和机体下腹板和上腹板链接，设置左前大腿和左前基节项链接，左中大腿和左中转向基节项链接，左后大腿和左后转向基节相连接，设置左前小腿和左前大腿基节相链，左中小腿和左中大腿基相链接，左后小腿和左后大腿基节相连接；至此I组左侧的侧向活动关节系统的结构设计完成；II组右前转向基节分别和机体下腹板和上腹板链接，I组右中转向基节分别和机体下腹板和上腹板链接，II组右后转向基节分别和机体下腹板和上腹板链接，设置右前大腿和右前转向基节项链接，右中大腿和右中转向基节项链接，右后大腿和右后转向基节相连接，设置右前小腿和右前大腿基节相链，右中小腿和右中大腿基相链接，右后小腿和右后大腿基节相连接；至此II组右侧的侧向活动关节系统的结构设计完成；其中左侧I组小腿基节、左前小腿基节I、左中小腿基节I、左后小腿基节分别和小腿、左前足小腿I、左中足小腿I、左后足小腿I相链接，右侧II组小腿基节、右前小腿基节II、右中小腿基节II、右后小腿基节II分别和右侧小腿、右前足小腿II、右中足小腿II、右后足小腿II相链接。 

2.根据权利要求1所述的一种基于STM控制的六足十八自由度的探险机器人，其特征是：开启供电系统，为六足机器人提供动力源，下面详细分解其动作的实现过程，前进动作时，右侧II组系统的右前大腿基节，右后大腿基节，以及左侧系统的左中大腿基节分别驱动度，右侧II组系统的右前转向基节，右后转向基节，以及左侧系统的左中转向基节分别前移位度，右侧系统的右前大腿基节，右后大腿基节，以及左侧系统的左中大腿基节移位30度，右侧系统的右中大腿基节，左侧系统的左前大腿基节，以及左后大腿基节分别启动抬起度，右侧系统的右中转向基节，左侧系统的左前转向基节，以及左后转向基节分别前移度，同时右侧II组系统的右前大腿基节，右后大腿基节，以及左侧系统的左中大腿基节分别归位即为移动-度，右侧系统的右中大腿基节，左侧系统的左前大腿基节，以及左后足大腿基节分别放下即为移动30度；右侧II组系统的右前大腿基节，右后大腿基节，以及左侧系统的左中大腿基节分别再次抬起度，右侧II组系统的右前转向基节，右后转向基节，以及左侧系统的左中转向基节分别前移动度，同 时右侧系统的右中大腿基节，左侧系统的左前大腿基节以及左后大腿基节分别归位；后退动作，左移动作，右移动作，左转动作，右转动作，在前进动作的基础上改变十八自由度的分步骤动作即可实现六足机器人的自由行使。