仿生四足机器人嵌入式控制系统设计与实验分析.pdf

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1、第14卷第23期2014年8月科学技术与工程Vo1．14No．23Aug．2014l671～1815(2014)23-0087—05ScienceTechnologyandEngineering⑥2014Sci．Tech．Engrg．仿生四足机器人嵌入式控制系统设计与实验分析李锦方王鹏俞志伟戴振东(南京机电液压工程研究中心，南京210002，南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，自动化学院，南京210016)摘要仿生设计一款小型的单腿具有四自由度的仿生四足机器人，开展机器人运动学正逆解分析。基于ARMCortex—M3内核的嵌入式芯片建立了机器人控制系统。该控制系

2、统以半双工串口通讯方式向各个关节数字舵机发送步态数据包，控制舵机转动角度值，从而精确地控制四足机器人的稳定协调运动。实验结果表明：机器人在行走过程中机身的横滚角、俯仰角、偏航角(RPY角)变化较小，运动较为平稳，验证了机器人运动学正逆解准确性；以及所设计的嵌入武控制系统能较为精确地控制四足机器人运动，实现稳定的四足行走。该小型的嵌入式控制系统具有运算处理速度快、外设可扩展性和存储能力强的优点，满足仿生四足机器人智能算法、低功耗运动要求。关键词仿生四足机器人ARMCortex—M3嵌入式控制系统中图法分类号TP242；文献标志码A机器人作为一门快速发展的科学技术，涉及到

3、退、原地拐弯运动；同时还要采集和处理红外距离传仿生学、机械、电子以及控制等多个学科，是2O世纪感器、姿态传感器、温度传感器、超声波测距传感器以来人类最重要的成就之一。移动机器人是一类特等信息，实时反馈传感器数据用于控制机身的平衡种机器人，可分为三种：车轮式移动机器人、履带式和步态切换，使其在非结构环境具有很好的适应和机器人和杆结构机器人¨。轮式或履带式车辆虽决策能力，这些需求增加了控制难度。因而只有设然运动速度快，但是地球上有近乎一半的地方它们计更轻便，更高的工作频率和更强的处理能力的控是无法涉足的，然而对于那些很普通的多足动物却制系统才能满足上述要求。具有高性能的A

4、RM可以在轮式或者履带式车辆到达不了的区域运动自Cortex—M332位的RISC内核的嵌入式芯片如，这一鲜明的对比充分的表明足式运动方式具有STM32FlO3VCT6，以其功耗低，工作频率可高达72其它地面推进方式所不具备的独特优越性能。仿生MHz，较大的Flash和高速存储器，以及丰富的接口，四足机器人在多足仿生机器人中最具特点和优越最大程度地满足小型仿生四足机器人运动控制系统性：双足机器人的承载能力和稳定性比四足的弱很的要求m。多，在结构上比六足、八足机器人更为简单，成本更基于该芯片设计仿生四足机器人控制系统硬件低，还能够实现在平坦的地面甚至是崎岖不平的道电路，

5、采用无线串口进行数据交换和四足机器人运路上高速稳定的行走。从灵活性、稳定性以及成本动控制的嵌入式程序编写，进行了仿真和实物实验，等诸多方面综合考虑，四足机器人具有非常明显的开展了四足机器人稳定行走运动实验。优势和深远的发展前景，因而仿生四足机器人领域1四足机器人结构与运动学分析成为国内外科研工作者关注和研究的重点J。常见的小型足式机器人的控制系统通常使用1．1四足机器人结构基于四足哺乳动物的结构和运动行为的研究分DSP系列控制器、AtmelAVR系列微控制器。析，考虑到动物运动的灵活性的特点，设计出具有多该仿生四足机器人由16个AX一12A数字舵机控制，又要保证仿生四

6、足机器人能够进行稳定的前进、后自由度的仿生四足机器人(如图1所示)。该机器人的四条腿两两对称分布，每条腿有4个关节，比传2o14年4月413收到国家973计划(2011CB302106)、统的四足机器人多一个足端的踝关节，每个关节都国家自然科学基金项目(51105201，60910007，51175249)、是用AX．12A数字舵机作为驱动装置，总体由l6个物联网与机器人技术合作项目(YBIN2011059)资助数字舵机驱动，实现多种步态运动；整个机器人机体通信作者简介：俞志伟。E—mail：yuzhiwei@nuaa．edu．el。具有空间6个自由度，可以有满足非结

7、构环境下的复杂运动要求。88科学技术与工程14卷‘Y0、yly0图1四足机器人三维模型图Fig．1Quadrupedrobotdimensionalmodeldiagram1．2单腿运动学分析该四足机器人腿部共有l6个自由度(每条腿有4个)，如图2所示为机器人的左前腿模型。1)经过计算可得四足机器人运动学正解如式(1)、式(2)所示，S代表sin，C代表COS。D『

8、F4R=r—s(卢+y+)一c(++)0]J—sc(卢+y+)ss(卢++)cl(1)图2四足机器人单腿运动学简化模型L—cc(卢++)cs(十+)一SO／JFig．2Singleleg