基于STM32的全地形六足机器人系统设计.pdf
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1、第 13 期2023 年 7 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.13July,2023基金项目:2023 年江苏省大学生创造一般项目;项目编号:2022012Y。作者简介:何玉鑫(2002),男,安徽蚌埠人,本科生;研究方向:自动化。基于 STM32 的全地形六足机器人系统设计何玉鑫,王瀚翔,包世杰(南京航空航天大学金城学院,江苏 南京 211156)摘要:在全球气候复杂严峻,国际局势不稳的背景下,研究开发救援机器人具有重要意义。救援机器人可用于协助或代替救援人员执行任务,提高救援效率并避免不必要的人员伤亡。全地形机器人特别适用于自然灾害及恐怖袭击后在
2、复杂多变的环境中搜索和营救幸存者以及在军事侦察领域。文章选择基于仿生六足机器人为主要架构,构建基于 STM32 环境开发的全地形六足机器人。关键词:六足步态;机器人;仿生原理;侦察中图分类号:TP242 文献标志码:A0 引言 国内救援机器人研究相对晚起,但已有不少进展。重点研究包括蛇形机器人,凭借多关节、高灵活性适应各种地形;履带式机器人具备强大的机动性,适应复杂环境;轮式机器人速度快、稳定。然而,救援机器人仍存在:造价昂贵,控制复杂,搭载视觉探测系统和机械臂二次破坏等问题。未来研究应侧重于降低成本,简化控制系统,减小体积和重量,以适应复杂环境。1 总体设计方案 六足机器人母体平台系统设计,
3、如图 1 所示。本设计主要分为硬件和软件两大部分:硬件主要包括硬件结构设计和结构强度优化;软件部分主要包括仿生原理、六足步态算法、上位机检测和 App 控制。图 1 六足母体平台整体设计1.1 总体硬件结构 对于一个六足机器人搭建,至少需要以下 6 部分:18 个舵机、肢体结构、航模电池、18 路驱动控制板等。舵机控制板是机器人的中枢神经,负责协调动作;机器人主控则是大脑,负责处理外界信息、指挥;机器人扩展的传感器是感官系统,负责接收信息。为实现机器人智能化,需添加主控并添加各种传感器模块,形成机器人智能化框架。因此,在搭建六足机器人母体平台前,需先配好硬件。1.2 舵机方面 本系统采用数字舵
4、机驱动六足机器人,因为其需要精确的数据控制和信号收发。数字舵机由伺服电机和减速箱组成,拥有微处理器控制电路,可对信号进行预处理,提高控制精度。其伺服电机比直流电机更稳定且能产生固定的绝对角位移。MG90S 数字舵机是目前性价比最好的数字金属齿轮舵机,拉力仅次于 14 kg 标准舵机。考虑到舵机性能、六足机器人最大扭矩需求和性价比,本系统选择了 MG90S 数字舵机。1.3 全身机械结构 市场上机架结构材料主要有玻璃纤维、铝合金、工程塑料和碳纤维。玻璃纤维机架质量更轻,刚度更高,适合轻量化应用;铝合金成本低、轻量化,但强度不高;工程塑料轻量化,但对火和溶剂敏感,力学性能一般;碳纤维成本高,适合高
5、性能应用。因此,本次选材设计采用成本较低、性能较好的玻璃纤维方案,可以支撑六足机器人的机械足和底盘硬件。1.4 能源驱动方面 鉴于六足机器人需要使用 18 路舵机来控制姿态动作,因此在选择电源时,本系统选择使用两块 2 S 220 m 30C 规格的航模锂电池作为六足机器人母体的13第 13 期2023 年 7 月无线互联科技智能控制No.13July,2023能源供应,以确保可以提供足够的电压和电流带动六足机器人的 18 个 MG90S 舵机以及主控板。1.5 主控板方面 现主流 32 位单片机多采用 ARM Cortex 架构,具有高性能、低功耗、大内存和丰富外设等优点,可满足本次设计要求
6、。故本系统选用 STM32F103C8T6 单片机最小系统板,其具备足够算力、基本功能、小体积,以确保主控板能容纳其他部件。1.6 驱动扩展版 对于六足机器人来说,每条机械足需要 3 个舵机,六条机械足至少需要 18 个舵机。而选择的STM32F103C8T6 单片机最小系统板没有足够的 IO接口来满足至少 18 路舵机的控制,所以本系统选择24 路驱动扩展板。该舵机扩展版拥有足够的 IO 接口和拓展配置,以确保有足够的扩展接口驱动六足机器人母体平台。2 六足机器人软件设计2.1 六足机器人系统总体设计 六足机器人系统软件设计流程,如图 2 所示。在不同的外部环境中采集数据和外界参数,经过数据
7、的处理和分析,利用程序及三角步态算法、转向步态算法、波浪步态等算法,确保六足机器人在崎岖不平的道路中能够保持步态稳定并翻越障碍物,以获得在多种复杂环境中拥有较强的生存、越障能力。图 2 六足机器人系统软件设计流程2.2 仿生原理分析 本系统采用仿生式六足机器人,又称蜘蛛机器人,它是一种多足机器人。设计灵感来源于昆虫的运动原理,足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节等部分构成。昆虫的行走方式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,形成三角形支架结构。这种行走方式使昆虫具有很强的实用性和稳定性。本系统采用六个三自由度机械臂分别控制每条足,从而控制六足机器人的前进、后退、转向
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