【正文】 摘要本文詳細(xì)介紹了六腳爬蟲(chóng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制程序的編寫。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用了對(duì)稱式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；其行走功能由六只腳、18個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)，自由度較高，穩(wěn)定性、靈活性較好?？刂瞥绦虻闹黧w是C語(yǔ)言。包括基本步態(tài)的編寫，以及傳感器的在機(jī)器人上的高級(jí)應(yīng)用，這樣，機(jī)器人在滿足基本行走運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也能感知外界環(huán)境，并通過(guò)控制器對(duì)接收到的外界信號(hào)進(jìn)行處理，并控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。關(guān)鍵詞： 對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，舵機(jī)控制器，步態(tài)，傳感器Abstract The thesis describes in detail that the mechanic design of Hexcrawler and the piling of control program. The structure of the robot is in symmetric expression, a simple mechanism。 the function of walking is supported by six legs, and eighteen motors, with multiple degrees of freedom. Besides, it is of high stability and flexibility. The program to control the robot is written in C language, including basic gait, the advanced application of sensors. Thereby, the robot can walk in several gaits. At the same time, it can sense the condition around it. Then, it will process the data it received, and control the motion of the robot.Keywords: symmetric expression，PSCU, gait, sensor目錄摘要 IAbstract II目錄 III1 緒論 1 1 1 1 5 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹 6 功能需求與分析 6 材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹 6 3 舵機(jī)控制板原理與應(yīng)用 9 舵機(jī)原理介紹 9 舵機(jī)控制板原理介紹 10 如何使用舵機(jī)控制板 12 控制板程序編寫 14 4 STM32開(kāi)發(fā)板介紹與程序編寫 18 STM32F107芯片簡(jiǎn)介 18 軟件與編程初始準(zhǔn)備 18 GPIO與AFIO設(shè)置與應(yīng)用 18 GPIO設(shè)置與應(yīng)用…………………………………………………………………………………………..18 AFIOI/O口重映射…………………………………………………………………………………...22 USART設(shè)置與應(yīng)用 22 26 系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置與應(yīng)用 29 系統(tǒng)時(shí)鐘簡(jiǎn)介與應(yīng)用…………………………………………………………………………………..29 定時(shí)器配置……………………………………………………………………………………………………31 機(jī)器人行走步態(tài)程序編寫 32 機(jī)器人行走步態(tài)簡(jiǎn)介……………………………………………………………………………………33 三腳步態(tài)……………………………………………………………………………………………………….35 四腳步態(tài)………………………………………………………………………………………….……………37 單腳（波動(dòng)）步態(tài)……………………………………………………………………………………....38 轉(zhuǎn)彎與橫爬步態(tài)…………………………………………………………………………………………….40 多傳感器應(yīng)用與程序編寫 43 指南針傳感器……………………………………………………………………………………………….43 紅外、光敏傳感器……………………………………………………………………………………….45 柔性力傳感器……………………………………………………………………………………………….46 溫濕度、發(fā)聲、射頻識(shí)別（RFID）傳感器………………………………………………..48 無(wú)線（Zigbee）傳感器………………………………………………………………………………..49 超聲傳感器……………………………………………………………………………………………………525總結(jié) 55 致謝 56 參考文獻(xiàn) 57 60 / 641 緒論 本項(xiàng)目來(lái)源于華中科技大學(xué)與伍斯特理工學(xué)院合作的WPI項(xiàng)目。機(jī)器人是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物?，F(xiàn)在，機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)全新階段，各種機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，從簡(jiǎn)單地追求功能到神似，到個(gè)性化；從單單發(fā)展工業(yè)機(jī)器人到工業(yè)、家用機(jī)器人全面開(kāi)花，并取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。六腳機(jī)器人作為行走機(jī)器人的一種，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，而本課題也并未在很高深的機(jī)器人理論花大量功夫，而更多地著眼于為大專院校提供機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)，或者用于科技館展覽。本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人最大的特點(diǎn)是：理論通俗易懂、操作方便、便于二次開(kāi)發(fā)。對(duì)于一些入門者（初步掌握控制論、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械電子只是）來(lái)說(shuō)，很容易便能被引領(lǐng)入機(jī)器人研究的殿堂。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)于仿生機(jī)器人，尤其是多足機(jī)器人，國(guó)內(nèi)外均有大量研究。1990年，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制出用于外星探測(cè)的六腳步行機(jī)器人AMBLER。該機(jī)器人采用了新型的“腿機(jī)構(gòu)，并由一臺(tái)32位的處理機(jī)來(lái)規(guī)劃系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)路線、制運(yùn)動(dòng)和監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)。但由于體積和質(zhì)量太大，最終沒(méi)被用于行星探測(cè)計(jì)劃。1993年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)開(kāi)發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人DANTE，用于對(duì)南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其改進(jìn)型也在實(shí)際中得到了應(yīng)用。1994年二代對(duì)距離安克雷奇145km的斯伯火山進(jìn)行了考察，并傳回了各種數(shù)據(jù)及圖像。日本對(duì)多足步行機(jī)的研究從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，并不斷進(jìn)行著技術(shù)創(chuàng)新，隨著計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)的發(fā)展，其機(jī)械結(jié)構(gòu)由復(fù)雜到簡(jiǎn)單，其功能由單一功能到組合功能，并已研究出各種類型的步行機(jī)。主要有四足步行機(jī)、爬壁機(jī)器人、腿輪分離型步行機(jī)器人和手腳統(tǒng)一型步行機(jī)器人。1994年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等研制成功四足步行機(jī)器人Patrush二代。該機(jī)器人用兩個(gè)微處理機(jī)控制，采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤，每只腳安裝了兩個(gè)微開(kāi)關(guān)，采用基于神經(jīng)振蕩子模型CPG的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行，顯示了生物激勵(lì)控制對(duì)未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的特點(diǎn)。2000~2003年，木村浩等又研制成功四足步行機(jī)器人Tekken。該機(jī)器人用一臺(tái)PC機(jī)系統(tǒng)控制，用瑞士Maxon直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能適應(yīng)中等不規(guī)則表面的自適應(yīng)步行。我國(guó)對(duì)于多足機(jī)器人的研究起步則較晚。1989年，北京航空航天大學(xué)在張啟先教授的指導(dǎo)下，孫漢旭博士進(jìn)行了四足步行機(jī)的研究，試制成功一臺(tái)四足步行機(jī)。錢晉武博士研究地壁兩用六腳步行機(jī)器人，并進(jìn)行了步態(tài)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究。1990年中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制出全方位六腳步行機(jī)，不僅能在平地步行，還能上樓梯。1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM 系列四足步行機(jī)器人。2000年，馬培蓀等對(duì)第一代形狀記憶合金SMA驅(qū)動(dòng)的微型六腳機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出具有全方位運(yùn)動(dòng)能力的微型雙三足步行機(jī)器人其每條腿的自由度變?yōu)?個(gè)自由度。2003年哈爾濱工程大學(xué)的孟慶鑫、袁鵬等進(jìn)行了兩棲仿生機(jī)器蟹的研究，通過(guò)研究多足步行機(jī)的單足周期運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出適合于兩棲仿生機(jī)器蟹的單足運(yùn)動(dòng)路線規(guī)劃方法，建立了生成周期運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)振蕩子模型。目前市場(chǎng)上幾款六腳機(jī)器人對(duì)比如下：（一）DEPUSH HexCrawlerHexCrawlerCompanyDEPUSHMaterial5052 alloy aluminum, 1/16” thick with clear anodizingLeg Movement2 DOFDimensionsBody: x 40 cm, Height: between and cmCost$350+（二）Lynxmotion RBLyn248RBLyn248CompanyLynxmotionMaterial5052 alloy aluminum, 1/16” thick with black anodizingLeg Movement3 DOFDimensionsBody: x cm, Height: between and cm, Ground Clearance: up to cmCost$+（三）HexCrawler HDATSHexCrawler HDATSCompanyDEPUSHMaterial5052 alloy aluminum, 1/16” thick with clear anodizingLeg Movement3 DOFDimensionsBody: 52 x cm, Height: between and cm, Ground clearance: cmCost165。 10,000 (about $1,500)其中HexCrawler一代機(jī)器人使用的編程軟件為Parallax公司提供的教育發(fā)展版芯片。，其每個(gè)腳僅有兩個(gè)自由度。 Phoenix Hexapod DEPUSH HexCrawler 六腳機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，首先使之能夠?qū)崿F(xiàn)三腳步態(tài)、四腳步態(tài)、波動(dòng)步態(tài)等，以滿足行走要求；然后，能夠感知外界環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)避障報(bào)警等功能；最后，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)距離控制。具體要求為：設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其可以完成前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，側(cè)移，扭動(dòng)身軀等簡(jiǎn)單動(dòng)作；可以完成抬腳，簡(jiǎn)單舞蹈等動(dòng)作；編寫機(jī)器人各種基本動(dòng)作的軟件代碼，使其能完成以上動(dòng)作；機(jī)器人可以接受電腦無(wú)線控制，編寫相應(yīng)無(wú)線控制程序；機(jī)器人可感知外界環(huán)境，編寫相應(yīng)傳感器處理程序；對(duì)所有程序進(jìn)行綜合處理，協(xié)調(diào)各程序之間的關(guān)系。2 六腳機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹 功能需求與分析作為六腳仿生機(jī)器人，在追求神似的同時(shí)，關(guān)鍵在于能否像爬蟲(chóng)一樣完成各種行走動(dòng)作。本課題對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求不高，但需要滿足下面幾點(diǎn)：靈活度高、穩(wěn)定性好、能夠?qū)崿F(xiàn)多足機(jī)器人的基本步態(tài)。針對(duì)這幾點(diǎn)，同時(shí)按照德普士公司的要求，再參照目前市面上存在的六腳仿生機(jī)器人，最終擬定的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為：在DEPUSH HexCrawler （）的基礎(chǔ)上每只腳增加一個(gè)舵機(jī)，即將自由度由兩個(gè)提升為三個(gè)。根據(jù)目前市面上的六腳仿真機(jī)器人，本課題選用5052鋁合金作為機(jī)器人的主要材料，這樣機(jī)器人既能滿足強(qiáng)度要求，也能滿足輕便性要求。同時(shí)，對(duì)外表進(jìn)行烤漆處理，顯得厚實(shí)而穩(wěn)重，富有質(zhì)感。 六腳機(jī)器人三維總圖機(jī)器人整體上采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，由六只腳和底架（身體）組成。每只腳有三個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)處為采用舵機(jī)連接，可在固定平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)180176。其中舵機(jī)1控制機(jī)器人腳前后擺動(dòng)；舵機(jī)2控制機(jī)器人上下擺動(dòng)；舵機(jī)3控制機(jī)器人內(nèi)外伸縮。三個(gè)舵機(jī)配合即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的走動(dòng)。 六腳機(jī)器人單腳結(jié)構(gòu)圖機(jī)器人身體（）、腳（）上均布滿各種鏤空?qǐng)D案，主要有兩點(diǎn)作用：一、減輕機(jī)器人重量；二、增加機(jī)器人的美觀度。由于機(jī)器人的完全對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，其前后由認(rèn)為設(shè)定，、Leg4在前，LegLeg6在后。 六腳機(jī)器人底架結(jié)構(gòu)圖 機(jī)器人的主要尺寸為： 機(jī)器人全長(zhǎng)：； 底架（身體寬）：； 舵機(jī)1（Leg1）距底架最前方距離：； Leg1與Leg2距離：； Leg1與Leg3距離：；每只腳上舵機(jī)2與舵機(jī)3距離：； 舵機(jī)3與腳底距離：。3 舵機(jī)及舵機(jī)控制板原理與應(yīng)用 本章主要介紹舵機(jī)以及舵機(jī)控制板（PSCU）的原理、使用方法與程序編寫。 舵機(jī)原理介紹舵機(jī)是一個(gè)通過(guò)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制物體轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。它在特定編碼的驅(qū)使下可以轉(zhuǎn)動(dòng)到工作范圍內(nèi)的任意給定位置。因?yàn)樗妮p便，位置控制簡(jiǎn)易且精確，在機(jī)器人中使用尤多。多舵機(jī)的協(xié)調(diào)工作可滿足機(jī)器人的多自由度要求。舵機(jī)可以實(shí)現(xiàn)0~180176。的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)軸處于正確位置時(shí)，舵機(jī)將停止運(yùn)動(dòng)；當(dāng)所在位置不對(duì)時(shí)，電路則驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到需求位置。舵機(jī)是采用比例調(diào)節(jié)方式控制速度。當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離大時(shí)，則加載在舵機(jī)上的能量就大，反之亦然。而舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制是由加載在控制線上的脈沖周期完成的，即所謂的脈沖編碼調(diào)制。舵機(jī)設(shè)定為每隔20ms接受一個(gè)脈沖，這樣的話，實(shí)際脈沖長(zhǎng)度就可用來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。，176。 舵機(jī)轉(zhuǎn)角與脈沖周期關(guān)系圖本項(xiàng)目采用的事HiTec公司生產(chǎn)的HS322HD舵機(jī)。 HS322HD舵機(jī)其主要技術(shù)參數(shù)如下：■重量：43g■尺寸：4020■拉力：[] ■拉力：[] ■轉(zhuǎn)速：[] 176?！鲛D(zhuǎn)速：[] 176?！鲇?jì)算電流：當(dāng)舵機(jī)安裝好后，需要獲取其初始位置值，為編程做準(zhǔn)備。 舵機(jī)控制板原理介紹由上述機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹可知，本六腳機(jī)器人是通過(guò)控制18個(gè)舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的。但如何協(xié)調(diào)好各舵機(jī)的動(dòng)作，讓其滿足功能需求？這就需要用到舵機(jī)控制板。