【文章內(nèi)容簡介】 更適用于要求高性能、需要處理圖像和語音的場合 ，如圖 22 所示 。 圖 22 MultiFLEX?2AVR 控制器 多功能調(diào)試器 多功能調(diào)試器是控制器的下載、調(diào)試工具和舵機(jī)狀態(tài)設(shè)置工具。多功能調(diào)試器有RS232 模式、 AVRISP 模式和 SERVO 模式 ，如圖 23 所示 。 圖 23 多功能調(diào)試器 9 組裝機(jī)器人 本次設(shè)計采用的是創(chuàng)意之星標(biāo)準(zhǔn)版的套件，其控制器是 MultiFLEX?2AVR，利用兩個光敏傳感器來組裝機(jī)器人的眼睛，實現(xiàn)追光。 零件清單 本設(shè)計是利用創(chuàng)意之星標(biāo)準(zhǔn)版的套件來組裝會追光的四足步行機(jī)器人，如圖 24，以下器件就可以實現(xiàn)機(jī)器 人的組裝，搭建機(jī)器人可以參考創(chuàng)意之星套件組裝指南來搭建四足機(jī)器人。 圖 24 組裝機(jī)器人的零件 搭建四足 圖 25 機(jī)器人四足 搭建四足時，舵機(jī)安裝要注意方向一致，足與舵機(jī)連接是要根據(jù)軀干的左右方向來安裝，把四足和軀干組合時檢查四足的方向是否安裝正確，發(fā)現(xiàn)安裝不正確時拆了重新安裝。 10 搭建機(jī)器人軀干 圖 26 機(jī)器人軀干 如圖 26， 將腿部和底板組合到一起，機(jī)器人的軀體就完成了。為了讓機(jī)器人看起來更美觀更形象，再為它安裝一個頭部和尾巴，頭部安裝 2 個光敏傳感器，讓機(jī)器人能夠看到光源。機(jī)器人通過對比左右兩只眼睛的光照強(qiáng)度來判斷光源相對自己的位置，進(jìn)而調(diào)整步態(tài)，往光源處走去。 搭建機(jī)器人頭部 圖 27 機(jī)器人頭部 圖 28 機(jī)器人 如圖 28， 機(jī)器人頭部安裝一個 CDS5500，作為機(jī)器人的脖子，讓機(jī)器人可以左右擺動，尋找目標(biāo)。前方的兩個光敏傳感器有 36176。的夾角，用于區(qū)分左右的光線。當(dāng)左前 11 方的光源照射到機(jī)器人時，左邊的光敏傳感器能夠大面積接受光照，右邊的光敏傳感器由于 36176。夾角的存在，傳感器探頭被外殼擋住，照射到探頭的光線很少。因此兩邊的傳感器輸出值就會有很大的差異，機(jī)器人據(jù)此就可判斷出光源的大致方位。 機(jī)器人總裝 圖 29 機(jī)器人總裝 機(jī)器人舵機(jī)連線 圖 210 機(jī)器人連線 如圖 210，設(shè)計時 每個 CDS5500 需要使用不同 ID；每串 CDS5500 的數(shù)量不能太多，最好是 6 個以下。正常工作下單個 CDS5500 的電流可能達(dá)到 500mA~1A，堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)到 ，單組 6 個 CDS5500 的工作電流可能達(dá)到 3‐ 8A。這樣的電流會讓舵機(jī)線發(fā)熱，并產(chǎn)生比較大的電壓降，最后一個 CDS5500 可能因為沿途舵機(jī)線的分壓而導(dǎo)致工作電壓過低， CDS5500 在電壓過低時會出現(xiàn)復(fù)位、數(shù)據(jù)通訊不正常等等狀況。 本設(shè) 12 計使用了 10 個舵機(jī)，每個足串聯(lián)兩個 CDS5500，每個 CDS5500 出于舵機(jī)模 式，在進(jìn)行舵機(jī)測試時超過角度限制，出現(xiàn)過載，進(jìn)入保護(hù)模式，切斷了舵機(jī)的扭矩輸出，舵機(jī)處于沒有力量的狀態(tài)。這種情況下我一般采取重新?lián)Q一個舵機(jī)，但也可以重新啟動舵機(jī)的扭矩輸出。 本次畢業(yè)設(shè)計搭建的四足步行機(jī)器人 圖 211 本設(shè) 計搭建的機(jī)器人 圖 212 本設(shè)計搭建的機(jī)器人 安裝時要注意細(xì)節(jié)的處理，如一定要注意在進(jìn)行舵機(jī)調(diào)試前盡量不要使舵機(jī)轉(zhuǎn)動，不然在后面的舵機(jī)調(diào)試和步態(tài)設(shè)計時的參數(shù)確定會出現(xiàn)混亂，重則影響實驗效果，給實驗運(yùn)行帶來不必要的麻煩。 安裝機(jī)器人 四足時一定要注意安裝的方向是否正確，如圖 213， joint 7的舵機(jī)安裝方向應(yīng)該組成一個逆時鐘的方向，而 joint 8 的舵機(jī)安裝方向應(yīng)該組成一個逆時鐘的方向，不然和造成后面程序設(shè)計與舵機(jī)運(yùn)動方向不對應(yīng)，而引起混亂。 13 圖 213 機(jī)器人四足方向的確定 14 第 3 章 機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計 前進(jìn)步態(tài) 多足機(jī)器人的行走方式按照平衡實現(xiàn)方式可以分為兩種，一種是接近動物行走方式的動態(tài)平衡方式，另一種是靜態(tài)平衡方式。 在設(shè)計步態(tài)之前，我們先設(shè)置好約束條件： （ 1）機(jī)器人在任一個時刻必須有不少 于 3 個支撐足。 （ 2）機(jī)器人的重心的投影必須在 3 或 4 個支持點(diǎn)所圍成的多邊形內(nèi)。 簡單的步態(tài)設(shè)計 圖 31 靜止?fàn)顟B(tài) 如圖 31， 可以看到，重心處于 4 個支點(diǎn)的正中心，這意味著失去任何一個支點(diǎn)，構(gòu)型的重心都將處于其它三個 支點(diǎn)所構(gòu)成的三角形的一條邊上，構(gòu)型會有向一側(cè)傾覆的危險。所以為了讓構(gòu)型能夠平穩(wěn)的抬起一支腳需要先讓重心移動 ，如圖 32， 先控制所有的足向后方平移，在摩擦力的作用下，軀干將向前探出。 圖 32 重心前移后 15 前移后的重心位于 ABC 區(qū)域和 ABD 區(qū)域中。 圖 33 右前進(jìn)步態(tài) 如圖 33， 選擇移動Ｄ，落地后的 D 足與 A、 C 足形成的 ACD 區(qū)域包含重心， B足被解放出來，可以開始移動了。 圖 34 恢復(fù)初始狀態(tài) 如圖 34， 右側(cè)的 B、 D 足向前邁出的動作做完后，開始向后蹬的動作，使重心向左前方移動。 16 圖 35 左前進(jìn)步態(tài) 機(jī)器人回到剛開始重心前移后的狀態(tài)，但是頭的朝向偏向了左邊。為了彌補(bǔ)方向的偏移，如圖 35，左側(cè)的 C 足開始向前邁出。 C 足落地后，重心在 BCD 區(qū)域內(nèi)。 A 足得到解放，向前邁出。 圖 36 恢復(fù)初始狀態(tài) 左側(cè)的 A、 C 足向前邁出完畢，開始向后蹬的動作，使重心向右前方移動。機(jī)器人的頭部回正 ，如圖 36 所示 。至此一個前進(jìn)運(yùn)動周期就完成了，按照這樣的方法循環(huán)下去，機(jī)器人就會向前一左一右地前進(jìn)了。 改進(jìn)的步態(tài)設(shè)計 簡單步態(tài)并不是最理想的，因為在重心前移的過程中總是 4 個支持足同時著地，這樣足的位置變化會在地面上發(fā)生滑動，而滑動會使很多能量浪費(fèi)掉。所以，如果能夠在3 個足著地的狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)械足的后蹬運(yùn)動就會節(jié)省更多的能量。 17 圖 37 調(diào)整步態(tài) 如圖 37， 重心前一步的步態(tài)做一下調(diào)整，讓 A 向前伸出， C 不要直接運(yùn)動到最后方。這是為了讓前進(jìn)步態(tài)周期能夠完美閉合而進(jìn)行的修訂。這時重心在 ABC 區(qū)域內(nèi)，讓 D 足向前邁出，同時， A、 C 足向后蹬。 D 足著地后， B 足向前邁出，在 B 足著地之前 機(jī)器人有 3 個足著地，這時讓 D 后蹬。在重心脫離 ACD 區(qū)域前讓 B 足著地，與D 足一起后蹬，一旦重心落入 ABD 區(qū)域，馬上讓 C 足向前邁出。 圖 38 左前進(jìn) 如圖 38，在 C 足著地前， D 足已經(jīng)后蹬到了規(guī)定位置。 C 落地后開始 后蹬，并向前邁出 A 足，這時 B 足后蹬結(jié)束。 A 足著地后后蹬，這時向前邁出 D 足，完成一個前向運(yùn)動流程。 18 轉(zhuǎn)向步態(tài) 轉(zhuǎn)向步態(tài)有左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)兩種情況，因左轉(zhuǎn)跟右轉(zhuǎn)成鏡像關(guān)系，所以設(shè)計出左轉(zhuǎn)的步態(tài)，就能鏡像的設(shè)計出右轉(zhuǎn)的步態(tài)，這里這說明左轉(zhuǎn)步態(tài)的設(shè)計。 簡單的左轉(zhuǎn)步態(tài) 圖 39 初始狀態(tài) 圖 310 轉(zhuǎn)向步態(tài) 如圖 310， 依次邁出 D 足、 B 足。 19 圖 311 轉(zhuǎn)向過程 如圖 311， 讓 A、 B、 C、 D 四個足同時蹬地， B、 D 后蹬， A、 C 前蹬。機(jī)器人軀干向左扭轉(zhuǎn)一個角度。 如圖 312 所示 ，重心在 CBD 區(qū)域中，所以 A 足可以移動。讓 A 向后邁出后，重心在 ABD 區(qū)域中， C 足也可以移動了。讓 C 足向后邁出。 圖 312 轉(zhuǎn)向完成 至此，一個完整的原地轉(zhuǎn)向周期就完成。 改進(jìn)的左轉(zhuǎn)步態(tài) 重心移動后的狀態(tài)，修正為如圖 313 所示。讓 A、 C 向前蹬地，重心在 ABC 區(qū)域，向前邁進(jìn) D 足。 20 圖 313 修正步態(tài) 如圖 313， D 足著地后，重心在 ACD 區(qū)域， C 足繼續(xù)前蹬， D 足后蹬， B 足向前邁出。當(dāng) B 足著地后， C 足移動到了限制位置，重心在 BCD 區(qū)域， A 足向后邁出。 圖 314 轉(zhuǎn)向過程 如圖 314， A 足著地后， D 足移動到了限制位置，重心在 ABD 區(qū)域， C 足向后邁出。 如圖 315， C 足著地后，機(jī)器人回到了初始狀態(tài)，完成了一個左轉(zhuǎn)周期。 圖 315 轉(zhuǎn)向完成 右轉(zhuǎn)的步態(tài)也可以用這樣的方法實現(xiàn)，此時邁向前方的是左側(cè)的足。 21 第 4 章 機(jī)器人的程序設(shè)計 舵機(jī)的設(shè)置 本設(shè)計中，舵機(jī)的作用是通過位置控制來實現(xiàn)步態(tài)設(shè)計，需要利用多功能調(diào)試器來設(shè)置舵機(jī)的初始狀態(tài)，還需利用 AVR 控制器和 northstar 軟件來設(shè)置機(jī)器人的舵機(jī)位置序列。 舵機(jī)有 Motor 模式和 Servo 模式兩種模式： Servo 模式下可以控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度，Motor 模式下可以控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向。 Motor 模式與 Servo 模式的一點(diǎn)不同是： Motor 不能控制到位角度，但是能進(jìn)行不限制的多周旋轉(zhuǎn)，而 Servo 模式能控制旋轉(zhuǎn)角度但最多僅能旋轉(zhuǎn) 300 度。 舵機(jī) ID 編號和模式設(shè)置 一、在設(shè)備管理器中，點(diǎn)擊目錄 “端口 ”就會出現(xiàn) “USB Serial Port(COMx)”，其中 “x”就代表調(diào)試器所接的端口號。 二、如 41 圖所示接好調(diào)試器、主機(jī)和舵機(jī)并且將多功能調(diào)試器調(diào)試到 “SERVO”的模式。 圖 41 舵機(jī)調(diào)試連接 三、打開 “RobotServoTerminal ”軟件，就會彈出如 41 圖所示的界面。將右上角的端口設(shè)置成 4（假設(shè)端口號是 4），波特率設(shè)置成 “1000000”，點(diǎn)擊打開鍵，如果指示燈由綠燈變成紅燈，這表示端口已經(jīng)連上。選擇 “單節(jié)點(diǎn) ”和 “定波特率 ”，點(diǎn)擊開始查找該舵機(jī)的 ID 地址和狀態(tài)， 如圖 42， 就可以修改和設(shè)置舵機(jī)的 ID 地址和狀態(tài)了。 22 圖 42 舵機(jī) ID和模式設(shè)置 舵機(jī)位置序列設(shè)置 圖 43 舵機(jī)位置序列設(shè)置連線 圖 44 舵機(jī)序列位置設(shè)置 23 如圖 44， 用鼠標(biāo)拖動三維場景中的構(gòu)型就可以生成相應(yīng)的舵機(jī)位置序列，將 3D 模型擺放出自己需要的狀態(tài)，單擊 “OK”就可以使 “Servo”控件記錄下當(dāng)前的狀態(tài)，程序執(zhí)行該控件時，機(jī)器人就會呈現(xiàn)出和三維場景一樣姿態(tài)。如果將機(jī)器人通過多功能調(diào)試器與計算機(jī)相連，還可以在 “On‐ line Test”控件上打勾，這樣，拖動 3D 構(gòu)型時，機(jī)器人也會跟著動起來。 還有另一種調(diào)試方式，單擊 “Start Service”下載服務(wù)程序，單擊 “Open”打開串口，選擇 “unload all”，將所有舵機(jī)卸載，這時可以用手直接扭動構(gòu)型的關(guān)節(jié)，把構(gòu)型調(diào)整到我們需要的姿態(tài)，比如初始狀態(tài)，點(diǎn)擊 “quary pos”， North Star 會查 詢舵機(jī)的當(dāng)前位置，“Property”中的 “Angle”值會隨著我們對機(jī)器人的扭動而改變。如果勾選 “Save”復(fù)選框，則計算機(jī)讀取的舵機(jī)狀態(tài)將被記錄在列表框中，點(diǎn)擊 “OK”即完成一個步態(tài)的編寫。 在調(diào)試步態(tài)的過程中，常常會遇到寫一部分調(diào)試一部分的情況，因為舵機(jī)運(yùn)動的速度參數(shù)很難在實驗前計算到位，所以調(diào)試過一次之后，機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)都處于位置鎖死的狀態(tài)，所以我們還會用到另一個功能 “Unload all”勾選該選擇框后，所有的舵機(jī)上的力矩將解除，這時我們可以輕松扭動機(jī)器人的每個關(guān)節(jié)了。 用上述方法將機(jī)器人的動作 分成若干狀態(tài)點(diǎn)，一步步進(jìn)行舵機(jī)運(yùn)動序列調(diào)試，這樣將一個完整的行走流程調(diào)試完后，我們就實現(xiàn)了 4 足機(jī)器人的 “前進(jìn) ”、 “后退 ”、 “左轉(zhuǎn) ”、“右轉(zhuǎn) ”等基本運(yùn)動方式控制模塊了。 24 程序基本設(shè)置 機(jī)器人在程序的編寫上有兩種方法： 第一種是用 Northstar 圖形化開發(fā)環(huán)境中，進(jìn)行模塊化編程。通過鼠標(biāo)的拖動類似邏輯框的控件和對控件做簡單的屬性設(shè)置，就可以快捷的編寫機(jī)器人控制程序。程序編輯完后，可以編譯并下載到機(jī)器人控制器中運(yùn)行。 第二種是 Northstar 手寫代碼開發(fā)環(huán)境中，進(jìn)行手動輸入代碼編程。從工具菜單或 者工具欄點(diǎn)擊 “編輯代碼 ”，軟件就會切換到 “代碼編輯 ”模式，手動輸入代碼，然后編譯，下載，即可運(yùn)行程序。 本次畢業(yè)設(shè)計采用第一種方法，利用 Northstar 軟件進(jìn)行模塊化編程。 初始化設(shè)置編程 一、新建工程 如圖 45， 在 Northstar 軟件中新建一個工程，彈出 “工程設(shè)置 ”頁面。 “控制器選項 ”欄選擇當(dāng)前使用的控制器： MultiFLEX2‐ AVR； 由于搭建的是標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型， “構(gòu)型 ”欄選擇 “Four Legged”，即 “Customized”點(diǎn)擊 “下一步 ”，彈出 “舵機(jī)設(shè)置 ”頁面。 圖 45 新建工程 在 “舵機(jī)設(shè)置 ”頁面，機(jī)器人設(shè)置了十個舵機(jī)， 1～ 8 號舵機(jī)為機(jī)器人的四足，配置成“舵機(jī)模式 ”， 9 號舵機(jī)控制光敏傳感器的轉(zhuǎn)動，配置成