【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 場(chǎng)合，MultiFLEX2PXA270 更適用于要求高性能、需要處理圖像和語(yǔ)音的場(chǎng)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(jì)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(gè)光敏傳感器來(lái)組裝機(jī)器人的眼睛，實(shí)現(xiàn)追光。 零件清單 本設(shè)計(jì)是利用創(chuàng)意之星標(biāo)準(zhǔn)版的套件來(lái)組裝會(huì)追光的四足步行機(jī)器人，如圖 24，以下器件就可以實(shí)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(lái)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(shí)，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(lái)安裝，把四足和軀干組合時(shí)檢查四足的方向是否安裝正確，發(fā)現(xiàn)安裝不正確時(shí)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(lái)更美觀更形象，再為它安裝一個(gè)頭部和尾巴，頭部安裝 2 個(gè)光敏傳感器，讓機(jī)器人能夠看到光源。機(jī)器人通過(guò)對(duì)比左右兩只眼睛的光照強(qiáng)度來(lái)判斷光源相對(duì)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(gè) CDS5500，作為機(jī)器人的脖子，讓機(jī)器人可以左右擺動(dòng)，尋找目標(biāo)。前方的兩個(gè)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(shí)，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(huì)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(jì)時(shí) 每個(gè) CDS5500 需要使用不同 ID；每串 CDS5500 的數(shù)量不能太多，最好是 6 個(gè)以下。正常工作下單個(gè) CDS5500 的電流可能達(dá)到 500mA~1A，堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)到 ，單組 6 個(gè) CDS5500 的工作電流可能達(dá)到 3‐ 8A。這樣的電流會(huì)讓舵機(jī)線發(fā)熱，并產(chǎn)生比較大的電壓降，最后一個(gè) CDS5500 可能因?yàn)檠赝径鏅C(jī)線的分壓而導(dǎo)致工作電壓過(guò)低， CDS5500 在電壓過(guò)低時(shí)會(huì)出現(xiàn)復(fù) 位、數(shù)據(jù)通訊不正常等等狀況。 本設(shè) 12 計(jì)使用了 10 個(gè)舵機(jī)，每個(gè)足串聯(lián)兩個(gè) CDS5500，每個(gè) CDS5500 出于舵機(jī)模式，在進(jìn)行舵機(jī)測(cè)試時(shí)超過(guò)角度限制，出現(xiàn)過(guò)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(méi)有力量的狀態(tài)。這種情況下我一般采取重新?lián)Q一個(gè)舵機(jī)，但也可以重新啟動(dòng)舵機(jī)的扭矩輸出。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)搭建的四足步行機(jī)器人 圖 211 本設(shè)計(jì)搭建的機(jī)器人 圖 212 本設(shè)計(jì)搭建的機(jī)器人 安裝時(shí)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(dòng)，不 然在后面的舵機(jī)調(diào)試和步態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)確定會(huì)出現(xiàn)混亂，重則影響實(shí)驗(yàn)效果，給實(shí)驗(yàn)運(yùn)行帶來(lái)不必要的麻煩。 安裝機(jī)器人四足時(shí)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(gè)逆時(shí)鐘的方向，而 joint 8 的舵機(jī)安裝方向應(yīng)該組成一個(gè)逆時(shí)鐘的方向，不然和造成后面程序設(shè)計(jì)與舵機(jī)運(yùn)動(dòng)方向不對(duì)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(jì) 前進(jìn)步態(tài) 多足機(jī)器人的行走方式按照平衡實(shí)現(xiàn)方式可以分為兩種，一種是接近動(dòng)物行走方式的動(dòng) 態(tài)平衡方式，另一種是靜態(tài)平衡方式。 在設(shè)計(jì)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(gè)時(shí)刻必須有不少于 3 個(gè)支撐足。 （ 2）機(jī)器人的重心的投影必須在 3 或 4 個(gè)支持點(diǎn)所圍成的多邊形內(nèi)。 簡(jiǎn)單的步態(tài)設(shè)計(jì) 圖 31 靜 止?fàn)顟B(tài) 如圖 31， 可以看到，重心處于 4 個(gè)支點(diǎn)的正中心，這意味著失去任何一個(gè)支點(diǎn)，構(gòu)型的重心都將處于其它三個(gè)支點(diǎn)所構(gòu)成的三角形的一條邊上，構(gòu)型會(huì)有向一側(cè)傾覆的危險(xiǎn)。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(dòng) ，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(dòng)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(lái)，可以開(kāi)始移動(dòng)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(dòng)作做完后，開(kāi)始向后蹬的動(dòng)作，使重心向左前方移動(dòng)。 16 圖 35 左前進(jìn)步態(tài) 機(jī)器人回到剛開(kāi)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(kāi)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(kāi)始向后蹬的動(dòng)作，使重心向右前方移動(dòng)。機(jī)器人的頭部回正 ，如圖 36 所示 。至此一個(gè)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)周期就完成了，按照這樣的方法循環(huán)下去，機(jī)器人就會(huì)向前一左一右地前進(jìn)了。 改進(jìn)的步態(tài)設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)單步態(tài)并不是最理想的，因?yàn)樵谥匦那耙频倪^(guò)程中總是 4 個(gè)支持足同時(shí)著地，這樣足的位置變化會(huì)在地面上發(fā)生滑動(dòng)，而滑動(dòng)會(huì)使很多能量浪費(fèi)掉。所 以，如果能夠在3 個(gè)足著地的狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)械足的后蹬運(yùn)動(dòng)就會(huì)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(dòng)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(shí)重心在 ABC 區(qū)域內(nèi)，讓 D 足向前邁出，同時(shí)， 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(gè)足著地，這時(shí)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(kāi)始后蹬，并向前邁出 A 足，這時(shí) B 足后蹬結(jié)束。 A 足著地后后蹬，這時(shí)向前邁出 D 足，完成一個(gè)前向運(yùn)動(dòng)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(jì)出左轉(zhuǎn)的步態(tài)，就能鏡像的設(shè)計(jì)出右轉(zhuǎn)的步態(tài)，這里這說(shuō)明左轉(zhuǎn)步態(tài)的設(shè)計(jì)。 簡(jiǎn)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(guò)程 如圖 311， 讓 A、 B、 C、 D 四個(gè)足同時(shí)蹬地， B、 D 后蹬， A、 C 前蹬。機(jī)器人軀干向左扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度。 如圖 312 所示 ，重心在 CBD 區(qū)域中，所以 A 足可以移動(dòng)。讓 A 向后邁出后，重心在 ABD 區(qū)域中 ， C 足也可以移動(dòng)了。讓 C 足向后邁出。 圖 312 轉(zhuǎn)向完成 至此，一個(gè)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(dòng)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(dòng)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(guò)程 如圖 314， A 足著地后， D 足移動(dòng)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(gè)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(shí)現(xiàn)，此時(shí)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(jì) 舵機(jī)的設(shè)置 本設(shè)計(jì)中，舵機(jī)的作用是通過(guò)位置控制來(lái)實(shí)現(xiàn)步態(tài)設(shè)計(jì)，需要利用多功能調(diào)試器來(lái)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(lái)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(dòng)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(hào)和模式設(shè)置 一、在設(shè)備管理器中，點(diǎn)擊目錄 “端口 ”就會(huì)出現(xiàn) “USB Serial Port(COMx)”，其中 “x”就代表調(diào)試器所接的端口號(hào)。 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(kāi) “RobotServoTerminal ”軟件，就會(huì)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(hào)是 4），波特率設(shè)置成 “1000000”，點(diǎn)擊打開(kāi)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(kāi)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(dòng)三維場(chǎng)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(shí)，機(jī)器人就會(huì)呈現(xiàn)出和三維場(chǎng)景一樣姿態(tài)。如果將機(jī)器人通過(guò)多功能調(diào)試器與計(jì)算機(jī)相連，還可以在 “On‐ line Test”控件上打勾，這樣，拖動(dòng) 3D 構(gòu)型時(shí)，機(jī)器人也會(huì)跟著動(dòng)起來(lái)。 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(kāi)串口，選擇 “unload all”，將所有舵機(jī)卸載，這時(shí)可以用手直接扭 動(dòng)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(huì)查詢舵機(jī)的當(dāng)前位置，“Property”中的 “Angle”值會(huì)隨著我們對(duì)機(jī)器人的扭動(dòng)而改變。如果勾選 “Save”復(fù)選框，則計(jì)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(gè)步態(tài)的編寫(xiě)。 在調(diào)試步態(tài)的過(guò)程中，常常會(huì)遇到寫(xiě)一部分調(diào)試一部分的情況，因?yàn)槎鏅C(jī)運(yùn)動(dòng)的速度參數(shù)很難在實(shí)驗(yàn)前計(jì)算到位，所以調(diào)試過(guò)一次之后，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)都處于位置鎖死的狀態(tài)，所以我們還會(huì)用到另一個(gè)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(shí)我們可以輕松扭動(dòng)機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)了。 用上述方法將機(jī)器人的動(dòng)作分成若干狀態(tài)點(diǎn)，一步步進(jìn)行舵機(jī)運(yùn)動(dòng)序列調(diào)試，這樣將一個(gè)完整的行走流程調(diào)試完后，我們就實(shí)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(dòng)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(xiě)上有兩種方法： 第一種是用 Northstar 圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境中，進(jìn)行模塊化編程。通過(guò)鼠標(biāo)的拖動(dòng)類似邏輯框的控件和對(duì)控件做簡(jiǎn)單的屬性設(shè)置，就可以快捷的編寫(xiě)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(xiě)代碼開(kāi)發(fā)環(huán)境中，進(jìn)行手動(dòng)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(huì)切換到 “代碼編輯 ”模式，手動(dòng)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(jì)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(gè)工程，彈出 “工程設(shè)置 ”頁(yè)面。 “控制器選項(xiàng) ”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(yè)面。 圖 45 新建工程 在 “舵機(jī)設(shè)置 ”頁(yè)面，機(jī)器人設(shè)置了十個(gè)舵機(jī)， 1～ 8 號(hào)舵機(jī)為機(jī)器人的四足，配置成“舵機(jī)模