六足机器人行走步态的协调控制

Mech眦ical&Ⅱec试cal Engineering Magazine Vo1．21 No．4 2004 机电 2004年 第21卷 第4期 六足机器人行走步态的协调控制 韩建海，赵尚，李济顺 (河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003) 摘 要：利用光电开关作为六足机器人步态传感器，使机器人能够按照三角步态进行行 走。介绍了六足机器人三角步态的行走原理、步态调整和光电开关的硬件电路。 关键词：六足机器人；三角步态；光电开关；步态调整 中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：11301—4551(2004)04—0008—03 Movement Gait Harmony Control for Hexapod Robot HAN Jian．hai，ZHAO Shu．shang，LI Ji．shun (School ofMechatronics Engineering，Henan University ofScience and Technology，l_auya~ 471003，Ch／na) AbsWact：By making use of infrared LED switch as detecting sensor for hexapod robot’movement gait，the tripod gait move- ment can be realized．The movement principle of hexapod robot’t pod gait，gait adjustment method，hardware circuits of infrared LED switch ale explained in the paper． Key words：hexapod robot； pod gait；infrared LED switch；gait aajustment 1 引 言 六足行走机器人是按照三角步态行走的，每三 足为一组。目前，研制的各种六足行走机器人往往 采用单个电机驱动六足同时运动，这种方式虽然严 格保证了六足行走步态的协调性，但限制动作的灵 活性，不能实现转弯运动。采用两个电机分别驱动 三足的行走，通过控制两边电机的转速差，可实现转 弯运动。足的运动是靠连杆机构实现的，由于连杆 机构不可避免的加工误差和电机性能的差异，无法 保证机器人左、右足的相位在行走中始终保持不变。 当这种相位误差积累到一定值时，会明显感觉到机 器人行走的不协调，即出现所谓的步态失调现象。 为了纠正这种现象，必须对行走中的状态进行检测， 利用控制策略及时调整电机的运转，纠正这种不正 常的步态。 2 三角步态行走原理和连杆机构 2．1 三角步态行走原理 “六足纲”昆虫(蟑螂、蚂蚁等)步行时，一般不是 六足同时直线前进，而是将三对足分成两组，以三角 形支架结构交替前行。身体左侧的前、后足及右侧 的中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一 组，分别组成两个三角形支架。当一组三角形支架 中所有的足同时提起时，另一组三角形支架的三只 足原地不动，支撑身体，并以中足为支点，前足胫节 的肌肉收缩，拉动身体向前，后足胫节的肌肉收缩， 将虫体往前推，因此身体略作以中足为支点的转动， 同时虫体的重心落在另一组”三角形支架”的三足 上，然后再重复前一组的动作，相互轮换周而复始。 这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为 重心总是落在三角支架之内。这就是典型的三角步 态行走法，其行走轨迹并非是直线，而是呈”之”字形 的曲线前进。 2．2 连杆机构 按照三角步态的行走原理，采用曲柄滑块连杆 机构制作的机器人左／右足，如图 1所示。初次安装 时，左、右连杆机构的偏心在相位上相差 180~，两个 小型直流电机分别驱动两连杆机构运动。机器人在 行走中，机体左侧的前、后足及右侧的中足为一组， 右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两 个三角形支架，交替支撑机体或向前迈腿前进。 收稿日期：2003—09—24 修订日期：2003一ll一06 作者简介：韩建海(1961一)，男，河南人，博士；研究方向：流体传动与控制，机电一体化，机器人等。 维普资讯 http://www.cqvip.com 机电工程 2004年 第2l卷 第 4期 Mechanical＆Electrical Engineering Magazine Vo1．21 No．4 2004 ‘9 ‘ 图 1 行走连杆机构 3 行走步态的协调控制 后足 3．1 红外线光电开关及硬件电路 作为反射式光电开关的红外发光二极管和光敏 三极管处于同一侧，红外线发射后经障碍物反射，由 光敏三极管接收。通常，这种光电开关对周围环境 光线的变化反应敏感，易产生误动作。为了消除周 围环境光线的影响，应使红外发光二极管工作于脉 冲状态，即以一定频率的脉冲信号驱动发光二极管。 同时在光敏三极管的接收侧，设置同频高通滤波器， 把红外二极管的发射脉冲光从环境光中检出来，这 种处理干扰光的方式称为调制光法，其工作原理，如 图 2、图 3所示 。 图2 光电开关的调制光法原理图 出 (a)高通滤波器前 (b)高通滤波器后 图3 光电开关的输出 实际设计制作的光电开关电路原理图，如图 4 所示。在图 4中将红外线发射电路和接收回路分 开，使用 555时基电路组成的脉冲发生器，其工作频 率为 3kHz程度，占空比为 30％。555产生的脉冲波 由OUT脚输出，经电阻加到驱动三极管的基极上， 由三极管驱动红外发光二极管发射红外线。 (a)发射回路 (b)接收网路 图4 光电开关的硬件电路 在红外线接收电路中，首先将光敏三极管接收 的电流信号转变成电压信号，通过高通滤波器滤掉 外部环境干涉光，经 LM358运算放大器放大，整流 二极管整流，这样可以得到几乎与红外光强度成正 比的电压信号。最后，经非门74HC14将信号整形 二值化输出。调节运算放大器的放大倍数，可改变 二值化的阈值。 3．2 行走步态的协调控制 将制作的红外线光电开关，对角线安装在机器 人的左、右足的前、后端，如图5所示。当电机偏心 轮转到水平位置时，光电开关与反射板之间的距离 最近，光电开关接到光电信号。通过调节运算放大 器的放大倍数，可调节光电开关的动作反应距离。 当机器人按照三角步态正常行走时，左、右电机偏心 轮的相位差保持 180。，两个光电开关几乎同时接到 光电信号。一旦两个光电开关接到的信号不同时， 早接到信号的光电开关侧的电机短时间停转，等另 一 个光电开关也接到信号后，再同时运转，实现了行 走步态的调整。由于停转的时间只是一瞬间，不会 出现明显的行走不连续现象。 光电开关与 PIC16F84A单片机的连接，如图 6 所示，利用 PIC单片机 TMR0的定时功能，对 CPU产 生中断的方式，定时检测两个光电开关的状态。根 据检测结果，由控制软件做出判断，及时调整电机的 运行状态，完成行走步态的调整，使机器人始终保持 维普资讯 http://www.cqvip.com Mech cal&E1ectrical Engineering Ma~zine Vo1．21 No．4 2OO4 ql,EET_~ 2OO4年 第 21卷 第4~11] 三角步态协调行走。 反射板 · 图 5 光电开关的安装位置示意图 RB0～RBl RB2～RB3 RB4～RB5 RB6～RB7 PlCl6F84A RA0 RAl～RA2 RA3～RA4 图 6 PICI6F84A单片机 I／O口的资源分配 4 控制算法 控制算法用 PIC单片机的 MPASM汇编语言编 写，其主要思想是根据光电开关信号来感知左、右足 偏心相位差，并控制电机的运转。单片机将 A口 RA3、RA4的信息读入，由控制软件按事先设定好的 规则对其判断，根据决策结果由B端口向电机 驱动芯片发出不同的控制信号，从而实现电机运行 状态的控制。算法由主体判断程序和电机驱动程序 组成。机器人实现三角步态协调行走的控制算法， 如表 1所示。 表 1 机器人实现三角步态协调行走的控制算法 5 结 论 利用光电开关，构成价廉的六足机器人步态检 测传感器。根据两只光电开关的信号，在 PIC单片 机的控制下，及时调整电机的运转状态，纠正了由于 机械制造误差造成的步态失调现象，保证了机器人 始终按照三角步态进行行走。大量的行走实验证 明，该方法简单、可靠、价廉，具有一定的实用价值。 制作的机器人具有稳定的行走性能，能成功实现三 角步态协调行走。 参考文献： [1] 徐小云，颜国正，丁国清．微型六足仿生机器人及其三 角步态的研究 [J]．光学精密工程，2002，10(4)：392— 396． [2] 徐小云，颜国正，丁国清，等．六足微型仿生机器人及其 控制系统的研究[J]．计算机工程 ，2002，28(11)：81— 83． [3] 方建军，陈海峰，周峰，等．基于 PIC单片机控制的智能 玩具机器人[J]．机器人技术与应用，2003，(1)：37—39． 欧姆龙推出高分辨率新型光电激光传感器 欧姆龙(Omron)推出新型光电激光传感器系列，可实现高级 目标检测、定位及高分辨率感应功能。 E3C．LDA的独特性在于焦点及传感器头上的光轴可以很容易地通过精确横梁调节，因此设置方便，长距 离控制精度高。此外，E3C—LDA系列还提供三种分隔的激光横梁类型——点光束、线光束和区域光束。它的 结构、速度、精度及固有的可靠性特别适合需要高精度和快速响应的生产流程。E3C．LDA是目前唯一可调节 焦点及轴的光电传感器。通过改变焦距可以调节出适合工件的光束直径，从而提高检测可靠性。改变轴则 可以将光束风扇的方向指向安装表面，该功能特别适合精确的长距离定位。 维普资讯 http://www.cqvip.com