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仿昆虫多步伐快速行走六足机器人
第十二届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 共同執筆】2018年05月25日 星期五

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摘要


本文所制作的「仿昆虫多步伐快速行走六足机器人」(以下简称「仿昆虫型六足机器人」),其机构是以仿生为出发设计概念,由八颗马达组装而成,基本步态的六颗马达及另外两颗马达进行抬放脚之控制来完成,并且以特殊灵活的“C”形足部结构功能来进行崎岖路面与障碍物的突破,“C”形足部的上端透过十字万象轴与马达相连,下端则与地面接触,使各个足部可分别独立 360 度转动及弯曲抬放脚,以周期性规则交互??旋的方式使机器人前行,“C”形足部采用热塑土制作,仿昆虫型六足机器人其机构由,并使用特殊“C”形构造完成足部的行动机构以及利用特殊可弯曲之悬吊脚结构以及十字万象轴传动脚之所需之动力。装上弹簧避震器让机器人在探索受到外力撞击时力量不会直接传输到马达上,其力量会被避震器吸收,大大降低机器人在运作中损坏的机率。


1.绪论

1.1研究背景


在这个对生命珍视的年代,科技的快速发展,使得每个人的生命都须承受一个家庭,甚至是社会的责任与期待。但是人类仍须到未知环境、危险地域、或是军事现场执行任务,甚至在现今歹徒火力强大的情况下,警察还是必须冒着危险攻坚。因此研发具备侦察能力之机器人取代人类,完成高危险性的工作,已成为一个有效的解决方案。侦察型机器人不仅能防止人类在面临这些困境时遇到生命的威胁,也带领了科技产品的进步,使越来越高效率的机器人因而产生。本机器人即是以此观点,来研发六足机器人。因使用特殊“C”形结构及 AI 马达,所以能克服路面颠颇及爬坡问题,并且加装多种感测器,可以轻易完成任务,如果探索过程中遇到比六足机器人低的洞穴,此时可转换低姿态模式降低身体高度匍匐前进,轻松爬过洞穴。此外机器人本身采用锂电池及电池保护电路组,提供机器人整体的动力来源,工作时间长达数小时。


2.系统架构

2.1硬体系统架构

图1 :  仿昆虫型六足机器人硬体方块图。
图1 : 仿昆虫型六足机器人硬体方块图。

2.2 RF射频收发模组

射频 (Radio Frequency,简称 RF) 指的是任何在3 kHz至300 GHz 的电磁波。


(1)YK04:RF 接收模组,由 RF 接收电路,以及解码晶片PT2272-M4组成。


(2)JY02:RF发送模组,由RF发射电路,以及解码晶片PT2622组成。


2.3 MX-28/RX-24F AI马达

2.3.1 Dynamixel RX-24F AI 马达



Dynamixel RX-24F 每个 servo 都能够跟?其速度,温度,轴位置,电压和负载,也可以为每个 servo 单独调整用於保持轴位置的控制。RX-24F 具有较低的扭矩和电压要求,於是用来控制六只脚。规格如下


表1: AI马达规格表




2.3.2 Dynamixel MX-28 AI马达



Dynamixel 系列的 MX-28 较高扭力以及较高精准控制马达,仿昆虫型六足机器人抬脚之动作,医科马达需负担三只脚,所以使用较大扭力之马达。规格如下表2。


表2: Dynamixel  MX-28  AI马达


2.4 MAX485模组


Dynamixel 系列马达为 RS485 通讯协定,所以需要UART转RS485的介面。规格如下表 3。


表3: MAX485模组


2.5 仿昆虫型六足机器人软体系统架构


仿昆虫型六足机器人以Keil uVision5撰写程式,使用者在利用RF无线遥控器控制仿昆虫型六足机器人行走步态,指令由YK07RF接收模组传输到HT52352 MCU下达指令给机器人。系统功能如图2所示。


图2 : 仿昆虫型六足机器人软体系统架构。
图2 : 仿昆虫型六足机器人软体系统架构。

2.5.1 HT52352 MCU工作内容



(1)传送Dynamixel系列马达封包


Dynamixel 系列的 AI 马达,需要以封包形式传送指令,通讯协定是 RS485。封包格式入如下图3。



图3 : 封包格式
图3 : 封包格式


(a)0XFF、0XFF:此封包开头。


(b)ID:用来控制马达 (c)LENGTH:资料长度,计算为“叁数(N)+ 2“。 (d)INSTRUCTION:给马达的指令类型。


(e)PARAMETER: 叁数(转速、转角),可以有N个。 (f) CHECK SUM:检查码。


公式为Check Sum = ~ ( ID + Length + Instruction + Parameter1 + … Parameter N )。


(2)接收RF遥控器指令


RF 发射模组「JY02」发送讯号,RF 接收模组「YK04」接收,并由「YK04」模组内的 PT2262 晶片解码後,变成四个 1bit 讯号,分别由 MCU HT32F52352 的 GPIO 脚 PB1~PB4 读取。


(3) 马达动作流程


Dynamixel 系列的 AI 马达,有两种模式,转速与角度模式。由於转速模式每个马达之间会有小落差,为了达到整齐划一,每转一圈需要切换两种模式来达到准确地目的。流程如图 4。


图4 : 马达动作流程。
图4 : 马达动作流程。


本机器人的动作模式,皆由此流程为基础,加上许多构想,从而打造各种移动模式,并集成动作资料库。


(4) MCU HT32F52352 动作判断



接收到RF遥控器的指令,MCU 读取 GPIO PB1~PB4 脚位状态後,由 if 判断式来判断是什麽指令,再让 MCU HT32F52352 发送动作库中的指令给机器人。流程如图 5。



图5 : 判断动作流程图
图5 : 判断动作流程图

3.研究内容

3.1马达与C型足部


本机器人之所以拥有高稳定度及跨越性,其因使用特殊的足部构造与控制方式;足部结构使用半圆型C形设计,如图6所示,C形设计材质使用热塑土与压克力进行连结,在安装置AI马达,热??土可加热至80度进行软化,即可塑形,冷却後可保有一定的韧性,此特性如同一个隐型避震器。


当足部未受到外在加压力时足部顶端与末端之间相距10公分,当受挤压时顶端与末端之间会开始收缩,最大收缩度可以达到1公分,如图6 所示。相当於完全压迫,但是并不会因此永久变形,突破障碍物後即可恢复原状,有助於机器人行径在崎岖道路上或是受到强烈撞击,C形足可吸收撞击力达到缓冲的效果。



图6 : C形足部设计收缩度可达1公分。
图6 : C形足部设计收缩度可达1公分。

3.2十字万向轴

又称万向节,是连接两根杠杆的接头,接头由一对相对方位为90。的普通铰链组成,使杠杆能转向往任何方向,现在仍广泛应用於车辆的传动装置中,本机器人也是使用了此结构,让其的足部灵活多变(如图7)。



图7 : 转动任何高度皆可转动 。
图7 : 转动任何高度皆可转动 。
图8 : 转动任何高度皆可转动(实际运转)。
图8 : 转动任何高度皆可转动(实际运转)。

3.3六足机器人抬脚方式


当初设计机器人抬脚动作时,为精简结构,於是让两个马达各负责三只脚,选用扭力较大的 MX-28马达,配上小滑轮与系绳,拉抬机器人之足部。详细动作如(图9)。


图9 : 抬脚动作特写。
图9 : 抬脚动作特写。

3.2六足机器人运动方程式


单一足部的运动方程式(1)所示。我们使用此运动方程式推导机器昆虫的运动方程式。


function


以单足对整体系统贡献的动力和力矩,如方程式(2)所示。



图10 : 六足机器人运动分析图。
图10 : 六足机器人运动分析图。

3.3移动原理

3.3.1 三角步伐



图11 : 三角型支架结构
图11 : 三角型支架结构


本机器人模仿昆虫界移动时的三角步伐做为本文的行走模式。昆虫经过数千万年的演化,能够在险恶的环境中自由行走与生存,拥有独特的行走方式与移动策略,而三角步伐是大部分昆虫所使用的行走步伐,此步伐动作原理是以三足为一组,其中一侧的前、後足与另一侧的中足为一组,形成一个三角形支架结构,如图11所示,当这三足接触地面向後方蹬时,另外三足便微微往後,使身体稍微往前倾斜,以这种连续交互的方式使得机身向前运动,此步伐是由观察昆虫移动时而得出的结果。


3.3.2 三角中心法



本机器人利用三角步伐作为行走步伐,如何使机器人的行走更加平稳,关键在於以不同步伐状态下,整体中心的方向为何,中心点分别为四种状态,如图12所示图中长方形为六足机器人的身体,蓝点为机器人的中心,围绕在长方形四周的白点或红点代表六个足部,白点代表脚抬起的点,红点代表脚落地的点。决定六足型机器人是否能稳定的移动关键在於,落地的三只脚成构成的几何图形是否涵盖中心点,如中心点落在几何图形内,机器人则可以保持平衡前进,反之中心点超出几何图形,则六足机器人可能会失去平衡因此而翻覆。



图12 : 三角中心法示意图
图12 : 三角中心法示意图

3.4移动步

3.4.1 前进与後退行动模式设计



机器人前进时采用三角步伐,以三足为一组 (即以同一侧的前、後足与另一侧的中足为一组),形成一个三角形支撑结构如图(b)。当这三足接触地面向後方蹬时如图(c),另外三足往前抬起,以连续交互的方式,使机器人向前运动,如图13所示。图(a)中橘色方块代表机器人初始位置,随着机器人步伐移动,逐渐远离初始点,图(e)为机器人所移动的实际距离。前进与後退步伐运动原理相似,差别於旋转方向不同,故省略。



图13 : 前进与後退行动模式。
图13 : 前进与後退行动模式。

3.4.2 旋转行动模式设计



本机器人除了可以前进与後退外,还需要左转与右转功能。左转与右转的原理相同,差别在施力点与方向不同。旋转步伐依然使用三角步伐为原则,其中一侧前、後足以及另一侧的中足为一组,形成一个三角形支架结构,固定不动保持机体的平衡,而另外三只脚进行规则性的旋转使得机身转动。若要使六足机器人左转,六足机器的右侧需要产生向前方向的力,左侧需要产生向後方向的力,如图 14 所示,当左侧与右侧同实施力时机身则会向左偏转达到左移的效果。因左转步伐与右转步法原理相同,故省略。



图14 : 左转与右转行动模式
图14 : 左转与右转行动模式

3.4.3 匍匐前进行动模式设计



此行动策略,是以六足为一组,同时向後旋转使机器人产生向前推力,如图15、16所示,虽此步伐移动速度不比三角步伐,但是可以获得较大的推进力,其因三角步伐移动时,是以三点作为支撑向前移动,而且匍匐移前进是同时以六点接触向前推进,可同时提供更大的推力。


当六足机器人行走在斜坡场地时,会因斜度高低不同,使足部会受到不同的力,以匍匐方式在斜坡上行走於上坡会优於三角步伐。



图15 : 匍匐前进行模式。
图15 : 匍匐前进行模式。

图16:匍匐前进行实际图


4.实际成果与测试

4.1三角步伐


仿昆虫型六足机器人的前进步态也是采用用三角步伐移动原理,移动过程中六足机器人皆可保持身


体平衡,也能稳固前行。如图17。


图17:三角步伐


4.2低姿态匍匐前进


当探索过程中遇到比六足机器人低的洞穴,脚卡到洞穴时不会硬往前转造成马达损坏,此时可转换低姿态模式降低身体高度匍匐前进,轻松爬过洞穴,如图18。


图18:低姿态匍匐前进


4.3仿昆虫步态


以仿生昆虫为设计概念模仿昆虫真实抬脚步态,让机器人步态设计上更拟真更多元。如图19。


图19:仿昆虫爬行步态


4.4机器人抗击测试


模拟机器人在外执行任务时受到外力撞击的情景。有C形构造、特殊可弯曲之悬吊脚结构,受冲击时,足部力量不会直接传输到马达上,部分会


被避震器吸收,降低机器人在运作中损坏的机率。


图 20: 排球落下撞击


图 21: 倾倒大量积木冲击


图 22: 直接加压


5.结论与未来发展


本文从机构设计程式撰写到制作成型皆自行加工完成,以低成本制作出具高速移动性与越障能力的智慧型机器人,结合生物力学、机器人运动学、昆虫结构、动物结构等理论及技术。本文?仿昆虫型六足机器人?使用特殊C型足部、机身结构与控制方式,使机器人同时具有轮型机器人高速移动性,以及足型机器人的跨越能力,机器人可在沙地、草地、泥地、斜坡、楼梯、水中甚至倒塌瓦砾中快速移动,是一般履带机器人与轮型机器人无法做到的。体积小具有较高速移动能力,能在狭窄地形中快速移动,可应用於原野侦察、沙漠侦察、生物侦察。未来可以结合影像辨识与感知系统使用者可透过远端控制介面,清楚了解机器人所在环境资讯以及前方影像。


6.叁考资料

[1] 韩商Robotis公司网站资料


http://www.robotis.com/index/


[2] Robotis,“Robotis Premium Software


Programming Guide“,Robotis Planning Contents Department。


[3] Robotis,“Robotis Premium Easy assembly and program download“,Robotis Planning Contents Department。


[4] Saranli, U., Buehler, M.,


Koditschek,D.E.“RHex: A Simple and Highly


Mobile Hexapod Robot,” The International Journal of Robotics Research, 20 (7), pp.


616-631,2001.


[5]Holtek。”HT32F52342/52 Datasheet”


[6] 通讯技术-RS485通讯技术说明


http://www.lcis.com.tw/paper_store/index.ht ml


[7]遥控编/解码模块PT2262/PT2272电路


http://cocdig.com/docs/show-post-33930.html


[8]陈源林(2015)。HOLTEK 32-bit 微控制器应用 -C语言实例。新北市;全华图书股份有限公司。


(本文作者为国立虎尾科技大学 王荣爵教授、何懿山、杨??闵、李子彬、王??珏)


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