创意之星机器人运动规划的研究与实现

尹 禄

（滁州学院 计算机与信息工程学院，安徽 滁州 239000）

创意之星机器人运动规划的研究与实现

尹 禄

（滁州学院 计算机与信息工程学院，安徽 滁州 239000）

随着人类探索自然界步伐的不断加速，对在复杂环境下具有自主移动能力的机器人的需求日趋急切.本研究即是基于创意之星平台介绍设计和开发的六足爬虫机器人，在Northstar图形化的编程环境下，给予六足爬虫机器人灵魂，让机器人运动起来，并能通过红外传感器进行简单的路径规划和避障.采用该平台进行机器人教学研究，能够进一步激发学生的学习兴趣、引导学生积极探索和培养创新性思维，同时它也可作为学生参加各类机器人竞赛的载体.

创意之星；六足机器人；红外传感器；路径规划

1 绪论

机器人技术是集机械、电子、计算机、人工智能等众多领域的先进技术.在机器人相关课程的教学过程中，学生通过组装机器人系统、检测调整传感器等实践，便于激发学生的兴趣，创造性及动手能力[1].目前，机器人教育作为一种提高大学生创新思维、培养大学生创新意识的必要手段得到了大力的发展[2].

2 创意之星机器人

创意之星是面向高校学生的模块化的机器人套件，可以通过想象，搭建出各种不同类型的机器人，也可实现更为综合、技术要求更高的机器人功能，如多关节机器人、倒立摆、语音识别、视觉追踪等.这些部件通过一块功能强大的MultiFLEX2控制卡连接起来，开发环境支持模块化的拖拽方式编程，同时也可以采用C语言实现高级编程.

3 六足爬虫机器人的搭建过程

开始搭建之前需要把所需20个舵机全部恢复到初始状态.首先将所有舵机每三个或者两个串联到一起，此时共有七组舵机组合.然后将七组舵机都连接到控制器上对应的舵机接口，下载初始化程序进行舵机的复位工作.

3.1 搭建机器人的头部

在头部中间需搭建红外测距传感器并连接到控制器IO接口，在头部左右两侧安装两个红外接近传感器，需连接控制器IO接口.头部搭建完成如图3-1所示.

图3-1 机器人的头部

3.2 连接控制器

由于控制器只有8个舵机接口（0-7），所以需要先将每条腿上三个舵机和头部两个舵机串联在一起，然后再与控制器相连.为了方便编写程序，两个红外接近传感器（从左至右）分别连接控制器10、11号IO接口，红外测距传感器连接控制器7号AD接口.搭建完成的六足爬虫机器人如图3-2所示.

图3-2 六足爬虫机器人硬件设计图

4 六足爬虫机器人的步态规划设计

步态是指机器人的每条腿按一定的顺序和轨迹的运动过程，正是因为这一运动过程实现了机器人的步行运动.目前已知的步态规划分类有：三角步态、波动步态、自由步态、跟随步态等.本研究利用三角步态理论，实现六足爬虫机器人相对稳定的步态规划设计.六足昆虫在爬行过程中，将三对足部两两分组，以相对稳定的三角形结构维持身体平衡并交替前行.身体左上、左下足及右足组成三角形结构，其余部分为另一三角形结构.当一组三角形结构中三只足部同时抬起时，则另一组的所有足部支撑身体并保持平衡[3].同时由于关节的带动作用使身体向前运动.同时，重心落在另一组“三角形结构”的三足上.然后再重复前一组的动作，相互轮换重复进行.这种行走方式在任何一个时刻，自身都是平衡的，即使在某个时间点停止行走，也不会翻倒，对于六足爬虫机器人来说三角步态的行走方式具有很明显的优势.

4.1 机器人的前进步态

Step1 六足爬虫机器人开始运动之前，将左前、左后足以及右足抬起，准备向前移动，另外三足站立支撑保持平衡，确保机器人的重心处于稳定区域内.

Step2 在舵机的驱动控制下，左前、左后足及右足同时落下，由足部关节带动其余三足向前摆动使机器人整体向前移动一步.

Step3 此时，更换由左前、左后足及右足站立支撑保持平衡，左足及右前、右后组抬起，准备向前移动.

Step4 六足爬虫机器人的左足及右前、右后足同时落下，使机器人整体向前移动一步.重复执行步态Step1至Step4，实现机器人的不断向前运动.

4.2 机器人的转向步态

当机器人在前进过程中，前方遇到障碍物需向左或向右转向进行避让.此时待转一侧的足部运动状态需和前进过程的运动步态完全相反[4].

5 六足爬虫机器人的避障策略

本文设计的六足爬虫机器人其特点是具有避障的功能，使用红外接近传感器判断前方是否有障碍物.程序流程如图5-1所示.

（1）设置三个变量 io0、io1、ad，分别用于获取左右红外接近传感器和红外测距传感器的值.

图5-1 程序流程图

（2）设置判断条件，设置 io0==1，io1==1，若条件成立，表示前方没有障碍物，六足足爬虫可以前进，可以自定义代码，手动编写前进代码.

（3）当条件不成立时，既 io0==0，io1==0，表示前方有障碍物，六足爬虫后退，可以自定义代码，手动编写后退代码.再进行判断障碍物的位置，若io0==0，条件成立时，表示左前方有障碍物，六足爬虫进行左转.可以自定义代码，手动编写左转代码.条件不成立时，表示右前方有障碍物，六足爬虫进行右转.可以自定义代码，手动编写右转代码.

（4）当机器人陷入“死点”即无法脱离的角落，通过传感器判断感测障碍物的次数是否超过预期，如果超过预期次数，便进行U型反转.

6 总结

利用创意之星平台进行科学研究，开发实践项目，不仅丰富了实践教学内容，而且促进相关专业建设的协同发展.以创意之星平台为载体，进行开放式创新实践，能够较好的锻炼学生动手能力[5].通过自主学习及组装机器人，可以使课堂讲授知识变得更有趣味性，学生主动学习专业知识，从中探索其中的奥秘，大大提高了学生创新意识与能力以及团队合作能力.

〔1〕李训栓，金武，等.教学机器人开发过程的实践与探索-以六足机器人为例[J].教学机器人开发过程的实践与探索,2016.

〔2〕徐昊.高校机器人教育分析[J].教育探索,2013.

〔3〕漆向军,陈霖，等.控制六足仿生机器人三角步态的研究[J].计算机仿真,2007,24（04）:158-161.

〔4〕徐小云,于国清，等.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(4):393-396.

〔5〕牛玉艳.创意之星机器人在机电实践教学中的应用[J].甘肃科技，2015,31（23）:51-52.

TP24

A

1673-260X（2017）09-0039-02

2017-05-05

安徽省滁州学院校级规划项目（2015GH23）