攻击型四足仿生轮式机器人设计

2017-11-16张建尹学爱

科技创新与应用 2017年33期

张建+尹学爱

摘要：为使机器人适应各种灾区复杂地形，人员无法直接进入的恶劣环境执行搜索、救援、运送物资或者在反恐救援中执行反恐侦察或对目标进行打击的功能，设计了一种以STM32F103ZET6单片机为主控芯片、电脑上位机无线控制的四足机械结构与轮式结构相结合的机器人。四足仿生行进和轮式行进均可使机器人灵活运动，保持高度的灵活性和多地形适应性。机器人携带高能电磁炮，可对目标实施物理攻击，机器人采用C语言自主开发的电脑上位机无线控制，操作简单，安装方便，信号强度高，穿透能力强。

关键词：四足仿生机器人；电磁炮；无线控制；实时视频；激光瞄准

中图分类号：TP242.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0039-03

1 概述

在当今自然界和人类社会中，存在着许多人类无法到达的地方和可能危及进入人員生命的特殊场合，如地震灾区、防灾救援、反恐救援等许多领域，对这些复杂环境不断的探索和研究往往需要有机器人的介入[1]。于是足类步行机器人越来越多的出现在人们的眼前，常见的步行机器人以两足式、四足式、六足式。其中，四足步行机器人机构简单且灵活，承载能力强、稳定性好，在抢险救灾、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景，其研制工作一直受到国内外的重视[2]。目前市面上四足机器人行进方式较为单一，其功能主要以行进为主，供观赏娱乐玩耍，且大多数不具备远程遥控能力、目标发射能力。为使机器人能够适应多种复杂环境和地形，四足轮式机器人应运而生，足式移动方式与轮式技术的结合，既可通过轮式调节控制移动的效率，也可利用腿结构实现越障、避障等高效运动[2]。四足结构有着良好的稳定性和承载能力，但是行动较慢，所以我们将机器人的四足机械结构与传统的轮式结构相结合，设计出一套全新的四足轮式结构，在开阔平坦的路面，采用轮式行进模式，行动迅速，反应敏捷；在坎坷不平的环境下，转换为四足模型行进，轻松跨越障碍，进入目标区域；该结构集四足模式优点和轮式结构优点于一身，具有良好的复杂环境适应性。

2 原理及相关设备

2.1 基本原理

系统概述：控制上位机以C语言自主开发，利用电脑自带串口通信功能，与机器人之间以无线串口通讯模块进行数据指令传输，机器人控制核心接收到指令后，对接收到的指令进行处理识别，进而控制相应的机构执行指令要求的动作，自带录像功能，实时记录机器人所处环境的情况。

2.2 相关设备

2.2.1 控制核心

该系统的控制核心采用STM32103ZET6芯片，其内核是Cortex-M3。大容量Flash 512K。芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种功能（如图2）。

2.2.2 无线信号电路

无线信号传输采用SI4432TR4S芯片，SI4432TR4S采用Silicon公司的Si4432无线收发芯片，体积小巧，功耗低[3]，具有-121dBm的超高灵敏度，穿墙性能优越。

Si4432TR4S模块基本特点：

（1）完整的FSK收发器支持FSK、GFSK、OOK模式。（2）工作频率433M/470M/868M/915M免费ISM频段。（3）最大发射功率20dBm。（4）接收灵敏度高达-121dBm。（5）传输速率最大256Kbps。（6）工作电压范围：1.8V-3.6V。（7）FSK频偏可编程（15～240KHz）。（8）接收带宽可编程（67～400KHz）。（9）SPI兼容的控制接口，低功耗任务周期模式，自带唤醒定时器。（10）低的接收电流（18.5mA），最大发射功率时的电流：90mA。（11）空旷通讯距离可达800米以上（波特率9.6Kbps，实测数据）。

主要应用：

工业遥控、遥控遥测、排队系统、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线报警系统等。

2.2.3 四足机械结构与轮式结构相结合

四足结构有着良好的稳定性和承载能力，但是行动较慢，所以我们将机器人的四足机械结构与传统的轮式结构相结合，设计出一套全新的四足轮式结构，在开阔平坦的路面，采用轮式行进模式，行动迅速，反应敏捷；在坎坷不平的环境下，转换为四足模型行进，轻松跨越障碍，进入目标区域；该结构集四足模式优点和轮式结构优点于一身，具有良好的复杂环境适应性。

2.2.4 车轮控制电路

车轮控制电路采用LM298N模块进行控制，L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W[4]。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

2.2.5 电磁炮充电电路

电磁炮[11]充电电压为直流12V，经逆变电路转换为220V直流电压为电磁炮供能电容充电，两个供能电容的耐压值为450V，容量为1000uF。

2.2.6 电磁炮发射控制电路

单片机接收到发射指令后，控制普通继电器打开，进而级联控制大功率工业级继电器闭合，实现供能电容瞬间放电，炮管内线圈的瞬间大电流产生强磁，将炮弹发射出炮管，威力巨大，噪声极低。为了保护控制核心及其他各结构不受电磁炮发射时所产生的强磁干扰、损坏，我们在其线圈外加装了一层磁屏蔽装置，可保护其他结构和设备正常工作。endprint

2.2.7 实时录像系统

自带录像装置，实时记录机器人前方情况的视频资料。插卡储存录像，支持8-32G TF卡、SD卡。

2.2.8 激光辅助瞄准系统

激光辅助瞄准系统采用5V十字激光器，覆盖范围大，清晰明确，易于寻找和瞄准。机器人携带高能电磁炮，利用激光指示器瞄准，攻击时低噪音，对目标实施有效物理打击。

3 系统软件设计

3.1 单片机程序设计

该部分包括主程序、无线接收中断服务程序、通信波特率定时器中断服务程序、串行中断服务程序、定时器中断服务程序、接收数据处理程序及定时器通道复用程序模块，各模块功能如下：主程序主要完成初始化及接受指令、控制各部分功能程序，控制上位机以C语言自主开发，利用电脑自带串口通信功能，与机器人之间以无线串口通讯模块进行数据指令传输，机器人控制核心接收到指令后，对接收到的指令进行处理识别，进而控制相应的机构执行指令要求的动作。

3.2 上位机程序设计

上位机的编写语言为C，C语言是.NET框架中新一代的开发工具。C语言是一种现代、面向对象的语言，它简化了C++语言在类、命名空间、方法重载和异常处理等方面的操作，它摒弃了C++的复杂性，更易使用，更少出错。它使用组件编程，和VB一样容易使用。

4 实验应用

凭借其出众的越野越障能力和良好的机动性，可适应多种复杂地形复杂环境，可进入地震灾區等恶劣环境执行侦查、搜索、救援、运送救灾物资等工作，也可执行反恐侦查等任务且具备对目标实施有效打击的能力。

5 结束语

硬件电路制作完成并调整好以后，将程序编译好下载到单片机试运行。该机器人各机构运行良好，各功能均已实现，能够以四足模式跨越障碍，又能以轮式行进，实际测试电磁炮可在4米之外打爆气球；无线信号传输稳定可靠，可穿透钢筋水泥墙壁；电磁炮充电过程安全无误，整体运行状况良好。系统将硬件操作、无线传输及串行通信三者结合起来，从而实现了远程进行控制机器人的功能。本机器人的上位机软件具有很好的可移植性。

参考文献：

[1]吕原君，陈琼.基于虚拟仿真的四足机器人步态分析[J].河北科技师范学院学报，2008.

[2]王吉岱，卢坤媛，徐淑芬，等.四足步行机器人研究现状及展望[J].制造业自动化，2009.

[3]徐富新，向超，刘雁群，等.实验室测试数据实时收发系统的设计与实现[J].计算机工程与科学，2015.

[4]贾瑞.基于Arduino Mega2560的无线监控小车设计[J].数字技术与应用，2013.

[5]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京航空航天大学出版社，1995.

[6][美]Mark Nelson.串行通信开发指南[M].中国水利水电出版社，2000.

[7]扈啸，周旭升.单片机数据通信技术从入门到精通[M].西安电子科技大学出版社，2002.

[8]雷静桃，高峰，崔莹.多足步行机器人的研究现状及展望[D].北京：北京航空航天大学，2006.

[9]徐轶群，万隆君.四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制[J].机械科学与技术，2003.

[10]Jones Bryan A.机器人连续运动的实时执行[Z].电气与电子工程师协会理事会关于机器人技术，2006.

[11]金志明.高速推进内弹道学[M].北京：国防工业出版社，2001.