一种基于STM32的四足机器人设计与仿真分析

李一鸣 罗唯源 赵云龙 王利康 阚庆国

摘 要：四足机器人在科学研究和社会实践中有着重要地位。鉴于此，在简单四足机器人模型的基础上，提出自行走控制系统。首先对机器人进行结构分析，其次在SolidWorks软件中建立模型机，然后采用MATLAB软件仿真，并对仿真结果进行分析，最后基于STM32单片机控制机器人自动行走。

关键词：四足机器人;运动分析;仿真

0    引言

目前国内外都非常重视煤矿救援机器人的研究与开发，国外进行相关研究的起步较早，技术也较为成熟。国外救援机器人已经具有建立巷道三维模型的功能（比如美国卡内基梅隆大学研制的机器人Groundhog），国内外机器人的移动方式都以轮式和履带式为主，而控制方面都是采用远程遥控方式，目前也都还没有在巷道中实现完全自主导航完成救援的报道[1]。

伴随着传感器、智能控制等技术领域的发展，相比于矿井机器人（发生灾害后环境复杂且充满危险），移动机器人在自主导航方面已经有了长足的进步，尤其是室内机器人自主导航技术已经相对成熟，而室外如汽车自动驾驶模式的发展也十分迅速[2]。

本文主要探究一种可以在矿井内部自动行走的四足机器人，目的是可以传输影像、探查音源等，用于矿井发生事故时进行井下救援，防止二次事故对救援人员造成伤害。本文主要介绍了第一阶段的研究内容，即控制四足机器人自动行走。

目前，机器人的移动方式[3]主要包括履带式、轮式和足式。

履带式机器人能更好地适应松软的地形，例如沙地、泥地，履带与地面接触面积大，较平稳，缺点是对高低落差较大的地形无能为力。

轮式机器人更适合平坦的路面，特别是马路，且能高速移动，但容易打滑，不平稳，且对复杂地形无能为力。

四足机器人步行腿具有多个自由度，落足点是离散的，故能在足尖点可达域范围内灵活调整行走姿态，并合理选择支撑点，具有更高的避障和越障能力[4]。为此，四足机器人的研究已成为机器人学中一个引人注目的领域，而运动学的研究是步行机器人各项研究的基础[5]。

本文首先根据四足动物的身体结构[6]，提出一种四足机器人结构设计方案，然后对该机器人进行结构分析，并采用SolidWorks软件建立四足机器人的虚拟样机，最后对分析结果进行仿真验证。

1    四足机器人本体结构设计

1.1    自由度确定

四足机器人在行走过程中，腿部主要有两种状态[7]：摆动态、支撑态。摆动态时步行腿相当于连杆串联起来的空间开链式结构，步行腿的自由度数等于关节数。支撑态时基体是并联机构的中央构件，地面可作为并联机构的机架，步行足与地面接触存在摩擦，不打滑[8]，可看作是与地面组成的球关节。

如图1所示，该腿部机构构件数为4，包含5个低副（其中包含1个复合铰链），不含高副。

设任意时刻处于支撑相的腿数为n（n≤4），则此时模型为具有n个分支的空间多环并联机构，其自由度数M可由式（1）计算：

F=3n-（2Pl+Ph）                           （1）

式中：F为自由度;n为构件个数;Pl为低副个数;Ph为高副个数。

将n=4，Pl=5，Ph=0代入式（1），得单腿的自由度F=2，故机械的总自由度等于8。由此可知，无论该机器人采用何种步态，躯体在一定范围内均可实现任意位置和姿态，同时也验证了本文所建立的简化结构能够满足机器人在空间的基本运动要求。

1.2    机构模型的建立和简化

该四足机器人的机械结构参考了哺乳类动物的生理结构，由五部分组成。腿部与躯干由5个关节连接，每个关节的自由度有1～3个。考虑到机械的灵活性与复杂性的关系，对机械結构进行一定的简化。简化后结构如图2所示，由五部分组成。4条腿的参数、结构相同，并且呈中心对称分布。

由图3可以看出，该机器人结构相对简单，每条腿配有2台电机，分别控制腿部的前半部和后半部，共配有8台电机，其与4条机械腿以及上下2块金属盖板共同组成了该四足机器人。

2    运动设计及仿真

2.1    四足机器人足端轨迹规划

令起点位置Ps=（xs，ys，zs），期望落脚点的位置为Pd=（xd，yd，zd），则每次跨腿的长度为Tx=xd-xs，每次抬腿高度为Tz=zd-zs。

足端轨迹规划采用Raibert提出的算法[9]，具体地，令T为步态周期，h为支撑相占空比，则摆线轨迹为：

σ=              （2）

Xe=

-

，                 t≤λT，

-

t-λT

+T， t>λT  （3）

Ze=-Tz

+Tz， t≤λT，