前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的談一種適應崎嶇地形的機器人實驗設計，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘要：為了適應新工科建設的新要求，設計了一種適應本科生工程實踐訓練的六足機器人實驗平臺。此實驗平臺結合機械、電子控制等學科知識，實現學科交叉融合的人才培養要求。六足機器人形象生動，寓教于樂，易于激發學生參與興趣，能夠有效提高學生的動手能力及工程實踐技能。

關鍵詞：六足機器人；實踐教學；實驗平臺

近年來，各高校都在積極推進新工科教育改革[1]，加強學科交叉人才培養，以適應新形勢下社會對工程技術人才的需求。為了提升本科生的大工程觀，特別是工程實踐能力[2-3]，西安交通大學實踐教學中心在本科生實踐教學活動中，引入具有趣味性，易于激發學生訓練興趣，綜合機械、電子控制等學科的仿生機器人作為實驗平臺，在教學過程中獲得了良好的效果。仿生足式移動機器人具有豐富的步態和精細的肢體結構，運動靈活、可靠性高。相比于常規的輪式或履帶式機器人，足式機器人能夠適應荒漠、草地、碎石崗、淺灘、湖泊等復雜環境。在足式機器人研究中，足少會有平衡性問題，足多則控制復雜度高，綜合評估得出六足機器人是能夠適應崎嶇地形的最合適研究對象。六足機器人穩定性較強，具備較強的越障能力，多種步態組合能夠適應多種崎嶇地形。基于此，本文設計了一個適應崎嶇地形的小型六足機器人運動控制實驗平臺(簡稱實驗平臺)，使其能夠完成對草地、沙地、碎石崗等復雜環境的探索。

1實驗平臺組成

實驗平臺主要包括動力系統、主體結構、供電系統、控制系統四大部分[4]。圖1為小型六足機器人的整機結構，其主體結構是由環氧樹脂板拼接搭建而成的，實物搭建過程中需要關注的問題是整機密封防水的設計；供電系統主要是為動力電機、拉線電機、LED燈、控制器等供電，包括電池、電量顯示模塊、繼電器開關板、充電口；控制系統主要包括硬件選型和電路連接，控制系統建立過程中需要考慮動力電機控制、拉線電機控制、圖像傳輸系統控制和遙控測試方案。

2實驗平臺供電設計

小型六足機器人需要供電的部件較多，且動力電機過電流較大，因此必須設計穩定可靠的供電系統，為整個機器人的動力系統和控制系統供電[5]。小型六足機器人供電系統示意圖如圖2所示。由于小型六足機器人需要控制6個動力電機和6個拉線電機，電機的過電流較大，因此選擇了25C的航模電池，可承受100A電流。為避免大電流對人造成傷害，使用繼電器開關板對電源系統進行隔離控制，6個動力電機分兩組接入2塊M3508中心板進行供電，6個拉線電機接到3個L298N驅動模塊。TX2與STM32F407都是5V供電，需要利用直流穩壓模塊將24V電源轉換為5V。開關板自帶電壓轉換模塊，將24V電源降為5V并用作開關控制，從而達到小電流控制大電流的目的。所有供電通道都為常閉狀態，由總開關控制5V電源通道，總開關閉合時，所有供電打開；總開關斷開時，所有供電斷開。

3實驗平臺控制實現

小型六足機器人控制系統如圖3所示，主要是由主控制器、協主控、上位機(獲取視頻信息)、遙控器(便于測試)、六軸加速度傳感器、動力電機、電調、拉線電機、電機驅動器組成[6]。主控制器主要負責根據傳感器的數值或者遙控器指令控制六足機器人的運動；協主控主要負責收集攝像頭采集的信息并通過Wi-Fi將其傳送至上位機，在測試過程中協主控還負責給上位機回傳機器人的位姿信息、電機位置和轉速信息，從而完成產品調試和檢測。

3.1主控制器

小型六足機器人需要控制12個電機，對控制器要求較高。小型六足機器人最終選擇STM32F407開發板作為主控制器，STM32F407有2個板載CAN接口，能夠輕松控制6個M3508動力電機[7]；還有板載六軸(陀螺儀+加速度)傳感器芯片，為小型六足機器人的姿態測試提供反饋數據；16個定時器，144個引腳，豐富芯片內嵌資源，方便了拉線電機的編碼器位姿控制。此外，板上豐富的通信接口，方便了小型六足機器人主控制器與協主控之間的通信和遙控器的控制。

3.2電機驅動器

小型六足機器人的動力電機為M3508直流減速電機，其配套的控制器為C620電調(電機調速器)。C620電調支持PWM控制和CAN通信控制，為精確地控制六足的步態相位，選取CAN總線控制方法。C620電調支持總線上快速設置ID并且支持通過CAN總線獲取電機溫度、轉子位置和轉子轉速等信息。6個M3508動力電機需要6個C620電調但僅需1條CAN總線就能實現對6個電機的控制。拉線電機控制較為復雜，其自帶的AB相編碼器接入控制器，可以讀取并計算電機的轉向、轉速和轉圈數(電機帶90∶1減速器，即編碼器返回一次高電平電機轉動1/90圈)。電機的驅動控制是通過L298N模塊實現的，L298N模塊能夠實現電機的正轉、反轉、制動和掉電四個狀態，具體位置控制通過主控板邏輯程序實現。

3.3C型足運動學仿真

小型六足機器人能夠適應崎嶇地形的關鍵是設計了一套C型足，其結構和運動學模型如圖4、圖5所示。根據C型足運動學模型，可得六足機器人的直線運行速度和震動速度表達式：為使機器人前進時速度平穩一些，三角步態控制過程中不會是簡單的勻速控制。結合本實驗機器人的支撐相位角為60°，時間占比1/2，擺動相位角300°，時間占比1/2，動力電機輸出角速度應從支撐相開始時減速至支撐相中位值后加速，支撐相結束后依然加速達到擺動相中位值后減速，減速至支撐相開始完成一個周期，可以看出動力輸出電機角速度擬合后會使小型六足機器人的行進速度更加平穩。從圖6擬合后速度曲線可以看出，六足的行進速度變化量只有0.025m/s。輸出軸心在Z軸方向上的速度曲線變化不大，說明非勻速電機控制并不會使機器人抖動加劇，反而使得機器人平穩運行。

4實驗平臺效果

將小型六足機器人的動力系統裝入殼體，選擇剛性足裝到電機輸出軸，按照其硬件布線表裝入主控制器、協主控、相機、遙控器等，完成布線后樣機如圖7所示，控制流程如圖8所示。實驗過程中，學生可以在不同路面情況下進行測試，如圖9所示，六足機器人能夠在平地、草地上正常行走，此外還可測試其上下臺階的性能。整個實驗將設計性和趣味性融為一體，學生的動手實踐體驗較好，很容易激發學生的參與興趣[8-9]。

5結語

實踐教學歷來都是各高校非常重視的人才培養環節，設計出能夠激發學生興趣、吸引學生主動參與的實踐項目是實驗教師一直思考的問題。本文介紹的實驗平臺，將相應的機械加工、電子控制、調試測試等環節融入整個實驗過程中，寓教于樂，使學生在完成整個實踐活動后，能夠得到很好的項目鍛煉體驗。

作者：李黨超 朱愛斌 李昊城 單位：西安交通大學實踐教學中心 西安交通大學機械學院