仿生蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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1 機(jī)器人本體設(shè)計(jì)
生物界蜘蛛的特點(diǎn)是擁有8條腿，在行走時，總會有4條腿著地，用以保持自身的平衡。其生物行為除了行走，還有轉(zhuǎn)彎、攻擊、趴下等，每個行為作業(yè)都靠腳部的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)，因此對腿部的靈活度要求較高；其次，要使機(jī)器人具有生物的特性，需對外界的刺激做出正確的判斷和及時的響應(yīng)，所以感覺器官的模擬也至關(guān)重要。
1．1 軀干設(shè)計(jì)
考慮到蜘蛛機(jī)器人軀干部位對靈活度基本沒有要求，無需搭建活動關(guān)節(jié)，且整機(jī)控制器不宜受到關(guān)節(jié)活動干擾，于是將整機(jī)控制器作為軀干部位，完全符合要求，并且便于操控?？刂破鞑捎?6位高性能低功耗的AVR單片機(jī)，頻率最高為16 MHz，運(yùn)算速度最快為16 MI·s-1。對于小型仿生蜘蛛機(jī)器人的運(yùn)動解算和規(guī)劃，該運(yùn)算能力足以滿足控制和在線規(guī)劃的運(yùn)算要求。
1．2 腿部設(shè)計(jì)
腿部設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)蜘蛛機(jī)器人功能的關(guān)鍵。機(jī)器人設(shè)計(jì)有6足，行走時依靠兩兩間隔的3條腿構(gòu)成穩(wěn)定的三角形支撐地板，每只腿設(shè)計(jì)為3個關(guān)節(jié)，即具有3個自由度。并且將軸向分布成x軸、y軸、z軸，實(shí)現(xiàn)前后、左右、上下的三維活動空間。選取18個Robotis公司的Dynamixel AX-12+機(jī)器人專用伺服電機(jī)充當(dāng)肢體關(guān)節(jié)。
Dynamixel AX-12+是機(jī)器人專用的伺服電機(jī)，充當(dāng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)。首先，Dynamixel系列機(jī)器人驅(qū)動器是一個較流行的模塊化驅(qū)動器，由齒輪減速器、精密直流電機(jī)和具有串聯(lián)功能的電路板封裝組成。盡管它體積小巧緊湊，但它可以產(chǎn)生較大的扭矩，加上高品質(zhì)材料制造并具有一定的強(qiáng)度，可以抵御一定外部沖擊。同時它還是雙向的伺服控制系統(tǒng)，具有回授功能，且具有檢測內(nèi)部溫度功能，例如改變內(nèi)部溫度和供電電壓。具有報警功能：當(dāng)內(nèi)部溫度，扭矩，供電電壓等超過額定范圍時，它主動反饋這種情況并閃動LED燈或關(guān)閉舵機(jī)扭矩來通知用戶，達(dá)到報警效果。
Dynamixel AX-12+的位置和速度控制精度可達(dá)1 024級(0～1 023)，關(guān)節(jié)型舵機(jī)對應(yīng)最大轉(zhuǎn)角為300℃，控制角度分辨率為300／1024= 0．29°／步。如圖1所示，位置值0是0°，位置值512是150°，位置值1 023是300°等。通信波特率為7 343 bif·s-1～1 Mbit·s-1，命令信號是數(shù)字型數(shù)據(jù)包，通信協(xié)議類型為半雙工異步串口通信，不同舵機(jī)之間通過唯一的ID進(jìn)行識別，最大有254個ID。每個Dynamixel AX-12+舵機(jī)都有一個控制表存儲舵機(jī)的狀態(tài)和控制信息，這個控制表由一個RAM區(qū)和E2PROM區(qū)組成，對舵機(jī)的控制實(shí)際是通過向其控制表中寫指令；而要獲取舵機(jī)當(dāng)前狀態(tài)實(shí)際就是讀取控制表相應(yīng)的值。
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