某六自由度機器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u12107某六自由度機器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計分析案例 151931.1開發(fā)環(huán)境的配置 163781.2步態(tài)規(guī)劃設(shè)計 1259571.3控制思想的整體設(shè)計 2307221.4舵機控制程序 3190141.5避障避險設(shè)計 580771.5.1避障避險控制思想 5196331.5.2避障避險程序 61.1開發(fā)環(huán)境的配置RosBot主控板的控制代碼與C，C++或Java等語言十分類似，只是加入了一些自身與硬件結(jié)合的控制語言,編程語言是以setup（）開頭，loop（）作為主體的一個程序構(gòu)架[13]，使用的編程軟件版本是Kittenblock1.7.7，運用簡單易懂的圖形化語言編寫機器人的各種步態(tài)和其他控制動作，調(diào)試界面簡單流暢。在Kittenblock上編好程序后下載到RosBot單片機上，可直接對單片機上的模塊進行操作。1.2步態(tài)規(guī)劃設(shè)計步態(tài)規(guī)劃是機器人穩(wěn)定步行的基礎(chǔ)，如果沒有一個好的步態(tài)規(guī)劃，那么機器人將無法完成任何任務(wù)。在步態(tài)行走過程中，機器人的肩部、骻部、膝蓋以及腳踝等各關(guān)節(jié)聯(lián)動為一個整體，相互協(xié)調(diào)運作才能完成行走動作。在機器人行走過程中，以下幾步顯得尤為重要。重心左移：原先站立狀態(tài)的機器人重心左移，使機器人的重心轉(zhuǎn)移到左腳板上，左腳受力支撐全身，右腳離地。實現(xiàn)方法：通過調(diào)節(jié)雙腳的腰部舵機1和足舵機2使機器人達到如下圖所示位置。其原理類似正方形變成平行四邊形的過程。圖圖1.1機器人重心左移右腳跨出：在重心落在左腳的情況下，右腳向前跨出。具體的實現(xiàn)方法是調(diào)節(jié)腰部舵機2和足舵機1。此時需要右腳的腳板與地面保持平行，這樣會使行走變得非常簡單；右腳著地：重心逐漸回到中心位置。同時調(diào)節(jié)左腳腰部舵機2與舵機1使機器人右腳著地，實現(xiàn)第一步的跨出。中心左偏：通過調(diào)節(jié)腰部舵機1與足舵機2使機器人重心右偏，將機器人重心落在機器人左腳。跨出左腳：在上一圖的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)左腳的腰部舵機2與足舵機1使機器人左腳跨出。左腳著地：原理同右腳著地。重心左移右腳收回：通過腳步舵機1足舵機2實現(xiàn)重心的左移，然后收回右腳，這樣就實現(xiàn)了連續(xù)前進，而不是每一步都從立正開始立正結(jié)束，使機器人的行走更擬人更自然。1.3控制思想的整體設(shè)計執(zhí)行程序的設(shè)計思路從三方面進行講述，首先，在PC機上對六自由度探索機器人進行程序的編寫工作，將程序下載到RosBot主控板上，實現(xiàn)對六個舵機的分級控制，通過控制六個舵機的轉(zhuǎn)動角度來實現(xiàn)機器人的步態(tài)行走，通過調(diào)節(jié)六個舵機的轉(zhuǎn)動速度來實現(xiàn)機器人的穩(wěn)定前進[14]；其次，由超聲波傳感器發(fā)射檢測信號，當(dāng)檢測到有障礙物時，及時作出調(diào)整；最后，在復(fù)雜地形中，在攝像頭提供鏡頭的前提下，可使用上位機PC端或Android端通過WiFi模塊進行無限遠程控制。具體的執(zhí)行程序框圖如下：開始開始尋跡前進尋跡前進超聲波超聲波發(fā)射檢測信號或攝像頭進行物像數(shù)據(jù)采集Y路線是否正常Y路線是否正常NN調(diào)整步態(tài)調(diào)整步態(tài)，繼續(xù)前進N判斷是否到達目的地N判斷是否到達目的地Y結(jié)束Y結(jié)束圖圖1.2控制思想的整體設(shè)計1.4舵機控制程序根據(jù)前章的舵機介紹部分里，已經(jīng)明白舵機的控制技術(shù)的關(guān)鍵問題在于轉(zhuǎn)過的角度而不是轉(zhuǎn)過的速度。由Mega328P芯片的計時器產(chǎn)生成脈沖寬度調(diào)制信號，產(chǎn)生信號的脈沖周期為20ms，然后把這相應(yīng)的脈沖信號送到相對應(yīng)的I/O端口處，這樣與之相對應(yīng)的舵機就開始動作了[15]。舵機可以控制機器人各個關(guān)節(jié)的停留角度，驅(qū)動簡單，控制方便，使關(guān)節(jié)控制變得穩(wěn)定。舵機的控制流程圖如下：圖1.3舵機控制流程圖圖1.4舵機控制程序在PC中使用Kittenblock軟件中編寫程序控制舵機角度和速度的變化時，需要調(diào)用Servo舵機庫函數(shù)，不然舵機是無法轉(zhuǎn)動的，同時注意加入部分延遲函數(shù)，保證舵機運行的穩(wěn)定性。圖1.4舵機控制程序1.5避障避險設(shè)計1.5.1避障避險控制思想本系統(tǒng)設(shè)計的六自由度探索機器人，與傳統(tǒng)的機器人避障不同，采用兩個超聲波傳感器分別位于機器人的左右兩側(cè)進行避障避險，為了表達清楚，我們把左翼的超聲波傳感器距離障礙的距離設(shè)置為L1，右翼的超聲波傳感器距離障礙的距離設(shè)置為L2，傳感器實時監(jiān)測前方障礙，當(dāng)L1<20cm且L2>20cm時，表示機器人的左側(cè)有障礙，反之則沒有障礙，兩個超聲波傳感器比單一的傳感器更加準確，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活避障。圖1.5避障避險流程圖1.5.2避障避險程序針對簡單地形，視覺可以觀察到的地形時，采用超聲波傳感器進行避障避險，雖然這種方式避障形式單一，但可以較好的避開障礙物，本設(shè)計把超聲波傳感器安裝在機器人左右肩部位置，在機器人20cm遠的位置就可以探測到障礙物，從而調(diào)整舵機的角度，使得機器人輕松繞開中低端位置的障礙物，大大提高了機器人的避障效率；針對復(fù)雜地形，視覺觀察不到的地形時，如地洞裂縫等場所，使用攝像頭進行物像數(shù)據(jù)采集，從Android端或PC端觀看到里邊的畫面，同時利用WiFi模塊進行無線遠程控制，操控機器人暫停，后退，前進或改變自身轉(zhuǎn)向進行避障避險。部分程序為：圖1.6超聲波避障避險程序1下圖程序與避障避險程序1可以互相轉(zhuǎn)化，程序1在Kittenblock中屬于舞臺模式，程序2在Kittenblock中屬于代碼模式，而程序2的好處在于可以在Arduino軟件中