张佳纯 韩依婷 陆春意 高子君 朱茵 杨茜
南京工程学院 211167
摘要：科学家最新研制的ATHLETE(全地形六足地外探测器)机器人对于未来月球基地建设和发展充当着至关重要的角色。这种机器人是美国宇航员勘测月球的一个重大变革，ATHLETE机器人对月球勘测带来更大的便利，在其爪子上安装摄像仪可以拍摄视频。做出实物实现前进、后退、右转、避障等动作，并对一些参数进行修改实现设计的优化。仿生六足步行机器人根据节肢昆虫的步行原理，建立起步行运动的模型，将昆虫的运动进行简化，抽象出六足运动的基本原理。
关键词：曲柄连杆；多足机器人；红外避障
一、前言
本机器人由底板、电源、遥控接收器，马达、从动齿轮和行走机构构成，底板包括上底板和下底板，上底板与下底板构成上下层结构，电源与遥控接收器设置在上底板上，马达设置在下底板上，行走机构设置在底板的两侧，电源与遥控接收器连接，遥控接收器与马达连接，马达的转轴上设置有蜗杆，蜗杆与从动齿轮啮合形成蜗轮蜗杆结构，从动齿轮的转轴驱动行走机构。
行走机构包括主动腿和从动腿，主动腿与从动腿铰接，从动齿轮通过L型传动轴与主动腿连接，主动腿上设有定位槽，底板上设有定位轴，定位轴位于定位槽内。L型传动轴的一端与从动齿轮的转轴连接，另一端通过固定轴与主动腿连接。马达分别控制两组行走机构。
通过遥控器以及红外接收器等控制六足机器人的行走。
预期达到的目标：
1、六足机器人能进行左转、右转行动，实现灵活转弯；
2、可以简单的越过一些障碍；
3、可以通过手柄进行遥控；
二、运动结构
1、曲柄连杆机构
四杆机构的应用几乎遍及现代工业的各个方面。是多足机器人运动的更加平稳，步态合理，这就对曲柄摇杆机构的机构尺寸、结构布局、运动特性及结构整体受力状况等提出了很高的要求。连杆机构的设计问题通常可归为按给定的运动规划设计和按给定的运动规律设计。本论文将基于MATLAB的对曲柄摇杆机构的基础优化与运动学仿真分析結合成综合性的设计方案，从而提升并验证二维曲柄摇杆机构的综合机能。
2、运动学仿真分析
本文采用的是SolidWorks Motion分析功能进行简单的初步运动学仿真分析。SolidWorks Motion的Photocomics仿真有ADAMS系统的强效支撑，运动学仿真功能较为完善。
曲柄摇杆机构结构简单，依据前文所给优化后实例，鉴于本文只做初步运动学分析，将该曲柄摇杆机构视作简单理想刚体进行运动仿真，忽略杆件本体质量（引力）及各转动副摩擦，只研究摇杆的一系列运动特性。
3、过程分析
确认软件已经加载了SolidWorks Motion插件，用SolidWorks 2016绘制的曲柄摇杆机构三维图，设置文档单位，添加驱动——马达，机构中的原动件以100r/min匀速转动，现只考虑摇杆的输出数据，输出的图表结果图2至图7：
以上为摇杆输出角度方面的各个运动参数的数据曲线图表，具体名称见上图。综合以上图表数据，依据前文MATLAB优化得到的曲柄摇杆机构各个杆件尺寸绘制的曲柄摇杆机构装配体，基本满足所要求的约束条件，仍然存在一定误差，有待后续改进。加速度曲线显示出该机构具有一定的急回特性。
三、基于Arduino的红外避障控制设计
系统以STM32单片机为系统的中央控制器，将中央控制器与舵机控制器，舵机，各类传感设备及受控部件等结合，构成整个行走机器人，达到行走、做动作的目的。单片机中央控制器与舵机控制器以串口通信方式实现。硬件包括舵机控制器，按键，各种传感器和数据采集与处理单元。软件包括单片机初始化、主程序、信号采集中断程序、通过串口通讯的接收和发送程序。
软件设计设计方案主要由三大部分构成：
（1）主程序设计。接收器将手柄的遥控信号通过串口发送给单片机STM32，然后由单片机对信号进行分析处理后正确识别后执行相应的中断动作子程序，输出匹配的舵机控制指令，控制机器人完成相应的姿态动作。
（2）在机器人行进的过程中，使用红外传感器对外部環境进行检测，并将信息传递给单片机然后进行处理，并执行相应的舵机控制指令。
（3）在设计动作时，利用串口通信的方式，通过上位机调试每个舵机不同转动角度并得到对应的指令控制数据，建立数据库，方便程序调用。
四、结语
系统的核心处理器为给予ARM Cortex-M4内核的STM32处理器，高性能以及低功耗的优点大大提高了系统的可靠性。本设计选择4自由度机器人作为设计的框架，并在其基础上进行设计，简单的4个关节即可实现行走目的，适用性强，易于控制，减少了开发时间。
参考文献：
[1]刘静,赵晓光,谭民.腿式机器人的研究综述[J].机器人,2006,28(1):82-86.
[2]马培荪,窦小红,刘臻.全方位四足步行机器人的运动学研究[J].上海交通大学学报,1994,28(2):36-39.
[3]李明东,程君实,马培荪等.一种形状记忆合金驱动的微小型六足机器人[J].上海交通大学学报,2000,34(10):1426–1429.
[4]徐小云,颜国正,丁国清.微型六足仿生机器人及其三角步态的研究[J].光学精密工程,2002,10(4):392-396.
[5]袁鹏,孟庆鑫,王沫楠等.两栖仿生机器蟹的单足路径规划和生成[J].哈尔滨工程大学学报,2003,24(3):297-301.