智能家居環(huán)境下六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張賽男　邱曉榮

摘要：該論文以六足仿生機(jī)器人作為研究目標(biāo)，采用了STM32單片機(jī)的開源電子原型平臺(tái)作為主要的控制系統(tǒng)。對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、各組成部件的工作原理做詳細(xì)研究，設(shè)計(jì)制作一個(gè)基于STM32的六足機(jī)器人，再增加一些其他傳感器，機(jī)器人可以在室內(nèi)或室外進(jìn)行環(huán)境的大氣監(jiān)測(cè)，為人們的生活提供方便。

關(guān)鍵詞：智能家居;六足機(jī)器人;環(huán)境監(jiān)測(cè);STM32

中圖分類號(hào)：TP368.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）09-0086-03

1 引言

隨著現(xiàn)代化社會(huì)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人領(lǐng)域是極其重要的研究方向，而六足機(jī)器人作為多足機(jī)器人其中的一個(gè)典型代表，是當(dāng)下具有重要價(jià)值的話題熱點(diǎn)。六足機(jī)器人對(duì)各種環(huán)境都有極佳的適應(yīng)能力和靈活性，因其自身體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的運(yùn)動(dòng)靈活性和強(qiáng)大的承載能力，可以在智能家居環(huán)境條件下進(jìn)行工作，給我們的生活提供便利。

2 六足仿生機(jī)器人的基本介紹

2.1 結(jié)構(gòu)組成及其分析

六足仿生機(jī)器人具有六條腿和軀體主干，六條腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到機(jī)器人是否能平穩(wěn)行走進(jìn)而來適應(yīng)環(huán)境。六條腿分別依次對(duì)稱均勻地分布在機(jī)體的兩個(gè)側(cè)面，一條腿有三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，即三個(gè)自由度，從內(nèi)往外分別依次是跟、髖、膝。每條腿的跟關(guān)節(jié)和軀體主干融合為一體，跟關(guān)節(jié)向與機(jī)體身垂直的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的邁腿動(dòng)作。髖和膝兩個(gè)關(guān)節(jié)向與機(jī)體身平行的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的抬腿動(dòng)作。[1]

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)及其步態(tài)分析

三角步態(tài)作為六足仿生機(jī)器人其中的一種常見的典型步態(tài)之一，其腿在進(jìn)行三角步態(tài)的行走運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，會(huì)存在不相鄰的三條腿在相互交替以實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)，三角步態(tài)是將機(jī)器人的六條腿一共分為兩個(gè)組，第一組是由腿（1，4，5）組成，第二組是由腿（2，3，6）組成，每一組都可以構(gòu)成一個(gè)三角形，并且依靠驅(qū)動(dòng)可以完成支撐和擺動(dòng)。[2]如果機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候都會(huì)有四條腿正在處于支撐狀態(tài)，不相鄰的兩條腿正在處于擺動(dòng)狀態(tài)，這就是六足機(jī)器人的四角步態(tài)。三角步態(tài)的特殊表現(xiàn)形式是橫向步態(tài)，當(dāng)它正在處于橫向步態(tài)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，腿（3，4）都會(huì)具有多足哺乳動(dòng)物踢腿的步態(tài)行走的特征，剩余的腿（1，2，5，6）也都會(huì)擁有多足爬行昆蟲的波動(dòng)行走的特征，[3]對(duì)橫向步態(tài)的進(jìn)一步探索，對(duì)于它在各種環(huán)境中進(jìn)行全方位的行走移動(dòng)具有極大的意義。

3 六足機(jī)器人設(shè)計(jì)制作的總方案

六足仿生機(jī)器人的控制板設(shè)計(jì)選擇了嵌入式作為主要的處理系統(tǒng)，將單片機(jī)STM32應(yīng)用為該機(jī)器人的控制器，控制板、電路、電池、舵機(jī)等安裝在中間位置組成了機(jī)身，最上層安裝肢體和其他傳感器模塊。[4]本機(jī)器人是鋰電池供電，并且可以為舵機(jī)、控制板以及其他的模塊供電。當(dāng)開關(guān)通電之后，六足機(jī)器人處于站立狀態(tài)，電源燈指示燈顯示正常。驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)可以控制其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，方便進(jìn)行驅(qū)動(dòng)利于實(shí)驗(yàn)[5]。

為了讓六足機(jī)器人完成溫度感應(yīng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等實(shí)驗(yàn)任務(wù)，運(yùn)用基于ZigBee的Z-stack協(xié)議，將其嵌入到設(shè)備中。環(huán)周圍環(huán)境中的溫濕度信息會(huì)通過DHT11模塊傳輸給STM32控制板，并通過攝像頭模塊采集周圍環(huán)境信息的視頻圖像，然后，主控板會(huì)再將采集到的圖像信息運(yùn)用Wi-Fi模塊傳輸?shù)街骺匕?，主控板?huì)通過信息進(jìn)一步控制六足機(jī)器人的行走路徑，對(duì)周圍環(huán)境中的信息進(jìn)行下一步的探測(cè)。本實(shí)驗(yàn)制作對(duì)于室內(nèi)而言，可對(duì)家居裝修進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)室內(nèi)的甲醛含量，保證安全健康，同時(shí)也可監(jiān)測(cè)煙霧、液化氣、天然氣、甲烷等氣體，當(dāng)有害氣體達(dá)到一定值進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警，有一定預(yù)防火災(zāi)的安全作用。

1）主控模塊

本六足機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制作選擇了STM32F407ZGT6作為核心控制器，此單片機(jī)具有極高的性能、豐富合理的外形設(shè)計(jì)，低功能消耗，合適的價(jià)格。

2）ZigBee

ZigBee是一項(xiàng)近距離、低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，并且其具有兼容性強(qiáng)大、信息容量大、安全并且可靠性高、更為便捷的優(yōu)秀特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在此實(shí)驗(yàn)中是由ZigBee與各種傳感器兩者共同組成的，因此，機(jī)器人可以做到自動(dòng)采集并且分析和處理各種數(shù)據(jù)，并且能夠在主控板和終端之間高效率的雙向傳送數(shù)據(jù)內(nèi)容。

3）驅(qū)動(dòng)模塊

其六足機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)依靠的是舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，此模塊操作起來方便，性能好，更穩(wěn)定。

4）舵機(jī)

SG90 舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是由調(diào)整 PWM波的脈沖寬度來決定的。六足機(jī)器人的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)以設(shè)定相應(yīng)定時(shí)器的不同端口來控制舵機(jī)，其脈沖寬度與舵機(jī)的轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng)，該舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為0°～180°。每一條腿的關(guān)節(jié)處都有舵機(jī)，舵機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，六個(gè)舵機(jī)固定在六個(gè)定點(diǎn) ，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)肢體的前進(jìn)和后退移動(dòng)行走，其中兩個(gè)舵機(jī)在每支腿的連接軀干處，兩個(gè)舵機(jī)各有所用，一個(gè)用來控制足的轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)用來控制足的起來和落下。還有一個(gè)舵機(jī)用來連接支撐部分，這樣就可以完成下半部分足的起來和落下。整個(gè)系統(tǒng)共由18路舵機(jī)組成，一個(gè)足則需要三個(gè)舵機(jī)，幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。

5）外圍傳感器

MPU6050外圍傳感器是由兩個(gè)模塊（三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)）共同組成的一款高性能的六軸傳感器，其模塊主要用于測(cè)量姿態(tài)角和加速度，并且支持姿勢(shì)識(shí)別、畫面的放大和縮小、滾動(dòng)以及感應(yīng)等功能，其FIFO執(zhí)行方法，利于降低系統(tǒng)的功耗。

6）超聲波測(cè)距模塊

在檢測(cè)六足機(jī)器人與障礙物的距離的時(shí)候，共需要位于轉(zhuǎn)接板的三個(gè)不同方向（左中右）的三個(gè)測(cè)距模塊進(jìn)行測(cè)量。US-100超聲波測(cè)距模塊，它擁有靈敏度很高以及抗環(huán)境干擾性能好、工作起來穩(wěn)定并且可靠的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量六足機(jī)器人與障礙物的路程是通過高電平的持續(xù)時(shí)間測(cè)量出來的。如果設(shè)定六足機(jī)器人躲避障礙物的安全間距為0.5米，即當(dāng)障礙物和它之間的距離小于0.5米時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的PWM信號(hào)進(jìn)行自減，驅(qū)動(dòng)電機(jī)減小速度，機(jī)器人慢慢減速前進(jìn)，因此，六足機(jī)器人就完成了它的自動(dòng)避障功能。

7）溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器是數(shù)字采集和傳感的一種復(fù)合類型的傳感器，其體積小，并且擁有反應(yīng)速度效率快、很強(qiáng)的抵抗外界能力以及極高的性價(jià)比，極低的功能消耗、較高的安全穩(wěn)定性等優(yōu)秀特點(diǎn)。

8）Wi-Fi模塊

USR-C322是一款超低功耗WIFI模塊。體積小，可一鍵聯(lián)入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，速度更快、完美解決智能家居應(yīng)用中的聯(lián)網(wǎng)操作復(fù)雜的問題 。該傳感器體積小，安全性能更高，并且容易焊裝、工作電壓低，低功能消耗，數(shù)據(jù)傳輸速度快！

9）OLED顯示屏

OLED顯示屏用于顯示六足機(jī)器人的參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息以及環(huán)境實(shí)時(shí)信息，其面積僅為L(zhǎng)CD屏幕的1/3，其具有厚度薄、質(zhì)量小、視角范圍廣闊以及響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

10）二氧化碳（CO2）傳感器

JXBS-3001二氧化碳傳感器采用的是單光源、雙通道探測(cè)器，半導(dǎo)體傳感器探頭作為核心檢測(cè)器件;不僅安全可靠而且外觀美觀，安裝方便。其擁有信號(hào)穩(wěn)定、精度高、高靈敏度、測(cè)量范圍廣泛、使用方便、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器不僅防水也防腐蝕，即便是在惡劣的環(huán)境條件下，也可以檢測(cè)到穩(wěn)定并且可靠的數(shù)據(jù)信息。

11）MQ2煙霧傳感器

MQ2傳感器適用于氣體探測(cè)的一款多種氣體（液化氣、氫氣、苯和烷、酒精和煙霧）監(jiān)測(cè)儀器，其更加在家庭的氣體泄漏監(jiān)測(cè)中適用，擁有極其廣泛的監(jiān)測(cè)范圍、穩(wěn)定性強(qiáng)且壽命時(shí)間長(zhǎng)、組成的電路簡(jiǎn)單以及抗干擾性能良好等優(yōu)點(diǎn)，可以排除其他刺激性煙霧的干擾。

12）MQ4氣體傳感器

MQ4是對(duì)于甲烷、天燃?xì)鈸碛泻芨哽`敏度的一種氣體傳感器，是一種應(yīng)用于家庭、工業(yè)的探測(cè)裝置，其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路較為簡(jiǎn)單，長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命和穩(wěn)定性可靠以及快速響應(yīng)。

13）甲醛氣體傳感器

CJ-01-SH20甲醛傳感器在對(duì)空氣中甲醛的含量進(jìn)行探測(cè)時(shí)，運(yùn)用的是電化學(xué)原理，因此其具有良好的可靠穩(wěn)定性，靈敏度優(yōu)越、較強(qiáng)的抵抗干擾的能力等優(yōu)點(diǎn)，甲醛傳感器在空氣質(zhì)量設(shè)備的監(jiān)測(cè)、換氣系統(tǒng)以及智能家居環(huán)境中的應(yīng)用等場(chǎng)所中適用范圍較為廣泛。

14）激光PM2.5傳感器

DSL-08傳感器是一款在顆粒物上產(chǎn)生散射光的激光數(shù)字式傳感器，此傳感器含有激光器和光電接受組件，因此光可以通過光電接受器轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)，并且PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度以及PM0.3～PM10的粒子個(gè)數(shù)，可以通過特殊的算法計(jì)算出來。其體積小巧，更方便安裝在機(jī)器人上，監(jiān)測(cè)速度也快，產(chǎn)品性能好也防干擾，檢測(cè)數(shù)值穩(wěn)定準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

本文基于六足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，其實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)的功能已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，其地形適應(yīng)力較強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)較為靈活，在非結(jié)構(gòu)化非規(guī)則步態(tài)的地形中可以穩(wěn)定行走，同時(shí)，也具有負(fù)載能力，在六足機(jī)器人上搭載環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)的傳感器和其他設(shè)備，拓展其在智能家居方面的應(yīng)用功能，從而服務(wù)于我們的日常生活，并且，對(duì)六足機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，以及對(duì)于今后的研究工作中有著更深的影響意義。

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【通聯(lián)編輯：梁書】