基于Arduino的仿生六足偵察機(jī)器人設(shè)計(jì)

陳力雄，郭宛霖，張世龍，侯一航，戴杰，林秀芳

（閩江學(xué)院，福建福州，350108）

0 引言

六足機(jī)器人相比于傳統(tǒng)的機(jī)器人，如履帶式機(jī)器人，具有更靈活的機(jī)械結(jié)構(gòu)和移動(dòng)步態(tài)，能夠在復(fù)雜的環(huán)境中平穩(wěn)地行走，可以代替人類進(jìn)行設(shè)備巡視、工程勘測(cè)、排雷排爆、實(shí)時(shí)跟蹤及探測(cè)特定情況下無(wú)法進(jìn)入或是會(huì)導(dǎo)致人類的生命健康遭遇威脅的工作環(huán)境。Arduino是基于單片機(jī)的開放源碼的電子原型平臺(tái)，以其易學(xué)性和靈活性，可以接收來(lái)自各種傳感器的輸入信號(hào)從而檢測(cè)出運(yùn)行環(huán)境，并通過(guò)控制光源，電機(jī)以及其他驅(qū)動(dòng)器來(lái)影響其周圍環(huán)境0?；贏rduino開源平臺(tái)和仿生學(xué)原理，仿生六足機(jī)器人模仿多足類動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式，具有靈活性、可靠性、穩(wěn)定性、自主性的特點(diǎn)，面對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件具有強(qiáng)大的適應(yīng)能力。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

■1.1 材料選擇與加工

基于對(duì)自身重量、電源損耗性和經(jīng)濟(jì)性等因素的考慮，選用樹脂作為六足機(jī)器人外型結(jié)構(gòu)主要材料，樹脂材料制品表面光潔度高，且韌性好、耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、抗老化，使用壽命長(zhǎng)。運(yùn)用SLA（光固化技術(shù)）進(jìn)行3D打印，該技術(shù)是目前主流3D打印成型技術(shù)中精度最高，表面成型質(zhì)量好，打印精度高，性價(jià)比高。

■1.2 外型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生六足機(jī)器人的外型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用SOLIDWORKS軟件進(jìn)行三維建模，如圖1所示。六足機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)由多個(gè)零件構(gòu)成，主要分為軀干和腿部?jī)蓚€(gè)部分。六足機(jī)器人的腿部采用仿生結(jié)構(gòu)，仿昆蟲關(guān)節(jié)腿機(jī)構(gòu)。腿部的每個(gè)關(guān)節(jié)均由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)主控芯片控制驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)的舵機(jī)運(yùn)動(dòng)使六足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)仿生運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上保證了該六足機(jī)器人可以有效模擬六足昆蟲的行走方式，并可在多種復(fù)雜環(huán)境狀況下完成指定動(dòng)作。

圖1 三維模型裝配圖

■1.3 六足機(jī)器人尺寸參數(shù)

機(jī)器人整體尺寸約為（長(zhǎng)×寬×高） 435mm×75mm ×434mm。具體參數(shù)如表1所示。

表1 具體尺寸參數(shù)

■1.4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

由于六足機(jī)器人六條腿結(jié)構(gòu)一致且尺寸大小相等，選取其中一條腿進(jìn)行分析，如圖2所示，桿1表示六足機(jī)器人的大腿，桿2表示六足機(jī)器人的小腿，桿3表示六足機(jī)器人的軀干部分。假設(shè)各部分質(zhì)量均勻分布，分析A點(diǎn)以及B點(diǎn)的力和力矩可得以下結(jié)果。

圖2 力學(xué)分析模型

其中CM為大腿關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，BM為小腿關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩。

使用SOLIDWORKS軟件對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出六足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力分析圖，結(jié)果如圖3所示。通過(guò)對(duì)其腿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)腿的各個(gè)部分結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。因此可以得出該結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 靜應(yīng)力分析圖

■1.5 仿生原理

本設(shè)計(jì)采用三角步態(tài)，模仿六足昆蟲運(yùn)動(dòng)時(shí)的步態(tài)。六足昆蟲行走時(shí)，將兩側(cè)對(duì)稱分布的六只足分成兩組，以三角形結(jié)構(gòu)交替前進(jìn)。蟲體右側(cè)中足和左側(cè)的前后足為一組，蟲體左側(cè)的中足和右側(cè)的前、后足為另一組。當(dāng)提起其中一組中所有的足時(shí)，另一組的足原地不動(dòng)，支撐身體并以中足為支點(diǎn)，前足關(guān)節(jié)肌肉收縮，拉動(dòng)身體向前，后足的關(guān)節(jié)肌肉收縮，將蟲體向前推，同時(shí)蟲體的重心落在另外一組三角形的三足上，然后重復(fù)前一組的動(dòng)作交替前進(jìn)。這種行走方式保證重心總是落在三角支架內(nèi)使運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定且快速。三角步態(tài)示意圖如圖4所示。

圖4 三角步態(tài)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 六足機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

仿生六足機(jī)器人系統(tǒng)的組成部分中，根據(jù)六足機(jī)器人的功能需求，選用Arduino 作為開發(fā)平臺(tái)，以ATmega2560芯片作為系統(tǒng)的主控芯片，添加2.4G無(wú)線控制器模塊、紅外熱成像模塊、定位模塊、電源模塊和舵機(jī)，共同組成機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 總體結(jié)構(gòu)圖

■2.2 Arduino控制板

本設(shè)計(jì)采用MEGA2560 PRO控制板，如圖6所示，是基于ATmega2560（16MHz晶振）主控芯片的微控制板，采用CH340（12MHz晶振）芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)存大小為256kb，同時(shí)具有54個(gè)數(shù)字接口和16個(gè)模擬接口，能夠在-40℃～85℃的環(huán)境下正常工作。相比Arduino Mega 2560，它具有更小的體積和更強(qiáng)大的功能，能夠滿足該仿生六足機(jī)器人系統(tǒng)的控制需求。主控芯片原理圖如圖7所示。

圖6 MEGA2560 PRO實(shí)物

圖7 主控芯片原理圖

■2.3 驅(qū)動(dòng)元件

為滿足六足機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求，考慮到六足機(jī)器人的穩(wěn)定性，易操作性及耐用性等，本設(shè)計(jì)的控制方案采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。

舵機(jī)是由變速齒輪組、直流電機(jī)、可調(diào)電位器和控制電路組成的一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，常作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部件。舵機(jī)通過(guò)信號(hào)線與主控芯片進(jìn)行連接，在使用過(guò)程中對(duì)信號(hào)線發(fā)送指定信號(hào)來(lái)指定舵機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度和速度。該系統(tǒng)選用 MG90s 舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，因本設(shè)計(jì)需要不斷控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)行固定的角度來(lái)模擬六足機(jī)器人的仿生動(dòng)作。該舵機(jī)不但扭力大，精度高，且采用舵機(jī)插拔線控制，便于插拔和舵機(jī)延長(zhǎng)線的選型及更換，適合多自由度機(jī)器人的設(shè)計(jì)。實(shí)物如圖8所示。

圖8 舵機(jī)

該舵機(jī)輸出軸的角度根據(jù)時(shí)基脈沖來(lái)控制，一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，在0.5～2.5ms 的脈沖控制下，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度。該舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180°，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系如表2所示。

表2 脈沖角度對(duì)應(yīng)表

■2.4 無(wú)線遙控模塊

為了方便遠(yuǎn)程控制六足機(jī)器人，本設(shè)計(jì)使用了遙控模塊。無(wú)線遙控模塊采用基于2.4G無(wú)線傳輸技術(shù)，2.4G技術(shù)具有保密性好、省電、雙向雙工工作、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸帶寬較大等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)仿生六足機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。模塊分為接收器和控制器兩部分。接收器可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離接收，因其具有強(qiáng)大的頻率接收能力。該模塊不僅頻率高而且控制時(shí)信號(hào)好，抗干擾能力強(qiáng)，適合應(yīng)用于復(fù)雜的環(huán)境中，滿足該系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的遠(yuǎn)距離控制需求。

■2.5 紅外熱成像模塊

采用AMG8833紅外熱成像傳感器，如圖9所示，是一個(gè)8×8的紅外熱傳感器陣列。它將通過(guò)I2C返回一組64個(gè)單獨(dú)的紅外溫度讀數(shù)。該傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量溫度范圍為 0℃～80℃的溫度，它可以在7m的距離內(nèi)檢測(cè)到人。結(jié)構(gòu)緊湊而簡(jiǎn)單，體積小，便于集成。因此采用該傳感器作為紅外熱成像模塊。

圖9 AMG8833

■2.6 圖像傳輸模塊

該六足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)到控制者視野之外時(shí)，能夠拍攝周圍影像，并將畫面實(shí)時(shí)傳輸給操控者，因此需要圖像傳輸模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。本設(shè)計(jì)采用FPV高清攝像頭，如圖所示，清晰度達(dá)1000TVL，圖像清晰。它具有體積小，質(zhì)量輕，且功耗小等優(yōu)點(diǎn)。工作電壓為7.4V。

圖像傳輸功能由600mW發(fā)射器和接收器來(lái)實(shí)現(xiàn)，工作頻率為5.8G，發(fā)射距離可以達(dá)到1km，體積和質(zhì)量都很小，適合需要遠(yuǎn)距離操作的六足機(jī)器人使用。

■2.7 電源模塊

考慮到六足機(jī)器人的負(fù)載能力及各模塊所需的電力，選擇鋰電池作為機(jī)器人的能源。鋰電池具有高能量密度、高功率、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。鋰電池有優(yōu)良的高低溫放電性能，可以在-20℃～+60℃工作，高溫放電性能高于其他各類電池。常應(yīng)用于汽車及工業(yè)電力行業(yè)，非常合適作為六足機(jī)器人的能源。

根據(jù)控制板和攝像頭的電壓需求，需引一路電壓為7.4V的電路接入Arduino 控制板和高清攝像頭進(jìn)行供電。根據(jù)舵機(jī)工作電壓的需求，另引一路經(jīng)過(guò)降壓穩(wěn)壓模塊將電壓穩(wěn)定至5V后接入舵機(jī)進(jìn)行供電。因此本設(shè)計(jì)采用7.4V 15C的鋰電池，符合機(jī)器人系統(tǒng)供電需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 程序流程

本文所搭建的仿生六足偵察機(jī)器人利用ATMEGA 2560芯片對(duì)18個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)仿生六足偵察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的控制。針 對(duì)不同的使用場(chǎng)景與復(fù)雜地形，仿生六足機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中，需要具有前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、克服障礙物等多項(xiàng)功能，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的速度、運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性等參數(shù)具有不同要求。從而為了應(yīng)付不同的環(huán)境，仿生六足偵察機(jī)器人設(shè)有不同步態(tài)，共四種：三角步態(tài)、波紋步態(tài)、四足步態(tài)、波浪步態(tài)。并且Arduino控制板通過(guò)2.4G無(wú)線接收器連接PS2控制器對(duì)四種步態(tài)進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿生六足機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線操作。

同時(shí)，本文所搭建的仿生六足偵察機(jī)器人還搭載了紅外傳感器和FPV相機(jī)，將其所偵查的復(fù)雜地形數(shù)據(jù)傳回控制器進(jìn)行反饋與響應(yīng)。傳感器所傳回的反饋使得控制系統(tǒng)形成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了仿生六足機(jī)器人抵抗干擾的能力，改善了系統(tǒng)的響應(yīng)的穩(wěn)定性。主程序流程圖如圖10所示。

圖10 主程序流程圖

■3.2 軟件功能設(shè)計(jì)

采用了19段的代碼來(lái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。首先進(jìn)行參數(shù)定義，例如手柄端口定義，伺服端口定義以及LED端口定義等。再進(jìn)行變量聲明，手柄變量中的手柄類型、手柄震動(dòng)，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)變量，抬腿模式變量，定位和行走變量等等。之后便是對(duì)象聲明18個(gè)伺服系統(tǒng)。再編寫一個(gè)啟動(dòng)程序。進(jìn)入到主程序，檢查手柄類型、設(shè)置幀時(shí)間、讀取輸入、將腿復(fù)位、使用IK計(jì)算定位腿部-除非將全部設(shè)置為90度模式、電池監(jiān)視器和LED輸出、打印調(diào)試數(shù)據(jù)、處理模式，如果需要，重新設(shè)置抬腿首過(guò)標(biāo)志。接著開始各個(gè)子程序的編寫：有處理手柄控制器輸入、腿部IK例行程序（反向運(yùn)動(dòng)學(xué)(IK)系統(tǒng)）、波紋步態(tài)、四足步態(tài)、三腳步態(tài)、波浪步態(tài)、計(jì)算行走步幅、帶控制器的實(shí)體平移（xyz軸）、身體隨控制器旋轉(zhuǎn)（xyz軸）、單腿提升模式、設(shè)置所有的伺服為90度、電池監(jiān)視器例行程序、LED條形圖程序、打印調(diào)試數(shù)據(jù)，共14個(gè)子程序。

三腳架步態(tài)功能程序如下所示，從控制器中讀取命令，三條機(jī)械足為一組，一組向前移動(dòng)時(shí)，另外一組提供支撐。

計(jì)算行走步幅調(diào)整運(yùn)動(dòng)模式程序如下所示，傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸至控制器，通過(guò)分別計(jì)算步幅和旋轉(zhuǎn)三角的值，設(shè)置正常行走模式和慢速行走模式的持續(xù)時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于Arduino的仿生六足機(jī)器人。Arduino主控制器驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，安裝在機(jī)器人上的傳感器將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸回控制端，依據(jù)反饋數(shù)據(jù)和影像實(shí)現(xiàn)環(huán)境偵察工作，并控制舵機(jī)的輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度和速度，調(diào)整運(yùn)動(dòng)模式，維持六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，適應(yīng)所在環(huán)境。此外，增加了遙控模塊，基于2.4G無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程機(jī)器操控，大大增加了泛用性。