姜奧博 胡聰 朱輝 吳漢斌

摘 ?要：腿足機(jī)器人是移動機(jī)器人領(lǐng)域的重要研究方向。與其他類型的移動機(jī)器人相比，腿足機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中進(jìn)行野外探測，災(zāi)區(qū)救援和粗糙道路交通運輸上有著顯著優(yōu)勢。該文基于仿生運動學(xué)和圖像處理算法進(jìn)行設(shè)計六足機(jī)器人可以實現(xiàn)通過手機(jī)控制六足機(jī)器人行走，可以實現(xiàn)通過WiFi進(jìn)行機(jī)器人與手機(jī)的通信，實現(xiàn)機(jī)器人跟隨發(fā)送的指令進(jìn)行相應(yīng)動作。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人 ?圖像采集 ?WiFi ?傳感器

中圖分類號：TP242 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（a）-0010-03

1 ?系統(tǒng)組成及機(jī)械結(jié)構(gòu)

該文設(shè)計一個仿生自主運動的六足機(jī)器人[1]，利用圖像采集設(shè)備獲取圖像數(shù)據(jù)，通過WiFi發(fā)送給Android手機(jī)，分析出下一步機(jī)器人的運動打算并返回給機(jī)器人，機(jī)器人分析這些控制命令和自身傳感器數(shù)據(jù)，控制舵機(jī)實現(xiàn)自主運動?？蓱?yīng)用于危險和惡劣的工作環(huán)境中。仿生六足機(jī)器人，從定義上講，六足式機(jī)器人在我們完美的架構(gòu)中，依靠昆蟲的運動特性及原理。足是昆蟲的唯一運動器官。昆蟲有三對腿，分別稱它們?yōu)榍白?、中足和后足。參照以上昆蟲足結(jié)構(gòu)，提出了一種更簡單的表達(dá)方式。一只腳有3個關(guān)節(jié)（假設(shè)沒有爪）。一個是左右擺動，另兩個是上下運動，機(jī)器人模型結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。

在六足昆蟲行走時，它們不是按照直線運動六足同時前進(jìn)[2]。而是作為將6個足分為兩個組替換，是三角結(jié)構(gòu)交換前行。現(xiàn)在大部分多足機(jī)器人都是仿照了昆蟲一樣的運動結(jié)構(gòu)。6條腿分散在身體兩側(cè)。左邊前后及右邊的中劃分為一個組。右邊前后及左邊的中劃分為一個組。這是典型的三角腳步姿態(tài)行走的方法，模仿這種運動姿態(tài)可以使機(jī)器人更加穩(wěn)定，所以運用也十分廣泛，如圖2所示。

2 ?系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)

2.1 硬件方案與選型

2.1.1 六足機(jī)器人主控器的選擇

該文選用樹莓派作為該六足機(jī)器人主控制板。Raspberry Pi系統(tǒng)[3]的核心是在Broadcom BCM2835芯片上使用該系統(tǒng)，這是一種多媒體處理器系統(tǒng)。這意味著系統(tǒng)的大多數(shù)組件，包括中央處理器、圖形處理器和音頻和通信設(shè)備，可以集成到單個芯片中，并放置在主板中心的存儲器芯片下面。通常使用的Broadcom BCM2835片上系統(tǒng)和通常的臺式機(jī)或筆記本電腦不僅在處理器設(shè)計過程上有所不同，而且還使用不同的指令集架構(gòu)（ISA），即ARM架構(gòu)。

2.1.2 SLAM傳感器選擇

SLAM根據(jù)傳感器分為視覺SLAM和激光SLAM[4]，考慮激光掃描儀可靠性高、實用性高、技術(shù)成熟、建圖直觀、精度高、不存在累計誤差等優(yōu)點，該文選取2D激光掃描儀作為SLAM傳感器。它可以在360°和6m的范圍內(nèi)進(jìn)行激光掃描，并在平面上的點云地圖上生成關(guān)于用于繪圖的空間，導(dǎo)航機(jī)器人的定位。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)的介紹

可以通過ROS給機(jī)器人編寫程序，讓它去做一些有趣的事：檢測人臉和其他物體，在房間中自主導(dǎo)航，相應(yīng)語音命令[5]。ROS：用于控制機(jī)器人在各種現(xiàn)實世界和虛擬環(huán)境中工作的編程框架。它包括完成從導(dǎo)航路徑規(guī)劃到定位任務(wù)的軟件（SLAM）、語言識別與合成、機(jī)器人視覺、3D物體識別、行動計劃、多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的運動控制、機(jī)器學(xué)習(xí)，甚至玩臺球。ROS可以運行在多個平臺：Linux、MaxOS X以及Windows。該項目的開發(fā)環(huán)境：Indigo版本的ROS+Ubuntu14.04（Trusty）系統(tǒng)。

2.2.2 2D激光掃描儀及SLAM算法

現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計了一個六足機(jī)器人，準(zhǔn)備嘗試給它添加更強大的功能——同步定位并重建地圖（SLAM）[6]。具有SLAM功能的機(jī)器人能夠在未知的環(huán)境下重建地圖，并可以同時定位自己在地圖上的方位。在ROS里面的qmapping包的功能是使用激光掃描儀的數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個地圖（或者使用深度相機(jī)來模擬激光數(shù)據(jù)）。將上面的事情完成后，就可以命令機(jī)器人在任何場地里避開障礙物。使用move_base實現(xiàn)路徑規(guī)劃和避障在編譯了讓機(jī)器人走一根方形的腳本，在那個腳本里面，監(jiān)聽/odom坐標(biāo)系和/base_link坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換信息，在跟蹤機(jī)器人前進(jìn)的距離和轉(zhuǎn)動的角度。

2.2.3 Socket網(wǎng)絡(luò)通信

Socket網(wǎng)絡(luò)通信是需要消耗時間的，所以需要單獨開一個線程[7]。然后創(chuàng)建一個類MyServer用來執(zhí)行所有的Socket通信的程序。因為Socket同時是耗時的程序，我們將耗時的或者繁瑣的數(shù)據(jù)處理放在后臺任務(wù)，有結(jié)果了在通知UI線程更新，這樣的好處是：不會干擾UI線程的運行，不會因為將耗時程序或者繁瑣的數(shù)據(jù)處理放在UI界面而出現(xiàn)程序運行時，界面回卡頓或者崩潰的現(xiàn)象。通信返回到UI界面的軌跡如圖4所示。

3 ?實驗結(jié)果

3.1 虛擬真實校準(zhǔn)測試

在實物試驗前需要進(jìn)行虛擬真實校準(zhǔn)測試，對于調(diào)節(jié)虛擬機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度對應(yīng)上真實機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度，需要確定幾個量[8]。

（1）真實機(jī)器人關(guān)節(jié)舵機(jī)讀取的值。

（2）真實機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度。

調(diào)整真實的機(jī)器人與ArbotiX軟件中同步的虛擬機(jī)器人關(guān)節(jié)角度的位置實現(xiàn)正確的對準(zhǔn)。當(dāng)使用將現(xiàn)實的機(jī)器人得到的舵機(jī)反饋的角度信息直接的賦予給ArbotiX中URDF機(jī)器人模型，可以看到虛擬機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度與真實的機(jī)器人的關(guān)節(jié)的角度是完全不同的。出現(xiàn)這個問題的原因肯定是某些參數(shù)設(shè)置的不正確所導(dǎo)致的[9]，可以通過分析就可以知道是什么參數(shù)設(shè)置不正確所導(dǎo)致的現(xiàn)在的這個問題。機(jī)器人的實物圖效果如圖5所示。

3.2 手機(jī)端運行效果

手機(jī)APP上查看機(jī)器人當(dāng)前的運行狀態(tài)，周邊環(huán)境信息。實現(xiàn)通過APP設(shè)置機(jī)器人的下一個運動動作，可以實現(xiàn)機(jī)器人跟隨發(fā)送的指令進(jìn)行相應(yīng)動作。手機(jī)端運行效果如圖6所示。

4 ?結(jié)語

該文基于仿生運動學(xué)和圖像處理算法設(shè)計并實現(xiàn)了六足機(jī)器人自主運動，可以實現(xiàn)通過手機(jī)控制六足機(jī)器人行走，可以實現(xiàn)通過WiFi進(jìn)行機(jī)器人與手機(jī)的通信，可以在手機(jī)APP上查看機(jī)器人當(dāng)前的運行狀態(tài)、周邊環(huán)境信息?？梢詫崿F(xiàn)通過APP設(shè)置機(jī)器人的下一個運動動作，可以實現(xiàn)機(jī)器人跟隨發(fā)送的指令進(jìn)行相應(yīng)動作。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

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