方凱旗　李恒全　張穩(wěn)召　王登豐

摘 要：筆者以蜘蛛為仿生原型采用Arduino和20路舵機(jī)為主控板，用手柄或手機(jī)連上WIFI模塊或藍(lán)牙模塊，控制完成多種仿生動(dòng)作的六足機(jī)器人。六足機(jī)器人用舵機(jī)云臺(tái)控制openMV攝像頭采集識(shí)別分析圖像，并模仿動(dòng)物進(jìn)行移動(dòng)，用超聲波模塊自動(dòng)躲避障礙物，用聲音模塊檢測(cè)聲音做出防備動(dòng)作，用尋光模塊向光源移動(dòng)追捕。團(tuán)隊(duì)成員同時(shí)探索出兩種形態(tài)自由切換的雙形態(tài)融合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在崎嶇的路上運(yùn)用“足”移動(dòng)，在比較平坦的路上收縮關(guān)節(jié)運(yùn)用電機(jī)快速移動(dòng)、靈活轉(zhuǎn)向，讓機(jī)器人達(dá)到運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)，適應(yīng)能力更強(qiáng)，實(shí)用價(jià)值更高。關(guān)鍵詞：Arduino;openMV;仿生六足機(jī)器人;雙形態(tài)中圖分類號(hào)：U462 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-62-04

Abstract：?The author takes the spider as the bionic prototype， USES the Arduino and the 20-way steering gear as the main control board， connects the WIFI module or bluetooth module with the handle or mobile phone， and controls the hexapod robot which completes various bionic actions. Hexapod robot USES the helmsman to control the openMV camera to collect recognition and analysis images， and simulates the movement of animals. The ultrasonic module is used to automatically avoid obstacles， the sound module is used to detect sounds and make defensive actions， and the light seeker module is used to move and chase the light source. At the same time， the team members explored the dual-form fusion design of free switching between the two forms， so as to realize the use of "foot" movement on the rough road， and the use of motor for fast movement and flexible steering on the relatively flat road to make the robot move more smoothly， with stronger adaptability and higher practical value.Keywords： Arduino; OpenMV; Bionic hexapod robot; Double formCLC NO.： U462 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-62-04

1?時(shí)代背景

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)性機(jī)器人的探索研究也隨之增加，然而對(duì)多足類機(jī)器人的探索研究更具實(shí)用價(jià)值，也更能適應(yīng)現(xiàn)階段多領(lǐng)域、多環(huán)境、多地形的特種工作內(nèi)容，其將會(huì)是人類發(fā)展的重要里程碑。多足步行機(jī)器人一般指四足或四足以上的步行機(jī)器人，常見的多足步行機(jī)器人包括四足步行機(jī)器人、六足步行機(jī)器人、八足步行機(jī)器人。該類機(jī)器人是一種具有冗余驅(qū)動(dòng)、多支鏈、時(shí)變拓?fù)涞倪\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是模仿多足昆蟲或動(dòng)物運(yùn)動(dòng)形式的一種智能型機(jī)器人，涉及生物科學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)和信息處理技術(shù)等多門學(xué)科[1]。而該文主要闡述的是仿生六足機(jī)器人的探索設(shè)計(jì)過程。其仿生六足機(jī)器人一般分為兩種：一種為機(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜的六足機(jī)器人，另一種為電控占為主導(dǎo)的六足機(jī)器人。并且輪式機(jī)器人與履帶式機(jī)器人控制技術(shù)逐漸趨于成熟。然而，對(duì)于山地、丘陵、崎嶇路面等復(fù)雜地形，輪式和履帶式的移動(dòng)方式受到了很大的限制[2]。相比而言，六足機(jī)器人用舵機(jī)控制整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，大大降低了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各項(xiàng)仿生動(dòng)作，并能保持某一動(dòng)作，還可以根據(jù)程序編寫設(shè)定，建立遠(yuǎn)距離人為控制，更加靈活。

2?雙形態(tài)探索意義

人類在搜救，以及探索工作上遇到的挑戰(zhàn)不斷上升，也相續(xù)面臨了一些問題，因此，關(guān)于仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)用，值得探索開發(fā)。同時(shí)，近年來也有相當(dāng)多關(guān)于探討兩足至多足機(jī)器人的應(yīng)用問題，過去的兩足機(jī)器人多為轉(zhuǎn)型機(jī)械系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)局限于二維平面，無法克服許多山區(qū)崎嶇的地形。還有就是輪式機(jī)器人，能夠穩(wěn)定快速地在平坦的地形移動(dòng);履帶式機(jī)器人，通過分擔(dān)總重量到較大平面上，也相當(dāng)于為輪子提供穩(wěn)定的移動(dòng)平面，使機(jī)器人能夠在較為不平或松軟的路面上行進(jìn)。然而以上兩種機(jī)器人均不能很好地適應(yīng)有障礙地勢(shì)起伏大等不規(guī)則地形，非傳統(tǒng)的足式機(jī)器人則可以克服這一困難[3]。由于其仿生理論結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可以使六機(jī)器人對(duì)昆蟲的運(yùn)動(dòng)過程以及姿態(tài)進(jìn)行模擬，進(jìn)而最大程度的接近真實(shí)昆蟲的運(yùn)動(dòng)特征。這對(duì)于六足機(jī)器人的研究和探索具有十分重要的意義[4]。并且六足機(jī)器人運(yùn)用“三角步態(tài)”，利用18個(gè)舵機(jī)作為機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”，使其跨越障礙的能力增強(qiáng)，可以克服較為復(fù)雜的地形，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“足”移動(dòng)和電機(jī)快速移動(dòng)的雙形態(tài)融合設(shè)計(jì)，在仿生原型上展現(xiàn)了蜘蛛和螃蟹的兩種運(yùn)動(dòng)形態(tài)。這對(duì)于六足機(jī)器人的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有融合性的意義。還有，六足機(jī)器人借助云臺(tái)的攝像采集識(shí)別分析輔助裝置，能更好的適應(yīng)行進(jìn)未知工作環(huán)境的特點(diǎn)，因此可以應(yīng)用于許多危險(xiǎn)的特種工作，通過攝像頭來觀察環(huán)境，例如火山的研究或其他特殊地域的探測(cè)，也可以進(jìn)行一些搜救工作，安保工作，軍事活動(dòng)等，以減少人員的傷亡。這對(duì)于六足機(jī)器人的輔助功能具有指導(dǎo)性的意義。

3?六足機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

六足機(jī)器人主要由Arduino開發(fā)板、20路舵機(jī)控制板、openMV攝像頭、超聲波傳感器、聲音傳感器、尋光傳感器、WIFI模塊、藍(lán)牙模塊、數(shù)字舵機(jī)組成，并開發(fā)設(shè)定了機(jī)械系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的三大系統(tǒng)，總體框架圖如圖1所示。機(jī)械系統(tǒng)是通過Arduino開發(fā)板和20路舵機(jī)控制板，從而實(shí)現(xiàn)仿生六足的雙形態(tài)自由運(yùn)動(dòng)及攝像云臺(tái)的多角度穩(wěn)定;檢測(cè)系統(tǒng)是由openMV攝像頭、超聲波傳感器、聲音傳感器、尋光傳感器組成的子系統(tǒng)，具備圖像采集、圖像追蹤、自動(dòng)避障、聲音防備、光線追捕等功能;控制系統(tǒng)是手機(jī)、手柄借助WIFI模塊和藍(lán)牙模塊進(jìn)而對(duì)六足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多方面的控制。

4?六足機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

在制作機(jī)器人時(shí)，人們普遍應(yīng)用的材料主要有三種：木質(zhì)、金屬、塑料。首先，制作機(jī)器人比較理想材料為金屬，其硬度高、光澤漂亮、不易磨損[4]。但隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，并考慮到相關(guān)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和輕量化的特點(diǎn)，最終決定采用PLA材質(zhì)的熱塑性塑料作為耗材打印整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)。然而后期，通過二次升級(jí)開發(fā)，材料會(huì)定位為鋁合金。

4.1.1 整體結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)的過程中，整體結(jié)構(gòu)遵循蜘蛛的仿生原理，設(shè)計(jì)了“軀體”和“足”的兩個(gè)基本部分?！败|體”部分常見的有被廣泛采用的矩形，具有結(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn);也有最接近昆蟲仿生的橢圓形或者六邊形排布，其減少了足間干涉，以增大足的運(yùn)動(dòng)范圍的方式提高了機(jī)體穩(wěn)定性;還有圓形布置，其轉(zhuǎn)向性和穩(wěn)定性均有優(yōu)勢(shì)，但因足間控制軌跡的不同，在控制上更具挑戰(zhàn)性。綜合考慮后，本結(jié)構(gòu)采用了矩形，并對(duì)其實(shí)施縮小的尺寸設(shè)計(jì)，其尺寸為寬300mm，長(zhǎng)314mm。“足”根據(jù)蜘蛛腿部尺寸比例設(shè)計(jì)了六足機(jī)器人三段式單足結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)蜘蛛的股節(jié)、脛節(jié)以及跗節(jié)，并在最后一段式實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。六足機(jī)器人最為重要在于結(jié)構(gòu)，利用三維制圖軟件CATIA畫出相應(yīng)零件圖，通過螺栓連接完成整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配工作，并運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，查看運(yùn)動(dòng)合理性，進(jìn)行受力分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的合理性，結(jié)構(gòu)之間的緊密合作是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)的重要基礎(chǔ)，整體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

4.1.2 仿生腿結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采取3腿為一組的運(yùn)動(dòng)模式，即三角步態(tài)（占空因數(shù)為1/2，3條腿運(yùn)動(dòng)時(shí)，其他3條腿不動(dòng)），同一側(cè)的前腿、后腿的前后轉(zhuǎn)動(dòng)與另一側(cè)的中腿驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)稱[5]。其利用18個(gè)舵機(jī)作為機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”，且六足機(jī)器人的“軀體”與“足”的連接關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為弧形，其具有兩大優(yōu)勢(shì)：一是減少腿間運(yùn)動(dòng)干涉的發(fā)生概率;二是能夠增加步行的穩(wěn)定性。為了獲得良好的互換性，其仿生腿結(jié)構(gòu)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，位于“軀體”同側(cè)及對(duì)側(cè)的仿生腿都具有完全獨(dú)立控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)。同時(shí)最后一段腿部基于跗節(jié)采取了反向延長(zhǎng)的設(shè)計(jì)，反向延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，這樣更好的實(shí)現(xiàn)了雙形態(tài)模式的快速穩(wěn)定切換。

4.2 攝像云臺(tái)

為了增大六足機(jī)器人的實(shí)用價(jià)值，且可完成一些遠(yuǎn)程操作。以運(yùn)動(dòng)靈活、環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)的六足機(jī)器人為運(yùn)動(dòng)載體，借助2個(gè)舵機(jī)設(shè)計(jì)云臺(tái)，攝像云臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖所示，來實(shí)現(xiàn)攝像頭多角度的圖像采集追蹤分析。openMV攝像頭是一個(gè)可編程的攝像頭，通過MicroPython語言，并結(jié)合其本身內(nèi)置的一些圖像處理算法，很容易實(shí)現(xiàn)限定的邏輯。攝像云臺(tái)的設(shè)計(jì)給六足機(jī)器人增加了兩方面的實(shí)用性功能：一是，通過攝像頭人為觀察路況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，搜尋目標(biāo);二是，實(shí)現(xiàn)精度一般的定點(diǎn)測(cè)距、顏色識(shí)別以及物體的追蹤移動(dòng)。

4.3 輔助功能

以“軀體”結(jié)構(gòu)部分為載體，增加了超聲波模塊、聲音模塊、尋光模塊，使六足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、聲音防備、光線追捕等輔助性功能;當(dāng)六足機(jī)器人處于黑暗的復(fù)雜地勢(shì)環(huán)境時(shí)，可以及時(shí)的向光源移動(dòng)，并分析環(huán)境聲音做出相應(yīng)防備動(dòng)作，且可對(duì)障礙物進(jìn)行自動(dòng)躲避。增加了六足機(jī)器人的一些實(shí)用性功能，擴(kuò)寬了相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

5?六足機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

5.1 控制程序

程序是六足機(jī)器人的“靈魂”，其六足機(jī)器人的三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)、攝像云臺(tái)的工作以及各個(gè)模塊的控制，都是程序?qū)崿F(xiàn)的結(jié)果。常見的?Arduino 控制板主要有?Mega 2560、Mega ADK、?Mini、Nano 控制板，本系統(tǒng)選用的是?Arduino Nano 控制板[6]。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子產(chǎn)品，具有豐富的接口，有數(shù)字I/O口，模擬I/O口，同時(shí)支持SPI、IIC、UART串口通信，還能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，并讓其他傳感器和動(dòng)力系統(tǒng)做出反應(yīng)。用20路舵機(jī)控制板，完成了對(duì)18個(gè)仿生腿舵機(jī)和2個(gè)攝像云臺(tái)舵機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了六足機(jī)器人的雙形態(tài)平穩(wěn)運(yùn)行和多角度圖像采集識(shí)別分析。同時(shí)增加了Pro micro擴(kuò)展板，完成各傳感器之間的程序聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)超聲波模塊、聲音模塊、尋光模塊的相應(yīng)輔助性功能。

openmv部分程序展示：

size_threshold = 2000 #色塊面積

uart=UART（3，9600） #//串口波特率需要和arduino一致?這里設(shè)為9600

def find_max（blobs）：

max_size=0

for blob in blobs： #把所有色塊?一一篩選

if blob.pixels（） > max_size： #if色塊像素?cái)?shù)量最大賦值

max_blob=blob

max_size =blob.pixels（）

return max_blob #//尋找最大色塊并返回最大色塊的坐標(biāo)

def find_maxtu（blobs）：

max_size1=0

for blob in blobs： #把所有色塊?一一篩選

if blob[2]*blob[3]>max_size1： #if色塊像素?cái)?shù)量最大賦值

max_blob=blob

max_size1= blob[2]*blob[3]

return max_size1#//尋找最大色塊并返回最大色塊的坐標(biāo)

while（True）：

img = sensor.snapshot（）#拍攝一張照片，img為img一個(gè)對(duì)象

blobs = img.find_blobs（[bule_threshold]）# 尋找色塊

5.2 程序調(diào)試

對(duì)機(jī)械裝配成型的六足機(jī)器人進(jìn)行電氣元件的安裝，并完成接線引腳的布置焊接。同時(shí)對(duì)整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)和程序運(yùn)行進(jìn)行以下調(diào)試工作：

（1）檢查六足機(jī)器人的整體組裝結(jié)構(gòu)是否牢固，排查各模塊之間的線路連接是否正確;

（2）接通電源，觀察六足機(jī)器人的仿生腿是否能自動(dòng)調(diào)試到初始角度，并注意各控制板上的指示燈是否有異常;

（3）分別通過手機(jī)、手柄驗(yàn)證WIFI模塊和藍(lán)牙模塊的無線連接是否正常;

（4）通過無線控制讓機(jī)器人完成原地旋轉(zhuǎn)、直線前行等任務(wù)，驗(yàn)證其雙形態(tài)和各傳感器是否正常。

6?總結(jié)

本文介紹了六足機(jī)器人的各部分設(shè)計(jì)及相應(yīng)功能，并探索出了六足機(jī)器人雙形態(tài)的融合運(yùn)動(dòng)模式，同時(shí)完成openMV攝像頭的設(shè)計(jì)。借助場(chǎng)景效果構(gòu)建，通過手機(jī)和手柄同時(shí)對(duì)六足機(jī)器人的相關(guān)功能及其適應(yīng)能力開展實(shí)驗(yàn)，并完成了預(yù)期的規(guī)定任務(wù)，表現(xiàn)效果良好。表明，通過二次開發(fā)生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)野外及特殊環(huán)境的無人工作。同時(shí)，也進(jìn)一步體現(xiàn)了仿生六足機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)價(jià)值和實(shí)用探索價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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