陳信華 殷建 王夢(mèng)波 黃健

摘要：該文設(shè)計(jì)了一款能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)、偵察、定位、救援等復(fù)雜功能的仿生探索機(jī)器人，其以自然界生物蝎子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)為參照，能夠?qū)崿F(xiàn)自主行走、避障和夾取貨物等功能。該裝置運(yùn)用Arduino單片機(jī)來作為控制核心進(jìn)行仿生探索機(jī)器人的自主控制，通過樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置能有效完成特定的探索救援任務(wù)，是一款多功能的探索機(jī)器人裝置。

關(guān)鍵詞：仿生探索機(jī)器人;Arduino單片機(jī);自主控制

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）25-0067-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

1 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，各類形態(tài)的仿生機(jī)器人也層出不窮，它們能在一定程度上模仿動(dòng)物運(yùn)動(dòng)形態(tài)來完成某些特定任務(wù)。仿生探索機(jī)器人除了具有一般機(jī)器人的功能外，還能進(jìn)行救援、探測(cè)等復(fù)雜功能[1-2]。針對(duì)仿生探索機(jī)器人的研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)問題，眾多學(xué)者設(shè)計(jì)并不斷擴(kuò)展其功能，增加其實(shí)用性[3]?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一款模仿蝎子運(yùn)動(dòng)形態(tài)的仿生救援機(jī)器人，其采用Arduino單片機(jī)來作為控制單元，以舵機(jī)、連桿、絲桿、尾巴、鉗子、殼體等功能性結(jié)構(gòu)組成的機(jī)器人可靈活實(shí)現(xiàn)預(yù)期的探索、救援、圖像傳輸以及自主避障功能。

仿生探索機(jī)器人是具有自主決策和運(yùn)動(dòng)能力的仿生機(jī)構(gòu)[4]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿生探索機(jī)器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、軍事制導(dǎo)、海洋勘探、月球探測(cè)、民用等方面[5-6]。其在人類社會(huì)生產(chǎn)生活中的作用越來越大，尤其在一些特殊領(lǐng)域，更是發(fā)揮著巨大的價(jià)值。如在一些中小煤礦及銅礦采選中，其檢測(cè)設(shè)備相對(duì)落后，存在發(fā)生危險(xiǎn)的情況[7]。仿生探索機(jī)器人可以很好地代替人員來完成現(xiàn)場(chǎng)的偵察救援工作，可以通過通信服務(wù)實(shí)時(shí)傳輸災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)情況，同時(shí)可以將緊急救援物資如藥物等第一時(shí)間送達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。在一些自然災(zāi)害如地震環(huán)境下，包括仿生探索機(jī)器人在類的各類機(jī)器人都有較高的應(yīng)用價(jià)值，所以對(duì)其展開設(shè)計(jì)研究是十分有價(jià)值的。

2 總體設(shè)計(jì)及創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)主要分為硬件和軟件兩部分，硬件部分是由Arduino控制板、視覺傳感器、距離傳感器、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器、GPS定位模塊、Wi-Fi模塊、機(jī)械絲桿抓手以及3D打印零部件構(gòu)成;軟件部分是由硬件功能程序和軟件設(shè)計(jì)程序構(gòu)成。具體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

該系統(tǒng)采用Arduino Mega 2560開發(fā)板來作為控制器，通過串口通信方式將各個(gè)傳感器連接到Arduino單片機(jī)用于信息傳輸。同時(shí)利用Open MV進(jìn)行視覺識(shí)別，利用ESP32 Wi-Fi模塊，進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)傳輸，這樣能夠更好地了解到設(shè)計(jì)作品工作周圍的環(huán)境。該仿生探索機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)自主行走、抓取或采集物品、識(shí)別物體、定位作用，同時(shí)還能識(shí)別空氣質(zhì)量，材料上采用輕質(zhì)材料減輕重量，在保證效率的情況下盡可能減小體積。

該設(shè)計(jì)存在以下三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：

（1） 擁有18個(gè)自由度，能夠模仿多種不同的步態(tài)實(shí)現(xiàn)跨越、攀爬等動(dòng)作，具有較高的靈活性。

（2） 實(shí)現(xiàn)了多種機(jī)構(gòu)配合工作，通過使用不同末端執(zhí)行器配合工作能夠完成復(fù)雜任務(wù)，且保證產(chǎn)品具有較精確的動(dòng)作。

（3） 產(chǎn)品應(yīng)用了機(jī)器人視覺，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的識(shí)別并且利用Wi-Fi遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)對(duì)產(chǎn)品周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，大大提高了產(chǎn)品工作時(shí)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生探索機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、尾部機(jī)構(gòu)以及前端夾爪機(jī)構(gòu)等部分組成。其中機(jī)體作為主要的承載單元，用于放置控制器Arduino 單片機(jī)、部分舵機(jī)以及電源等組件，采用中空及上下夾層的設(shè)計(jì)方式，結(jié)構(gòu)緊湊靈活。另外三種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模仿蝎子形態(tài)構(gòu)建而成，三者相互協(xié)作，共同完成既定任務(wù)。

3.1 行走機(jī)構(gòu)

探索機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)是由六只獨(dú)立的三關(guān)節(jié)仿生腿組成，各仿生腿在三個(gè)關(guān)節(jié)處安裝有驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)腿部的三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，用于控制腿部擺動(dòng)及行走功能。其柔性關(guān)節(jié)和足部結(jié)構(gòu)的組成使探索機(jī)器人具有完整的運(yùn)動(dòng)范圍，受力合理，結(jié)構(gòu)靈活，可以在多地形地面行走。Arduino Mega 2560擴(kuò)展版上的pwm引腳口控制三個(gè)270°舵機(jī)，腿根處舵機(jī)控制整個(gè)腿的前后運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)處舵機(jī)控制連桿上下運(yùn)動(dòng)，連桿處舵機(jī)控制腳尖左右運(yùn)動(dòng)。腿根處結(jié)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)關(guān)節(jié)和連桿處結(jié)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，然后通過在軟件中編寫相應(yīng)的程序以實(shí)現(xiàn)六只腿分別按照不同的運(yùn)動(dòng)順序運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)步態(tài)模擬，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 尾部機(jī)構(gòu)

尾部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路是將其安裝在仿生探索機(jī)器人的尾部，并穿過機(jī)體將夾爪置于前方用于抓取貨物。桿臂的設(shè)計(jì)方案可選用平面連桿機(jī)構(gòu)和舵機(jī)機(jī)構(gòu)兩種，如圖3所示。

對(duì)比兩種機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，平面連桿機(jī)械臂采用連桿連接方式，優(yōu)點(diǎn)是連接穩(wěn)固，且抬起手臂更加輕松，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不夠靈活，自由度較低。舵機(jī)機(jī)構(gòu)是采用舵機(jī)作為關(guān)節(jié)連接點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、自由度高，缺點(diǎn)是抓取較重物體時(shí)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)力不足，但是可以通過設(shè)計(jì)彈簧機(jī)構(gòu)來增加其夾取的物體重量。綜上選擇舵機(jī)機(jī)構(gòu)來作為探索機(jī)器人尾部的主要結(jié)構(gòu)。

尾部機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是由舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，支持尾部旋轉(zhuǎn)、抬起和落下等功能。尾部夾爪采用3D打印并組裝起來，其結(jié)構(gòu)采用多爪連桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多爪同步地閉合張開。夾爪跟絲桿和彈簧機(jī)構(gòu)緊密配合，使得夾爪可以按照指令讓其張開閉合，并配合彈簧機(jī)構(gòu)將指定物體抓起來放置于特定位置。使用總線舵機(jī)控制板和Arduino mega2560進(jìn)行硬串口通信，控制三個(gè)總線舵機(jī)實(shí)現(xiàn)尾巴的運(yùn)動(dòng);尾巴夾爪使用Arduino mega2560 擴(kuò)展版上的pwm引腳口控制360°舵機(jī)，利用絲桿正反轉(zhuǎn)控制夾爪開合。絲桿和360°舵機(jī)用聯(lián)軸器聯(lián)接，舵機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲桿正轉(zhuǎn)，滑塊向外推進(jìn)，進(jìn)而使得夾爪張開，反之滑塊向內(nèi)推進(jìn)夾爪收縮。

3.3 前端夾鉗機(jī)構(gòu)

探索機(jī)器人前端兩側(cè)安裝有齒輪夾鉗機(jī)構(gòu)，通過Arduino mega2560 擴(kuò)展版上的pwm引腳口控制270°舵機(jī)，來實(shí)現(xiàn)夾鉗機(jī)構(gòu)的閉合和轉(zhuǎn)向功能。夾鉗機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱形式布置，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)鉗子相互配合進(jìn)行夾取。該設(shè)計(jì)方式可解決物體太大單個(gè)夾鉗難以夾取的問題。270°舵機(jī)和鉗子下葉連接，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度，下葉和上葉通過齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)開合。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 功能測(cè)試及調(diào)試

4.1 Open MV識(shí)別的準(zhǔn)確率測(cè)試

作者前期在互聯(lián)網(wǎng)和生活中搜集大量的圖片，導(dǎo)入識(shí)別程序，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析得到識(shí)別準(zhǔn)確率問題，并且找到識(shí)別不準(zhǔn)確的物體特征，優(yōu)化算法，針對(duì)識(shí)別的不準(zhǔn)確的圖片進(jìn)行處理，以增加識(shí)別準(zhǔn)確率。圖像采集模塊主要由Open MV攝像頭通過串口通信連接Arduino單片機(jī)，傳輸采集顏色的對(duì)應(yīng)參數(shù)，以便Arduino能夠控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而讓仿生探索機(jī)器人夾起物體并移動(dòng)。將Arduino和Open MV的程序?qū)懞弥?，從Open MV發(fā)送測(cè)試信息到Arduino，在Arduino終端調(diào)試輸出，查看能否接受信息，若能夠接受信息，則正常;反之，修改程序，直至能夠正常通信。

4.2 舵機(jī)測(cè)試

首先對(duì)探索機(jī)器人單腿舵機(jī)進(jìn)行測(cè)試，通過調(diào)試程序使得單腿能夠自由實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)和升降;然后調(diào)試多腿舵機(jī)使各腿部結(jié)構(gòu)能夠相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)行走步姿;最后調(diào)試尾部及夾爪舵機(jī)，用舵機(jī)和絲桿帶動(dòng)尾巴移動(dòng)，通過控制舵機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)物體的夾取和放下。

4.3 裝配及調(diào)試

將設(shè)計(jì)好的零部件制造及3D打印出來，然后進(jìn)行裝配調(diào)試，其實(shí)物組裝如圖5所示。經(jīng)過測(cè)試該仿生探索機(jī)器人能夠很好地完成指定的行走及夾取任務(wù)，表明該設(shè)計(jì)方案合理，功能設(shè)計(jì)較完整。

5 總結(jié)

本文基于Arduino單片機(jī)，集成視覺、檢測(cè)、定位等傳感器模塊設(shè)計(jì)了一款仿生探索機(jī)器人，用于在特定環(huán)境下完成救援、探測(cè)等任務(wù)。該機(jī)器人主要功能如下：

（1） 利用Open MV可以進(jìn)行視覺識(shí)別，同時(shí)利用ESP32 Wi-Fi模塊進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)傳輸，能夠更好地了解到產(chǎn)品工作周圍環(huán)境。

（2） 通過各類傳感器，根據(jù)產(chǎn)品具體的工作環(huán)境進(jìn)行周圍環(huán)境檢測(cè)。如，通過氣體傳感器可以測(cè)量出二氧化碳、一氧化碳和甲烷氣體含量，再通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（3） 整體結(jié)構(gòu)利用18路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)，模仿蝎子的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，同時(shí)本產(chǎn)品還配有可拆卸夾鉗和尾巴，可以根據(jù)不同工作需求安裝不同的末端執(zhí)行器，結(jié)構(gòu)靈活性大，適用性廣泛。

（4） 利用GPS定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看產(chǎn)品的位置，可以更加精確地掌握仿生機(jī)器人工作狀態(tài)，防止仿生機(jī)器人出現(xiàn)意外情況。

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