馬卓， 劉舟洲

(西安航空學院 1.人事處,2.計算機學院, 陜西 西安 710077)

0 引言

六足機器人是用六條腿行走的機械車輛或機器人。由于一個機器人可以在三條或更多條腿上保持靜態(tài)穩(wěn)定，六足機器人在運動中有很大的靈活性。任何一條腿變得不正常，機器人仍然能夠行走。此外，并不是所有的機器人腿都需要穩(wěn)定；其他的腿可以自由地到達新的足部位置或操縱有效載荷。由于這些原因，六足機器人近年來已成為一個深入的研究課題，其研究主要集中在步態(tài)和運動規(guī)劃上，目前已達到一定程度的成熟狀態(tài)。

近年來對六足機器人的研究可分為步態(tài)控制研究和算法控制研究。Manoiu-Olaru和Nitulescu[1]分析了六足機器人在克服障礙過程中的步態(tài)。Ollervides等[2]和Nitulescu等[3]使用反向運動學進行與六足機器人腿相關的計算；腿控制是通過計算每個關節(jié)的長度和角度來獲得機器人腿的精確位置。Zarrouk和Fearing[4]研究了一個具有特殊結(jié)構(gòu)的單個電機驅(qū)動的六足機器人。

在國外一些學者的研究中，使用超聲波傳感器測量的距離值被輸入到輪式機器人的控制器中。在陳睿等[5]的一項研究中，在機器人的左側(cè)安裝了三個紅外傳感器，在機器人的左側(cè)提供了90°的搜索空間。研究人員Malmros和Erisksson試圖通過安裝力傳感器來平衡六足動物以改進其性能。然而，這種六足動物在最后一刻無法在崎嶇的地形上保持平衡[6-7]。

本文設計研究的主要內(nèi)容是:開發(fā)一種能夠穿越具有挑戰(zhàn)性的地形并能夠避開障礙物的六足機器人；使用IoT幫助六足機器人使用高分辨率攝像機導航；使用圖像處理來幫助確定六足機器人的路線。

1 系統(tǒng)總體設計

該設計的目的是創(chuàng)造一個安全的工作環(huán)境，最大限度地減少人為干擾。六足動物的結(jié)構(gòu)和設計就像一只六條腿的蜘蛛，可以滿足本設計的目的。蜘蛛的臂有三個主要部分，與機器人的臂相對應，機器人的臂上有關節(jié)，在這些關節(jié)上形成一條腿。有三個連桿，和三個關節(jié)一樣，它們都相互依賴。關節(jié)是:股骨、髖和脛骨。這些都是伺服電機連接的啟示關節(jié)。因此，它包含18個伺服電機，負責控制整個身體的運動和姿態(tài)。這是考慮到他們的穩(wěn)定性和移動性，這對于一個組織來說是非常高和可行的，讓它自由移動，基本上它不會對正在進行的工作造成任何干擾。

六足動物結(jié)構(gòu)的設計選擇AutoCAD繪制來實現(xiàn)。硬件結(jié)構(gòu)是用玻璃纖維制成的，其具有抗拉強度。該系統(tǒng)使用了Arduino和樹莓PI控制器，Arduino將由樹莓PI控制器控制。伺服驅(qū)動指令的獲取將由Arduino UNO控制。該系統(tǒng)使用降壓轉(zhuǎn)換器，它從充電電池中增加3 A左右的驅(qū)動電流，并為每個伺服系統(tǒng)提供恒定電流。六足動物的運動是這樣的，在每一側(cè)只有兩條腿(前腿和后腿)在運動，并且一條腿在同一時刻從另一條腿居中，如圖1中1、2、3所示。

圖1 每條腿的覆蓋程度

在圖1中，覆蓋度為60°，即360°/(6條腿)=60°。伺服電機通過脈寬調(diào)制技術(shù)進行編程。

PI控制器將連接到熱點，熱點將負責從任何無線互聯(lián)網(wǎng)設備(可能是4G設備)獲取給定信息。其中，為了安全的目的，PI將被連接到PI攝像機，該攝像機將負責采集任務區(qū)域的圖像，其數(shù)據(jù)存儲在存儲卡中。六足動物的運動將由Arduino通過伺服驅(qū)動器控制。如果出現(xiàn)任何不一致，它將立即向用戶發(fā)送一個中斷信號，并通過蜂鳴器向附近的環(huán)境發(fā)出警報。

2 六足機器人的設計

該六足機器人是長方形的——有兩組腿，每側(cè)三條。每條腿有三個自由度，由髖關節(jié)、脛骨和股骨關節(jié)上的伺服電機驅(qū)動。主要優(yōu)點是伺服電機有編碼器。該六足機器人必須足夠堅固，不可以太重，所以車身選用玻璃纖維板和丙烯酸板，可根據(jù)需要切割成不同的形狀，易于操作。六足機器人的設計包括以下幾個模塊，樹莓PI和Arduino控制器，伺服電機，伺服驅(qū)動，高分辨率相機。其中最重要的部件是微控制器。這些整個部分通過微控制器協(xié)調(diào)成為一個單一的系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

從圖2中可以明顯看出，Arduino和樹莓 PI微控制器在所有傳感器(如攝像機)和執(zhí)行器(如伺服電機)之間進行協(xié)調(diào)。18個伺服電機響應來自控制器的信號。IP模塊用于與機器人進行有效的通信。攝像機有助于避開障礙物，WiFi源用于通過IoT控制機器人。伺服驅(qū)動板分別用于控制18個電機。六足機器人的原型[8-9],如圖3所示。

圖3 六足動物的原型

3 系統(tǒng)硬件及其軟件設計

本文的六足機器人的電子結(jié)構(gòu)將建立在玻璃纖維板上，元件將永久固定在玻璃纖維板上。電子結(jié)構(gòu)的輸入信號來自任何可移動網(wǎng)絡/筆記本電腦，連接到網(wǎng)絡接口模塊的無線路由器，網(wǎng)絡接口模塊將包含一個互聯(lián)網(wǎng)源，如4G或3G設備，僅用于通信目的。輸入信號將被傳輸?shù)綐漭甈I。PI將負責控制并向Arduino UNO發(fā)出指令(Arduino只是用C/C++語言編程的)。Arduino的PI將在反饋回路中工作，根據(jù)執(zhí)行的動作給出指令和命令。Arduino將負責控制和執(zhí)行六足機器人的任務，它將通過PCA9685的伺服驅(qū)動器控制駕駛座；Arduino將負責伺服電機的速度，并控制MG 995的所有18個伺服電機，所有電機的同步和移動取決于Arduino，它將由脈寬調(diào)制技術(shù)控制，由Arduino的庫，改變角度到所需的輸出。

系統(tǒng)中使用的模塊有:藍牙模塊HC-05，用于通過無線設備向Arduino發(fā)出命令；降壓轉(zhuǎn)換器，用于向每個伺服系統(tǒng)提供恒定電壓和所需電流；伺服驅(qū)動器PCA9685，通過Arduino控制18個伺服電機的運動。

六足機器人的設置是從Lipo電池獲得電力開始的，來自電池的電流被饋送到降壓轉(zhuǎn)換器，增加了電流數(shù)值，以向每個電子設備提供足夠的電流。樹莓PI通過WiFi的無線信號，通過筆記本電腦通過互聯(lián)網(wǎng)，從用戶/運營商那里獲取信息命令，同時在PI上放置一個互聯(lián)網(wǎng)設備，使其成為物聯(lián)網(wǎng)。樹莓PI負責向Arduino發(fā)出命令并執(zhí)行任何特定的動作，另一方面，PI攝像機連接到PI控制器，通過軟件捕獲圖像并進行圖像處理，存儲數(shù)據(jù)并將命令發(fā)送給操作員的筆記本電腦。當Arduino接收來自用戶的命令，并向伺服驅(qū)動器發(fā)出命令，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機，使六足機器人運動起來。如果有干擾信號時，傳感器會發(fā)出蜂鳴聲并向操作員發(fā)出信號。如果伺服電機或任何電子元件中有干擾，系統(tǒng)會自動向操作員的筆記本電腦發(fā)送一個命令，指示發(fā)生了錯誤。

本系統(tǒng)使用的軟件有用于機械結(jié)構(gòu)設計的Auto CAD 2007；Arduino操作系統(tǒng)使用Arduino集成開發(fā)環(huán)境軟件，使用C語言；對于圖像處理，軟件是OPEN CV；控制器樹莓PI是使用Python集成開發(fā)環(huán)境和OPEN CV。

4 結(jié)果和討論

六足動物的六條腿可以同時移動，六條腿的總自由度為18。每個伺服電機都有不同的位置值。六足機器人的有效載荷取決于其伺服電機的扭矩。六足動物向前運動的形狀如圖4所示。

圖4 六足向前運動的形狀

當機器人向前移動時，六條腿中的每一條都記錄了一些運動。每條腿的位置圖如圖5所示。

(a) 腿1

(b) 腿2

(c) 腿3

(d) 腿4

(e) 腿5

(f) 腿6圖5 所有6條腿的位置圖

從圖5中可以明顯看出，腿1和腿5幾乎不動。腿2和腿3有一些向前的運動。同時，腿4和腿6記錄一些向后的運動。

18個伺服電機位置值的前進方向,如表1所示。

表1 伺服電機的位置(SM=伺服電機)(a) 1-6號伺服電機的位置

(b) 7-12號伺服電機的位置

(c) 13-18號伺服電機的位置

以同樣的方式；伺服電機的向后、向右和向左方向也非常相似。在表1中，當時間為150 ms時，伺服1位置為1 700，伺服2為1 000，伺服18為2 500。因此，通過改變時間周期，伺服系統(tǒng)的向前、向后、向左和向右方向的運動逐漸改變，因此，機器人是穩(wěn)定的。伺服位置值因伺服的不同運動而不同。六足機器人的穩(wěn)定性取決于其伺服電機和伺服支架。

5 總結(jié)

本文設計了一個六足機器人，可以在物聯(lián)網(wǎng)的幫助下進行遠程控制。因此，本研究試圖將物聯(lián)網(wǎng)、機器人學和圖像處理這三個不同的工程領域結(jié)合起來，開發(fā)出一個強大而有效的系統(tǒng)。選擇六邊形六足機器人只是因為它的靈活性和任務區(qū)的要求。