劉宇航， 石春源， 陸紹鑫， 薛恩鵬

（哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150080）

智能蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉宇航， 石春源， 陸紹鑫， 薛恩鵬

（哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150080）

文中提出了一種仿生機(jī)器人——智能蜘蛛機(jī)器人。該機(jī)器人以STM32為控制核心，結(jié)合多種外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了在坎坷路面的平衡控制、躲避障礙物、實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)裙δ堋Ｍ瑫r(shí)提供了一種低成本的檢測(cè)手段，為崎嶇道路檢測(cè)提供了解決方案。

蜘蛛機(jī)器人；平衡系統(tǒng)；實(shí)時(shí)圖像傳輸系統(tǒng)；避障系統(tǒng)

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，在航天、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用的智能蜘蛛機(jī)器人成為科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)，該機(jī)器人憑借其靈活的身體、豐富的功能已經(jīng)得到廣泛關(guān)注。智能蜘蛛機(jī)器人是基于蜘蛛的生理結(jié)構(gòu)，模仿其運(yùn)動(dòng)原理以及行為方式設(shè)計(jì)出的能夠自主辨別方向、完成避障以及平衡行走的機(jī)器人[1]。在救援過(guò)程中，蜘蛛機(jī)器人能夠代替人類完成相應(yīng)的任務(wù)，以降低不必要的人身財(cái)產(chǎn)損失；在工作生活中，通過(guò)它傳回的圖像來(lái)了解所處環(huán)境的相應(yīng)信息，從而避免一些不必要的麻煩，一方面為生活帶來(lái)了便捷，另一方面也拓展了我們的視野。在航天探索中，它配合攝像裝置實(shí)時(shí)傳輸信息來(lái)完成對(duì)未知領(lǐng)域的探索，為我們傳輸大量寶貴的圖片信息；在軍事偵察中，它憑借其小巧的身體、靈活的腿腳以及極強(qiáng)的隱蔽性可以很好地完成偵察、間諜的任務(wù)，蜘蛛機(jī)器人不受地形限制，可以在惡劣的環(huán)境下完成任務(wù)[2-5]。智能蜘蛛機(jī)器人具有很高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

蜘蛛機(jī)器人具有強(qiáng)大的功能和較強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此，很多國(guó)家的科研人員都對(duì)其進(jìn)行了深入研究，尤其是美國(guó)和日本，已經(jīng)成功研制出一些仿生蜘蛛機(jī)器人，并取得了很好的成果。我國(guó)在智能蜘蛛機(jī)器人研究方面尚處于初級(jí)階段[6]。因此，本文對(duì)智能蜘蛛機(jī)器人進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)平衡、直線行走、轉(zhuǎn)彎、避障、以及實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)闹悄苤┲霗C(jī)器人。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械部分

蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)是從仿生學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)蜘蛛運(yùn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，模仿其身體結(jié)構(gòu)制成。蜘蛛機(jī)器人是由頭部、軀干和腿部三部分組成，如圖1所示。

圖1 蜘蛛機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

蜘蛛機(jī)器人的頭部是由超聲波模塊和攝像頭兩部分組成，通過(guò)舵機(jī)與軀干的連接來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，進(jìn)而完成多個(gè)方向的障礙檢測(cè)等工作。其中，超聲波模塊負(fù)責(zé)距離的測(cè)量，經(jīng)過(guò)比對(duì)前方距離與預(yù)設(shè)的安全距離，來(lái)對(duì)蜘蛛機(jī)器人的行走方向進(jìn)行控制。蜘蛛機(jī)器人頭部舵機(jī)可旋轉(zhuǎn)180°，帶動(dòng)超聲波模塊和攝像頭來(lái)完成多方位的數(shù)據(jù)采集，搭配圖傳設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，最終完成監(jiān)控工作。

蜘蛛機(jī)器人的軀干由兩層1.5 mm碳纖維板制成，用來(lái)連接腿部與頭部，同時(shí)承載電池、主板和圖傳設(shè)備等。碳纖維板憑借其高比強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變等一系列優(yōu)異性能，成為蜘蛛機(jī)器人的最佳外設(shè)承載材料。碳纖維板之間通過(guò)6組高穩(wěn)定性、強(qiáng)支撐性的舵機(jī)連接，用來(lái)調(diào)整腿部前后自由度。兩層碳纖維板之間固定了電池、主板、圖傳設(shè)備和舵機(jī)電路轉(zhuǎn)接板，極大程度地節(jié)省了空間[7]。

蜘蛛機(jī)器人共有6條腿，每條腿是由舵機(jī)和腿部支架組成。為了完成各種動(dòng)作，腿部應(yīng)具有水平和垂直平面的運(yùn)動(dòng)自由度，因此每條腿都設(shè)計(jì)安裝了3個(gè)舵機(jī)。3個(gè)舵機(jī)分別控制跟關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，其中兩個(gè)舵機(jī)的安裝呈正交。跟關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)前后的自由度，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)上下的自由度，其腿部生物結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 腿部生物結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 腿部受力分析圖

蜘蛛機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)控制足部與地面垂直，從而有效地保證蜘蛛機(jī)器人腿部材料的穩(wěn)定性，目的是盡可能減少3D打印的支撐。為了實(shí)現(xiàn)股節(jié)、脛節(jié)與足部連接在同一平面內(nèi)，采用低填充率的打印方式，這樣做不僅減輕了重量，也提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[8]。由于舵機(jī)的回轉(zhuǎn)角度較大，不適宜使用管狀結(jié)構(gòu)，兩側(cè)安裝固定片可以讓舵機(jī)有最大限度的旋轉(zhuǎn)空間。

蜘蛛機(jī)器人舵機(jī)的選擇需要考慮質(zhì)量和最大轉(zhuǎn)矩，其受力分析如圖3所示。蜘蛛機(jī)器人上腿由A舵機(jī)連接，上腿與中腿由B舵機(jī)連接，中腿和下腿由C舵機(jī)連接。其中，上腿、中腿、下腿的質(zhì)量分別用m1、m2、m1g為了使舵機(jī)能夠承受蜘蛛的重量，根據(jù)牛頓第三定理中力和力矩的關(guān)系，得出腿的質(zhì)量和長(zhǎng)度關(guān)系如表1所示。

表1 腿部比重分析

表2 腿部角度分析

在蜘蛛機(jī)器人行走過(guò)程中，為了避免腿部之間發(fā)生碰撞，腿擺動(dòng)時(shí)需要選擇合適的角度，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，得出運(yùn)動(dòng)控制時(shí)最佳的擺動(dòng)角度，如表2所示。

1.2 電控部分

在機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)蜘蛛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，必須通過(guò)主板協(xié)調(diào)各外設(shè)的電控部分來(lái)控制。電控部分由電路和電源兩部分組成，其主要任務(wù)是協(xié)同完成各個(gè)部分功能，實(shí)現(xiàn)蜘蛛的運(yùn)動(dòng)、檢測(cè)、監(jiān)控等工作。電路部分包括主控電路、舵機(jī)電路、超聲波電路、攝像頭電路，電源部分負(fù)責(zé)提供各個(gè)外設(shè)所需要的全部電量[9]。

蜘蛛機(jī)器人的主控芯片為STM32，其外圍接口豐富、速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)符合蜘蛛機(jī)器人的需要。蜘蛛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)需要6條腿協(xié)同完成，每條腿有3個(gè)舵機(jī)，所以主控芯片需要同時(shí)控制18個(gè)舵機(jī)。舵機(jī)的控制需要利用STM32來(lái)開啟4個(gè)定時(shí)器的18個(gè)通道，實(shí)現(xiàn)18個(gè)I/O管腳同時(shí)輸出PWM波。超聲波電路由超聲波發(fā)送頭、接收頭及驅(qū)動(dòng)電路組成，通過(guò)STM32控制超聲波按照約定好的頻率，發(fā)送頭發(fā)送數(shù)據(jù)、接收頭接收數(shù)據(jù)，兩者進(jìn)行分析比較即可得到距離。

蜘蛛機(jī)器人電源供電由2S航模電池提供，電壓可達(dá)到8 V左右。通過(guò)大功率降壓二極管降壓，得到舵機(jī)額定電壓以下電壓，使18個(gè)舵機(jī)同時(shí)正常工作。通過(guò)UBEC285電源模塊進(jìn)行降壓穩(wěn)壓，以供STM32正常工作。

2 主要功能

蜘蛛機(jī)器人憑借其廣泛的實(shí)際價(jià)值，不斷地被應(yīng)用在越來(lái)越多的科學(xué)領(lǐng)域中。蜘蛛機(jī)器人可以在各種惡劣的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要功能分為自主運(yùn)動(dòng)和實(shí)時(shí)圖像傳輸兩大部分。整體結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。

圖4 整體流程圖

2.1 自主運(yùn)動(dòng)

自主運(yùn)動(dòng)分為保持平衡、直線行走、轉(zhuǎn)彎和避障幾個(gè)部分。自主運(yùn)動(dòng)的完成取決于蜘蛛本身平衡程度、障礙物距離兩個(gè)因素。

保持平衡對(duì)于蜘蛛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是至關(guān)重要的。平衡系統(tǒng)通過(guò)MPU6050采集信息，通過(guò)IIC與STM32通訊，可以得到相關(guān)的加速度和角速度。我們還可以進(jìn)行DMP濾波來(lái)得到更加準(zhǔn)確的角度[10]。由于蜘蛛機(jī)器人舵機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒有延遲現(xiàn)象，所以只需要采用比例環(huán)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)蜘蛛平衡調(diào)節(jié)[11-12]。

蜘蛛機(jī)器人可以完成直線行走和轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。在蜘蛛機(jī)器人前進(jìn)的過(guò)程中，可將其6個(gè)腿分為兩組，a、b、c、d、e、f分別代表每條腿，如圖5所示。其中a、c、e為第一組，b、d、f為第二組。當(dāng)?shù)谝唤M抬起時(shí)，第二組著地，著地的3條腿用來(lái)制成軀干，同時(shí)控制前后自由度的舵機(jī)將軀體推進(jìn)，完成軀體直線行走的運(yùn)動(dòng)。完成推進(jìn)后兩組腿交換，第一組著地，第二組抬起，此時(shí)由第一組腿完成推進(jìn)工作。兩組腿多次交換，進(jìn)而完成轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。由于行走時(shí)總會(huì)有3條腿支撐地面，因此它可以在各種崎嶇不平的路面保持平衡，這也充分地體現(xiàn)了蜘蛛爬行的優(yōu)勢(shì)[13]。

避障系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距模塊測(cè)量前方障礙距離，然后通過(guò)控制舵機(jī)來(lái)改變行進(jìn)的方向，進(jìn)而完成避障動(dòng)作，蜘蛛機(jī)器人可以同時(shí)對(duì)多個(gè)方向障礙進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 實(shí)時(shí)圖像傳輸

蜘蛛機(jī)器人的另一個(gè)功能就是可以進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像傳輸。實(shí)時(shí)圖像傳輸分為圖像采集、發(fā)送、接收、傳輸及顯示。實(shí)時(shí)圖像傳輸系統(tǒng)通過(guò)攝像頭采集圖像，通過(guò)TS835發(fā)送采集到的圖像信息，利用RC832接收數(shù)據(jù)，采用5.8G圖傳系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，最終通過(guò)LCD-RC800S顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示圖像[14-15]。通過(guò)蜘蛛機(jī)器人的實(shí)時(shí)圖像傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。蜘蛛機(jī)器人的實(shí)時(shí)圖像傳輸如圖6所示。

圖5 蜘蛛機(jī)器人腿部示意圖

圖6 蜘蛛機(jī)器人實(shí)時(shí)圖像傳輸

3 結(jié)論

本文以蜘蛛為仿生原型，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智能蜘蛛機(jī)器人。以蜘蛛機(jī)器人為基礎(chǔ)，進(jìn)行了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、功能方面的研究，完成了對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路的設(shè)計(jì)，探究了在直線行走、轉(zhuǎn)彎、避障以及實(shí)時(shí)圖像傳輸方面的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可行，蜘蛛機(jī)器人的行走、避障等動(dòng)作體現(xiàn)出了良好的靈活性和協(xié)調(diào)性，具有良好的人機(jī)交互功能。蜘蛛機(jī)器人憑借其廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用性能，未來(lái)將會(huì)在航天、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

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（編輯立 明）

Design and Implementation of Intelligent Spider Robot

LIU Yuhang，SHI Chunyuan，LU Shaoxin，XUE Enpeng
（Harbin UniversityofScience and Technology,Harbin 150080,China）

This essay presents a kind of bionic robot--the intelligent spider robot.Combined with a variety of peripherals,the robot takes STM32 as the control core to realize the balance control,obstacle avoidance,real-time image transmission and other functions.A low-cost detection method is provided for detecting rough roads.

spider robot;balance system;real-time image transmission system;obstacle avoidance system

TP 242.6

A

1002－2333（2018）01－00104－03

黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510214007）

劉宇航（1995—），男，本科在讀，電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。

2017-07-04