西北民族大學(xué) 萬(wàn)德松 林 兵 秦 璇 李文闖

六足搜救機(jī)器人突破輪式機(jī)器人只能在平地行駛的缺陷。其六足能適應(yīng)各類復(fù)雜的險(xiǎn)境并實(shí)現(xiàn)全方位的移動(dòng)與探索，通過(guò)攝像頭采集圖像，在變電站、核電站或地震和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)等會(huì)對(duì)人類產(chǎn)生危險(xiǎn)的環(huán)境進(jìn)行巡檢或搜救。

當(dāng)今世界科技發(fā)展水平日益提高，機(jī)器人研究已經(jīng)拓展至各個(gè)領(lǐng)域。未來(lái)時(shí)代的各種機(jī)器人將會(huì)在人類無(wú)法生存、工作的環(huán)境代替人類去執(zhí)行和完成檢測(cè)、救援等任務(wù)。于是，我們要求機(jī)器人不僅可以適應(yīng)對(duì)功能的要求，還要有完善的性能去探索未知的環(huán)境，這就使得對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性、生存能力、靈活性有極高的需求。其中移動(dòng)性能是未來(lái)機(jī)器人在很多場(chǎng)所的關(guān)鍵性能力，為了完成操控者下達(dá)的任務(wù)，經(jīng)常要求機(jī)器人可以到達(dá)人們無(wú)法進(jìn)入的環(huán)境進(jìn)行探測(cè)、攻擊、干擾、偵查等行動(dòng)。因此，機(jī)器人需要擁有模仿動(dòng)物的特性，能夠適應(yīng)不同的環(huán)境，行進(jìn)范圍廣闊，生存能力和預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)，擁有極優(yōu)異的行動(dòng)能力等，以此達(dá)到能夠代替人們到達(dá)有較高危險(xiǎn)系數(shù)的環(huán)境中進(jìn)行各種活動(dòng)來(lái)完成任務(wù)。

大自然曾為人類的造物提供了豐富靈感，比如我國(guó)古人模仿鳥(niǎo)喙銜食物的動(dòng)作發(fā)明了筷子?，F(xiàn)在，仿生學(xué)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，人們利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理，研制機(jī)械或各種新技術(shù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量的研究并取得了突出的成果。

六足能適應(yīng)各類復(fù)雜的險(xiǎn)境并實(shí)現(xiàn)全方位的移動(dòng)與探索，利用攝像頭拍攝圖像、利用手機(jī)連接機(jī)器人自帶的WI-FI、利用手機(jī)APP來(lái)控制機(jī)器人的行進(jìn)以及將實(shí)時(shí)圖像傳回手機(jī)。讓人類在場(chǎng)外也能實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的情況或捆綁救援物資在六足機(jī)器人機(jī)身將物資帶入進(jìn)行救援，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)主要采用“樹(shù)莓派3B+”系統(tǒng)進(jìn)行控制，樹(shù)莓派是英國(guó)樹(shù)莓派基金會(huì)研發(fā)的小型電腦?！皹?shù)莓派3B+”系統(tǒng)的CPU有著1.2GHz的64位4核的ARM Cortex-A53，相比于樹(shù)莓派1的性能提升了近十倍，在我們熟知的其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中很少能有搭載主頻超過(guò)600 MHz的CPU。通過(guò)“樹(shù)莓派3B+”系統(tǒng)對(duì)LDX-218舵機(jī)、攝像頭模塊以及WI-FI模塊傳輸圖像及手機(jī)控制命令，保證整個(gè)系統(tǒng)流暢運(yùn)行（如圖1所示）。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 模擬計(jì)算最穩(wěn)定步態(tài)

通過(guò)Grubler公式，我們可以算出機(jī)器人機(jī)體的運(yùn)動(dòng)自由度為，公式中n代表連桿的個(gè)數(shù)，j代表關(guān)節(jié)的個(gè)數(shù)，fi代表的是第i個(gè)關(guān)節(jié)的自由度數(shù)，a=6是運(yùn)動(dòng)參數(shù)。機(jī)器人與地面的接觸點(diǎn)可視為一個(gè)球狀關(guān)節(jié)，其余關(guān)節(jié)都為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。所以，在任何時(shí)候機(jī)器人的靈活性不僅包括了三維平動(dòng)還包括三維轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)“樹(shù)莓派3B+”系統(tǒng)調(diào)節(jié)舵機(jī)的PWM波使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人完成抬腳收腳，最終實(shí)現(xiàn)全方位行進(jìn)、蹲下、復(fù)雜環(huán)境自平衡、上樓梯等動(dòng)作。強(qiáng)大的“樹(shù)莓派3B+”系統(tǒng)在控制機(jī)器人行進(jìn)的同時(shí)也能將攝像頭采集到的圖像實(shí)時(shí)傳輸給手機(jī)。參考國(guó)內(nèi)外對(duì)蜘蛛“仿生學(xué)”形態(tài)研究及其應(yīng)用領(lǐng)域的分析，通過(guò)Grubler公式計(jì)算出設(shè)計(jì)原理并設(shè)計(jì)出形態(tài)、步態(tài)穩(wěn)固的機(jī)器人。

2.2 機(jī)械蛛足的機(jī)械結(jié)構(gòu)及行進(jìn)姿態(tài)分析和設(shè)計(jì)

圖2 行進(jìn)姿態(tài)圖

如圖2所示，以左前腿為例對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分解。設(shè)定初始狀態(tài)時(shí)大腿與垂直方向夾角θ0=30°，其運(yùn)動(dòng)可分解為：該腿向前邁進(jìn)一步后的姿態(tài)，此時(shí)機(jī)器人身體不發(fā)生移動(dòng)；該腿向后邁出一步的姿態(tài)，此時(shí)機(jī)器人身體向前移；該腿向前邁步過(guò)程中，足端離地最高時(shí)的姿態(tài)。

2.3 主控制器選擇

利用“樹(shù)莓派3B+”系統(tǒng)進(jìn)行控制，樹(shù)莓派本質(zhì)上是一種類似于微型便攜計(jì)算機(jī)，其基于ARM芯片，以至少4G或以上內(nèi)存的SD卡為內(nèi)存硬盤，采用的是Linux系統(tǒng)。和傳統(tǒng)STC89C51芯片、STM32F1系列芯片和K60系列芯片等芯片相比較，其具有更強(qiáng)的性能與功能。其代碼使用Linux系統(tǒng)下的Python語(yǔ)言，相比傳統(tǒng)的單一C語(yǔ)言編程更具有庫(kù)函數(shù)豐富、操作方便、功能強(qiáng)大和語(yǔ)言簡(jiǎn)便的等優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目采用樹(shù)莓派作為主控，采用其Python環(huán)境、C環(huán)境下的Python語(yǔ)言和C語(yǔ)言進(jìn)行編程。

樹(shù)莓派從整體來(lái)看一共出了四代，其中每一代的CPU外設(shè)都是基本相同的，外設(shè)中一共包含了兩個(gè)串口，一個(gè)是mini串口（/dev/ttyS0），一個(gè)是硬件串口（/dev/ttyAMA0），但是它們的內(nèi)核有很大的區(qū)別。硬件串口由硬件部分實(shí)現(xiàn)，其配置著單獨(dú)的波特率時(shí)鐘源，性能極高且可靠。但是mini串口性能低，功能也比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有波特率專用的時(shí)鐘源，其時(shí)鐘是由CPU內(nèi)核時(shí)鐘提供，因此mini串口有個(gè)非常明顯的弱點(diǎn)：其波特率受到CPU內(nèi)核時(shí)鐘的影響。內(nèi)核如果在智能調(diào)整功耗時(shí)降低主頻，這個(gè)時(shí)候相對(duì)應(yīng)的這個(gè)mini串口的波特率理所當(dāng)然會(huì)受到牽連，雖然我們可以固定CPU內(nèi)核的時(shí)鐘頻率，但是這就不符合我們提倡的節(jié)能、低碳的要求了。所有的樹(shù)莓派主板中都通過(guò)排針把一個(gè)串口引了出來(lái)，目前除了第三代樹(shù)莓派引出的串口默認(rèn)是CPU的那個(gè)硬件串口。但是樹(shù)莓派第三代中，因?yàn)榘遢d藍(lán)牙模塊，因此這個(gè)硬件串口被默認(rèn)分配給了藍(lán)牙模塊通信，而把那個(gè)mini串口默認(rèn)分配給了排針引出的GPIO Tx Rx。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

攝像頭部分使用的源代碼采用Motion Joint Photographic Experts Group（簡(jiǎn)稱Motion JPEG），Motion JPEG常被用于閉合電路的電視攝像機(jī)的模擬視頻信號(hào)，其會(huì)被解析成視頻流，然后把它儲(chǔ)存在硬盤上。經(jīng)典的應(yīng)用有數(shù)字視頻記錄儀器等。然而MJPEG與MPEG不同，它是不使用幀間編碼的，因此用一個(gè)非線性的編輯器就可以很容易編輯。MJPEG的壓縮算法和MPEG基本是一樣的，其不僅能發(fā)送高幀數(shù)的圖片，還能生成動(dòng)畫視頻等，功能十分強(qiáng)大。但正因如此，MJPEG對(duì)帶寬的要求是非?？量痰模鞠喈?dāng)于T-1，MJPEG信息在數(shù)字媒體中占很大的存儲(chǔ)量，需要占用大量的存儲(chǔ)空間來(lái)滿足當(dāng)今龐大用戶群體的需求。因此，從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，在某些條件下MJPEG是效率最低的解碼/編碼器之一。

利用Python語(yǔ)言編寫六足的控制源碼及其圖像處理，C語(yǔ)言編寫WI-FI控制部分源碼。把各類模塊初始化封裝在不同的.c和.py文件中，最后壓縮成一整套鏡像文件的壓縮包，將鏡像文件導(dǎo)入SD卡中，插入控制機(jī)器人的樹(shù)莓派板即可使用，使用時(shí)的調(diào)用和初始化更加快速，使得編程的思路更加清晰。模塊化編程在程序編寫使用中最優(yōu)的地方在于程序的可閱讀力比較強(qiáng)，編程思路能體現(xiàn)得更加明了，對(duì)于程序的分模塊調(diào)試、參數(shù)整定和程序修改也非常方便，方便他人閱讀和學(xué)習(xí)編寫的程序。

總結(jié)與展望：本設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的功能包括：手機(jī)實(shí)時(shí)控制、平地行走并實(shí)時(shí)傳輸圖像至手機(jī)APP、蹲姿穿越障礙、翻越不高于機(jī)器人的障礙、超聲波測(cè)距、攜帶救援物資到達(dá)目的地等。當(dāng)設(shè)計(jì)完成后，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的有效使用年限和安全度進(jìn)行合理評(píng)估，并對(duì)各方面的干擾因素進(jìn)行排除。其電路的設(shè)計(jì)及零部件的裝配要求準(zhǔn)確無(wú)誤，編寫程序并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行整合及封裝，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多次功能調(diào)試。研究使用姿態(tài)算法、圖像處理保證機(jī)器人的步態(tài)穩(wěn)固，能適應(yīng)復(fù)雜險(xiǎn)境且傳回清晰圖像。深入了解蜘蛛類“仿生學(xué)”，確定機(jī)器人步態(tài)、步態(tài)周期、占地系數(shù)、步幅、靜態(tài)穩(wěn)定性等參數(shù)以確保機(jī)器人達(dá)到預(yù)期的效果。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的六足搜救機(jī)器人具有一定的實(shí)用價(jià)值，但其性能還不夠優(yōu)越，遠(yuǎn)程操作上由于受限于WI-FI距離還不可以完全替代人工的搜救、查驗(yàn)，希望在今后的學(xué)習(xí)研究中對(duì)性能做更優(yōu)化的開(kāi)發(fā)與升級(jí)，使該六足機(jī)器人更好的服務(wù)于實(shí)際監(jiān)測(cè)、搜救之中。