摘 要：為了解決人類在極端環(huán)境探索和作業(yè)時的安全性問題，設(shè)計了一款六足機器人。該六足機器人以樹莓派4B為控制核心，具備目標跟蹤、行走、越障、遠程控制等功能；采用三角步態(tài)行進，提高了穩(wěn)定性和自由度；搭配攝像頭等多種傳感器模塊，可以實時采集周圍環(huán)境信息；與控制核心進行數(shù)據(jù)交換，通過驅(qū)動模塊控制舵機運動，從而實現(xiàn)目標跟蹤控制。該六足機器人可用于抗震救災(zāi)、礦難救援等情景下的目標勘探。

關(guān)鍵詞：六足機器人；樹莓派；機器視覺；目標跟蹤；避障；步態(tài)規(guī)劃

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-0-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.027

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對于在極端環(huán)境下應(yīng)用先進技術(shù)的需求日益增加。在地震災(zāi)害、礦難事故、山體滑坡等特殊環(huán)境下，往往存在地形復(fù)雜、路面崎嶇、障礙物多等問題，人類直接進行勘探會存在諸多安全隱患[1]，因此需要機器人代替人類進行勘測。常見的勘探機器人有履帶式機器人、輪式機器人、足式機器人[2-4]。其中，足式機器人又可分為雙足機器人、四足機器人、六足機器人以及八足機器人。六足機器人在足式機器人中最常見，其具有自由度高、運動方式多樣化、立足點離散等特點，可進行多樣化的步態(tài)設(shè)計[5]。

本文設(shè)計了一款基于樹莓派的六足機器人，能夠適應(yīng)崎嶇地形，結(jié)合多種傳感器和視覺算法，可實現(xiàn)步態(tài)規(guī)劃、主動避障、多自由度協(xié)同運動、目標跟蹤[6]等功能，使其能夠?qū)ι降?、草地、沙地、礦洞等復(fù)雜地形進行探索。

1 六足機器人整體控制方案

1.1 六足機器人需求分析

為了確保六足機器人能夠穩(wěn)定地運行，需要從硬件和軟件兩個層面提出控制要求，并進行需求分析。六足機器人在進行步態(tài)行走時，需要自主進行避障，實時調(diào)整六足姿態(tài)協(xié)同運動，實現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎、避障，并且要能對目標進行追蹤；另外還需要遠程遙控機器人運動，并將周圍環(huán)境畫面實時顯示到終端，這對機器人的硬件和軟件設(shè)計提出了要求。

硬件層面設(shè)計要求如下：

（1）處理器的計算能力強。六足機器人系統(tǒng)內(nèi)部要處理大量的傳感器信息，并發(fā)送驅(qū)動命令給多個執(zhí)行元件，執(zhí)行元件反饋數(shù)據(jù)給中央處理器，處理器內(nèi)部做出相應(yīng)運算修正驅(qū)動命令，這一過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要處理器對采集到的信息進行融合處理，因此對于處理器的實時計算性能有較高要求。

（2）多傳感器融合[7]。機器人的關(guān)節(jié)舵機反饋、避障、目標跟蹤、視頻畫面?zhèn)鬏敼δ芏夹枰柚煌愋偷膫鞲衅鲗崿F(xiàn)，不同傳感器采集的信息往往具備不同特征，如模糊的與確定的、時變的與非時變的、實時的與非實時的，通過對傳感器及其測量信息的優(yōu)化分配與使用，使得傳感器在空間和時間上形成互補與冗余的局勢，進而提高機器人系統(tǒng)的有效性。

（3）通信實時性強。在機器人行進過程中，驅(qū)動命令需要快速到達目標舵機，延遲時間不能超過2 ms。

軟件層面設(shè)計要求如下：

（1）程序模塊化。按照不同功能將機器人劃分為若干小程序模塊，每個小程序模塊實現(xiàn)一個確定的功能，并在這些模塊之間建立必要的聯(lián)系，通過模塊的互相協(xié)作完成整個

功能。

（2）上位機可視化。上位機通過與下位機或設(shè)備建立通信，實時采集監(jiān)控數(shù)據(jù)，并將攝像頭畫面?zhèn)鬏數(shù)缴衔粰C終端。

（3）步態(tài)穩(wěn)定。六足機器人具有多關(guān)節(jié)、多自由度的特

點，決定了步態(tài)規(guī)劃程序必須考慮行走過程中的穩(wěn)定性，以提高行進效率和目標跟蹤效果。

1.2 六足機器人控制原理

本文所設(shè)計的六足機器人依據(jù)仿生原理，足部采用三自由度關(guān)節(jié)腿結(jié)構(gòu)，分為腰關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)，由3個舵機和關(guān)節(jié)支架組成了機器人的一條腿，如圖1所示。

在進行目標跟蹤時，由上位機發(fā)送位置命令，處理器對攝像頭捕捉到的目標中心位置進行計算并得到偏差量；經(jīng)過機器人步態(tài)規(guī)劃程序后，輸出位置信號給位置控制器，將位置控制量發(fā)送至舵機擴展板，帶動腿部關(guān)節(jié)舵機；最終機器人足部按照預(yù)先規(guī)劃好的運行姿態(tài)進行運動。期間由傳感器實時檢測腿部位置和姿態(tài)信息并反饋和更新位置控制量。六足機器人行走控制原理如圖2所示。

1.3 步態(tài)控制規(guī)劃

步態(tài)是指六足機器人在行進過程中，肢體在時間和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系，主要表現(xiàn)為規(guī)律的擺動方式，常見的六足機器人步態(tài)有三角步態(tài)、四角步態(tài)、五角步態(tài)。其中三角步態(tài)契合大多數(shù)昆蟲仿生學(xué)運動原理，重心穩(wěn)定，且易于實現(xiàn)，能降低六足的互相干涉，適合絕大多數(shù)直行、轉(zhuǎn)彎、避障動作[8]。

三角步態(tài)行進原理如圖3所示，將六足劃分為兩組，身體左前足、左后足、右中足為組Ⅰ；右前足、右后足、左中足為組Ⅱ。當(dāng)六足機器人需要前進時，先進入靜止站立的準備姿態(tài)，接著組Ⅰ的三條腿抬起并向前擺動，組Ⅱ的三條腿向后擺動，帶動機器人本體向前行進，同時組Ⅰ三條腿落下至恢復(fù)初始狀態(tài)；之后組Ⅱ的三條腿抬起并向前擺動，組Ⅰ的三條腿向后擺動，再次帶動機器人向前行進，最后組Ⅰ和組Ⅱ的所有腿恢復(fù)初始狀態(tài)。

通過對機器人落足點狀態(tài)的分析，機器人始終保持有一組腿落地，另一組腿抬起，落地腿向后蹬推動本體向前行進，兩組腿周期性交替，落足點分布呈現(xiàn)三角形，如圖4所示，灰色代表落足點[9]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

六足機器人的控制系統(tǒng)以樹莓派4B作為控制核心，控制驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊控制六足上的舵機和頭部舵機，每只足部上有3個舵機控制腰關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動；同時電壓顯示器用來指示六足機器人的當(dāng)前電量；電源模塊負責(zé)給樹莓派4B供電；發(fā)光超聲波傳感器用來探測機器人前端是否有物體；頭部舵機的旋轉(zhuǎn)帶動廣角攝像頭轉(zhuǎn)動，能實時捕捉前方畫面并傳回到電腦或手機；無線接收模塊提供遠程控制機器人的功能?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2 硬件選型

六足機器人的硬件模塊型號、規(guī)格及各部件的功能見

表1所列。

（1）驅(qū)動模塊

六足機器人采用的是樹莓派專用擴展板，板載獨立開關(guān)電源，保證樹莓派的供電穩(wěn)定；其具有2路PWM舵機接口，帶有1 A過流保護，從而提升使用安全性；其擁有6路總線舵機接口，方便機器人接線；其板載6軸傳感器IC，提升數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性；其擁有4個I2C接口，方便拓展；還引出多個GIPO引腳，方便開發(fā)。采用4PIN防反插接口，兼容各種傳感器。

（2）舵機

本文采用LX-224HV總線舵機來驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，總線控制方式是用數(shù)據(jù)與舵機通信，通過指令包的發(fā)送和接收獲取舵機當(dāng)前位置和需要抵達的位置，是一種閉環(huán)的控制形式。相比于PWM控制方式，總線控制舵機能夠?qū)崿F(xiàn)對每個舵機的單獨編號，能控制更多參數(shù)，關(guān)節(jié)運動也更平順，方便后續(xù)動作組的編輯與步態(tài)規(guī)劃。舵機編號及布局如圖6

所示[10-11]。

（3）攝像頭

六足機器人在進行目標跟蹤時需要依靠機器視覺技術(shù)，攝像頭是應(yīng)用機器視覺技術(shù)時的重要元器件，它負責(zé)圖像采集，能夠?qū)⒉杉降耐獠繄D像傳送給主控核心，攝像頭分辨率為600萬像素，可采集彩色圖像，數(shù)據(jù)通信接口類型

為USB 2.0。

（4）超聲波傳感器

超聲波傳感器是將聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號的測量裝置，其具備頻率高、波長短、穿透性好的特點，被廣泛應(yīng)用于測距，使用超聲波傳感器能探測位于六足機器人前方的障礙物情況，聲波碰到障礙物時會反射回接收端，以便控制器及時作出反應(yīng)，調(diào)整機器人姿態(tài)做好避障準備，在路面地形復(fù)雜的情況下能很好地探測障礙物信息。

（5）無線通信模塊

SX1268無線通信模塊具有WiFi功能，支持TCP/UDP協(xié)議，可以支持開啟機器人熱點，供電腦或手機連接，抗干擾能力強，信號穩(wěn)定。

3 軟件程序設(shè)計

3.1 主程序流程

六足機器人采用模塊化的程序設(shè)計法，利用樹莓派控制核心實現(xiàn)目標跟蹤和機器人運動，首先要進行主程序的設(shè)計。自動模式主程序流程如圖7所示。

3.2 目標跟蹤算法流程

目標跟蹤的原理是先設(shè)定目標的顏色，再在視野中尋找該顏色面積最大的輪廓。為了減少噪聲的干擾，需要判斷輪廓面積是否大于50 PPI，若大于50 PPI則認為該面積有效，之后獲取其最小外接圓，求得圓心橫坐標X及縱坐標Y，若目標圓心坐標和圖像中心點坐標偏差在20 PPI以上，則目標不在圖像中心，需要計算PID修正量并發(fā)送給頭部舵機，調(diào)節(jié)攝像頭位置，使目標處于圖像中心實現(xiàn)跟蹤。目標跟蹤算法流程如圖8所示。

3.3 步態(tài)規(guī)劃程序設(shè)計

六足機器人行進過程需要依靠事先規(guī)劃好的步態(tài)，步態(tài)規(guī)劃的本質(zhì)是控制機器人六條腿上的舵機來改變腿部關(guān)節(jié)的角度，從而實現(xiàn)復(fù)雜動作。六足機器人自由度高，需要對18個

關(guān)節(jié)舵機加以控制，采用總線舵機方便對每個關(guān)節(jié)處的舵機編號；通過上位機軟件設(shè)置動作組，執(zhí)行每個動作組使得18個

舵機的轉(zhuǎn)動對應(yīng)一定角度。表2所列為六足機器人所需動作組文件及功能。

以低姿態(tài)前進為例，包含4個動作組，機器人順序執(zhí)行動作組1～動作組4，改變18個關(guān)節(jié)舵機的位置，其中關(guān)節(jié)舵機位置范圍為0～1 500°，見表3所列。執(zhí)行動作組1時，左前足、左后足、右中足抬起并向前擺動，右前足、右后足、左中足支撐身體；執(zhí)行動作組2時，左前足、左后足、右中足落下，右前足、右后足、左中足向后擺動，身體向前移動；執(zhí)行動作組3時，左前足、左后足、右中足向后擺動，右前足、右后足、左中足抬起并向前擺動；執(zhí)行動作組4時，右前足、右后足、左中足落下。

4 實物功能展示

本文所設(shè)計的六足機器人實物如圖9所示。對機器人進行目標跟蹤實驗，跟蹤效果如圖10所示，目標能較好地保持在攝像頭視野中央，且目標跟蹤較快，可以達到200 ms。在手動控制時，可以通過手機APP端控制機器人前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退。

5 結(jié) 語

目標跟蹤六足機器人以樹莓派為控制核心，可通過手機APP進行遠程遙控，融合多種傳感器技術(shù)、機器視覺技術(shù)，實現(xiàn)機器人的穩(wěn)定跟蹤與行進。后續(xù)的工作將進一步優(yōu)化目標跟蹤算法，提高目標識別的效率，并豐富步態(tài)以提高機器人行走穩(wěn)定性。

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收稿日期：2023-08-15 修回日期：2023-09-15

基金項目：2023年無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級課題（KJXJ234 29）；2023無錫市科學(xué)技術(shù)協(xié)會立項課題（KX-23-

C119）；2023年無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級重點課題（KJXJ23301）；機器視覺工程技術(shù)中心（KYPT 21304）

作者簡介：薛燁豪（1995—），男，江蘇無錫人，碩士，助教，研究方向為機器人技術(shù)、自動化、機器視覺。