智能蜘蛛機器人的設計與實現

劉宇航， 石春源， 陸紹鑫， 薛恩鵬

（哈爾濱理工大學，哈爾濱 150080）

智能蜘蛛機器人的設計與實現

劉宇航， 石春源， 陸紹鑫， 薛恩鵬

（哈爾濱理工大學，哈爾濱 150080）

文中提出了一種仿生機器人——智能蜘蛛機器人。該機器人以STM32為控制核心，結合多種外設，實現了在坎坷路面的平衡控制、躲避障礙物、實時圖像傳輸等功能。同時提供了一種低成本的檢測手段，為崎嶇道路檢測提供了解決方案。

蜘蛛機器人；平衡系統；實時圖像傳輸系統；避障系統

0 引言

隨著科技的飛速發展，在航天、軍事等領域發揮重要作用的智能蜘蛛機器人成為科學家們研究的熱點，該機器人憑借其靈活的身體、豐富的功能已經得到廣泛關注。智能蜘蛛機器人是基于蜘蛛的生理結構，模仿其運動原理以及行為方式設計出的能夠自主辨別方向、完成避障以及平衡行走的機器人[1]。在救援過程中，蜘蛛機器人能夠代替人類完成相應的任務，以降低不必要的人身財產損失；在工作生活中，通過它傳回的圖像來了解所處環境的相應信息，從而避免一些不必要的麻煩，一方面為生活帶來了便捷，另一方面也拓展了我們的視野。在航天探索中，它配合攝像裝置實時傳輸信息來完成對未知領域的探索，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的隱蔽性可以很好地完成偵察、間諜的任務，蜘蛛機器人不受地形限制，可以在惡劣的環境下完成任務[2-5]。智能蜘蛛機器人具有很高的研究價值和應用前景。

蜘蛛機器人具有強大的功能和較強的適應能力，因此，很多國家的科研人員都對其進行了深入研究，尤其是美國和日本，已經成功研制出一些仿生蜘蛛機器人，并取得了很好的成果。我國在智能蜘蛛機器人研究方面尚處于初級階段[6]。因此，本文對智能蜘蛛機器人進行了研究，設計了一種能夠實現平衡、直線行走、轉彎、避障、以及實時圖像傳輸的智能蜘蛛機器人。

1 整體結構設計

1.1 機械部分

蜘蛛機器人的設計是從仿生學角度出發，根據蜘蛛運動靈活的特點，模仿其身體結構制成。蜘蛛機器人是由頭部、軀干和腿部三部分組成，如圖1所示。

圖1 蜘蛛機器人結構圖

蜘蛛機器人的頭部是由超聲波模塊和攝像頭兩部分組成，通過舵機與軀干的連接來控制舵機轉向，進而完成多個方向的障礙檢測等工作。其中，超聲波模塊負責距離的測量，經過比對前方距離與預設的安全距離，來對蜘蛛機器人的行走方向進行控制。蜘蛛機器人頭部舵機可旋轉180°，帶動超聲波模塊和攝像頭來完成多方位的數據采集，搭配圖傳設備進行實時傳輸，最終完成監控工作。

蜘蛛機器人的軀干由兩層1.5 mm碳纖維板制成，用來連接腿部與頭部，同時承載電池、主板和圖傳設備等。碳纖維板憑借其高比強度、耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變等一系列優異性能，成為蜘蛛機器人的最佳外設承載材料。碳纖維板之間通過6組高穩定性、強支撐性的舵機連接，用來調整腿部前后自由度。兩層碳纖維板之間固定了電池、主板、圖傳設備和舵機電路轉接板，極大程度地節省了空間[7]。

蜘蛛機器人共有6條腿，每條腿是由舵機和腿部支架組成。為了完成各種動作，腿部應具有水平和垂直平面的運動自由度，因此每條腿都設計安裝了3個舵機。3個舵機分別控制跟關節、膝關節和踝關節的運動，其中兩個舵機的安裝呈正交。跟關節負責前后的自由度，膝關節和踝關節負責上下的自由度，其腿部生物結構如圖2所示。

圖2 腿部生物結構示意圖

圖3 腿部受力分析圖

蜘蛛機器人在運動過程中，踝關節控制足部與地面垂直，從而有效地保證蜘蛛機器人腿部材料的穩定性，目的是盡可能減少3D打印的支撐。為了實現股節、脛節與足部連接在同一平面內，采用低填充率的打印方式，這樣做不僅減輕了重量，也提高了結構強度[8]。由于舵機的回轉角度較大，不適宜使用管狀結構，兩側安裝固定片可以讓舵機有最大限度的旋轉空間。

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

表1 腿部比重分析

表2 腿部角度分析

在蜘蛛機器人行走過程中，為了避免腿部之間發生碰撞，腿擺動時需要選擇合適的角度，通過多次實驗，得出運動控制時最佳的擺動角度，如表2所示。

1.2 電控部分

在機械結構的基礎上，為了實現蜘蛛機器人的運動，必須通過主板協調各外設的電控部分來控制。電控部分由電路和電源兩部分組成，其主要任務是協同完成各個部分功能，實現蜘蛛的運動、檢測、監控等工作。電路部分包括主控電路、舵機電路、超聲波電路、攝像頭電路，電源部分負責提供各個外設所需要的全部電量[9]。

蜘蛛機器人的主控芯片為STM32，其外圍接口豐富、速度快、穩定性高等優點符合蜘蛛機器人的需要。蜘蛛機器人的運動需要6條腿協同完成，每條腿有3個舵機，所以主控芯片需要同時控制18個舵機。舵機的控制需要利用STM32來開啟4個定時器的18個通道，實現18個I/O管腳同時輸出PWM波。超聲波電路由超聲波發送頭、接收頭及驅動電路組成，通過STM32控制超聲波按照約定好的頻率，發送頭發送數據、接收頭接收數據，兩者進行分析比較即可得到距離。

蜘蛛機器人電源供電由2S航模電池提供，電壓可達到8 V左右。通過大功率降壓二極管降壓，得到舵機額定電壓以下電壓，使18個舵機同時正常工作。通過UBEC285電源模塊進行降壓穩壓，以供STM32正常工作。

2 主要功能

蜘蛛機器人憑借其廣泛的實際價值，不斷地被應用在越來越多的科學領域中。蜘蛛機器人可以在各種惡劣的環境下進行實時監控，主要功能分為自主運動和實時圖像傳輸兩大部分。整體結構流程如圖4所示。

圖4 整體流程圖

2.1 自主運動

自主運動分為保持平衡、直線行走、轉彎和避障幾個部分。自主運動的完成取決于蜘蛛本身平衡程度、障礙物距離兩個因素。

保持平衡對于蜘蛛機器人的運動是至關重要的。平衡系統通過MPU6050采集信息，通過IIC與STM32通訊，可以得到相關的加速度和角速度。我們還可以進行DMP濾波來得到更加準確的角度[10]。由于蜘蛛機器人舵機運動過程中沒有延遲現象，所以只需要采用比例環節即可實現蜘蛛平衡調節[11-12]。

蜘蛛機器人可以完成直線行走和轉彎動作。在蜘蛛機器人前進的過程中，可將其6個腿分為兩組，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。當第一組抬起時，第二組著地，著地的3條腿用來制成軀干，同時控制前后自由度的舵機將軀體推進，完成軀體直線行走的運動。完成推進后兩組腿交換，第一組著地，第二組抬起，此時由第一組腿完成推進工作。兩組腿多次交換，進而完成轉彎等動作。由于行走時總會有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，這也充分地體現了蜘蛛爬行的優勢[13]。

避障系統采用超聲波測距模塊測量前方障礙距離，然后通過控制舵機來改變行進的方向，進而完成避障動作，蜘蛛機器人可以同時對多個方向障礙進行檢測。

2.2 實時圖像傳輸

蜘蛛機器人的另一個功能就是可以進行實時圖像傳輸。實時圖像傳輸分為圖像采集、發送、接收、傳輸及顯示。實時圖像傳輸系統通過攝像頭采集圖像，通過TS835發送采集到的圖像信息，利用RC832接收數據，采用5.8G圖傳系統進行傳輸，最終通過LCD-RC800S顯示器進行實時顯示圖像[14-15]。通過蜘蛛機器人的實時圖像傳輸，進而實現實時監控的功能。蜘蛛機器人的實時圖像傳輸如圖6所示。

圖5 蜘蛛機器人腿部示意圖

圖6 蜘蛛機器人實時圖像傳輸

3 結論

本文以蜘蛛為仿生原型，設計并實現了一種智能蜘蛛機器人。以蜘蛛機器人為基礎，進行了機器人的結構基礎、功能方面的研究，完成了對其機械結構、硬件電路的設計，探究了在直線行走、轉彎、避障以及實時圖像傳輸方面的實現方法。實驗結果表明，結構設計合理可行，蜘蛛機器人的行走、避障等動作體現出了良好的靈活性和協調性，具有良好的人機交互功能。蜘蛛機器人憑借其廣闊的應用前景和實用性能，未來將會在航天、軍事等領域發揮重要作用。

[1] 王國彪,陳殿生,陳科位,等.仿生機器人研究現狀與發展趨勢[J].機械工程學報,2015(13):27-44.

[2] 劉建輝,葉靜.基于類蜘蛛仿生煤礦救災機器人步態研究[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2008(6):878-880.

[3] 李航,宋春華,羅勝彬,等.機器人的研究現狀及其發展趨勢[J].微特電機,2013(4):49-51.

[4] 姜樹海,孫培,唐晶晶,等.仿生甲蟲六足機器人結構設計與步態分析[J].南京林業大學學報(自然科學版),2012(6):115-120.

[5] 雷靜桃,高峰,崔瑩.多足步行機器人的研究現狀及展望[J].機械設計,2006(9):1-3.

[6] 肖勇,王建平,蔣曉魁,等.八足蜘蛛仿生機器人的設計與實現[J].機電一體化,2006(6):79-82.

[7] 宋紅生,王東署.仿生機器人研究進展綜述[J].機床與液壓,2012(13):179-183.

[8] 柳天虹,姜樹海.仿生六足機器人穩定性分析與仿真[J].計算機仿真,2013(30):360-364.

[9] 王麗慧,周華.仿生機器人的研究現狀及其發展方向[J].上海師范大學學報(自然科學版),2007(6):58-62.

[10]于欣龍.六足仿蜘蛛機器人樣機研制及步行機理研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2013.

[11]申景金.一種新型六足仿生蟲的結構設計與動力學分析[D].南京:南京航空航天大學,2008.

[12] 吉愛紅,戴振東,周來水.仿生機器人的研究進展[J].機器人,2005(3):284-288.

[13] 吳凱,江亞龍,殷建.蜘蛛機器人設計研究[J].中國新技術新產品,2015(2):13-14.

[14]謝志浩,柯文德.仿生蜘蛛型機器人體系結構研究[J].廣東石油化工學院學報,2015(1):56-59.

[15]施文灶,王平.仿生蜘蛛機器人的設計與實現[J].電子科技,2013(3):90-92.

（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

黑龍江省大學生創新創業訓練計劃項目（201510214007）

劉宇航（1995—），男，本科在讀，電子信息科學與技術專業。

2017-07-04