基于Arduino的仿生六足偵察機器人設計

陳力雄，郭宛霖，張世龍，侯一航，戴杰，林秀芳

（閩江學院，福建福州，350108）

0 引言

六足機器人相比于傳統的機器人，如履帶式機器人，具有更靈活的機械結構和移動步態，能夠在復雜的環境中平穩地行走，可以代替人類進行設備巡視、工程勘測、排雷排爆、實時跟蹤及探測特定情況下無法進入或是會導致人類的生命健康遭遇威脅的工作環境。Arduino是基于單片機的開放源碼的電子原型平臺，以其易學性和靈活性，可以接收來自各種傳感器的輸入信號從而檢測出運行環境，并通過控制光源，電機以及其他驅動器來影響其周圍環境0。基于Arduino開源平臺和仿生學原理，仿生六足機器人模仿多足類動物的運動方式，具有靈活性、可靠性、穩定性、自主性的特點，面對復雜環境條件具有強大的適應能力。

1 機械結構設計

■1.1 材料選擇與加工

基于對自身重量、電源損耗性和經濟性等因素的考慮，選用樹脂作為六足機器人外型結構主要材料，樹脂材料制品表面光潔度高，且韌性好、耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、抗老化，使用壽命長。運用SLA（光固化技術）進行3D打印，該技術是目前主流3D打印成型技術中精度最高，表面成型質量好，打印精度高，性價比高。

■1.2 外型結構設計

仿生六足機器人的外型結構設計使用SOLIDWORKS軟件進行三維建模，如圖1所示。六足機器人的整體結構由多個零件構成，主要分為軀干和腿部兩個部分。六足機器人的腿部采用仿生結構，仿昆蟲關節腿機構。腿部的每個關節均由舵機驅動，通過主控芯片控制驅動相應關節的舵機運動使六足機器人實現仿生運動。系統從結構上保證了該六足機器人可以有效模擬六足昆蟲的行走方式，并可在多種復雜環境狀況下完成指定動作。

圖1 三維模型裝配圖

■1.3 六足機器人尺寸參數

機器人整體尺寸約為（長×寬×高） 435mm×75mm ×434mm。具體參數如表1所示。

表1 具體尺寸參數

■1.4 關鍵結構強度校核

由于六足機器人六條腿結構一致且尺寸大小相等，選取其中一條腿進行分析，如圖2所示，桿1表示六足機器人的大腿，桿2表示六足機器人的小腿，桿3表示六足機器人的軀干部分。假設各部分質量均勻分布，分析A點以及B點的力和力矩可得以下結果。

圖2 力學分析模型

其中CM為大腿關節驅動力矩，BM為小腿關節驅動力矩。

使用SOLIDWORKS軟件對關鍵結構進行有限元分析，得出六足機器人腿部結構的靜應力分析圖，結果如圖3所示。通過對其腿的結構進行有限元分析，發現腿的各個部分結構能夠滿足設計要求。因此可以得出該結構符合設計要求。

圖3 靜應力分析圖

■1.5 仿生原理

本設計采用三角步態，模仿六足昆蟲運動時的步態。六足昆蟲行走時，將兩側對稱分布的六只足分成兩組，以三角形結構交替前進。蟲體右側中足和左側的前后足為一組，蟲體左側的中足和右側的前、后足為另一組。當提起其中一組中所有的足時，另一組的足原地不動，支撐身體并以中足為支點，前足關節肌肉收縮，拉動身體向前，后足的關節肌肉收縮，將蟲體向前推，同時蟲體的重心落在另外一組三角形的三足上，然后重復前一組的動作交替前進。這種行走方式保證重心總是落在三角支架內使運動更加穩定且快速。三角步態示意圖如圖4所示。

圖4 三角步態示意圖

2 系統硬件設計

■2.1 六足機器人總體結構

仿生六足機器人系統的組成部分中，根據六足機器人的功能需求，選用Arduino 作為開發平臺，以ATmega2560芯片作為系統的主控芯片，添加2.4G無線控制器模塊、紅外熱成像模塊、定位模塊、電源模塊和舵機，共同組成機器人系統。系統的總體結構如圖5所示。

圖5 總體結構圖

■2.2 Arduino控制板

本設計采用MEGA2560 PRO控制板，如圖6所示，是基于ATmega2560（16MHz晶振）主控芯片的微控制板，采用CH340（12MHz晶振）芯片作為驅動芯片，內存大小為256kb，同時具有54個數字接口和16個模擬接口，能夠在-40℃～85℃的環境下正常工作。相比Arduino Mega 2560，它具有更小的體積和更強大的功能，能夠滿足該仿生六足機器人系統的控制需求。主控芯片原理圖如圖7所示。

圖6 MEGA2560 PRO實物

圖7 主控芯片原理圖

■2.3 驅動元件

為滿足六足機器人驅動系統的需求，考慮到六足機器人的穩定性，易操作性及耐用性等，本設計的控制方案采用舵機驅動。

舵機是由變速齒輪組、直流電機、可調電位器和控制電路組成的一套自動控制系統，常作為機器人的驅動部件。舵機通過信號線與主控芯片進行連接，在使用過程中對信號線發送指定信號來指定舵機輸出軸的旋轉角度和速度。該系統選用 MG90s 舵機作為驅動元件，因本設計需要不斷控制機器人各關節運行固定的角度來模擬六足機器人的仿生動作。該舵機不但扭力大，精度高，且采用舵機插拔線控制，便于插拔和舵機延長線的選型及更換，適合多自由度機器人的設計。實物如圖8所示。

圖8 舵機

該舵機輸出軸的角度根據時基脈沖來控制，一般需要一個20ms左右的時基脈沖，在0.5～2.5ms 的脈沖控制下，舵機轉動相應的角度。該舵機轉動角度為180°，那么對應的控制關系如表2所示。

表2 脈沖角度對應表

■2.4 無線遙控模塊

為了方便遠程控制六足機器人，本設計使用了遙控模塊。無線遙控模塊采用基于2.4G無線傳輸技術，2.4G技術具有保密性好、省電、雙向雙工工作、傳輸距離遠、傳輸帶寬較大等優點，可以對仿生六足機器人進行遠距離控制。模塊分為接收器和控制器兩部分。接收器可實現遠距離接收，因其具有強大的頻率接收能力。該模塊不僅頻率高而且控制時信號好，抗干擾能力強，適合應用于復雜的環境中，滿足該系統在復雜環境下的遠距離控制需求。

■2.5 紅外熱成像模塊

采用AMG8833紅外熱成像傳感器，如圖9所示，是一個8×8的紅外熱傳感器陣列。它將通過I2C返回一組64個單獨的紅外溫度讀數。該傳感器可以準確測量溫度范圍為 0℃～80℃的溫度，它可以在7m的距離內檢測到人。結構緊湊而簡單，體積小，便于集成。因此采用該傳感器作為紅外熱成像模塊。

圖9 AMG8833

■2.6 圖像傳輸模塊

該六足機器人在運動到控制者視野之外時，能夠拍攝周圍影像，并將畫面實時傳輸給操控者，因此需要圖像傳輸模塊來實現該功能。本設計采用FPV高清攝像頭，如圖所示，清晰度達1000TVL，圖像清晰。它具有體積小，質量輕，且功耗小等優點。工作電壓為7.4V。

圖像傳輸功能由600mW發射器和接收器來實現，工作頻率為5.8G，發射距離可以達到1km，體積和質量都很小，適合需要遠距離操作的六足機器人使用。

■2.7 電源模塊

考慮到六足機器人的負載能力及各模塊所需的電力，選擇鋰電池作為機器人的能源。鋰電池具有高能量密度、高功率、使用壽命長等特點。鋰電池有優良的高低溫放電性能，可以在-20℃～+60℃工作，高溫放電性能高于其他各類電池。常應用于汽車及工業電力行業，非常合適作為六足機器人的能源。

根據控制板和攝像頭的電壓需求，需引一路電壓為7.4V的電路接入Arduino 控制板和高清攝像頭進行供電。根據舵機工作電壓的需求，另引一路經過降壓穩壓模塊將電壓穩定至5V后接入舵機進行供電。因此本設計采用7.4V 15C的鋰電池，符合機器人系統供電需求。

3 系統軟件設計

■3.1 程序流程

本文所搭建的仿生六足偵察機器人利用ATMEGA 2560芯片對18個舵機進行控制，從而實現對仿生六足偵察機器人的運動的控制。針 對不同的使用場景與復雜地形，仿生六足機器人在行進過程中，需要具有前進、后退、轉向、克服障礙物等多項功能，對于運動的速度、運動的平穩性等參數具有不同要求。從而為了應付不同的環境，仿生六足偵察機器人設有不同步態，共四種：三角步態、波紋步態、四足步態、波浪步態。并且Arduino控制板通過2.4G無線接收器連接PS2控制器對四種步態進行選擇，實現對仿生六足機器人進行遠距離無線操作。

同時，本文所搭建的仿生六足偵察機器人還搭載了紅外傳感器和FPV相機，將其所偵查的復雜地形數據傳回控制器進行反饋與響應。傳感器所傳回的反饋使得控制系統形成了一個閉環控制系統，增強了仿生六足機器人抵抗干擾的能力，改善了系統的響應的穩定性。主程序流程圖如圖10所示。

圖10 主程序流程圖

■3.2 軟件功能設計

采用了19段的代碼來對機器人進行控制。首先進行參數定義，例如手柄端口定義，伺服端口定義以及LED端口定義等。再進行變量聲明，手柄變量中的手柄類型、手柄震動，逆運動學變量，抬腿模式變量，定位和行走變量等等。之后便是對象聲明18個伺服系統。再編寫一個啟動程序。進入到主程序，檢查手柄類型、設置幀時間、讀取輸入、將腿復位、使用IK計算定位腿部-除非將全部設置為90度模式、電池監視器和LED輸出、打印調試數據、處理模式，如果需要，重新設置抬腿首過標志。接著開始各個子程序的編寫：有處理手柄控制器輸入、腿部IK例行程序（反向運動學(IK)系統）、波紋步態、四足步態、三腳步態、波浪步態、計算行走步幅、帶控制器的實體平移（xyz軸）、身體隨控制器旋轉（xyz軸）、單腿提升模式、設置所有的伺服為90度、電池監視器例行程序、LED條形圖程序、打印調試數據，共14個子程序。

三腳架步態功能程序如下所示，從控制器中讀取命令，三條機械足為一組，一組向前移動時，另外一組提供支撐。

計算行走步幅調整運動模式程序如下所示，傳感器將檢測到的數據傳輸至控制器，通過分別計算步幅和旋轉三角的值，設置正常行走模式和慢速行走模式的持續時間。

4 結語

本文設計了一種基于Arduino的仿生六足機器人。Arduino主控制器驅動舵機，安裝在機器人上的傳感器將采集到的環境數據傳輸回控制端，依據反饋數據和影像實現環境偵察工作，并控制舵機的輸出軸的旋轉角度和速度，調整運動模式，維持六足機器人的運動姿態，適應所在環境。此外，增加了遙控模塊，基于2.4G無線傳輸技術，實現了遠程機器操控，大大增加了泛用性。