基于STM32F4 的十二自由度仿生四足機(jī)器人

石志誠(chéng)，張啟龍，李光明，羅龍，陳鳳，吳再華，姜宗生，邰玉彪，金光桃，胡韓

（六盤水師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，貴州六盤水，553000）

0 引言

在“工業(yè) 4.0”以及《中國(guó)制造 2025》浪潮的推動(dòng)下，人們對(duì)仿生四足機(jī)器人的研究越來越重視，并且仿生四足機(jī)器人朝著更加智慧化方向邁進(jìn)，可以幫助人們?cè)趶?fù)雜的環(huán)境中更好地執(zhí)行任務(wù)，如家用、救援、智能巡檢等。本文主要針對(duì)一個(gè)十二自由度的仿生四足機(jī)器人進(jìn)行研究，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解和STM32F4 相結(jié)合，通過手機(jī)APP 控制實(shí)現(xiàn)各種基礎(chǔ)步態(tài)和仿生動(dòng)作[1]。

1 硬件設(shè)計(jì)

（1）硬件設(shè)計(jì)總述：系統(tǒng)共分為主控模塊、供電模塊、圖像傳輸模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和WiFi 模塊。以STM32F4模塊為主控模塊，通過與其他模塊相配合，讓其實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)步態(tài)和各種仿生動(dòng)作，系統(tǒng)總模塊框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總模塊框圖

（2）主控模塊。以STM32F411 模塊作為主控制，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解與其相結(jié)合，采集和處理我們所在手機(jī)APP 發(fā)出的指令，控制其他模塊做出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。STM32F411 模塊具有體積小、環(huán)保和拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以為我們的機(jī)器人節(jié)約空間和減輕不必要的重量。STM32F4 引腳功能圖如圖2 所示。

圖2 STM32F411 引腳功能圖

（3）供電模塊。此模塊細(xì)分為電池模塊、低電壓報(bào)警保護(hù)模塊和降壓模塊。電池模塊采用的是格氏2S-800mah電池，它具有體積小、續(xù)航力久和重量輕等優(yōu)點(diǎn)；低電壓保護(hù)模塊采用的是BB 響測(cè)電器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池模塊的電壓情況，在電池出現(xiàn)電壓低的時(shí)候，發(fā)出鳴叫，讓我們及時(shí)的給電池充電，保障電池的壽命；減壓模塊采用的是3A的LM2596 模塊，具有大功率、高效率和低紋波等優(yōu)點(diǎn)，可以將電壓調(diào)節(jié)到5V，給主控模塊和其他模塊提供所需的電壓。通過這幾個(gè)模塊的配合，可以讓供電模塊更好地為仿生四足機(jī)器人提供充足的電量。LM2596 電路圖如圖3所示。

圖3 LM2596 電路圖

（4）圖像傳輸模塊。采用的是ESP32CAM 模塊，可以將數(shù)字圖像通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)，可以幫助仿生四足機(jī)器人對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。此模塊擁有低功耗雙核32位CPU，支持兩種視像頭模式模塊，并且支持內(nèi)置補(bǔ)光燈，既可以滿足高清晰度的圖像采集要求，又可以保障流暢視頻傳輸信號(hào)的。ESP32CAM 原理圖如圖4 所示。

圖4 ESP32CAM 原理圖

（5）舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。由自制的PWM 波驅(qū)動(dòng)模塊和MG90S 舵機(jī)模塊組成，自制的PWM 波驅(qū)動(dòng)板共有68 個(gè)排針接口，可以將MG90S 舵機(jī)的線路與主控模塊相牢固連接，可以很好地控制舵機(jī)執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作[3]。MG90S 舵機(jī)具有全金屬齒輪、耐用性好和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可以控制工作電壓不同輸出不同的扭矩，且其控制信號(hào)是以20ms 周期的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)，呈線性變化。MG90S 舵機(jī)180 度對(duì)應(yīng)控制關(guān)系如表1 所示。

表1 MG90S舵機(jī)180度對(duì)應(yīng)控制關(guān)系

（6）WiFi 模塊。采用ESP8266-01S 模塊，具有價(jià)格低、體積小、功耗低、丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重和支撐透?jìng)鞯葍?yōu)點(diǎn)，將模塊設(shè)置為透?jìng)髂Ｊ?，ESP8266-01S 模塊就是互聯(lián)網(wǎng)與UART 之間的橋梁，可以接收和處理APP 發(fā)出的指令。ESP8266-01S 原理圖如圖5 所示。

圖5 ESP8266-01S 原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)

（1）軟件設(shè)計(jì)總述。用Keil μVision5作為PC端的開發(fā)，給主控芯片編寫控制各個(gè)模塊功能的代碼，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行，并能對(duì)ESP8266-01S 發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)步態(tài)和各種仿生功能。當(dāng)給機(jī)器人供電時(shí)，STM32F411模塊和ESP8266-01S模塊就進(jìn)行初始化，開始接收上位機(jī)的各種指令信號(hào)，當(dāng)上位機(jī)對(duì)機(jī)器人發(fā)送指令時(shí)，STM32F411 模塊和ESP8266-01S 模塊就開始處理各種數(shù)據(jù)，讓機(jī)器人執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

（2）WiFi 模塊軟件設(shè)計(jì)。通過串口助手等軟件，將模塊設(shè)置為透?jìng)髂Ｊ?，ESP8266-01S 模塊就是互聯(lián)網(wǎng)與UART之間的橋梁，可以接收和處理APP 發(fā)出的指令，確認(rèn)指令后，發(fā)送數(shù)據(jù)給STM32F4 模塊，讓機(jī)器人做出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作[4]。WiFi 指令接收流程圖如圖6 所示。

圖6 WiFi 指令接收流程圖

（3）APP軟件設(shè)計(jì)。借助APP Inventor 進(jìn)行APP 搭建，APP 的功能可以自由設(shè)計(jì)，搭建出想要的框架模塊按鍵，更好地控制機(jī)器人[5]。APP 開發(fā)設(shè)計(jì)流程圖如圖7 所示。

圖7 APP 開發(fā)設(shè)計(jì)流程圖

（4）模型搭建設(shè)計(jì)。用CAD軟件搭建機(jī)器人的3D模型，用UItimaker Cura 軟件對(duì)各個(gè)部位模型進(jìn)行切片設(shè)置好各個(gè)參數(shù)，然后3D 打印機(jī)將模型打印出來，并使用72 顆螺絲進(jìn)行固定模型。機(jī)器人模型如圖8 所示。

圖8 機(jī)器人模型圖

（5）圖像傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)。用Arduino 給ESP32CAM 模塊編寫相對(duì)應(yīng)的代碼，讓其實(shí)現(xiàn)無線圖像傳輸，上傳至上位機(jī)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周邊環(huán)境，豐富機(jī)器人的功能。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

十二自由度仿生四足機(jī)器人由主控模塊、供電模塊、圖像傳輸模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和WiFi 模塊組成。通 過STM32F411 模塊與運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解相結(jié)合，驅(qū)動(dòng)自制的PWM 驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)擁有金屬齒輪的MG90S 舵機(jī)，讓其做出相對(duì)應(yīng)的各種動(dòng)作；通過自己開發(fā)的APP 發(fā)送固定的指令鍵值信息，通過ESP8266-01S 模塊傳輸指令，機(jī)器人匹配相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)通過WiFi 遙控控制基礎(chǔ)步態(tài)、仿生功能；增加ESP32CAM 圖像傳輸系統(tǒng)，將數(shù)字圖像通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)；供電采用格氏電池配合LM2596 降壓模塊為系統(tǒng)供電，為防止鋰電池過度放電，加入低電壓報(bào)警保護(hù)電路?？偟膩碚f，利用軟硬件相結(jié)合，制作一個(gè)十二自由度仿生四足機(jī)器人（實(shí)物圖如圖9 所示），通過APP 軟件連接WiFi 控制各種功能，實(shí)現(xiàn)功能有十六個(gè)：

圖9 十二自由度仿生四足機(jī)器人實(shí)物圖

（1）基本步態(tài)：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左移、右移等；

（2）仿生動(dòng)作：跳步、伸懶腰、俯臥撐、虎視、坐下、跪下、跳舞、趴下、抱頭等；

（3）監(jiān)測(cè)功能：可以利用視像頭對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

4 結(jié)束語

本文對(duì)基于STM32F4 的十二自由度的四足機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用3D 打印技術(shù)制作模型，利用軟硬件相結(jié)合，對(duì)四足動(dòng)物進(jìn)行仿生，讓其實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)等基本的運(yùn)動(dòng)，以及可做俯臥撐、伸懶腰等仿生動(dòng)作。四足仿生機(jī)器人是智能機(jī)器人發(fā)展的重要方向，是解決當(dāng)前工業(yè)、生活等領(lǐng)域關(guān)鍵問題的技術(shù)樞紐，具有極其重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的發(fā)展前景[6]。此機(jī)器人具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，為了讓機(jī)器人的功能更加的完善和更好的適應(yīng)更多的環(huán)境，未來展望有以下幾點(diǎn)：

（1）優(yōu)化模型及增加其他模塊，使功能更完善：

a.未來還可以實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人跳躍自穩(wěn)可抗壓等功能的運(yùn)動(dòng)期望；

b.可加入GPS 定位等模塊能實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)械狗進(jìn)行定位，方便我們更好的控制四足機(jī)器人；

c.加入LD3320 語音模塊和語音播報(bào)模塊，方便我們進(jìn)行語音控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互能力，能夠提供陪伴+服務(wù)。例如機(jī)器狗可以替代導(dǎo)盲犬，幫助盲人乘坐地鐵、公交、行走，在城市的復(fù)雜地形中移動(dòng)，并產(chǎn)生智能交互，成為一個(gè)很好的聊天伴侶。

（2）提高該機(jī)器人適應(yīng)能力，讓機(jī)器人適應(yīng)更多的環(huán)境，能更好地為人類服務(wù)。

（3）使成本更加地低廉。