基于Arduino的仿生六足机器人双形态设计

方凯旗　李恒全　张稳召　王登丰

摘 要：笔者以蜘蛛为仿生原型采用Arduino和20路舵机为主控板，用手柄或手机连上WIFI模块或蓝牙模块，控制完成多种仿生动作的六足机器人。六足机器人用舵机云台控制openMV摄像头采集识别分析图像，并模仿动物进行移动，用超声波模块自动躲避障碍物，用声音模块检测声音做出防备动作，用寻光模块向光源移动追捕。团队成员同时探索出两种形态自由切换的双形态融合设计，实现在崎岖的路上运用“足”移动，在比较平坦的路上收缩关节运用电机快速移动、灵活转向，让机器人达到运动更平稳，适应能力更强，实用价值更高。关键词：Arduino;openMV;仿生六足机器人;双形态中图分类号：U462  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）11-62-04

Abstract： The author takes the spider as the bionic prototype， USES the Arduino and the 20-way steering gear as the main control board， connects the WIFI module or bluetooth module with the handle or mobile phone， and controls the hexapod robot which completes various bionic actions. Hexapod robot USES the helmsman to control the openMV camera to collect recognition and analysis images， and simulates the movement of animals. The ultrasonic module is used to automatically avoid obstacles， the sound module is used to detect sounds and make defensive actions， and the light seeker module is used to move and chase the light source. At the same time， the team members explored the dual-form fusion design of free switching between the two forms， so as to realize the use of "foot" movement on the rough road， and the use of motor for fast movement and flexible steering on the relatively flat road to make the robot move more smoothly， with stronger adaptability and higher practical value.Keywords： Arduino; OpenMV; Bionic hexapod robot; Double formCLC NO.： U462  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）11-62-04

1 时代背景

随着科学技术的不断发展，相关性机器人的探索研究也随之增加，然而对多足类机器人的探索研究更具实用价值，也更能适应现阶段多领域、多环境、多地形的特种工作内容，其将会是人类发展的重要里程碑。多足步行机器人一般指四足或四足以上的步行机器人，常见的多足步行机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机器人。该类机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑的运动机构，是模仿多足昆虫或动物运动形式的一种智能型机器人，涉及生物科学、结构学、传感技术和信息处理技术等多门学科[1]。而该文主要阐述的是仿生六足机器人的探索设计过程。其仿生六足机器人一般分为两种：一种为机械机构复杂的六足机器人，另一种为电控占为主导的六足机器人。并且轮式机器人与履带式机器人控制技术逐渐趋于成熟。然而，对于山地、丘陵、崎岖路面等复杂地形，轮式和履带式的移动方式受到了很大的限制[2]。相比而言，六足机器人用舵机控制整体结构的运动，大大降低了机械结构的复杂性，能够准确实现机器人的各项仿生动作，并能保持某一动作，还可以根据程序编写设定，建立远距离人为控制，更加灵活。

2 双形态探索意义

人类在搜救，以及探索工作上遇到的挑战不断上升，也相续面临了一些问题，因此，关于仿生机器人的设计应用，值得探索开发。同时，近年来也有相当多关于探讨两足至多足机器人的应用问题，过去的两足机器人多为转型机械系统，其运动局限于二维平面，无法克服许多山区崎岖的地形。还有就是轮式机器人，能够稳定快速地在平坦的地形移动;履带式机器人，通过分担总重量到较大平面上，也相当于为轮子提供稳定的移动平面，使机器人能够在较为不平或松软的路面上行进。然而以上两种机器人均不能很好地适应有障碍地势起伏大等不规则地形，非传统的足式机器人则可以克服这一困难[3]。由于其仿生理论结构的应用，可以使六机器人对昆虫的运动过程以及姿态进行模拟，进而最大程度的接近真实昆虫的运动特征。这對于六足机器人的研究和探索具有十分重要的意义[4]。并且六足机器人运用“三角步态”，利用18个舵机作为机器人的“关节”，使其跨越障碍的能力增强，可以克服较为复杂的地形，同时实现了“足”移动和电机快速移动的双形态融合设计，在仿生原型上展现了蜘蛛和螃蟹的两种运动形态。这对于六足机器人的仿生结构设计具有融合性的意义。还有，六足机器人借助云台的摄像采集识别分析辅助装置，能更好的适应行进未知工作环境的特点，因此可以应用于许多危险的特种工作，通过摄像头来观察环境，例如火山的研究或其他特殊地域的探测，也可以进行一些搜救工作，安保工作，军事活动等，以减少人员的伤亡。这对于六足机器人的辅助功能具有指导性的意义。

3 六足机器人总体设计

六足机器人主要由Arduino开发板、20路舵机控制板、openMV摄像头、超声波传感器、声音传感器、寻光传感器、WIFI模块、蓝牙模块、数字舵机组成，并开发设定了机械系统、检测系统、控制系统的三大系统，总体框架图如图1所示。机械系统是通过Arduino开发板和20路舵机控制板，从而实现仿生六足的双形态自由运动及摄像云台的多角度稳定;检测系统是由openMV摄像头、超声波传感器、声音传感器、寻光传感器组成的子系统，具备图像采集、图像追踪、自动避障、声音防备、光线追捕等功能;控制系统是手机、手柄借助WIFI模块和蓝牙模块进而对六足机器人实现多方面的控制。

4 六足机器人硬件设计

4.1 机械结构

在制作机器人时，人们普遍应用的材料主要有三种：木质、金属、塑料。首先，制作机器人比较理想材料为金属，其硬度高、光泽漂亮、不易磨损[4]。但随着3D打印技术的发展，并考虑到相关结构的经济性和轻量化的特点，最终决定采用PLA材质的热塑性塑料作为耗材打印整个机械结构。然而后期，通过二次升级开发，材料会定位为铝合金。

4.1.1 整体结构

在设计的过程中，整体结构遵循蜘蛛的仿生原理，设计了“躯体”和“足”的两个基本部分。“躯体”部分常见的有被广泛采用的矩形，具有结构控制简单的特点;也有最接近昆虫仿生的椭圆形或者六边形排布，其减少了足间干涉，以增大足的运动范围的方式提高了机体稳定性;还有圆形布置，其转向性和稳定性均有优势，但因足间控制轨迹的不同，在控制上更具挑战性。综合考虑后，本结构采用了矩形，并对其实施缩小的尺寸设计，其尺寸为宽300mm，长314mm。“足”根据蜘蛛腿部尺寸比例设计了六足机器人三段式单足结构，分别对应蜘蛛的股节、胫节以及跗节，并在最后一段式实现延长结构化设计，整体结构如图2所示。六足机器人最为重要在于结构，利用三维制图软件CATIA画出相应零件图，通过螺栓连接完成整个机械结构的装配工作，并运用运动学仿真，查看运动合理性，进行受力分析，验证结构的强度和结构的合理性，结构之间的紧密合作是实现机器人移动的重要基础，整体结构运动简图如图2所示。

4.1.2 仿生腿结构

本系统采取3腿为一组的运动模式，即三角步态（占空因数为1/2，3条腿运动时，其他3条腿不动），同一侧的前腿、后腿的前后转动与另一侧的中腿驱动信号对称[5]。其利用18个舵机作为机器人的“关节”，且六足机器人的“躯体”与“足”的连接关节设计为弧形，其具有两大优势：一是减少腿间运动干涉的发生概率;二是能够增加步行的稳定性。为了获得良好的互换性，其仿生腿结构采用模块化的设计理念，位于“躯体”同侧及对侧的仿生腿都具有完全独立控制的机械结构。同时最后一段腿部基于跗节采取了反向延长的设计，反向延长结构如图4所示，这样更好的实现了双形态模式的快速稳定切换。

4.2 摄像云台

为了增大六足机器人的实用价值，且可完成一些远程操作。以运动灵活、环境适应能力较强的六足机器人为运动载体，借助2个舵机设计云台，摄像云台结构如图所示，来实现摄像头多角度的图像采集追踪分析。openMV摄像头是一个可编程的摄像头，通过MicroPython语言，并结合其本身内置的一些图像处理算法，很容易实现限定的逻辑。摄像云台的设计给六足机器人增加了两方面的实用性功能：一是，通过摄像头人为观察路况，实现远距离控制，搜寻目标;二是，实现精度一般的定点测距、颜色识别以及物体的追踪移动。

4.3 辅助功能

以“躯体”结构部分为载体，增加了超声波模块、声音模块、寻光模块，使六足机器人在运动过程中，可以实现自动避障、声音防备、光线追捕等辅助性功能;当六足机器人处于黑暗的复杂地势环境时，可以及时的向光源移动，并分析环境声音做出相应防备动作，且可对障碍物进行自动躲避。增加了六足机器人的一些实用性功能，扩宽了相应的应用领域。

5 六足机器人软件设计

5.1 控制程序

程序是六足机器人的“灵魂”，其六足机器人的三角步态运动、摄像云台的工作以及各个模块的控制，都是程序实现的结果。常见的 Arduino 控制板主要有 Mega 2560、Mega ADK、 Mini、Nano 控制板，本系统选用的是 Arduino Nano 控制板[6]。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子产品，具有丰富的接口，有数字I/O口，模拟I/O口，同时支持SPI、IIC、UART串口通信，还能通过各种各样的传感器来感知环境，并让其他传感器和动力系统做出反应。用20路舵机控制板，完成了对18个仿生腿舵机和2个摄像云台舵机的控制，实现了六足机器人的双形态平稳运行和多角度图像采集识别分析。同时增加了Pro micro扩展板，完成各传感器之间的程序联系，以实现超声波模块、声音模块、寻光模块的相应辅助性功能。

openmv部分程序展示：

size_threshold = 2000 #色块面积

uart=UART（3，9600） #//串口波特率需要和arduino一致 這里设为9600

def find_max（blobs）：

max_size=0

for blob in blobs： #把所有色块 一一筛选

if blob.pixels（） > max_size： #if色块像素数量最大赋值

max_blob=blob

max_size =blob.pixels（）

return max_blob #//寻找最大色块并返回最大色块的坐标

def find_maxtu（blobs）：

max_size1=0

for blob in blobs： #把所有色块 一一筛选

if blob[2]*blob[3]>max_size1： #if色块像素数量最大赋值

max_blob=blob

max_size1= blob[2]*blob[3]

return max_size1#//寻找最大色块并返回最大色块的坐标

while（True）：

img = sensor.snapshot（）#拍摄一张照片，img为img一个对象

blobs = img.find_blobs（[bule_threshold]）# 寻找色块

5.2 程序调试

对机械装配成型的六足机器人进行电气元件的安装，并完成接线引脚的布置焊接。同时对整个机械结构和程序运行进行以下调试工作：

（1）检查六足机器人的整体组装结构是否牢固，排查各模块之间的线路连接是否正确;

（2）接通电源，观察六足机器人的仿生腿是否能自动调试到初始角度，并注意各控制板上的指示灯是否有异常;

（3）分别通过手机、手柄验证WIFI模块和蓝牙模块的无线连接是否正常;

（4）通过无线控制让机器人完成原地旋转、直线前行等任务，验证其双形态和各传感器是否正常。

6 总结

本文介紹了六足机器人的各部分设计及相应功能，并探索出了六足机器人双形态的融合运动模式，同时完成openMV摄像头的设计。借助场景效果构建，通过手机和手柄同时对六足机器人的相关功能及其适应能力开展实验，并完成了预期的规定任务，表现效果良好。表明，通过二次开发生产，可以实现野外及特殊环境的无人工作。同时，也进一步体现了仿生六足机器人的研究设计价值和实用探索价值。

参考文献

[1] 王洪斌，李程，王跃灵，刘鹏飞.基于Arduino和蓝牙技术的六足机器人控制系统设计[J].黑龙江大学自然科学学报，2015，32（04）：533- 537.

[2] 荆琦，张得沛.复杂环境下的侦测六足机器人设计[J].科技展望， 2016，26（24）：182.

[3] 王晨涞.论多足机器人多元研究方向[J].中国设备工程，2018（02）： 153-155.

[4] 杨秋黎，姜文波.多足仿生机器人的设计与实现[J].计算机产品与流通，2017（12）：111-11

[5] 彭倩，李红岩.仿生蜘蛛探测机器人的系统设计[J].实验室研究与探索，2016，35（12）：84-87.

[6] 王贺，王凤娇，于兰浩，曹高华.基于Arduino的六足仿生机器人的设计与研究[J].南方农机，2017，48（16）：33.