基于无线wifi的蜘蛛机器人的设计与实现

郗艳华 董群峰 张希 焦振田 谢佳凯

摘要：针对轮式和履带式机器人不能到达一些崎岖、恶劣的环境的特点，基于仿生学角度，设计一种能够在复杂环境中行走的蜘蛛机器人。该机器人通过无线模块接收控制端发出信息，经过分析处理后发出控制信号，从而使机器人完成各种操作。实验结果表明，该机器人除了可以实现前进、后退、左转、右转、避障跃障等基础动作以外，还可以通过控制端实现对机器人的运动速度和方向的实时控制，具有操作简单、工作稳定、实时性强的特点。

关键词：蜘蛛机器人；无线模块；控制

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：1009-3044（2018）16-0182-03

Design and Implementation of a Spider Robot Based on Wireless WiFi

XI Yan-hua， DONG Qun-feng， ZHANG Xi， JIAO Zhen-tian， XIE Jia-kai

（Department of Physics， Xianyang Normal University， Xianyang 712000， China）

Abstract： A intelligent spider robot based on the bionics is designed because the wheeled and tracked robot cant move in some rugged and harsh environment. The robot can receive information sent by control terminal through the wireless module，it can analyse the message and send the control information. The robot can complete a variety of operation. Experiment show that the robot can move forward and backward， turn left， turn right。 obstacle avoidance based action step，the speed and direction of the robot can be achieved by the control. the system is simple， stable， real-time and strong characteristics.

Key words： spider robot； wireless module； control

相比轮式或履带式机器人，足式移动机器人的落足点是离散的，因而它能够在足尖点可达范围内灵活调整行走姿态，并选择合理的支撑点，使得机器人具有更高的行走能力[1]。足式移动机器人可以在含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物的崎岖地形中稳定运动，并且对复杂多变的地形具有更强的适应能力。因此足式移动机器人在军事 国 防、航 空、 航 天、工业、农业等领域有着广泛应用。蜘蛛机器人是一种基于仿生学原理研制开发的仿生六足移动机器人，它具备前进、后退、左转、右转、避障和跃障等功能外，还可通过控制端实现其运动速度和方向的控制。

1总体方案

该蜘蛛机器人系统由无线模块、微控制器、驱动部分和电源组成。機器人基本框架用合金作为关节连杆，用舵机作为关节实现各种动作。控制端将控制信息通过无线模块传给微控制器，微控制器收到信息后进行分析处理，一方面协调、控制驱动部分实现预想操作，另一方面将微控制器的信息反馈给控制端。

2单元电路硬件设计

2.1微控制器

蜘蛛机器人要求微处理器能够在较短的时间内完成较为复杂的动态控制，即要求微控制器容量大，速度快。因此选用成本低、速度快、性价比高的STM32F103C8T6单片机，它基于ARM32位的Cortext-M3内核生产的，CPU工作频率最大可达72MHz，具有64KB的Flash存储器与20KB 的SRAM存储器，还集成了如看门狗、定时器、GPIO 口、DMA 控制器、ADC、UART、SPI接口、IIC 接口等片内外设[2]。

2.2无线模块

无线模块主要用来实现控制端对机器人的远距离操控。该模块采用乐鑫信息科技有限公司开发ESP8266 芯片作为控制端和机器人执行端无线连接的桥梁[3]。该芯片性 能稳定、体积小、成本低、实用性强，支持完善简洁高效的AT 指令，提供激活、睡眠和深度睡眠模式三种能耗模式，本设计中其工作在Station模式，其部分原理图如图1所示。

2.3驱动及动力部分设计

机器人的关节转动部分使用最多的是MG996R舵机[4]。它是现有市场上性价比最高的大扭力舵机之一。产品净重55g，拉力9.4kg/cm（4.8V），11kg/cm（6V）。该机器人拥有18个舵机操控的关节，因此需要产生18路控制舵机的50Hz的PWM控制信号。

PCA9685芯片为16通道12位I2C总线协议的控制芯片，其频率范围在40Hz至1000Hz 的固定频率的独立PWM控制器，占空比在0%到100%之间可调。因此可用两片该芯片级联来驱动舵机。其原理图如图2所示。

2.4电源部分设计

通常一个舵机在工作时最大电流为0.3A左右，若18个舵机同时工作，系统的瞬时电流会达到6A左右。因此选用7.4V 2200MA 25C的锂电池组对系统供电。因舵机工作电压为6V，因此使用两个大功率二极管的整流桥使锂电池电压降低到6V。STM32 的典型供电电压是3.3 V， ESP8266模块的输入电压为3.0-3.3V，采用稳压芯片AMS1117将锂电池电压转换为3.3 V，为控制器STM32 及无线模块ESP8266供电。

3运动学分析

蜘蛛机器人的运动学分析主要由三部分组成：正运动学分析、逆运动学分析及结构分析。正运动学分析分析了机器人在运动过程中产生的位型参数。逆运动学分析中分析指出了若要将机器人运行到指定位置需要如何设置控制参数。结构分析中分析了机器人的关节与连杆的数目及关系，同时计算了机器人的自由度。

3.1机器人站立腿正运动分析

对机器人机构图建立坐标系时，需对地面建立地坐标系X-Y-Z，同时需要对每一个关节建立自己的坐标系x-y-z。涉及到工具轴、机器人轴设计的问题，通常来说有四个参数：绕z轴旋转的角度θ（自转角），表示在z轴两条相邻的公垂线之间的距离d，表示每一条公垂线的长度a（也叫关节偏移量），以及表示两个相邻的z轴之间的角度α（也叫关节扭转）[5]。通过这四个元素可以在MATLAB下绘制如图3所示机器人腿部机构图。同时，为了方便分析蜘蛛机器人的腿部运动时在空间的位置情况，绘制出了其中一条站立腿的结构示意图，如图4所示。图中，Ai表示机器人站立腿的立足点， Bi表示机器人机体与上臂关节的连接点li表示第i个连杆的长度其中，l1、l2、l3属于平面连杆机构，[φi]、[ψi]、χi代表驱动各个关节的位置，εi、δi、θi表示被动关节的位置[6]。

图中，以地面为零水平面，ΣBi则表示固定于臀关节Bi同时使其旋转轴线与z轴相互重合的相对坐标系。oPAi和oPBi分别为Ai和Bi在零水平面上参考坐标系的位置矢量，脚关节模型则由三个相互正交的旋转关节与两个连杆l4与l5组成，在实际当中，l4与l5都等于0。蜘蛛机器人腿部结构中各机体和连杆与地面间的数学描述在此通过坐标系来建立。由于三维空间中的位置和方向可以通过齐次变化矩阵来描述，则使用齐次变换来建立其几何关系[7]。

对蜘蛛机器人左下方脚（一般作为三号脚）进行分析。首先令ΣBi坐标系与Σo坐标系重合，继而从Ai到Bi进行平移与旋转变换通过齐次变换得到ΣBi坐标系最终的位置与方向，即：

[ΤBi=trans（oxc ， oyc， ozc）×rot（z，εi）×trans（0 ， 0， l5）×trans（l4，0 ， 0， ）×rot（y，εi）×trans（0 ， 0， l3）×rot（y，λi）×trans（0 ， 0， l2）×rot（y，ψi）×trans（0 ， 0， l1）×rot（y，τi2）×rot（z，φi）]

从而得出蜘蛛机器人臀关节正运动学解，即臀关节ΣBi的位置与姿态角是由给定关节给定的[8]。同时，上式也能够间接反映出蜘蛛机器人机体的姿态和位置。

3.2机器人站立腿逆运动分析

逆运动是指已知机器人的位置与姿态，根据其位置姿态计算机器人的驱动关节的变量值[9]。由于机器人的控制并不是一完全正向化操作，需要假定姿态（预先设想需要实现的姿态）来设定其各个关节的变量，这也是仿生机器人区别于真实动物的关键。

使用正运动的结果作为逆运动的已知条件，根据矢量与坐标的变换关系，得求出未知驱动变量，得到t1和t2的最终表达式

[ψi=2tan-1t1λi=2tan-1t2-2tan-1t2]

3.3自由度

机器人的自由度指当机器人的执行器在空间的移动至各点位置和任意时刻行走姿态时所需要的独立运动参数的数目。有空间机构的自由度计算公式Kutzbach Grubler：

[M=d（n-g-1）+i=1gfi]

其中，d=6代表运动参数，n代表连杆（总构件数），g代表关节数（运动副数），Pi为各运动副自由度数（第i个关节的自由度数）。蜘蛛机器人机构特征图如图5 所示。

蜘蛛机器人与地面的接触点可以看作是球型关节其余关节均为旋转关节。所以蜘蛛机器人的运动自由度为

[fo=6×（20-24-1）+3×6+1×18=6]

因此该机器人的机动性能不仅包括三维平面的三个坐标，还能包括三维转动的三个欧拉角。

3.4步态分析

步态决定着蜘蛛机器人的行进效率，此蜘蛛机器人选择三脚步态，是“蜘蛛纲”昆虫最常使用的一种静态稳定步态。此种步态结构利用三角形稳定原理，移动模式较简单，对于步行架构的机器人若是直线行走姿态较为试用，行进中既稳定又快速。三角步态为占地系数为0.5的波形步态。蜘蛛机器人中将六条腿分为两组，以三角支架结构交替前行，其步态示意图如图6所示。运动时需两组其中的一组三条腿依次交替支撑，从而达到前进的目的。

图中，（a）图代表机器人最初始的位置状态，首先令1、3、5号腿不动， 令2、4、6号腿抬起。与地面接触的1、3、5号腿向后运动，同时2、4、6号腿向前运动，即为（b）图中所示动作。而（b）对（a）而言，由于与地面接触腿的旋转作用，机器人向前行进腿转过的距离。而后，（b） 图中悬空运动的腿落下接触地面，同时先前接触地面的腿抬起，两组运动腿之间交换状态。以此类推，周期的运动下去。由图中可以看出，机器人先后前进了2S的距离，中间由（c）运动到（d）的调整距离相交于2S可不计。因此，根据上述三脚步态方案，蜘蛛机器人可以以2s的运动周期前进。

3.5蜘蛛机器人程序设计

蜘蛛机器人在做固定动作时的步态已写入舵机控制板当中，其软件设计实质上是指蜘蛛机器人如何接受控制信号，并将该信号翻译为动作信号，并将动作信号传导至舵机控制板，选择合适的动作。具体程序流程图如图7所示。

4总结

本文设计了以STM32为主控芯片能进行运动速度和方向的无线控制蜘蛛机器人系统。实验结果表明该系统，具有稳定性强、行走速度快、灵活度高诸多特点。

但该蜘蛛机器人电源工作时发热太快，主要因为模型中材料的原因使得机器人本身太重，导致其工作时电流太大，影响其性能，下一步应该考虑其工作电源和制作材料选择。

参考文献：

[1]谭民， 王硕. 机器人技术研究进展[J]. 自动化学报， 2013， 39（7）： 963-972.

[2]杨伟，肖义平.基于STM32F103C8T6 单片机的LCD 显示系统设计，微型机与应用，2014 ，33 （20）：29-31.

[3]孙静， 徐奕， 何潇. 基于移动客户端的智能教室光温无线控制系统[J]. 电子技术与软件工程， 2015（23）：32-33.

[4]蔡卓凡. 基于多超声波传感器避障机器人小车的设计[J]. 自动化技术与应用， 2014， 33（5）：85-89.

[5]刘永生.轮腿混合机器人机构设计及运动仿真[D].内蒙古工业大学，2010.

[6]陈学东，周明浩，孙翊等.模块化多足步行机器人的运动控制系统研究 [J].中国机械工程， 2006， 17（10）：1071-1073.

[7]王新杰.多足步行機器人运动及力规划研究[D].华中科技大学，2005.

[8]鲍敦桥.仿真类人机器人设计及高层决策方法的研究[D].合肥工业大学，2009.

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