智能蜘蛛机器人的设计与实现

刘宇航， 石春源， 陆绍鑫， 薛恩鹏

（哈尔滨理工大学，哈尔滨 150080）

智能蜘蛛机器人的设计与实现

刘宇航， 石春源， 陆绍鑫， 薛恩鹏

（哈尔滨理工大学，哈尔滨 150080）

文中提出了一种仿生机器人——智能蜘蛛机器人。该机器人以STM32为控制核心，结合多种外设，实现了在坎坷路面的平衡控制、躲避障碍物、实时图像传输等功能。同时提供了一种低成本的检测手段，为崎岖道路检测提供了解决方案。

蜘蛛机器人；平衡系统；实时图像传输系统；避障系统

0 引言

随着科技的飞速发展，在航天、军事等领域发挥重要作用的智能蜘蛛机器人成为科学家们研究的热点，该机器人凭借其灵活的身体、丰富的功能已经得到广泛关注。智能蜘蛛机器人是基于蜘蛛的生理结构，模仿其运动原理以及行为方式设计出的能够自主辨别方向、完成避障以及平衡行走的机器人[1]。在救援过程中，蜘蛛机器人能够代替人类完成相应的任务，以降低不必要的人身财产损失；在工作生活中，通过它传回的图像来了解所处环境的相应信息，从而避免一些不必要的麻烦，一方面为生活带来了便捷，另一方面也拓展了我们的视野。在航天探索中，它配合摄像装置实时传输信息来完成对未知领域的探索，为我们传输大量宝贵的图片信息；在军事侦察中，它凭借其小巧的身体、灵活的腿脚以及极强的隐蔽性可以很好地完成侦察、间谍的任务，蜘蛛机器人不受地形限制，可以在恶劣的环境下完成任务[2-5]。智能蜘蛛机器人具有很高的研究价值和应用前景。

蜘蛛机器人具有强大的功能和较强的适应能力，因此，很多国家的科研人员都对其进行了深入研究，尤其是美国和日本，已经成功研制出一些仿生蜘蛛机器人，并取得了很好的成果。我国在智能蜘蛛机器人研究方面尚处于初级阶段[6]。因此，本文对智能蜘蛛机器人进行了研究，设计了一种能够实现平衡、直线行走、转弯、避障、以及实时图像传输的智能蜘蛛机器人。

1 整体结构设计

1.1 机械部分

蜘蛛机器人的设计是从仿生学角度出发，根据蜘蛛运动灵活的特点，模仿其身体结构制成。蜘蛛机器人是由头部、躯干和腿部三部分组成，如图1所示。

图1 蜘蛛机器人结构图

蜘蛛机器人的头部是由超声波模块和摄像头两部分组成，通过舵机与躯干的连接来控制舵机转向，进而完成多个方向的障碍检测等工作。其中，超声波模块负责距离的测量，经过比对前方距离与预设的安全距离，来对蜘蛛机器人的行走方向进行控制。蜘蛛机器人头部舵机可旋转180°，带动超声波模块和摄像头来完成多方位的数据采集，搭配图传设备进行实时传输，最终完成监控工作。

蜘蛛机器人的躯干由两层1.5 mm碳纤维板制成，用来连接腿部与头部，同时承载电池、主板和图传设备等。碳纤维板凭借其高比强度、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变等一系列优异性能，成为蜘蛛机器人的最佳外设承载材料。碳纤维板之间通过6组高稳定性、强支撑性的舵机连接，用来调整腿部前后自由度。两层碳纤维板之间固定了电池、主板、图传设备和舵机电路转接板，极大程度地节省了空间[7]。

蜘蛛机器人共有6条腿，每条腿是由舵机和腿部支架组成。为了完成各种动作，腿部应具有水平和垂直平面的运动自由度，因此每条腿都设计安装了3个舵机。3个舵机分别控制跟关节、膝关节和踝关节的运动，其中两个舵机的安装呈正交。跟关节负责前后的自由度，膝关节和踝关节负责上下的自由度，其腿部生物结构如图2所示。

图2 腿部生物结构示意图

图3 腿部受力分析图

蜘蛛机器人在运动过程中，踝关节控制足部与地面垂直，从而有效地保证蜘蛛机器人腿部材料的稳定性，目的是尽可能减少3D打印的支撑。为了实现股节、胫节与足部连接在同一平面内，采用低填充率的打印方式，这样做不仅减轻了重量，也提高了结构强度[8]。由于舵机的回转角度较大，不适宜使用管状结构，两侧安装固定片可以让舵机有最大限度的旋转空间。

蜘蛛机器人舵机的选择需要考虑质量和最大转矩，其受力分析如图3所示。蜘蛛机器人上腿由A舵机连接，上腿与中腿由B舵机连接，中腿和下腿由C舵机连接。其中，上腿、中腿、下腿的质量分别用m1、m2、m1g为了使舵机能够承受蜘蛛的重量，根据牛顿第三定理中力和力矩的关系，得出腿的质量和长度关系如表1所示。

表1 腿部比重分析

表2 腿部角度分析

在蜘蛛机器人行走过程中，为了避免腿部之间发生碰撞，腿摆动时需要选择合适的角度，通过多次实验，得出运动控制时最佳的摆动角度，如表2所示。

1.2 电控部分

在机械结构的基础上，为了实现蜘蛛机器人的运动，必须通过主板协调各外设的电控部分来控制。电控部分由电路和电源两部分组成，其主要任务是协同完成各个部分功能，实现蜘蛛的运动、检测、监控等工作。电路部分包括主控电路、舵机电路、超声波电路、摄像头电路，电源部分负责提供各个外设所需要的全部电量[9]。

蜘蛛机器人的主控芯片为STM32，其外围接口丰富、速度快、稳定性高等优点符合蜘蛛机器人的需要。蜘蛛机器人的运动需要6条腿协同完成，每条腿有3个舵机，所以主控芯片需要同时控制18个舵机。舵机的控制需要利用STM32来开启4个定时器的18个通道，实现18个I/O管脚同时输出PWM波。超声波电路由超声波发送头、接收头及驱动电路组成，通过STM32控制超声波按照约定好的频率，发送头发送数据、接收头接收数据，两者进行分析比较即可得到距离。

蜘蛛机器人电源供电由2S航模电池提供，电压可达到8 V左右。通过大功率降压二极管降压，得到舵机额定电压以下电压，使18个舵机同时正常工作。通过UBEC285电源模块进行降压稳压，以供STM32正常工作。

2 主要功能

蜘蛛机器人凭借其广泛的实际价值，不断地被应用在越来越多的科学领域中。蜘蛛机器人可以在各种恶劣的环境下进行实时监控，主要功能分为自主运动和实时图像传输两大部分。整体结构流程如图4所示。

图4 整体流程图

2.1 自主运动

自主运动分为保持平衡、直线行走、转弯和避障几个部分。自主运动的完成取决于蜘蛛本身平衡程度、障碍物距离两个因素。

保持平衡对于蜘蛛机器人的运动是至关重要的。平衡系统通过MPU6050采集信息，通过IIC与STM32通讯，可以得到相关的加速度和角速度。我们还可以进行DMP滤波来得到更加准确的角度[10]。由于蜘蛛机器人舵机运动过程中没有延迟现象，所以只需要采用比例环节即可实现蜘蛛平衡调节[11-12]。

蜘蛛机器人可以完成直线行走和转弯动作。在蜘蛛机器人前进的过程中，可将其6个腿分为两组，a、b、c、d、e、f分别代表每条腿，如图5所示。其中a、c、e为第一组，b、d、f为第二组。当第一组抬起时，第二组着地，着地的3条腿用来制成躯干，同时控制前后自由度的舵机将躯体推进，完成躯体直线行走的运动。完成推进后两组腿交换，第一组着地，第二组抬起，此时由第一组腿完成推进工作。两组腿多次交换，进而完成转弯等动作。由于行走时总会有3条腿支撑地面，因此它可以在各种崎岖不平的路面保持平衡，这也充分地体现了蜘蛛爬行的优势[13]。

避障系统采用超声波测距模块测量前方障碍距离，然后通过控制舵机来改变行进的方向，进而完成避障动作，蜘蛛机器人可以同时对多个方向障碍进行检测。

2.2 实时图像传输

蜘蛛机器人的另一个功能就是可以进行实时图像传输。实时图像传输分为图像采集、发送、接收、传输及显示。实时图像传输系统通过摄像头采集图像，通过TS835发送采集到的图像信息，利用RC832接收数据，采用5.8G图传系统进行传输，最终通过LCD-RC800S显示器进行实时显示图像[14-15]。通过蜘蛛机器人的实时图像传输，进而实现实时监控的功能。蜘蛛机器人的实时图像传输如图6所示。

图5 蜘蛛机器人腿部示意图

图6 蜘蛛机器人实时图像传输

3 结论

本文以蜘蛛为仿生原型，设计并实现了一种智能蜘蛛机器人。以蜘蛛机器人为基础，进行了机器人的结构基础、功能方面的研究，完成了对其机械结构、硬件电路的设计，探究了在直线行走、转弯、避障以及实时图像传输方面的实现方法。实验结果表明，结构设计合理可行，蜘蛛机器人的行走、避障等动作体现出了良好的灵活性和协调性，具有良好的人机交互功能。蜘蛛机器人凭借其广阔的应用前景和实用性能，未来将会在航天、军事等领域发挥重要作用。

[1] 王国彪,陈殿生,陈科位,等.仿生机器人研究现状与发展趋势[J].机械工程学报,2015(13):27-44.

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[3] 李航,宋春华,罗胜彬,等.机器人的研究现状及其发展趋势[J].微特电机,2013(4):49-51.

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[7] 宋红生,王东署.仿生机器人研究进展综述[J].机床与液压,2012(13):179-183.

[8] 柳天虹,姜树海.仿生六足机器人稳定性分析与仿真[J].计算机仿真,2013(30):360-364.

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[10]于欣龙.六足仿蜘蛛机器人样机研制及步行机理研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013.

[11]申景金.一种新型六足仿生虫的结构设计与动力学分析[D].南京:南京航空航天大学,2008.

[12] 吉爱红,戴振东,周来水.仿生机器人的研究进展[J].机器人,2005(3):284-288.

[13] 吴凯,江亚龙,殷建.蜘蛛机器人设计研究[J].中国新技术新产品,2015(2):13-14.

[14]谢志浩,柯文德.仿生蜘蛛型机器人体系结构研究[J].广东石油化工学院学报,2015(1):56-59.

[15]施文灶,王平.仿生蜘蛛机器人的设计与实现[J].电子科技,2013(3):90-92.

（编辑立 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

黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（201510214007）

刘宇航（1995—），男，本科在读，电子信息科学与技术专业。

2017-07-04