基于 Arduino 的双运动模式机器人设计

列浩杨 陈银燕 洪晓兰 黄一雄 郑灿周 郑誉煌

摘 要：设计了一款蓝牙控制的可以在复杂环境中行进的双运动模式的机器人。该机器人基于Arduino平台，采用超声波避障，有足式和轮式两种运动模式，分别由四组舵机控制的机械腿和两个直流电机控制的小轮及万向轮组成。根据地形和实际需要使用蓝牙切换运动模式和选择自动运行还是手动操作，提高了机器人的灵活性。

关键词：Arduino；移动机器人；双运动模式；超声波避障；双操作模式；蓝牙控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.139

1 引言

现有的地面移动机器人较多采用三轮的机械结构，不能很好地适应运输业、服务业和危险行动等复杂的非平面环境。同样，采用四足行走的移动机器人也有运动速度低的劣势。为满足市场对机器人灵活性的更高要求，多运动方式的机器人研究也就更有必要，使其能在不同的场景中应用合适的运动方式。本文结合轮式的快速运动和足式的灵活运动的优点，设计了一款双运动模式的智能机器人。

2 硬件结构设计

2.1 主控制系统

机器人的控制中心由Arduino Mega2560及Mega2560 R3扩展板组成。Arduino具有价格便宜，库函数丰富等特点，它的电子电路和底层驱动库都被打包集成，进而省略掉了大部分与电路和硬件驱动相关的操作，最终只剩下简单的控制逻辑，因此人们只要懂得一些简单的逻辑关系便可以将它很好地应用。

Mega2560同时具有54路数字输入/输出口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，可以对各种信号进行采集分析并做出反应，同时可接入各种外设完成一系列复杂的功能。特别适合本文机器人所需要的对电机、舵机、蓝牙模块、超声波传感器的工作运行的负责控制。

2.2 传感器模块

US-100超声波测距模块相比红外传感器，其测距原理相对简单，通过测算发出超声波到接收回波的时间以及接收超声波的强弱，可以对障碍物距离及其表面物理形态进行判断。US-100超声波测距模块可实现2cm-4.5m的非接触测距功能，拥有2.4-5.5V宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行检验的功能，此模块受环境影响相对较小，同时具有GPIO、串口等多种通信方式，内带看门狗，适应性强，工作稳定可靠。因此在本设计中采用此模块来实现测距避障的功能。

2.3 动力模块

本文机器人分两种动力体系。

当采用轮式运动模式的时候，足部的舵机将抬起到设定位置，三个轮子着地，保证机器人稳定不倒。其中后面两个轮子为动力轮，前面轮子为辅助支撑的万向轮。为了使整机重量轻便以及低功耗，两个后轮均采用了33直流减速电机，单个电机重量为100g，空载速度达到200RPM，产生的力矩足以带动整个机器人，通过差速控制程序使两个动力轮独立受控产生一定的速度差，便能达到转向避障的效果，如图2所示。同时轮式运动模式以总容量为4000mAh的2节18650电池为动力来源，保证机器人轮式行进的续航时间。

当采用足式运动模式的时候，足部舵机将全部豎直到设定位置，这时三个轮子将被架起，四足着地。通过执行设计好的步态顺序所对应的程序来进行足式运动。效果如图3所示。此动力体系同样以总容量为4000mAh的2节18650电池为动力来源，经过Mega2560扩展板的降压模块得到合适的电压来给多组舵机提供动力。

2.4 驱动模块（电机、舵机）

驱动模块是机器人正常工作所不可或缺的一部分。

本文机器人在电机驱动这部分所使用的是双L9110S芯片的电机驱动模块，芯片占用体积小，适合用作组装机器，可以同时驱动两个直流电机，既节省空间也减轻机器人的重量。L9110S芯片具有良好的抗干扰性、较大的电流驱动能力、较低的输出饱和压降，从而使其在直流电机的使用上安全可靠。

舵机直接通过Mega2560开发板上的PWM输出受控，结合Mega2560 R3扩展板上的扩展插口，能很好地整理杂乱的舵机电源线与信号线。

2.5 无线控制模块

无线控制主要有Wifi控制、蓝牙控制和红外控制，Wifi成本高、带宽大、待机功耗大、需单独网卡；蓝牙低延时、低功率、传输距离短、可用电池供电、抗干扰能力强、可绕行遥控；红外遥控期间不能有物品阻隔、抗干扰能力差、只能用于两台设备之间的连接。三者相比较而言，蓝牙更适合小机器人的遥控，而且可以用手机下载相应的蓝牙串口助手APP与蓝牙模块进行连接通讯。在网络不好时，方便众多产品进行无线遥控，无需担忧是否有公用网络或物体阻隔，极大程度地方便了机器人操作者。

当模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定的方式连接的数据传输，可以更好地控制机器人切换合适的运动模式（轮式或足式）以及操作模式（自动或手动），让机器人能够以较高效率到达目的地。作为一款高性能主从一体的HC-05蓝牙模块，具有低耗、适用于多种系统、可以与相关设备进行无缝连接、工作状态的动态转换等优点，满足本机器人的设计需要。

3 系统程序设计

机器人上电后，各舵机转动到初始设定位置，机器人呈蜷缩状，只留下三个轮子着地，等待手机端传来蓝牙选择控制信号。机器人的运行程序框图设计如下图所示：

3.1 操作模式

操作模式分自动和手动。当选定任意一种运动模式后，将进行自动和手动操作模式的选择。若选择自动，则机器人将启动超声波模块，按照图4所示的流程图来运作。若选择手动，则机器人不启动超声波模块，由手机端发送蓝牙信号实现手动控制。

3.2 障碍物检测方式

本文机器人通过US-100 超声波模块来检测障碍物距离，从而进行障碍物检测避障（注意：此超声波模块仅在自动操作模式下才会开启）。US-100 超声波模块具有两种触发模式，在本文机器人设计中选择了更为合适的电平触发模式。在一段大于 10us 的高电平输入后，超声波模块的发射探头循环发出 8 个 40KHZ 的超声波脉冲，传感器发射探头启动并发送超声波脉冲，然后接收探头进入回波检测状态，在接收探头检测到回波信号后，结合温度补偿计算测距结果。最后经过系统程序分析检测到的多个距离信息，执行相对应的避障操作。

3.3 避障方式

本文机器人的避障方式与超声波在一定距离探测到的障碍物位置和距离有关系，也与机器人的运动模式有关系。

结合本文机器人分两种情况：

（1）当机器人选择足式运动模式，并且选择自动操作模式的时候，机器人以四足姿态前进，同时位于头部舵机位置的超声波传感器将一直读取分析正前方的距离信息。当正前方检测到前方距离障碍物过近的时候，机器人立马停止前进，头部舵机转动读取左右45°方向的两个距离，将读取到距离信息进行分析判断，最终将会有如下的反应动作：

①在左边障碍物距离比右边远的时候，判断到左边障碍物距离大于安全距离，则执行四足左转直行程序。若判斷到左边障碍物距离小于安全距离，则后退20cm再次读取左右两个数据进行比较；

②当左右两边障碍物距离相等的时候，则后退20cm再次读取左右两个数据进行比较；

③在右边障碍物距离比左边远的时候，判断到右边障碍物距离大于安全距离，则执行四足右转直行程序。若判断到右边障碍物距离小于安全距离，则后退20cm再次读取左右两个数据进行比较。

（2）同样地，当机器人选择轮式运动模式，并且选择自动操作模式的时候，机器人以轮式姿态前进，与足式不一样的是轮式的行进方式与转弯方式，其他部分与足式的避障方式一样。

4 结束语

多运动模式机器人集合机械制造、电机控制、传感器技术、单片机控制等多种先进技术，其制作目的终归是方便人类的劳动生产和进行未知探索，随着各种高精尖技术的发展（如人工智能，机器视觉，深度学习等），使得搭载上这些技术的机器人功能更加强大。本文提供一种蓝牙控制的地形适应能力强与整体运动性能佳的双运动模式机器人设计，其使用范围广泛，为机器人实现多种功能打下基础。

参考文献：

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[2]刘佳玲.基于Arduino的蓝牙灯的设计与实现[J].电脑知识与技术：学术交流，2018，14（03）：70-72.

[3]彭攀来，马娅婕，刘智旸.基于Arduino的移动机器人控制系统设计[J].自动化与仪表，2016，31（03）：1-4.

[4]戈惠梅，徐晓慧，顾志华等.基于Arduino的智能小车避障系统的设计[J].现代电子技术，2014，v.37；No.418（11）：118-120.

[5]卢光跃，吴涛.基于Arduino控制的机械臂的运动与程序设计[J]. 机械制造，2014，52（03）：50-52.

[6]王沫楠，孙立宁.多运动方式移动机器人控制系统设计[J].电机与控制学报，2005，9（04）：337-340.

基金项目： 2018年度国家级大学生创新训练项目（编号：201814278004）；2017年广州市高校创新创业教育项目（编号：2017192201）；2018年度电子信息工程应用型人才培养示范基地项目（项目编号：2018sfjd02）

作者简介：列浩杨（1997-），男，广东广州人，本科在读，研究方向：电子信息工程。