-PAGE2-某六自由度機(jī)器人野外探索機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u27444引言 3218301總體設(shè)計(jì)方案 4284521.1設(shè)計(jì)思路 4289851.2設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 4133392硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 5101182.1主控板的設(shè)計(jì) 547982.1.1主控板詳細(xì)參數(shù) 6214062.2舵機(jī) 6206302.3避障探險(xiǎn)模塊 713662.4WiFi模塊 8258042.5電源模塊 928692.6視頻數(shù)據(jù)采集模塊 9204233軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1020763.1開發(fā)環(huán)境的配置 1011993.2步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì) 10141303.3控制思想的整體設(shè)計(jì) 1170663.4舵機(jī)控制程序 11174753.5避障避險(xiǎn)設(shè)計(jì) 13323493.5.1避障避險(xiǎn)控制思想 1363363.5.2避障避險(xiǎn)程序 131764系統(tǒng)的組裝與調(diào)試 15122954.1支架設(shè)計(jì) 1518534.2系統(tǒng)組裝 16168584.3系統(tǒng)調(diào)試 16167585總結(jié)與展望 1819322參考文獻(xiàn) 19引言隨著時(shí)代的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的履帶式機(jī)器人已不能順應(yīng)時(shí)代潮流，機(jī)器人的變革以肉眼可見的速度增長著，從四自由度機(jī)器人，到六自由度機(jī)器人，再到全能型服務(wù)機(jī)器人，機(jī)器人技術(shù)是發(fā)展生產(chǎn)力的必然要求，深深影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的總體發(fā)展水平。機(jī)器人作為科技產(chǎn)物，應(yīng)用范圍也從農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)領(lǐng)域開始逐漸涉及到工業(yè)，制造業(yè)，服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域行業(yè)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提高了工作效率，解放了生產(chǎn)力，為人們的衣食住行帶來了諸多便利。其次，在化工，消防，地質(zhì)勘探等領(lǐng)域，也可以代替人類去做一些危險(xiǎn)的工作，做到人類無法完成的事情。《中國制造2025》中明確提出將工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人作為我國發(fā)展制造業(yè)的領(lǐng)頭羊，明確了我國未來十年機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新路線圖中的發(fā)展重點(diǎn)主要為兩個(gè)方向：一是加大力度開發(fā)工業(yè)機(jī)器人本體和關(guān)鍵零部件系列化產(chǎn)品，推動(dòng)工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，加快推動(dòng)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求；二是突破智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)，積極應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)[1]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的六自由度探索機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、成本低、實(shí)時(shí)性好，符合中國制造的發(fā)展方向，在未來的工業(yè)發(fā)展中前景廣闊。相比較傳統(tǒng)的履帶式機(jī)器人，它能更好的，更方便的為人類服務(wù)，相較于四自由度的機(jī)器人，它具有更好的靈活性，能夠做出更復(fù)雜的動(dòng)作，對于進(jìn)行探索的工作能夠更好的勝任。RosBot的控制代碼與C語言，C++或Java等語言非常的相似，在控制語言方面只是加入了一些自身與硬件相結(jié)合的圖形化控制，如RosBot語言是以setup（）開頭，loop（）作為主體的一個(gè)程序構(gòu)架。因此，開發(fā)產(chǎn)品的難點(diǎn)不是技術(shù)問題，而是產(chǎn)品的概念與外觀是否真正滿足社會(huì)的需要。1總體設(shè)計(jì)方案1.1設(shè)計(jì)思路該六自由度機(jī)器人采用RosBot開發(fā)板進(jìn)行圖形化編程，通過調(diào)制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)向[2]，從而實(shí)現(xiàn)六自由度機(jī)器人的實(shí)地勘探?？梢允褂脙煞N方式進(jìn)行探險(xiǎn)，一種方式是在針對近處物體時(shí)：使用超聲波傳感器進(jìn)行避障探險(xiǎn)；另一種方式是在針對遠(yuǎn)處物體時(shí)：因?yàn)槭腔赗osBot進(jìn)行開發(fā)，所以搭載RosBot的WiFi模塊，將攝像頭采集的數(shù)據(jù)傳輸至PC，然后由上位機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)主要包括六個(gè)模塊：單片機(jī)控制模塊、舵機(jī)模塊、電源模塊、視頻數(shù)據(jù)采集模塊、超聲波避障避險(xiǎn)模塊、WiFi模塊。1.2設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)選用小喵科技出品的RosBot機(jī)器人開發(fā)板控制器，完全兼容UNO,運(yùn)用多個(gè)系統(tǒng)模塊的相互配合作為探測裝置，通過超聲波傳感器進(jìn)行避障或無限遠(yuǎn)程控制進(jìn)行探測，由于Android端與WiFi模塊間進(jìn)行無限遠(yuǎn)程控制，所以結(jié)構(gòu)圖中用虛線進(jìn)行對應(yīng)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖見圖1.1所示。RosBotRosBot電源模塊超聲波傳感器模塊舵機(jī)機(jī)器人行走esp8266WiFi模塊Android手機(jī)圖1.1設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖2硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1主控板的設(shè)計(jì)方案一：采用Arduino主控板，Arduino主控板是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)。Arduino主控板使用的編程軟件叫做ArduinoIDE，該款軟件的開發(fā)環(huán)境具備基本的setup()和loop()框架，編程較為簡單，上傳程序方便，相當(dāng)于RosBot主控板的子板，但它也有自身的缺陷，制作項(xiàng)目時(shí)需要加載對應(yīng)的庫函數(shù)，有時(shí)需要使用編程器上傳，同時(shí)Arduino主控板需要外接直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板才能進(jìn)行電機(jī)多路驅(qū)動(dòng)、需要外接步進(jìn)電機(jī)擴(kuò)展版才能進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)多路驅(qū)動(dòng)、需要外接舵機(jī)擴(kuò)展版才能進(jìn)行舵機(jī)的多路驅(qū)動(dòng)，無法滿足本次設(shè)計(jì)的需求。方案二：采用RosBot主控板，RosBot主控板是一款圖形化編程主控板。它是基于Mega328P芯片的一款板子，與ArduinoUNO的的主芯片是一樣的，所用的圖形化編程軟件是Kittenblock。與ArduinoUNO相比，它具有的優(yōu)勢有五點(diǎn)：積木化編程。打通軟硬件結(jié)合，降低制作的門檻。RosBot同時(shí)支持C++、ide、米思齊?？梢灾苯佑肅++等代碼編譯，也可以通過Kittenblock轉(zhuǎn)譯成C++代碼復(fù)制到其他環(huán)境中。功能性主板。主控板支持舵機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)模塊。接口多擴(kuò)展強(qiáng)。板載多接口：大電流外部輸入接口、板載串口轉(zhuǎn)出接口、I2C接口、藍(lán)牙、WFI接口、ICSP下載接口、直流電機(jī)、步進(jìn)接口、轉(zhuǎn)接板接口。與Arduino兼容。板子上引腳定義與ArduinoUNO引腳對應(yīng)、支持ArduinoIDE編程、支持Arduino所有的電子模塊。搭檔樹莓派。兼容樹莓派接口，可連接樹莓派機(jī)器人的功能擴(kuò)展板。一個(gè)機(jī)器人的控制單元相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，是機(jī)器人的最核心的部位，選擇一款既實(shí)惠又能實(shí)現(xiàn)自身功能的主控板尤為重要。因此，綜合以上兩種方案，在本次設(shè)計(jì)中選擇集多功能于一身的RosBot主控板作為該機(jī)器人的核心控制單元。圖2圖2.1主控板圖片2.1.1主控板詳細(xì)參數(shù)對比以下兩種主控板的詳細(xì)參數(shù)，RosBot主控板的優(yōu)勢明顯，CH340專用的串口下載芯片，穩(wěn)定耐用，驅(qū)動(dòng)容易安裝；USB接口小巧；采用優(yōu)質(zhì)電源芯片，支持電壓更寬；RosBot少的幾個(gè)數(shù)字IO口，用來電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片了。并且IO口采用黃紅黑更加清楚的排針進(jìn)行管腳表示，使得插接市面上的Arduino,3PIN模塊更加方便，不用再使用擴(kuò)展版進(jìn)行轉(zhuǎn)接；獨(dú)立的I2C接口，令插接更方便，更清楚。而普通的Arduino需要外接直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板才能進(jìn)行電機(jī)多路驅(qū)動(dòng)，需要外接步進(jìn)電機(jī)擴(kuò)展版才能進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)多路驅(qū)動(dòng)，需要外接舵機(jī)擴(kuò)展版才能進(jìn)行舵機(jī)多路驅(qū)動(dòng)，而RosBot根本不需要。ArduinoRosArduinoRosBot主控芯片MEGA328PMEGA328P串口芯片CH34016U2USB電壓MicroUSB5V方形B口5V外部電源接口6~12V7~12V過流保護(hù)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲自恢復(fù)保險(xiǎn)絲DigitalI/O

數(shù)字輸入/輸出端2、3、4、7、8、11、12、131~13Analog

I/O

模擬輸入/輸出端A0-A5A0-A5直流電機(jī)接口四路（驅(qū)動(dòng)電流決定于外部電源，最大支持3A）無步進(jìn)電機(jī)接口兩路（驅(qū)動(dòng)電流決定于外部電源，最大支持3A）無舵機(jī)接口十路（驅(qū)動(dòng)電流決定于外部電源，最大支持3A）獨(dú)立三排針擴(kuò)展接口I2C接口無轉(zhuǎn)接KB轉(zhuǎn)接板接口無轉(zhuǎn)接樹莓派接口無轉(zhuǎn)接WIFI/藍(lán)牙接口無轉(zhuǎn)接串口功能支持轉(zhuǎn)出外部無轉(zhuǎn)接表2.1主控板詳細(xì)參數(shù)2.2舵機(jī)本設(shè)計(jì)使用的六自由度機(jī)器人，其中主要使用舵機(jī)來提供自由度功能，通過不斷調(diào)節(jié)舵機(jī)的角度從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走，而調(diào)試的過程是在線調(diào)試，簡單方便。操控舵機(jī)主要使用三根線，分別為電源線，地線，信號線，主要使用信號線來接收PWM波來操控舵機(jī)角度的偏轉(zhuǎn)。本文的六自由度探索機(jī)器人的舵機(jī)采用MG996R,20KG/cm360°，這個(gè)舵機(jī)扭力大，可轉(zhuǎn)的角度廣，可以實(shí)現(xiàn)更多的動(dòng)作，4.8V～6.0V屬于舵機(jī)的工作電壓范圍。舵機(jī)的組成原件主要是舵盤、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、位置檢測元件、控制電路板及可變速的齒輪組[3]。轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓是舵機(jī)的幾個(gè)主要參數(shù)。轉(zhuǎn)速是由舵機(jī)無負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)過60度所需要的時(shí)間來衡量，舵機(jī)常見的速度一般控制在0.11/60度~0.21/60度[4]。因?yàn)橐ＷC機(jī)器人行走的穩(wěn)定性，所以本次設(shè)計(jì)要求的舵機(jī)速度較緩慢，如果舵機(jī)速度過快，則會(huì)導(dǎo)致行走出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人歪倒以及舵機(jī)的使用壽命，如果舵機(jī)速度過慢，則會(huì)造成機(jī)器人行動(dòng)遲緩，無法滿足步態(tài)行走的要求，綜上所述，舵機(jī)的速度要控制在0.18/60度。舵機(jī)的另一個(gè)重要參數(shù)是扭矩，影響著六自由度探索機(jī)器人性能，為了達(dá)到輸出的動(dòng)力恰好滿足行走的設(shè)計(jì)要求，所以要求的轉(zhuǎn)矩為12-15kg.cm。本次設(shè)計(jì)中選用的MG996R舵機(jī)屬于模擬舵機(jī)。脈沖寬度調(diào)制信號作為主控板上舵機(jī)控制模塊的控制信號，如表2.2所示，脈沖寬度從0.5ms變化到2.5ms所對應(yīng)的舵機(jī)角度為-90度到+90度，呈線性變化[5]。PWM0.5ms1ms1.5ms2ms2.5ms角度-90度-45度0度45度90度表2.2脈寬的對應(yīng)角度高電平持續(xù)時(shí)間(脈寬）：0.5ms-2.5ms高電平持續(xù)時(shí)間(脈寬）：0.5ms-2.5ms高電平持續(xù)時(shí)間(脈寬）：0.5ms-2.5ms高電平持續(xù)時(shí)間(脈寬）：0.5ms-2.5msPWM：20ms圖2.3占空比圖2.2舵機(jī)2.3避障探險(xiǎn)模塊本設(shè)計(jì)主要為了實(shí)現(xiàn)六自由度探索機(jī)器人在地質(zhì)勘探，化工等領(lǐng)域的應(yīng)用。由于在地質(zhì)勘探領(lǐng)域受到地面不平整，有障礙物阻擋等因素的影響，所以利用傳感器可以將其他信號轉(zhuǎn)化為電信號的優(yōu)點(diǎn)，反饋給主控制器，從而做出路徑的改變。方案一：采用光電傳感器，本設(shè)計(jì)如果采用光電傳感器檢測地形，至少需要四個(gè)，分別位于機(jī)器人前后左右方向，雖然光電傳感器的工作原理簡單，調(diào)試方便，只需通過發(fā)出射線，得到輸出電平的高低來檢測前方是否出現(xiàn)障礙物，但是安裝的時(shí)候會(huì)造成機(jī)器人體積龐大，對環(huán)境的適應(yīng)能力較差，紅外射線在黑暗環(huán)境無法正常探測，且遠(yuǎn)距離精度差。方案二：采用超聲波傳感器HC-SR04，在空氣中不斷發(fā)射物理信號，然后反饋給主控板，此時(shí)物理信號轉(zhuǎn)化為電信號，從而完成探測任務(wù)。本設(shè)計(jì)如果采用超聲波傳感器進(jìn)行地形的探測，由于超聲波的探測范圍廣，所以只需采用兩個(gè)超聲波傳感器，分別位于機(jī)器人的左右兩側(cè)區(qū)域，安裝方便，可直接安裝在主控板上，當(dāng)檢測到障礙時(shí)，采用電平觸發(fā)測距，精度高，能即時(shí)的反饋給主控制器，從而提高機(jī)器人的行走效率，其次，該傳感器材質(zhì)堅(jiān)硬，在復(fù)雜環(huán)境不易出現(xiàn)破損。超聲波傳感器的工作原理如下：發(fā)射出的超聲波向空中四面八方直線傳播，遇到障礙物后它可以發(fā)生反射，反饋給主控制器，主控板的接收器在收到由發(fā)射器傳來的超聲波后，使內(nèi)部的諧振片諧振，通過聲電轉(zhuǎn)換作用將聲能轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，然后輸入到信號放大器中，最后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器使超聲波傳感器的電路作出相應(yīng)動(dòng)作[6]。綜合以上兩種方案，選擇方案二。HC-SR04引腳功能見表2.3，實(shí)物圖見圖2.4。序號名稱引腳功能1VCC電源2Trig觸發(fā)信號輸入3Echo回響信號輸出4GND地表2.3HCSR04引腳功能圖圖2.4HCSR04實(shí)物圖若設(shè)超聲波模塊發(fā)出的聲波和接受聲波時(shí)間之間的差用t表示；用v表示它在空氣中的傳播速度；此時(shí)可以求出超聲波模塊與障礙的間距[7]。此間距由物理常識可知聲波在空氣中的傳播速度是隨著溫度的升高速度越快。故而對它進(jìn)行做溫度補(bǔ)償，對聲速進(jìn)行校正：其中，t表示實(shí)際測量溫度值，v表示在空氣介質(zhì)里面的速度[8]。2.4WiFi模塊在各種探險(xiǎn)環(huán)境中，傳統(tǒng)的有線控制已不能滿足各種探索未知的需求，本設(shè)計(jì)采用“上位機(jī)+RosBot”,上位機(jī)可以是PC端，也可以是Android端，通過WiFi模塊實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程對機(jī)器人控制的解決方案[9]。WiFi模塊選用體積小，功耗低、性能穩(wěn)定、高度集成的ESP8266WiFi模塊。ESP8266與其說是模塊，倒不如說是比RosBot更小的一個(gè)具有WiFi功能的單片機(jī)，因?yàn)樗梢跃幊?，可以進(jìn)行串口通信，有輸入輸出功能，可以接受和處理數(shù)據(jù)[10]。其次，因?yàn)樗c板子的兼容性更好，更容易編寫程序。但WiFi連接有好處也有壞處，它無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊，對信號的依賴性較強(qiáng)，有機(jī)會(huì)再對通信模塊進(jìn)行改進(jìn)。下圖為WiFi模塊的實(shí)物圖。圖2.5WiFi模塊下圖為esp8266原理圖：圖2.6esp8266原理圖2.5電源模塊電源模塊為系統(tǒng)的主控板、視頻數(shù)據(jù)采集模塊、舵機(jī)模塊、避障避險(xiǎn)模塊提供可靠的工作電壓?？煽康碾娫捶桨敢彩钦麄€(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)[11]，本文采用的電源是12V比賽專用電池，容量為1500mAH，供給主板和舵機(jī)等其它模塊能夠行走約半小時(shí)。可直接給主控板供電，其它模塊直接連接在主控板上，不需要其他轉(zhuǎn)換模塊的參與。2.6視頻數(shù)據(jù)采集模塊視頻數(shù)據(jù)采集模塊在六自由度探索機(jī)器人無限遠(yuǎn)程控制中擔(dān)任視覺系統(tǒng)的角色，它可以將我們的眼睛延伸到肉眼無法觀測到的領(lǐng)域，讓我們在危險(xiǎn)區(qū)域及時(shí)做出調(diào)整，在機(jī)器人探險(xiǎn)過程中扮演著舉足輕重的角色。視頻采集與傳輸?shù)倪^程如圖所示。圖2.7視頻采集與傳輸由于ESP8266WiFi模塊的傳輸距離較遠(yuǎn)，所以選用的無線視頻模塊為FPV攝像頭無線模塊。它的主要工作原理是物象通過鏡頭生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號，再送到數(shù)字信號處理芯片中加工處理，再通過USB接口傳輸?shù)絇C端或Android端進(jìn)行處理，通過顯示器就可以看到圖像了[12]。完全符合通過WiFi模塊向RosBot主控板發(fā)送控制信號來控制機(jī)器人的移動(dòng)范圍，符合此設(shè)計(jì)的要求。3軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1開發(fā)環(huán)境的配置RosBot主控板的控制代碼與C，C++或Java等語言十分類似，只是加入了一些自身與硬件結(jié)合的控制語言,編程語言是以setup（）開頭，loop（）作為主體的一個(gè)程序構(gòu)架[13]，使用的編程軟件版本是Kittenblock1.7.7，運(yùn)用簡單易懂的圖形化語言編寫機(jī)器人的各種步態(tài)和其他控制動(dòng)作，調(diào)試界面簡單流暢。在Kittenblock上編好程序后下載到RosBot單片機(jī)上，可直接對單片機(jī)上的模塊進(jìn)行操作。3.2步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)步態(tài)規(guī)劃是機(jī)器人穩(wěn)定步行的基礎(chǔ)，如果沒有一個(gè)好的步態(tài)規(guī)劃，那么機(jī)器人將無法完成任何任務(wù)。在步態(tài)行走過程中，機(jī)器人的肩部、骻部、膝蓋以及腳踝等各關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)為一個(gè)整體，相互協(xié)調(diào)運(yùn)作才能完成行走動(dòng)作。在機(jī)器人行走過程中，以下幾步顯得尤為重要。重心左移：原先站立狀態(tài)的機(jī)器人重心左移，使機(jī)器人的重心轉(zhuǎn)移到左腳板上，左腳受力支撐全身，右腳離地。實(shí)現(xiàn)方法：通過調(diào)節(jié)雙腳的腰部舵機(jī)1和足舵機(jī)2使機(jī)器人達(dá)到如下圖所示位置。其原理類似正方形變成平行四邊形的過程。圖圖3.1機(jī)器人重心左移右腳跨出：在重心落在左腳的情況下，右腳向前跨出。具體的實(shí)現(xiàn)方法是調(diào)節(jié)腰部舵機(jī)2和足舵機(jī)1。此時(shí)需要右腳的腳板與地面保持平行，這樣會(huì)使行走變得非常簡單；右腳著地：重心逐漸回到中心位置。同時(shí)調(diào)節(jié)左腳腰部舵機(jī)2與舵機(jī)1使機(jī)器人右腳著地，實(shí)現(xiàn)第一步的跨出。中心左偏：通過調(diào)節(jié)腰部舵機(jī)1與足舵機(jī)2使機(jī)器人重心右偏，將機(jī)器人重心落在機(jī)器人左腳?？绯鲎竽_：在上一圖的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)左腳的腰部舵機(jī)2與足舵機(jī)1使機(jī)器人左腳跨出。左腳著地：原理同右腳著地。重心左移右腳收回：通過腳步舵機(jī)1足舵機(jī)2實(shí)現(xiàn)重心的左移，然后收回右腳，這樣就實(shí)現(xiàn)了連續(xù)前進(jìn)，而不是每一步都從立正開始立正結(jié)束，使機(jī)器人的行走更擬人更自然。3.3控制思想的整體設(shè)計(jì)執(zhí)行程序的設(shè)計(jì)思路從三方面進(jìn)行講述，首先，在PC機(jī)上對六自由度探索機(jī)器人進(jìn)行程序的編寫工作，將程序下載到RosBot主控板上，實(shí)現(xiàn)對六個(gè)舵機(jī)的分級控制，通過控制六個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的步態(tài)行走，通過調(diào)節(jié)六個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定前進(jìn)[14]；其次，由超聲波傳感器發(fā)射檢測信號，當(dāng)檢測到有障礙物時(shí)，及時(shí)作出調(diào)整；最后，在復(fù)雜地形中，在攝像頭提供鏡頭的前提下，可使用上位機(jī)PC端或Android端通過WiFi模塊進(jìn)行無限遠(yuǎn)程控制。具體的執(zhí)行程序框圖如下：開始開始尋跡前進(jìn)尋跡前進(jìn)超聲波超聲波發(fā)射檢測信號或攝像頭進(jìn)行物像數(shù)據(jù)采集Y路線是否正常Y路線是否正常NN調(diào)整步態(tài)調(diào)整步態(tài)，繼續(xù)前進(jìn)N判斷是否到達(dá)目的地N判斷是否到達(dá)目的地Y結(jié)束Y結(jié)束圖圖3.2控制思想的整體設(shè)計(jì)3.4舵機(jī)控制程序根據(jù)前章的舵機(jī)介紹部分里，已經(jīng)明白舵機(jī)的控制技術(shù)的關(guān)鍵問題在于轉(zhuǎn)過的角度而不是轉(zhuǎn)過的速度。由Mega328P芯片的計(jì)時(shí)器產(chǎn)生成脈沖寬度調(diào)制信號，產(chǎn)生信號的脈沖周期為20ms，然后把這相應(yīng)的脈沖信號送到相對應(yīng)的I/O端口處，這樣與之相對應(yīng)的舵機(jī)就開始動(dòng)作了[15]。舵機(jī)可以控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的停留角度，驅(qū)動(dòng)簡單，控制方便，使關(guān)節(jié)控制變得穩(wěn)定。舵機(jī)的控制流程圖如下：圖3.3舵機(jī)控制流程圖圖3.4舵機(jī)控制程序在PC中使用Kittenblock軟件中編寫程序控制舵機(jī)角度和速度的變化時(shí)，需要調(diào)用Servo舵機(jī)庫函數(shù)圖3.4舵機(jī)控制程序3.5避障避險(xiǎn)設(shè)計(jì)3.5.1避障避險(xiǎn)控制思想本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的六自由度探索機(jī)器人，與傳統(tǒng)的機(jī)器人避障不同，采用兩個(gè)超聲波傳感器分別位于機(jī)器人的左右兩側(cè)進(jìn)行避障避險(xiǎn)，為了表達(dá)清楚，我們把左翼的超聲波傳感器距離障礙的距離設(shè)置為L1，右翼的超聲波傳感器距離障礙的距離設(shè)置為L2，傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測前方障礙，當(dāng)L1<20cm且L2>20cm時(shí)，表示機(jī)器人的左側(cè)有障礙，反之則沒有障礙，兩個(gè)超聲波傳感器比單一的傳感器更加準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活避障。圖3.5避障避險(xiǎn)流程圖3.5.2避障避險(xiǎn)程序針對簡單地形，視覺可以觀察到的地形時(shí)，采用超聲波傳感器進(jìn)行避障避險(xiǎn)，雖然這種方式避障形式單一，但可以較好的避開障礙物，本設(shè)計(jì)把超聲波傳感器安裝在機(jī)器人左右肩部位置，在機(jī)器人20cm遠(yuǎn)的位置就可以探測到障礙物，從而調(diào)整舵機(jī)的角度，使得機(jī)器人輕松繞開中低端位置的障礙物，大大提高了機(jī)器人的避障效率；針對復(fù)雜地形，視覺觀察不到的地形時(shí)，如地洞裂縫等場所，使用攝像頭進(jìn)行物像數(shù)據(jù)采集，從Android端或PC端觀看到里邊的畫面，同時(shí)利用WiFi模塊進(jìn)行無線遠(yuǎn)程控制，操控機(jī)器人暫停，后退，前進(jìn)或改變自身轉(zhuǎn)向進(jìn)行避障避險(xiǎn)。部分程序?yàn)椋簣D3.6超聲波避障避險(xiǎn)程序1下圖程序與避障避險(xiǎn)程序1可以互相轉(zhuǎn)化，程序1在Kittenblock中屬于舞臺(tái)模式，程序2在Kittenblock中屬于代碼模式，而程序2的好處在于可以在Arduino軟件中進(jìn)行編程，如果舞臺(tái)模式出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤時(shí)，在Arduino軟件可以很好的更正，程序中的停止，前進(jìn)，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)需要定義新的積木來完成機(jī)器人的行走，使用if語句完成機(jī)器人的避障避險(xiǎn)工作。程序2如下圖所示：圖3.圖3.7超聲波避障避險(xiǎn)程序24系統(tǒng)的組裝與調(diào)試4.1支架設(shè)計(jì)作為支撐及搭載所有的電子元件的主要部件，本次設(shè)計(jì)的雙足機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用鋁合金和亞克力材料混合制成，本身材質(zhì)重量輕，磨損無關(guān)重要，變形較小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，便于安裝固定，能夠承受較大的重量，使機(jī)器人的各部件正常運(yùn)作，能夠達(dá)到運(yùn)動(dòng)靈活的效果。圖4.1支架4.2系統(tǒng)組裝良好的硬件選擇是機(jī)器人系統(tǒng)性能的前提，搭建架構(gòu)時(shí)，注意給主控板和其他模塊留下足夠的空間，既滿足外觀上的精致，又實(shí)現(xiàn)了性能的穩(wěn)定。本次設(shè)計(jì)先采用鋁合金和亞克力材料混合制成的支架，首先，先進(jìn)行下肢的組裝，先將舵機(jī)和支架拼接，然后完成雙腿兩個(gè)踝關(guān)節(jié)和兩個(gè)膝關(guān)節(jié)的組合；其次進(jìn)行身軀的組裝，完成兩個(gè)骻關(guān)節(jié)的組合，此時(shí)要明確本設(shè)計(jì)使用的機(jī)器人有六個(gè)自由度，因?yàn)樽杂啥仍蕉啵刂频碾y度越高，所以需保證每個(gè)自由度擁有180度的旋轉(zhuǎn)角度，以便完成任意角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，穩(wěn)壓模塊在此次安裝中可用也可不用，因?yàn)镽osBot主控板可直接驅(qū)動(dòng)六路舵機(jī)，所以可以不使用，如果使用穩(wěn)壓模塊，此時(shí)六路舵機(jī)的能量可直接來自電池連接的穩(wěn)壓模塊輸出，減輕了主控板的壓力。圖圖4.2身軀的組裝4.3系統(tǒng)調(diào)試本次設(shè)計(jì)使用所使用的Mega328P芯片支持程序的在線仿真及調(diào)試，因此采用Kittenblock直接進(jìn)行調(diào)試，其操作窗口如圖所示：圖4.3程序調(diào)試窗口調(diào)試的一般步驟為：打開Kittenblock,有舞臺(tái)和代碼兩種模式，選擇舞臺(tái)模式，拖動(dòng)左邊的圖形進(jìn)行編程，編寫完成后連接單片機(jī)，因?yàn)楹虯rduino兼容，所以選擇的硬件可以是ArduinoUNO，也可以選擇代碼模式，在右側(cè)方框中直接編寫程序即可。然后點(diǎn)擊右上角上傳按鈕，便可以實(shí)現(xiàn)程序的在線仿真調(diào)試，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對雙足機(jī)器人行走時(shí)的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)試。在調(diào)試的過程中，出現(xiàn)過很多問題，通過查閱相關(guān)資料，已得到解決。(1)出現(xiàn)Downloadfailpioflashfall問題需要將C盤中Kittenblock文件夾中的PIO文件夾替換到安裝路徑下的PIO文件夾中，因?yàn)橛行┹斎氤绦驘o法兼容，導(dǎo)致主控制器中的flash無法識別。(2)程序無法下載首次安裝Kittenblock軟件時(shí)需要安裝驅(qū)動(dòng)，因?yàn)榇谛酒荂H340，所以在打開Kittenblock軟件時(shí)，選擇右上角小齒輪按鈕來安裝驅(qū)動(dòng)。(3)舵機(jī)不協(xié)調(diào)首先，使用的RosBot主控板需要在程序編寫時(shí)，對六路舵機(jī)單獨(dú)控制，時(shí)常出現(xiàn)角度的偏差而影響機(jī)器人的行走。這是由于舵機(jī)在不停的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于速度較快，使關(guān)節(jié)的承受力度較小，此時(shí)需要加入多個(gè)延遲函數(shù)讓舵機(jī)的速度慢下來。其次，由于電池重量比其他零部件重的多，所以將電池放在重心位置。最后，機(jī)器人本身的腳板受力面積小，導(dǎo)致壓強(qiáng)過大，所以增大了腳板的寬度。(4)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與代碼不對應(yīng)在最初調(diào)試舵機(jī)時(shí)，舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與自己在代碼中定義的角度不完全相同，多次調(diào)試后發(fā)現(xiàn)需要多舵機(jī)進(jìn)行初始化，也就是需要將舵機(jī)的角度在最初時(shí)調(diào)整為0度，改正一次后在后續(xù)的調(diào)試中則不用重復(fù)初始化了。5總結(jié)與展望本文首先查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的履帶式機(jī)器人有諸多的缺陷，不能滿足在復(fù)雜地形與特殊行業(yè)的需要，故采用攝像頭數(shù)據(jù)采集與超聲波傳感器相結(jié)合的六自由度探索機(jī)器人。從總體設(shè)計(jì)方案來看，基于RosBot控制的六自由度探索機(jī)器人在不同環(huán)境中可以智能的選擇不同的避障方式，超聲波傳感器的智能避障針對室內(nèi)環(huán)境，此時(shí)障礙物明顯，傳感器能適時(shí)作出探測；攝像頭模塊對物像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將物像信息傳到上位機(jī)，通過無限遠(yuǎn)程控制下位機(jī)的避障針對室外環(huán)境，此時(shí)障礙物不清晰，無限遠(yuǎn)程控制可以使障礙清晰，使機(jī)器人有效作出改變，兩種避障方式相互協(xié)調(diào)，相互配合，共同完成機(jī)器人的探索工作。從硬件方面，本設(shè)計(jì)完成了主控板，超聲波避障避險(xiǎn)，舵機(jī)控制等硬件的設(shè)計(jì)。從軟件方面，通過Kittenblock的圖形化編程，完成了機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃的設(shè)計(jì)和避障避險(xiǎn)的設(shè)計(jì)，通過程序的改動(dòng)不斷調(diào)整舵機(jī)的角度和加入相應(yīng)的延遲函數(shù)來確保機(jī)器人的穩(wěn)定行走，通過超聲波的發(fā)出信號來反饋給RosBot主控制器，改動(dòng)程序中傳感器與障礙物的距離，從而找到了最優(yōu)距離。經(jīng)過一系列的調(diào)試，最終完成了基于RosBot控制的六自由度探索機(jī)器人設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的自主探索任務(wù)，而主控