基于Arduino開(kāi)發(fā)板的微型仿生昆蟲(chóng)機(jī)器人

王藝翔+張浩然+羅敬濤

摘 要：微型仿生機(jī)器人體積小，質(zhì)量輕，使用高集成度小型Arduino Leonardo開(kāi)發(fā)版為主控裝置，下方高扭矩舵機(jī)為行進(jìn)裝置，并由舵機(jī)帶動(dòng)腿部和足部進(jìn)行移動(dòng)，鋰電池供電。通過(guò)頭部的紅外對(duì)管傳感器，舵機(jī)兩旁火焰?zhèn)鞲衅髂K對(duì)周邊環(huán)境情況進(jìn)行檢測(cè)，若接近發(fā)生火災(zāi)空間，可以通過(guò)攜帶的蜂鳴報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，即可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)仿生機(jī)器人進(jìn)入狹小空間，讓空間外部的人們了解空間內(nèi)部的火勢(shì)情況。

關(guān)鍵詞：Arduino，高扭矩舵機(jī)，火焰?zhèn)鞲衅?，模?shù)轉(zhuǎn)換

Project 20161824 supported by Double E project， School of electrical engineering， Northwest University For Nationalities.

1、前言

近年來(lái)，有不少操作機(jī)器人開(kāi)始廣泛應(yīng)用于工廠的各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，足移動(dòng)方式的機(jī)器人可以相對(duì)較易地跨過(guò)比較大的障礙（如溝、坎等），并且機(jī)器人的足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)[1]。本文提出通過(guò)Arduino Leonardo高集成小型開(kāi)發(fā)板為主板，集合高扭矩舵機(jī)，紅外傳感器，火焰探測(cè)模塊及蜂鳴報(bào)警器為主要部件，使該微型仿生機(jī)器人能夠進(jìn)入密閉狹小空間進(jìn)行小范圍環(huán)境探測(cè)，能夠在消防救援領(lǐng)域給救援人員帶來(lái)方便。

2、Arduino主控與各項(xiàng)傳感器模塊的硬件設(shè)計(jì)

這一部分講解各傳感器跟主板之間的連接。所有部分由3.7V/ 180mAh鋰電池供電，將頭部的紅外傳感器接到Arduino主控板的數(shù)字量IO口，紅外模塊發(fā)射管發(fā)出紅外線，接收管接收，使機(jī)器人能夠避開(kāi)前方的障礙物；將舵機(jī)兩旁的火焰?zhèn)鞲衅鹘拥街骺匕宓哪M量IO口實(shí)時(shí)將傳感器獲取的模擬量數(shù)據(jù)接收回來(lái)，利用Arduino開(kāi)發(fā)板的A/D轉(zhuǎn)換功能將收回的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量數(shù)據(jù)與所設(shè)閾值范圍進(jìn)行比較，從而判斷機(jī)器人周?chē)h(huán)境情況；如果轉(zhuǎn)化成的數(shù)字量超出了所設(shè)閾值范圍，則啟動(dòng)與數(shù)字量IO口相連的蜂鳴報(bào)警器報(bào)警，若在此閾值范圍內(nèi)，則不會(huì)報(bào)警，繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

3、機(jī)器人行走的設(shè)計(jì)

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，由者單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，其內(nèi)部有一基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，從而獲得電壓差輸出。由電路板上的 IC 判斷轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，再驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過(guò)減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回信號(hào)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位，其旋轉(zhuǎn)角度一般為0～180°?？刂破鬓D(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)占空比實(shí)現(xiàn)的。標(biāo)準(zhǔn)PWM信號(hào)固定周期為20ms（50Hz），理論上脈寬分布在1ms到2ms之間，脈寬和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角0～180°相對(duì)應(yīng)[2]。

借助Ardublock1.6.5編譯環(huán)境對(duì)主控板燒寫(xiě)程序。按下開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)器人前方?jīng)]有障礙物的時(shí)候，默認(rèn)為舵機(jī)1正轉(zhuǎn)，舵機(jī)2反轉(zhuǎn)使機(jī)器人往前行進(jìn)。若遇到前方出現(xiàn)障礙物，則兩舵機(jī)轉(zhuǎn)速提高讓機(jī)器人原地轉(zhuǎn)彎，直到紅外模塊沒(méi)有檢測(cè)到障礙物為止。當(dāng)然檢測(cè)的距離可根據(jù)環(huán)境大小自行調(diào)整，避免機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間原地打轉(zhuǎn)的情況出現(xiàn)。

4、結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目利用了Arduino小型開(kāi)發(fā)板方便于人們及時(shí)了解環(huán)境空間內(nèi)部情況，但硬件、軟件方面還需進(jìn)一步改進(jìn)，讓機(jī)器人探測(cè)范圍變廣，讓人們獲取到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋一然.微型六足仿生機(jī)器人的研究.莆田學(xué)院.2005

[2]藍(lán)宙電子Arduino入門(mén)套件使用說(shuō)明[M].蕪湖：藍(lán)宙電子.2016

作者簡(jiǎn)介：

王藝翔，男（漢族），山東日照人，西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院本科在讀生，研究方向：通信工程。此項(xiàng)目由西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院雙e

項(xiàng)目資助。

其他作者：張浩然，羅敬濤。