基于Arduino的仿生蟲型機器人系統研究
2019-10-21 10:12:43王偲驍
科技風 2019年6期
王偲驍
摘?要：文章給出一種基于Arduino的仿生蟲型機器人系統設計方案。在方案中，通過驅動控制子系統，實現了蟲型機器人的仿生移動功能，同時通過測距子系統，實現了機器人避障功能。文中主要就這兩個功能進行了詳細的描述并對其實現過程進行了描述。
關鍵詞：Arduino控制板;仿生蟲型機器人;避障
在機器人研究領域，仿生機器人是其中的一個重要的研究分支。通過模仿不同生物的特殊屬性，仿生機器人能夠完成在特定應用場景下的特定應用需求。例如美國Boston Dynamics公司的“大狗”機器人，美國哈佛大學研究的蠑螈機器人Pleurobo等，都利用了其特殊的生物特性幫助使用者完成了諸如貨物運輸和狹小空間的探測的功能。
基于以上背景，結合學校信息技術學科的主要學習內容，本文提出一種基于Arduino開源控制板的仿生蟲型機器人系統。該機器人利用了Arduino開源控制板提供的強大程序庫，利用舵機的轉速控制，實現了蟲型機器人的仿生移動，并通過安裝的測距傳感器設計了一定的避障算法，實現了蟲型機器人的避障功能。本文的后續內容將詳細介紹該蟲型機器人的移動控制功能和避障功能。
1 移動控制功能詳細設計
本次機器人的設計是基于Arduino開源控制平臺進行開發的。如圖1所示，Arduino是一個硬件平臺，它的源代碼是開放的，它由電路板和開發環境軟件組成，其中，電路板是具有I/O功能的電路板。Arduino語言簡單來說就是很多參數被函數化處理了的基礎C語言。使用Arduino語言編寫的程序結構簡單，主要包括初始化變量、設置管腳模式的setup（）函數和類似于C語言中main（）函數功能的循環執行函數loop（）。
機器人采用的是UNO系列的Arduino UNO R3的開發板。它不僅可以使用USB接口直接供電，還可以使用外接電源供電。驅動電機采用RS一380SH直流伺服電機。驅動電機的轉動速度同樣受PWM信號占空比的控制，擁有良好的可調性，非常適合小車在各種條件下的速度要求。
仿生機器人的運動控制主要依靠前后兩個電機的轉動，如圖2所示，具體移動策略如下：
（1）前面的電機通過左右運動轉速來控制移動方向，需要左轉時，前端電機向左旋轉較大的角度，反之則向右轉向，通過旋轉的角度差來精確控制左右轉的具體角度。
（2）后部電機通過水平的轉動來為后腳提供地面摩擦力，控制機器人的前向運動。通過電機的轉動使得右后腿前擺的同時右前腿落地，重心右偏，增加地面摩擦力;當右后腿后擺時右前腿抬起，右側身體向前推進一步。與之類似，左后腿和左前腿的運動也是同樣的配合。通過這種配合控制機器人的前進。
2 自動避礙功能詳細設計
除了蟲型機器人的移動控制設計以外，本次設計中的另一個重要的功能是蟲型機器人的自動避障方法的研究與實現。自動避障功能的實現是為了能在復雜環境下自主、高效、省時地躲避障礙物，它是完成蟲型機器人后續更高級功能開發的基礎。同時，避障水平的高低也是衡量避障算法智能化高低的一個關鍵指標。如圖2所示，本次設計的避障算法主要依靠裝載在蟲型機器人頭部的超聲傳感器來感知前方障礙物的距離。為使機器人在所處的靜態環境中檢測到障礙物時，能夠及時、準確的完成自動避障動作，根據障礙物的位置、大小等信息的不同，具體避障策略如下：
1）由于硬件設備的局限性，本設計僅針對最基本的障礙物類型進行避障系統設計。如圖3所示，在向前移動的過程中，機器人時刻通過超聲傳感器檢測其正前方的障礙的距離dis。通過對dis的取值區間的判斷，并配合機器人的前進、左右轉和后退的基本動作來完成障礙物的避障工作。
2）當測得dis<500mm時，則認為前方存在障礙物，并自動進行向左或向右轉向10度（限于當前的硬件設計條件，選取了10度為一個轉向角度單位）。轉向完成后再進行dis值的測試。從而得到一組
3）為了保證轉向后，在避開障礙物時能回到原來前進的方向中，在后續前行的過程中采用了方向校準的策略。采用一個轉角變量k來記錄轉向次數，在臂章成功前行的策略完成后，對前行方向進行反向轉向校準k*10度，采用前行3步反向轉向1次的方法，當反向轉向回補了k次后停止轉向回補，直接采用避障前行的策略。
避障系統的執行不需要人工干預，機器人不斷通過信息采集系統檢測周圍障礙物的信息，判斷障礙物的類型，按照避障策略執行相應動作，實現自動繞開障礙物。自動模式的流程圖如圖4所示，整個機器人人的執行程序是一個不斷循環的過程，通過傳感器信息的判斷不斷采取相關策略執行的循環過程。
3 結語
綜上所述，仿生蟲型機器人主要利用超聲波測距傳感器實時采集以實現自動避障功能，對高中信息技術學科知識進行了綜合實踐運用。本系統所需硬件簡單易用、穩定可靠、成本大大降低，并具有較好的擴展性。
