智能家居環境下六足機器人的設計與實現

張賽男　邱曉榮

摘要：該論文以六足仿生機器人作為研究目標，采用了STM32單片機的開源電子原型平臺作為主要的控制系統。對機體結構、控制系統、各組成部件的工作原理做詳細研究，設計制作一個基于STM32的六足機器人，再增加一些其他傳感器，機器人可以在室內或室外進行環境的大氣監測，為人們的生活提供方便。

關鍵詞：智能家居;六足機器人;環境監測;STM32

中圖分類號：TP368.1? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）09-0086-03

1 引言

隨著現代化社會科學技術的迅速發展，機器人領域是極其重要的研究方向，而六足機器人作為多足機器人其中的一個典型代表，是當下具有重要價值的話題熱點。六足機器人對各種環境都有極佳的適應能力和靈活性，因其自身體積小、質量輕等優點，具有良好的運動靈活性和強大的承載能力，可以在智能家居環境條件下進行工作，給我們的生活提供便利。

2 六足仿生機器人的基本介紹

2.1 結構組成及其分析

六足仿生機器人具有六條腿和軀體主干，六條腿的結構設計直接關系到機器人是否能平穩行走進而來適應環境。六條腿分別依次對稱均勻地分布在機體的兩個側面，一條腿有三個運動關節，即三個自由度，從內往外分別依次是跟、髖、膝。每條腿的跟關節和軀體主干融合為一體，跟關節向與機體身垂直的方向進行轉動，這樣可以實現機器人的邁腿動作。髖和膝兩個關節向與機體身平行的方向進行轉動，可以實現機器人的抬腿動作。[1]

2.2 運動學及其步態分析

三角步態作為六足仿生機器人其中的一種常見的典型步態之一，其腿在進行三角步態的行走運動狀態下，會存在不相鄰的三條腿在相互交替以實現前后移動，三角步態是將機器人的六條腿一共分為兩個組，第一組是由腿（1，4，5）組成，第二組是由腿（2，3，6）組成，每一組都可以構成一個三角形，并且依靠驅動可以完成支撐和擺動。[2]如果機器人在運動狀態的時候都會有四條腿正在處于支撐狀態，不相鄰的兩條腿正在處于擺動狀態，這就是六足機器人的四角步態。三角步態的特殊表現形式是橫向步態，當它正在處于橫向步態的運動時，腿（3，4）都會具有多足哺乳動物踢腿的步態行走的特征，剩余的腿（1，2，5，6）也都會擁有多足爬行昆蟲的波動行走的特征，[3]對橫向步態的進一步探索，對于它在各種環境中進行全方位的行走移動具有極大的意義。

3 六足機器人設計制作的總方案

六足仿生機器人的控制板設計選擇了嵌入式作為主要的處理系統，將單片機STM32應用為該機器人的控制器，控制板、電路、電池、舵機等安裝在中間位置組成了機身，最上層安裝肢體和其他傳感器模塊。[4]本機器人是鋰電池供電，并且可以為舵機、控制板以及其他的模塊供電。當開關通電之后，六足機器人處于站立狀態，電源燈指示燈顯示正常。驅動模塊和舵機可以控制其進行運動，方便進行驅動利于實驗[5]。

為了讓六足機器人完成溫度感應和環境監測等實驗任務，運用基于ZigBee的Z-stack協議，將其嵌入到設備中。環周圍環境中的溫濕度信息會通過DHT11模塊傳輸給STM32控制板，并通過攝像頭模塊采集周圍環境信息的視頻圖像，然后，主控板會再將采集到的圖像信息運用Wi-Fi模塊傳輸到主控板，主控板會通過信息進一步控制六足機器人的行走路徑，對周圍環境中的信息進行下一步的探測。本實驗制作對于室內而言，可對家居裝修進行環境監測，監測室內的甲醛含量，保證安全健康，同時也可監測煙霧、液化氣、天然氣、甲烷等氣體，當有害氣體達到一定值進行火災報警，有一定預防火災的安全作用。

1）主控模塊

本六足機器人的實驗設計制作選擇了STM32F407ZGT6作為核心控制器，此單片機具有極高的性能、豐富合理的外形設計，低功能消耗，合適的價格。

2）ZigBee

ZigBee是一項近距離、低成本、低功耗的無線網絡通信技術，并且其具有兼容性強大、信息容量大、安全并且可靠性高、更為便捷的優秀特點。無線傳感器網絡在此實驗中是由ZigBee與各種傳感器兩者共同組成的，因此，機器人可以做到自動采集并且分析和處理各種數據，并且能夠在主控板和終端之間高效率的雙向傳送數據內容。

3）驅動模塊

其六足機器人實驗的運動依靠的是舵機驅動，此模塊操作起來方便，性能好，更穩定。

4）舵機

SG90 舵機轉動的角度是由調整 PWM波的脈沖寬度來決定的。六足機器人的舵機驅動以設定相應定時器的不同端口來控制舵機，其脈沖寬度與舵機的轉角相對應，該舵機旋轉角度為0°～180°。每一條腿的關節處都有舵機，舵機的作用是驅動關節實現轉動，六個舵機固定在六個定點 ，驅動機器人實現肢體的前進和后退移動行走，其中兩個舵機在每支腿的連接軀干處，兩個舵機各有所用，一個用來控制足的轉動，另一個用來控制足的起來和落下。還有一個舵機用來連接支撐部分，這樣就可以完成下半部分足的起來和落下。整個系統共由18路舵機組成，一個足則需要三個舵機，幫助機器人實現正常的運轉。

5）外圍傳感器

MPU6050外圍傳感器是由兩個模塊（三軸陀螺儀和三軸加速度計）共同組成的一款高性能的六軸傳感器，其模塊主要用于測量姿態角和加速度，并且支持姿勢識別、畫面的放大和縮小、滾動以及感應等功能，其FIFO執行方法，利于降低系統的功耗。

6）超聲波測距模塊

在檢測六足機器人與障礙物的距離的時候，共需要位于轉接板的三個不同方向（左中右）的三個測距模塊進行測量。US-100超聲波測距模塊，它擁有靈敏度很高以及抗環境干擾性能好、工作起來穩定并且可靠的優點。本實驗中測量六足機器人與障礙物的路程是通過高電平的持續時間測量出來的。如果設定六足機器人躲避障礙物的安全間距為0.5米，即當障礙物和它之間的距離小于0.5米時，會驅動舵機的PWM信號進行自減，驅動電機減小速度，機器人慢慢減速前進，因此，六足機器人就完成了它的自動避障功能。

7）溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器是數字采集和傳感的一種復合類型的傳感器，其體積小，并且擁有反應速度效率快、很強的抵抗外界能力以及極高的性價比，極低的功能消耗、較高的安全穩定性等優秀特點。

8）Wi-Fi模塊

USR-C322是一款超低功耗WIFI模塊。體積小，可一鍵聯入Wi-Fi網絡，速度更快、完美解決智能家居應用中的聯網操作復雜的問題 。該傳感器體積小，安全性能更高，并且容易焊裝、工作電壓低，低功能消耗，數據傳輸速度快！

9）OLED顯示屏

OLED顯示屏用于顯示六足機器人的參數指標數據和狀態信息以及環境實時信息，其面積僅為LCD屏幕的1/3，其具有厚度薄、質量小、視角范圍廣闊以及響應速度快的優點。

10）二氧化碳（CO2）傳感器

JXBS-3001二氧化碳傳感器采用的是單光源、雙通道探測器，半導體傳感器探頭作為核心檢測器件;不僅安全可靠而且外觀美觀，安裝方便。其擁有信號穩定、精度高、高靈敏度、測量范圍廣泛、使用方便、傳輸距離遠等優點。該傳感器不僅防水也防腐蝕，即便是在惡劣的環境條件下，也可以檢測到穩定并且可靠的數據信息。

11）MQ2煙霧傳感器

MQ2傳感器適用于氣體探測的一款多種氣體（液化氣、氫氣、苯和烷、酒精和煙霧）監測儀器，其更加在家庭的氣體泄漏監測中適用，擁有極其廣泛的監測范圍、穩定性強且壽命時間長、組成的電路簡單以及抗干擾性能良好等優點，可以排除其他刺激性煙霧的干擾。

12）MQ4氣體傳感器

MQ4是對于甲烷、天燃氣擁有很高靈敏度的一種氣體傳感器，是一種應用于家庭、工業的探測裝置，其優點是驅動電路較為簡單，長時間的使用壽命和穩定性可靠以及快速響應。

13）甲醛氣體傳感器

CJ-01-SH20甲醛傳感器在對空氣中甲醛的含量進行探測時，運用的是電化學原理，因此其具有良好的可靠穩定性，靈敏度優越、較強的抵抗干擾的能力等優點，甲醛傳感器在空氣質量設備的監測、換氣系統以及智能家居環境中的應用等場所中適用范圍較為廣泛。

14）激光PM2.5傳感器

DSL-08傳感器是一款在顆粒物上產生散射光的激光數字式傳感器，此傳感器含有激光器和光電接受組件，因此光可以通過光電接受器轉變成為電信號，并且PM2.5和PM10的質量濃度以及PM0.3～PM10的粒子個數，可以通過特殊的算法計算出來。其體積小巧，更方便安裝在機器人上，監測速度也快，產品性能好也防干擾，檢測數值穩定準確。

4 結束語

本文基于六足機器人的結構進行設計制作，其實驗樣機系統的功能已經基本實現，其地形適應力較強，運動較為靈活，在非結構化非規則步態的地形中可以穩定行走，同時，也具有負載能力，在六足機器人上搭載環境監測相關的傳感器和其他設備，拓展其在智能家居方面的應用功能，從而服務于我們的日常生活，并且，對六足機器人在現實生活中的應用，以及對于今后的研究工作中有著更深的影響意義。

參考文獻：

[1] 王超.基于STM32的六足機器人控制系統研究[D].西安：長安大學，2020.

[2] 李俊敏.基于STM32的六足機器人運動控制系統研究[J].河南科技，2019（25）：32-34.

[3] 陳剛.六足步行機器人位姿控制及步態規劃研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[4] 李程.六足機器人控制系統設計[D].秦皇島：燕山大學，2016.

[5] 王蕾，姚權允，鄧博軒，等.基于STM32的六足機器人設計與實現[J].產業與科技論壇，2018，17（9）：68-69.

【通聯編輯：梁書】