基于STM32F4 的十二自由度仿生四足機器人

石志誠，張啟龍，李光明，羅龍，陳鳳，吳再華，姜宗生，邰玉彪，金光桃，胡韓

（六盤水師范學院 物理與電氣工程學院，貴州六盤水，553000）

0 引言

在“工業 4.0”以及《中國制造 2025》浪潮的推動下，人們對仿生四足機器人的研究越來越重視，并且仿生四足機器人朝著更加智慧化方向邁進，可以幫助人們在復雜的環境中更好地執行任務，如家用、救援、智能巡檢等。本文主要針對一個十二自由度的仿生四足機器人進行研究，利用運動學逆解和STM32F4 相結合，通過手機APP 控制實現各種基礎步態和仿生動作[1]。

1 硬件設計

（1）硬件設計總述：系統共分為主控模塊、供電模塊、圖像傳輸模塊、舵機驅動模塊和WiFi 模塊。以STM32F4模塊為主控模塊，通過與其他模塊相配合，讓其實現基礎步態和各種仿生動作，系統總模塊框圖如圖1 所示。

圖1 系統總模塊框圖

（2）主控模塊。以STM32F411 模塊作為主控制，利用運動學逆解與其相結合，采集和處理我們所在手機APP 發出的指令，控制其他模塊做出相對應的動作。STM32F411 模塊具有體積小、環保和拓展性強等優點，可以為我們的機器人節約空間和減輕不必要的重量。STM32F4 引腳功能圖如圖2 所示。

圖2 STM32F411 引腳功能圖

（3）供電模塊。此模塊細分為電池模塊、低電壓報警保護模塊和降壓模塊。電池模塊采用的是格氏2S-800mah電池，它具有體積小、續航力久和重量輕等優點；低電壓保護模塊采用的是BB 響測電器，實時監測電池模塊的電壓情況，在電池出現電壓低的時候，發出鳴叫，讓我們及時的給電池充電，保障電池的壽命；減壓模塊采用的是3A的LM2596 模塊，具有大功率、高效率和低紋波等優點，可以將電壓調節到5V，給主控模塊和其他模塊提供所需的電壓。通過這幾個模塊的配合，可以讓供電模塊更好地為仿生四足機器人提供充足的電量。LM2596 電路圖如圖3所示。

圖3 LM2596 電路圖

（4）圖像傳輸模塊。采用的是ESP32CAM 模塊，可以將數字圖像通過無線網絡傳輸至上位機，可以幫助仿生四足機器人對環境進行實時監測[2]。此模塊擁有低功耗雙核32位CPU，支持兩種視像頭模式模塊，并且支持內置補光燈，既可以滿足高清晰度的圖像采集要求，又可以保障流暢視頻傳輸信號的。ESP32CAM 原理圖如圖4 所示。

圖4 ESP32CAM 原理圖

（5）舵機驅動模塊。由自制的PWM 波驅動模塊和MG90S 舵機模塊組成，自制的PWM 波驅動板共有68 個排針接口，可以將MG90S 舵機的線路與主控模塊相牢固連接，可以很好地控制舵機執行相對應的動作[3]。MG90S 舵機具有全金屬齒輪、耐用性好和穩定性好等優點，可以控制工作電壓不同輸出不同的扭矩，且其控制信號是以20ms 周期的脈沖寬度調制（PWM）信號，呈線性變化。MG90S 舵機180 度對應控制關系如表1 所示。

表1 MG90S舵機180度對應控制關系

（6）WiFi 模塊。采用ESP8266-01S 模塊，具有價格低、體積小、功耗低、丟包現象不嚴重和支撐透傳等優點，將模塊設置為透傳模式，ESP8266-01S 模塊就是互聯網與UART 之間的橋梁，可以接收和處理APP 發出的指令。ESP8266-01S 原理圖如圖5 所示。

圖5 ESP8266-01S 原理圖

2 軟件設計

（1）軟件設計總述。用Keil μVision5作為PC端的開發，給主控芯片編寫控制各個模塊功能的代碼，保障系統正常運行，并能對ESP8266-01S 發出的數據進行處理，讓機器人實現基礎步態和各種仿生功能。當給機器人供電時，STM32F411模塊和ESP8266-01S模塊就進行初始化，開始接收上位機的各種指令信號，當上位機對機器人發送指令時，STM32F411 模塊和ESP8266-01S 模塊就開始處理各種數據，讓機器人執行相對應的動作。

（2）WiFi 模塊軟件設計。通過串口助手等軟件，將模塊設置為透傳模式，ESP8266-01S 模塊就是互聯網與UART之間的橋梁，可以接收和處理APP 發出的指令，確認指令后，發送數據給STM32F4 模塊，讓機器人做出相對應的動作[4]。WiFi 指令接收流程圖如圖6 所示。

圖6 WiFi 指令接收流程圖

（3）APP軟件設計。借助APP Inventor 進行APP 搭建，APP 的功能可以自由設計，搭建出想要的框架模塊按鍵，更好地控制機器人[5]。APP 開發設計流程圖如圖7 所示。

圖7 APP 開發設計流程圖

（4）模型搭建設計。用CAD軟件搭建機器人的3D模型，用UItimaker Cura 軟件對各個部位模型進行切片設置好各個參數，然后3D 打印機將模型打印出來，并使用72 顆螺絲進行固定模型。機器人模型如圖8 所示。

圖8 機器人模型圖

（5）圖像傳輸模塊軟件設計。用Arduino 給ESP32CAM 模塊編寫相對應的代碼，讓其實現無線圖像傳輸，上傳至上位機，可以實時監測周邊環境，豐富機器人的功能。

3 系統實現

十二自由度仿生四足機器人由主控模塊、供電模塊、圖像傳輸模塊、舵機驅動模塊和WiFi 模塊組成。通 過STM32F411 模塊與運動學逆解相結合，驅動自制的PWM 驅動模塊，驅動擁有金屬齒輪的MG90S 舵機，讓其做出相對應的各種動作；通過自己開發的APP 發送固定的指令鍵值信息，通過ESP8266-01S 模塊傳輸指令，機器人匹配相應動作，實現通過WiFi 遙控控制基礎步態、仿生功能；增加ESP32CAM 圖像傳輸系統，將數字圖像通過無線網絡傳輸至上位機，實現實時觀測；供電采用格氏電池配合LM2596 降壓模塊為系統供電，為防止鋰電池過度放電，加入低電壓報警保護電路。總的來說，利用軟硬件相結合，制作一個十二自由度仿生四足機器人（實物圖如圖9 所示），通過APP 軟件連接WiFi 控制各種功能，實現功能有十六個：

圖9 十二自由度仿生四足機器人實物圖

（1）基本步態：前進、后退、左轉、右轉、左移、右移等；

（2）仿生動作：跳步、伸懶腰、俯臥撐、虎視、坐下、跪下、跳舞、趴下、抱頭等；

（3）監測功能：可以利用視像頭對環境進行實時監測功能。

4 結束語

本文對基于STM32F4 的十二自由度的四足機器人進行設計，采用3D 打印技術制作模型，利用軟硬件相結合，對四足動物進行仿生，讓其實現前進、后退、左轉、右轉、自轉等基本的運動，以及可做俯臥撐、伸懶腰等仿生動作。四足仿生機器人是智能機器人發展的重要方向，是解決當前工業、生活等領域關鍵問題的技術樞紐，具有極其重要的研究價值和廣闊的發展前景[6]。此機器人具有較強的擴展性，為了讓機器人的功能更加的完善和更好的適應更多的環境，未來展望有以下幾點：

（1）優化模型及增加其他模塊，使功能更完善：

a.未來還可以實現四足機器人跳躍自穩可抗壓等功能的運動期望；

b.可加入GPS 定位等模塊能實時對機械狗進行定位，方便我們更好的控制四足機器人；

c.加入LD3320 語音模塊和語音播報模塊，方便我們進行語音控制，實現人機交互能力，能夠提供陪伴+服務。例如機器狗可以替代導盲犬，幫助盲人乘坐地鐵、公交、行走，在城市的復雜地形中移動，并產生智能交互，成為一個很好的聊天伴侶。

（2）提高該機器人適應能力，讓機器人適應更多的環境，能更好地為人類服務。

（3）使成本更加地低廉。