多足机器人控制系统设计

江志伟 李胜刚 蒋胤冰

摘要：随着工业机器人向更深、更远、更广、方向发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范围还在不断地扩大，机器人正在为人类生活质量发挥着重要的作用。现实生活中常见的机器人一般为轮式和履带式机器人，通过轮和履带来实现行走，遇到复杂地形则难以实现正常行走，在某些方面已经很难达到人们期望的要求，基于此背景下，为了提高机器人的环境适应能力，本课题开发的多足机器人协调控制系统，以适应不同环境，从而提高工作效率。

关键词：MQTT;HTTP;多足控制;物联网

中图分类号： TP311      文獻标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）32-0192-03

近年来，由于人工智能的爆发式发展，众多的智能仿生机器人争先亮相。但是在机器人研究领域中，传统的移动机器人依然占有十分重要的地位。本课题设计的是一套多足机器人控制系统，该系统是基于机器人硬件结构上的软件模式创新，即自主开发的一套六足机器人控制系统，包括硬件，Android终端，和服务器后端，该系统经个人测试已经成功运行。本项目是基于硬件结构上进行优化其软件系统结构。创意点在于控制模式的多样性，构建其与其他机器人的协同控制系统。

1 国内外研究现状

1.1 国内现状

广州大学华软软件学院电子系何等人开发了一套六足消防机器人，其团队采用s5p6818为主控制核心，，STM32为检测系统，利用Android平台，通过WIFI摄像头以及传感器对火灾现场环境信息实时采集、存储，完成手机终端与机器人的实时通讯，最终实现远程监控和机器人的直线路径、转弯步态的规划和控制等功能。

长沙环境保护职业技术学院继续教育部杨等人，设计了一套采摘机器人的远程操作系统。借助大数据Hadoop技术原理以及架构的研究，实现了机器人的定位导航算法，同时完成了硬件以及软件的设计，符合设计需求，对采摘机器人的远程控制具有一定的积极意义。

1.2 国外现状

日本的某位教授首先提出蛇形机器人理念，并在20世纪 70 年代研制出了第一个蛇形机器人，较为典型的有日本的 Snakebot 机器人，能够深入到灾难后废墟的每个小角落，Sherbrook 大学研制的 AZIMUT 机器人，其主要特点是根据环境与任务的不同随机改变自身形态。近日，意大利的Pembangunan Jay开发了一种低成本WiFi助教机器人。该机器人是一种三轮机器人搭载机械手，在机械手中使用WiFi模块与智能手机相配对，通过互联网连接Blynk IoT平台，实现远程操作，是一种用于教育辅助工具的WiFi多足型机器人。

2 整体结构

本项目采用的整体结构是六足机器人与机械手相结合。对比轮式机器人以及单足机器人，六足机器人有着更加卓越的应对复杂地形的能力。并且在六足的基础之上，搭载了六个自由度的机械手。现在市面上的机械手80%为工业机械手，其体型巨大，不能移动，功能单一，而本项目的创意增加了机械手的灵活性，可实现抓取的动作，亦增加了六足机器人的功能性。机械手可替换成其他功能的器件，适应不同的场景和需求。同时整体结构可与其他机器人构建协同工作系统。硬件端为机器人（群）系统，借助WiFi模块，使用MQTT协议上传数据至服务器端，并由服务器转发至客户端。

3 硬件系统设计

硬件系统为机器人控制核心，控制舵机（动作）以及摄像头（视觉），并预留动作接口，与通信核心板进行数据交互。通信核心处理各类传感器信息并驱动WiFi模块与服务器进行通信，进而转发数据至客户端。同时接收远端发出的动作指令，并通过串口驱动机器人控制核心，执行动作。硬件框图如图1所示。

4 软件系统设计

软件系统均为自主开发。Android APP使用Android  Studio安卓编程软件，开发与机器人配套的APP硬件端软件流程图如图2所示，单片机编程：机械手与移动底盘六足式机器人底层代码都采用Keil编写，用于控制机械手多个舵机的转动。

同时搭载WiFi模块和温湿度等传感器，编程使其与手机App联机实现系统的运作控制。同时，每个机器人单独开发，通过自定义的指令协议，使用串口通信实现对六足和机械手软件系统合并与协作运行。

上位机软件采用Java语言编写，机械手和移动底盘六足式机器人分别与PC机通过有线相连接，通过串口通信，可对机器人动作组添加、调试，以适应不同地形。

5 特色亮点

5.1 硬件设备创意

本项目创新性地将机械手的运行方式，从传统的调整舵机角度控制调整为三维坐标控制，不仅运行动作简单干练，还大幅度地降低了对于传统方式的计算精力，减少了计算与试验时间，可由手机等移动设备操纵，更为实验演示所需要的高效率提供了重要的基础。六足机器人可拆装成为四足等机器人，其上的机械手可替换成喷射水或粉末的装置，或是加上摄像头等传感装置。

5.2 控制模式创新

多个机器人可通过组网实现多种控制模式。根据实际需求，选择相适应的控制模式。控制模式整体框图如图3所示。

一对多控制模式，适用于需要多个机器人协同工作情景，本模式中，各个机器人将自动接入控制端，实现多用户交互;单机器人控制模式，控制端主动连接搭载在机器人上的WiFi，相比较于多链接模式接入更迅速;远程模式，使用云服务器，通过MQTT或HTTP协议，手机App对机器人远距离控制，亦可进行异地操作，实现控制距离最大化;自动避障模式，六足机器人上搭载的超声波测距模块，可实现机器人自动避障模式。连接控制模式上的多样性。使用无线WiFi控制和自主开发的手机App与机器人进行交互。通过软件编程，摒弃传统的PS手柄和有线控制模式。

模式一：多链接模式。本项目使用了2个机器人进行系统测试，双足机器人作为六足式机械手机器人的辅助，进行系统测试。优点：多用户交互，可在同一运行下同时控制多个机器人共同运作;如图4所示。

模式二：单连接模式。通过连接了搭载在机器人上的WiFi，可迅速接入。优点：操作便利方便，且启动迅捷;如图5所示。

模式三：远程控制。使用阿里云，在阿里云中搭建MQTT服务器，机器人接入后可通过手机App进行远程控制。优点：实现控制距离的最大化;如图6所示。

模式四：自动模式。搭载一个超声波测距传感器，简单地实现超声波直线方向避障。在App中集成自动控制指令，用户即可脱离手动，使机器人进入自动避障模式。优点：自动模式，智能化。

本项目的设计在系统操作上简单易于上手，支持电脑端控制和手机App控制的控制方式，并且在给定特定指令接口的情况下，用户可根据需要自行扩展控制方式，适合各年龄阶段的人使用。

6 总结

6.1 技术成果

本课题在各类大赛（如参加物联网类、机器人类）中多次获奖，并根据专家们的指导进行了完善和进一步的开发。

6.2 改进计划

在后期的优化中，机械手六足式机器人可作为在小型灾后救援机器人，方便进入救援人员难以进入的地方，进行勘探取样，改进后亦可以用于运输物资。另一方面，若在视觉方面集中研究，使机器人具有通过视觉图像识别物体的能力，可实现通过辨别，在众多物体中抓取想要的物体，则会有更加广阔的应用前景。

同时，从研究的角度看，多机器人协调研究比单机器人增加了许多新问题，主要有：1）复杂协调任务的描述;2）同一工作空间中多机器人协调和集中;3）多机器人协调系统的自适应控制;4）多机器人协调系统的负载分配;5）以多传感器为基础的数据检测和障碍描述;6）多机器人协调系统的建模和控制结构的模式;7）多机器人坐标间的标定;8）AI技术和控制系统与多机器人协调系统的结合。为完成同一任务，多个机器人协作应具有灵活性、低代价和高性能的优点。就上述问题所而言，本项目控制机器人的协调工作系统还可在此基础上完善和再次开发。

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