基于 Arduino 的雙運動模式機器人設計

列浩楊 陳銀燕 洪曉蘭 黃一雄 鄭燦周 鄭譽煌

摘 要：設計了一款藍牙控制的可以在復雜環(huán)境中行進的雙運動模式的機器人。該機器人基于Arduino平臺，采用超聲波避障，有足式和輪式兩種運動模式，分別由四組舵機控制的機械腿和兩個直流電機控制的小輪及萬向輪組成。根據(jù)地形和實際需要使用藍牙切換運動模式和選擇自動運行還是手動操作，提高了機器人的靈活性。

關鍵詞：Arduino；移動機器人；雙運動模式；超聲波避障；雙操作模式；藍牙控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.139

1 引言

現(xiàn)有的地面移動機器人較多采用三輪的機械結構，不能很好地適應運輸業(yè)、服務業(yè)和危險行動等復雜的非平面環(huán)境。同樣，采用四足行走的移動機器人也有運動速度低的劣勢。為滿足市場對機器人靈活性的更高要求，多運動方式的機器人研究也就更有必要，使其能在不同的場景中應用合適的運動方式。本文結合輪式的快速運動和足式的靈活運動的優(yōu)點，設計了一款雙運動模式的智能機器人。

2 硬件結構設計

2.1 主控制系統(tǒng)

機器人的控制中心由Arduino Mega2560及Mega2560 R3擴展板組成。Arduino具有價格便宜，庫函數(shù)豐富等特點，它的電子電路和底層驅動庫都被打包集成，進而省略掉了大部分與電路和硬件驅動相關的操作，最終只剩下簡單的控制邏輯，因此人們只要懂得一些簡單的邏輯關系便可以將它很好地應用。

Mega2560同時具有54路數(shù)字輸入/輸出口（其中16路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，4路UART接口，可以對各種信號進行采集分析并做出反應，同時可接入各種外設完成一系列復雜的功能。特別適合本文機器人所需要的對電機、舵機、藍牙模塊、超聲波傳感器的工作運行的負責控制。

2.2 傳感器模塊

US-100超聲波測距模塊相比紅外傳感器，其測距原理相對簡單，通過測算發(fā)出超聲波到接收回波的時間以及接收超聲波的強弱，可以對障礙物距離及其表面物理形態(tài)進行判斷。US-100超聲波測距模塊可實現(xiàn)2cm-4.5m的非接觸測距功能，擁有2.4-5.5V寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對測距結果進行檢驗的功能，此模塊受環(huán)境影響相對較小，同時具有GPIO、串口等多種通信方式，內帶看門狗，適應性強，工作穩(wěn)定可靠。因此在本設計中采用此模塊來實現(xiàn)測距避障的功能。

2.3 動力模塊

本文機器人分兩種動力體系。

當采用輪式運動模式的時候，足部的舵機將抬起到設定位置，三個輪子著地，保證機器人穩(wěn)定不倒。其中后面兩個輪子為動力輪，前面輪子為輔助支撐的萬向輪。為了使整機重量輕便以及低功耗，兩個后輪均采用了33直流減速電機，單個電機重量為100g，空載速度達到200RPM，產生的力矩足以帶動整個機器人，通過差速控制程序使兩個動力輪獨立受控產生一定的速度差，便能達到轉向避障的效果，如圖2所示。同時輪式運動模式以總容量為4000mAh的2節(jié)18650電池為動力來源，保證機器人輪式行進的續(xù)航時間。

當采用足式運動模式的時候，足部舵機將全部豎直到設定位置，這時三個輪子將被架起，四足著地。通過執(zhí)行設計好的步態(tài)順序所對應的程序來進行足式運動。效果如圖3所示。此動力體系同樣以總容量為4000mAh的2節(jié)18650電池為動力來源，經過Mega2560擴展板的降壓模塊得到合適的電壓來給多組舵機提供動力。

2.4 驅動模塊（電機、舵機）

驅動模塊是機器人正常工作所不可或缺的一部分。

本文機器人在電機驅動這部分所使用的是雙L9110S芯片的電機驅動模塊，芯片占用體積小，適合用作組裝機器，可以同時驅動兩個直流電機，既節(jié)省空間也減輕機器人的重量。L9110S芯片具有良好的抗干擾性、較大的電流驅動能力、較低的輸出飽和壓降，從而使其在直流電機的使用上安全可靠。

舵機直接通過Mega2560開發(fā)板上的PWM輸出受控，結合Mega2560 R3擴展板上的擴展插口，能很好地整理雜亂的舵機電源線與信號線。

2.5 無線控制模塊

無線控制主要有Wifi控制、藍牙控制和紅外控制，Wifi成本高、帶寬大、待機功耗大、需單獨網卡；藍牙低延時、低功率、傳輸距離短、可用電池供電、抗干擾能力強、可繞行遙控；紅外遙控期間不能有物品阻隔、抗干擾能力差、只能用于兩臺設備之間的連接。三者相比較而言，藍牙更適合小機器人的遙控，而且可以用手機下載相應的藍牙串口助手APP與藍牙模塊進行連接通訊。在網絡不好時，方便眾多產品進行無線遙控，無需擔憂是否有公用網絡或物體阻隔，極大程度地方便了機器人操作者。

當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據(jù)事先設定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸，可以更好地控制機器人切換合適的運動模式（輪式或足式）以及操作模式（自動或手動），讓機器人能夠以較高效率到達目的地。作為一款高性能主從一體的HC-05藍牙模塊，具有低耗、適用于多種系統(tǒng)、可以與相關設備進行無縫連接、工作狀態(tài)的動態(tài)轉換等優(yōu)點，滿足本機器人的設計需要。

3 系統(tǒng)程序設計

機器人上電后，各舵機轉動到初始設定位置，機器人呈蜷縮狀，只留下三個輪子著地，等待手機端傳來藍牙選擇控制信號。機器人的運行程序框圖設計如下圖所示：

3.1 操作模式

操作模式分自動和手動。當選定任意一種運動模式后，將進行自動和手動操作模式的選擇。若選擇自動，則機器人將啟動超聲波模塊，按照圖4所示的流程圖來運作。若選擇手動，則機器人不啟動超聲波模塊，由手機端發(fā)送藍牙信號實現(xiàn)手動控制。

3.2 障礙物檢測方式

本文機器人通過US-100 超聲波模塊來檢測障礙物距離，從而進行障礙物檢測避障（注意：此超聲波模塊僅在自動操作模式下才會開啟）。US-100 超聲波模塊具有兩種觸發(fā)模式，在本文機器人設計中選擇了更為合適的電平觸發(fā)模式。在一段大于 10us 的高電平輸入后，超聲波模塊的發(fā)射探頭循環(huán)發(fā)出 8 個 40KHZ 的超聲波脈沖，傳感器發(fā)射探頭啟動并發(fā)送超聲波脈沖，然后接收探頭進入回波檢測狀態(tài)，在接收探頭檢測到回波信號后，結合溫度補償計算測距結果。最后經過系統(tǒng)程序分析檢測到的多個距離信息，執(zhí)行相對應的避障操作。

3.3 避障方式

本文機器人的避障方式與超聲波在一定距離探測到的障礙物位置和距離有關系，也與機器人的運動模式有關系。

結合本文機器人分兩種情況：

（1）當機器人選擇足式運動模式，并且選擇自動操作模式的時候，機器人以四足姿態(tài)前進，同時位于頭部舵機位置的超聲波傳感器將一直讀取分析正前方的距離信息。當正前方檢測到前方距離障礙物過近的時候，機器人立馬停止前進，頭部舵機轉動讀取左右45°方向的兩個距離，將讀取到距離信息進行分析判斷，最終將會有如下的反應動作：

①在左邊障礙物距離比右邊遠的時候，判斷到左邊障礙物距離大于安全距離，則執(zhí)行四足左轉直行程序。若判斷到左邊障礙物距離小于安全距離，則后退20cm再次讀取左右兩個數(shù)據(jù)進行比較；

②當左右兩邊障礙物距離相等的時候，則后退20cm再次讀取左右兩個數(shù)據(jù)進行比較；

③在右邊障礙物距離比左邊遠的時候，判斷到右邊障礙物距離大于安全距離，則執(zhí)行四足右轉直行程序。若判斷到右邊障礙物距離小于安全距離，則后退20cm再次讀取左右兩個數(shù)據(jù)進行比較。

（2）同樣地，當機器人選擇輪式運動模式，并且選擇自動操作模式的時候，機器人以輪式姿態(tài)前進，與足式不一樣的是輪式的行進方式與轉彎方式，其他部分與足式的避障方式一樣。

4 結束語

多運動模式機器人集合機械制造、電機控制、傳感器技術、單片機控制等多種先進技術，其制作目的終歸是方便人類的勞動生產和進行未知探索，隨著各種高精尖技術的發(fā)展（如人工智能，機器視覺，深度學習等），使得搭載上這些技術的機器人功能更加強大。本文提供一種藍牙控制的地形適應能力強與整體運動性能佳的雙運動模式機器人設計，其使用范圍廣泛，為機器人實現(xiàn)多種功能打下基礎。

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基金項目： 2018年度國家級大學生創(chuàng)新訓練項目（編號：201814278004）；2017年廣州市高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育項目（編號：2017192201）；2018年度電子信息工程應用型人才培養(yǎng)示范基地項目（項目編號：2018sfjd02）

作者簡介：列浩楊（1997-），男，廣東廣州人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。