六足仿生机器人的控制与实现

摘要：针对目前高等学校大学生创新计划项目研究需求，设计了集运动、视频、语音和多种控制于一身的仿生六足机器人的实验平台。该平台通过18路舵机的协调工作实现仿生机器人的前进、后退、左移、右移等动作，通过摄像头实现视频监控，同时可以播放MP3音乐，实现人机对话。该平台有硬件遥控、android客户端和电脑上位机等多种控制方式，通过蓝牙和Wifi与六足机器人进行通信，整合实现了按键控制、语音识别和重力感应三种不同的控制方式，轻松实现对仿生机器人的运动控制和视频监测。该平台整合了运动步态、视频监控、语音识别、重力感应、MP3播放、android和上位机等多个技术环节，提供了一个综合的实验平台，可以用于仿生和控制领域的基础实验和扩展研究。

关键词：仿生六足机器人 语音识别 视频监控 实验平台 android

The hexapod bionic robot control and implementation

Abstract: The demand for innovative projects for College Students, the design of sports, video, voice and more control in a biomimetic hexapod robot experiment platform. The action of the platform by 18 servos coordination to achieve the bionic robot forward, backward, left, right, etc., by a video surveillance camera, and can play MP3 music, man-machine dialogue. The platform hardware remote control mode of the android client computer host computer via Bluetooth and Wi-Fi hexapod robot communication, integration button control, speech recognition and gravity sensing three different control modes, easily bionic robot motion control and video monitoring. The platform integration movement gait, video surveillance, voice recognition, gravity sensor, MP3 player, android and the host computer and other technical aspects, provides a comprehensive experimental platform, the basis of experimental and extension can be used the bionic and control field research.
Keywords: bionic hexapod robot; voice recognition; video surveillance; experimental platform; android

一、 项目概述

1.1项目成员基本情况

共有3名学生参与项目，分别是：

牟中强，2009级，物理与光电工程学院，电子科学与技术专业

阮新宇，2009级，电子信息与电气工程学部，自动化专业

张  朝，2009级，电子信息与电气工程学部，电子信息工程专业

指导教师吴振宇老师，副教授，主要研究方向在机器人领域

1.2项目的选题背景、目的与意义：

仿生多足机器人可利用非连续地面支撑,适应各种非结构地面和恶劣环境,同时利用多种步态可实现灵活越障，能取代轮式机器人完成复杂环境中的运输作业,因此,多足机器人在非结构环境中的应用前景十分广泛[1]。科技部最新出台的服务机器人科技发展“十二五”专项规划中，对于应用于非结构环境的特种机器人发展提出了新的要求，在四大任务中明确提出要重点发展仿生机器人平台[2]。而与其相关机器人控制理论和技术的研究也具有重要的科学意义和应用价值。

随着教育部大学生创新创业计划的推行，更多的大学生有机会参与创新项目的研究，自动控制领域实现人机交互的项目越来越受到众多学生的青睐。创新训练项目即以此为出发点，通过这一过程打下了仿生控制、android应用、语音、蓝牙和wifi通信等所需的技术基础

1.3项目的人员分配

项目组三人任务分配均衡，优势互补，其中张朝同学负责六足仿生机器人机械结构的设计、仿真以及制作；牟中强同学负责机器人步态规划，硬件电路设计；阮新宇同学负责软件程序的编写。

项目完成了两版六足机器人机械结构的设计，并完成了机器人步态的规划，实现了各种基本动作，随后使用C#编写了上位机程序以及手机Android客户端程序，随后又拓展了六足机器人的功能，通过wifi将机器人摄像头采集的图像发送至客户端，实现高速的远程视频传输。最后我们又实现了语音控制功能，通过语音实现对六足机器人的控制。

1.4收获与体会

非常感谢学校能够提供这样的机会与平台使我们能够实际的设计并实现项目，在项目中，我们学会了机械设计，电路设计以及制作，软件编程等技能，了解到机器人方面的只是以及动向，收获到了很多课本以外的东西。更重要的是，团队三人通力合作，在完成项目的同时也获得了深厚的友谊。指导教师在整个过程中给予了很多指导，并向我们渗透做项目的经验以及思想。

二、 项目预期成果完成情况和创新点

2.1完成情况

项目不仅完成了基本内容，实现了六字仿生机器人的控制功能，又自主设计很很多创新点，让六足机器人的功能更加丰富实用

2.2创新点：

可控性：触摸控制、加速度控制、语音控制、上位机控制等多种控制方式

网络性：通过WIFI实现网络通信

移动性：移动设备Android客户端

可视性：摄像头实现视觉效果

交互性：“MP3”+“语音识别”实现人机对话

娱乐性：多种动作配合语音增加娱乐

三、 项目说明

3.1 实验平台设计

仿生六足机器人实验平台主要由四个部分组成：机身部分、手持控制终端部分、android客户端部分和电脑客户端部分，系统结构框图如图1所示。

图1 系统框图

其中机身部分主要为机械构架，通过18路舵机控制其运动，通过摄像头实现视频数据的采集、通过语音设备实现人机交互和语音播放，最后通过Wifi和蓝牙设备进行数据的通信。手持控制终端、android客户端和电脑客户端主要是通过蓝牙和Wifi两种通信方式经按键控制、重力感应和语音识别三种方式对机器人进行控制，同时获取视频流并保存。

3.2机身部分设计

机身的基本组成如图2所示，由供电系统、机械构架、Mp3模块、Wifi和蓝牙通信设备和摄像头组成。

图2 机身实物图

供电系统采用两块7.4V电池分别对舵机组和控制系统进行供电，主要目的是防止舵机组的大电流对控制系统的影响。舵机组的工作电压为6V，由于在启动的瞬间舵机组同时工作电流可达7A，因此采用好盈生产的8A大电流外置式 BEC。控制系统的电压为5V，通过开关电源TP5430降压而得到。

机械构架的简要结构图如图3所示，每条腿上有三个舵机以控制每条腿在三维上的运动，通过18个舵机的协调工作实现了六组机器人的站立、蹲下、前进、后退、左转、右转、左移和右移等八个动作，由于动作的实现采用的是状态分解法，即将一个动作分解为多个状态，然后将每个状态存为一个数组，因此只要更新数组数值就可以实现复杂动作的扩展。

图3 机械简要结构图

Mp3模块通过STM32、SD卡和LD3320实现，STM32通过SPI读取SD卡内的Mp3数据然后经并行方式送给LD3320进行播放最后通过串口接收主机的指令对Mp3的播放进行控制，如“暂停播放”、“恢复播放”、“增加音量”、“减小音量”、“上一曲”和“下一曲”等。

Wifi无线传输使用了TP-Link 703N路由器，通过重新在路由器上刷新一款Linux的文件系统OpenWrt实现，在OpenWrt中安装USB底层驱动、Mjepg视频流、ser2net无线串口以及wifinet等程序包，然后将摄像头通过USB与路由器相连就可以通过Wifi实现摄像头数据的获取，而ser2net程序可以实现Wifi通信方式socket与串口通信方式的转化，以此与控制系统进行通信。

3.3手持控制终端设计

手持控制终端组成框图如图4所示，手持控制终端主要实现了三种控制方式：按键控制、重力感应控制和语音控制。

图4 手持控制终端俯视图和侧视图

按键控制电路采用的电容触摸按键，电容触摸的主要原理是通过检测人手触摸时电容的大小的变化对充放电时间的影响来判断是否触摸。按键控制分为触摸按键和触摸滑条两种，滑条主要是对六足机器人的速度进行调节。

加速度数据是通过模拟加速度传感器MMA7631L经滤波后由PSOC内部ADC获取，通过加速度数据解算出控制指令，主要指令如表1所示：

表1 加速度指令表

语音识别是由LD3320芯片实现，该芯片可以对外部语音输入识别，从而达到语音效果。语音识别的指令列表2如下所示：

表2 语音识别列表

3.3android客户端设计

android客户端有两种通信方式：蓝牙和Wifi。这两种模式下均可以通过重力感应、按键控制和语音识别三种方式进行控制，在Wifi模式下，还可以获取并显示视频流数据以实现视频监控。这两种模式的主界面如图5所示：

图5 android客户端界面

蓝牙通信的基本流程如图6所示，首先蓝牙适配器开启蓝牙、搜索设备获取蓝牙得到蓝牙MAC地址，然后建立连接线程连接设备，建立接收线程异步接收数据，最后注销进程关闭蓝牙。

图6 蓝牙连接流程

视频的显示是通过不断的刷新屏幕而实现的，每一个循环周期如图7所示，首先根据视频地址建立连接获取数据流，然后转换为图片并根据屏幕尺寸进行尺寸的变换，最后在屏幕上刷新。

图7 视频刷新周期图

重力感应控制方式是采用手机内部的加速度传感器，通过定时器定时获取手机当前的x、y和z轴的加速度的值，解算得出指令值，然后通过蓝牙或者Wifi发送给下位机。

语音识别功能主要是利用Google的云端数据库来实现的，概要机理为通过Mic获得你说话的数据，然后通过网络发送至Google的云端，然后进行筛选，最后将识别结果列表返回。

图8 语音识别和重力感应界面图

3.4电脑客户端设计

电脑客户端由C#语言编写，主要实现控制、显示和调试等功能，组成框图如图9所示。

电脑客户端有两种通信模式：串口和网络。串口模式采用的是C#中的seriaPort控件，主要是完成与蓝牙串口设备的通信接口。网络模式通过设置IP地址和端口由Socket与下位机的路由器进行连接，并且进行数据的交换。

图9 电脑客户端组成框图

电脑客户端对视频的支持很好，采用AForge库简化视频的操作，主要支持两种视频方式：snapshot和streamer。Snapshot方式是以动态刷新图片形成视频的方式，而streamer方式则是真正的视频流数据，这两种方式在下位机路由器的OpenWrt系统中进行配置。通过AForge库不仅可以实现视频的显示，还可以打开本地视频、实现视频的保存和截图功能，完成简要的视频监控。电脑客户端的主要界面如图10所示：

图10 电脑客户端主界面

为方便学生对步态的扩展，电脑客户端有一个很重要的调试功能。步态调试窗口如图11所示，分为舵机角度调试区、数据保存加载区和动作区，为步态的调试提供细致的接口，为该实验平台提供扩展的可能。

图11 调试界面图

四、 项目总结

本平台是一个整合了运动步态、视频监控、语音识别、重力感应、MP3播放、android和上位机等多个技术环节的综合的实验平台，不仅可以完成仿生运动控制的实验任务，还可以完成视频和多种控制方式的实验，并且通过调试接口易于实现扩展。

五、 附录

参考文献：

[1] 陈学东, 孙 翊, 贾文川. 多足步行机器人运动规划与控制[ M] . 武汉: 华中科技大学出版社, 2006.
[2] 服务机器人科技发展“十二五”专项规划，中华人民共和国科学技术部，国科发计〔2012〕194号，2012.4.1