仿蜥蜴機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作

摘要仿生技術(shù)出現(xiàn)至今已有數(shù)十載，而仿生學(xué)是應(yīng)用生物學(xué)領(lǐng)域的一門分支學(xué)科，軟硬件的相互結(jié)合賦予了機(jī)器人另一種形式的“生命力”。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是通過(guò)研究蜥蜴的外形和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)所設(shè)計(jì)與制作的仿蜥蜴機(jī)器人。根據(jù)步態(tài)分析和自由度的計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)外形和基本運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，通過(guò)電路設(shè)計(jì)和程序?qū)懭肴タ刂聘鬟\(yùn)動(dòng)副的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)仿真優(yōu)化和上位機(jī)的調(diào)試優(yōu)化得到能滿足運(yùn)動(dòng)要求的仿蜥蜴機(jī)器人。關(guān)鍵詞：仿生技術(shù)，電路設(shè)計(jì)，優(yōu)化，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

ⅡDesignandmanufactureoflizard-likequadrupedrobot——ControlsystemdesignAbstractIthasbeendecadessincetheadventofbionictechnology,andbionicsisabranchdisciplineinthefieldofappliedbiology.Thecombinationofsoftwareandhardwareendowsrobotswithanotherformof"vitality".Thisgraduationprojectisalizardrobotdesignedandmadebystudyingtheappearanceandmovementoflizards.Accordingtotheanalysisofgaitandthecalculationofdegreeoffreedom,thedesignofthestructureshapeandthebasicmotionposture,throughthecircuitdesignandprogramwritingtocontrolthejointmotionofeachmotionpair,andthroughthesimulationoptimizationandtheuppercomputerdebuggingoptimizationcanmeetthemotionrequirementsofthelizardrobot.Keywords:bionictechnology,circuitdesign,optimization,jointmotion

目錄1．緒論 ．緒論1.1研究仿生蜥蜴機(jī)器人的現(xiàn)實(shí)意義和目的代替人類在各種復(fù)雜和未知的工作環(huán)境中工作，國(guó)際社會(huì)對(duì)此表示贊成的聲音越來(lái)越多，例如深海勘測(cè)，核輻射影響地區(qū)，對(duì)于恐怖組織所在地區(qū)，太陽(yáng)系和各遙遠(yuǎn)星系人類所不可及之處。往小的方面說(shuō)，需要機(jī)器人解放人類的勞動(dòng)力，提高工作效率，例如負(fù)重搬運(yùn)，運(yùn)送物資，工廠生產(chǎn)，交通維護(hù)等都可以使用機(jī)器人代替人類社會(huì)工作。而四足機(jī)器人相比于兩足機(jī)器人而言，具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和良好的機(jī)動(dòng)性，而相對(duì)于六足機(jī)器人而言，在構(gòu)建和維護(hù)上又比六足更簡(jiǎn)單。而制作一臺(tái)機(jī)器人的最終目的就是讓它應(yīng)用在我們的生活之中，模擬爬行動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特征，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)和算法程序賦予其“生命”，使其能服務(wù)于人類社會(huì)，譬如賦予蜥蜴機(jī)器人自動(dòng)避障和行走功能，便能使其具有基本避障神經(jīng)元系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)特性，再賦予其圖像識(shí)別和資料上傳功能，便又具有勘測(cè)和記錄的功能，我們可以根據(jù)所需要完成的目標(biāo)而賦予其基本功能，所以研究仿生蜥蜴機(jī)器人的潛力十分巨大。1.2國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r對(duì)于仿生蜥蜴機(jī)器人仿蜥蜴機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式分為：傳統(tǒng)的履帶運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，多足型傳動(dòng)機(jī)器人，多輪型傳動(dòng)機(jī)器人還有仿蛇爬形機(jī)器人，還包括近幾年出現(xiàn)的水棲仿生機(jī)器人與多翼式仿生飛行機(jī)器人，未來(lái)可能出現(xiàn)的也許有噴射式機(jī)器人和磁力式機(jī)器人，或許還會(huì)出現(xiàn)打破傳統(tǒng)力學(xué)機(jī)構(gòu)的量子機(jī)器人和反重力機(jī)器人，這都是更高級(jí)的運(yùn)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)，而我們目前研究最多的方向還是在傳統(tǒng)足式機(jī)器人，輪式機(jī)器人和履帶機(jī)器人。第一個(gè)探索發(fā)展階段是原始探索時(shí)期，此階段通過(guò)對(duì)生物的物理外形和生物原型進(jìn)行原始模仿，就比如飛機(jī)，原始的飛行器，通過(guò)模仿鳥(niǎo)類而制造，而且該階段主要驅(qū)動(dòng)力還是原始人力。直至科技不斷發(fā)展，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置不斷更新?lián)Q代和計(jì)算機(jī)技術(shù)的問(wèn)世，從而進(jìn)入第二個(gè)階段—在2O世紀(jì)中后期， 第二個(gè)階段主要是利用機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合，通過(guò)編寫(xiě)控制程序?qū)崿F(xiàn)生物功能例如行走，跳躍和爬行等。這是屬于宏觀上的仿生，不僅僅是仿形態(tài)而且也是仿行態(tài)，并實(shí)現(xiàn)較多的人為操控?？焖俚目萍几镄?，使得人們進(jìn)入了21世紀(jì)，人們開(kāi)始從傳統(tǒng)物理學(xué)和摩爾公式中繼續(xù)摸索機(jī)器人的下一階段第三階段。在第三階段中，通過(guò)對(duì)生物的不斷深入研究和發(fā)現(xiàn)，生命機(jī)理的不斷突破進(jìn)展而進(jìn)入了能將機(jī)械的結(jié)構(gòu)跟生物體之間的部分特性進(jìn)行巧妙融合，機(jī)械技術(shù)也在不斷發(fā)展結(jié)合生物科學(xué)，這時(shí)候的計(jì)算機(jī)技術(shù)也在革新，當(dāng)這三者巧妙的融合之后，仿生機(jī)器體也開(kāi)始步入下一個(gè)發(fā)展階段———第四個(gè)階段。機(jī)械結(jié)構(gòu)和生物性能進(jìn)行部分的融合，亦如傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與仿生材料之間的融合以及仿生驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。隨著對(duì)生物機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷發(fā)展，和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷革新，仿生機(jī)器人也往著下一階段—第四階段發(fā)展。第四階段是屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)與生命形式進(jìn)行融合的類生命形態(tài)（傳統(tǒng)意義上不算是生命），以科技賦予傳統(tǒng)的機(jī)械體生物的部分特征與仿生形態(tài)，通過(guò)技術(shù)嵌入自主學(xué)習(xí)與思考能力，自我認(rèn)知，還有運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的生命特征，更與生物本身模仿更進(jìn)一步，也隨著人類對(duì)生命思維和意識(shí)還有神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的不斷深入。人類對(duì)機(jī)器人研究的不斷探索如下圖1-1所示。圖1-1機(jī)器人研究發(fā)展趨勢(shì)

目前所能了解到的仿生蜥蜴機(jī)器人相對(duì)而言數(shù)量十分有限，這個(gè)研究對(duì)象對(duì)于國(guó)際社會(huì)而言并不是熱門選擇。通過(guò)網(wǎng)上查閱資料可以依稀發(fā)現(xiàn)有研究這方面課題的科研項(xiàng)目，他們所研究的仿生蜥蜴機(jī)器人結(jié)構(gòu)如下圖1-2，圖1-3，圖1-4所示。圖1-2仿生蜥蜴機(jī)器人A 圖1-3仿生蜥蜴機(jī)器人B圖1-4仿生蜥蜴機(jī)器人C生物，物理，機(jī)械的結(jié)合和仿生神經(jīng)元系統(tǒng)控制成為科學(xué)家們研究的前沿方向。

2．仿生蜥蜴機(jī)器人步態(tài)設(shè)計(jì)2.1行走原理根據(jù)研究蜥蜴的爬行機(jī)制，骨骼之間驅(qū)動(dòng)力的相互傳導(dǎo)，還有關(guān)節(jié)的自由度，設(shè)計(jì)了一個(gè)以八自由度為運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其中分為兩只前肢和兩只后肢，前后肢的機(jī)理都是相同的，每一條肢體都分配了三個(gè)自由度，分別是肩膀和手肘和手腕，胯和膝蓋和腳踝這兩種位置。需要實(shí)現(xiàn)的基本運(yùn)動(dòng)功能為：“前進(jìn)”，“后退”，“左轉(zhuǎn)”，“右轉(zhuǎn)”。根據(jù)研究蜥蜴的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，如圖2-1所示。圖2-1蜥蜴的運(yùn)動(dòng)形態(tài)2.2自由度計(jì)算在對(duì)其進(jìn)行自由度的計(jì)算，仿生蜥蜴機(jī)器人都是空間移動(dòng)，但傳統(tǒng)的自由度計(jì)算公式繁多，每個(gè)公式對(duì)應(yīng)的情況都各不相同，每個(gè)公式也都有一定的缺陷和局限性，對(duì)于此仿生蜥蜴機(jī)器人而言，綜合考量后覺(jué)得使用目前最常用的自由度計(jì)算公式會(huì)比較合適，此計(jì)算自由度的公式是由1943年間，原蘇聯(lián)的科學(xué)院通訊院士陀勃羅弗爾斯基，由約束理論為根基所建立的一種具有一個(gè)統(tǒng)一的平面，空間機(jī)構(gòu)的自由度公式：[5]： （式2-1）其中，式子中的m代表各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的共同的約束數(shù)量，式子中的n代表活動(dòng)的桿體數(shù)額，而k為運(yùn)動(dòng)副級(jí)別的數(shù)量值。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算公式簡(jiǎn)化，可以得到一個(gè)新等式： （式2-2）式中，P為機(jī)構(gòu)各級(jí)別運(yùn)動(dòng)副的總數(shù)，λ為多余的自由度，N是空間封閉的閉環(huán)數(shù)。 可以通過(guò)計(jì)算代入?yún)?shù)得出PX=3，λ=0，所以N=0，因此不構(gòu)成封閉環(huán)，所以得出以下算式： W=3-0-3*0=3 （式2-3）再通過(guò)計(jì)算，總自由度=每只腳的自由度*腳的數(shù)量=12；所以該仿生蜥蜴機(jī)器人的總自由度是12.如圖2-2所示單獨(dú)觀察單條腿的3自由度運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)機(jī)理：圖2-2單條腿自由度的三維結(jié)構(gòu)圖2.3步態(tài)分析運(yùn)動(dòng)方式根據(jù)研究運(yùn)動(dòng)中的占空比β以區(qū)分而分成3種：行走時(shí)（β>=0.75）,加速走動(dòng)時(shí)（0.5<=β<=0.75），跑步時(shí)（β<0.5）。其中，步行時(shí)是屬于穩(wěn)定步態(tài)，加速走動(dòng)還有跑步運(yùn)動(dòng)時(shí)都是屬于非穩(wěn)定步態(tài)，仿生蜥蜴機(jī)器人在穩(wěn)定步態(tài)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)的任意時(shí)刻要有三條節(jié)肢與地面接觸以支撐身體平衡，且機(jī)體需要在穩(wěn)定占空比區(qū)間里做出調(diào)整，以使重心落在三足的支撐點(diǎn)構(gòu)成的穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)。 當(dāng)穩(wěn)定度達(dá)到一個(gè)相對(duì)值時(shí)候，仿蜥蜴機(jī)器人行走的速度也達(dá)到相對(duì)值時(shí)，這時(shí)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)損失的能量越少而得到運(yùn)動(dòng)步態(tài)越合適。仿蜥蜴機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的時(shí)間可以細(xì)分為邁腿損失時(shí)間和調(diào)整重心損失時(shí)間，仿蜥蜴機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度跟跨度值的大小有關(guān)，也與重心所在落點(diǎn)位置還有運(yùn)動(dòng)時(shí)間有關(guān)，當(dāng)邁腿的時(shí)間變小時(shí)運(yùn)動(dòng)步態(tài)便越合適。當(dāng)穩(wěn)定閾值不變時(shí)，運(yùn)動(dòng)需要調(diào)整的重心改變值越小得出的步態(tài)運(yùn)動(dòng)效率會(huì)越高，而運(yùn)動(dòng)損失的能量跟運(yùn)動(dòng)周期中重心的偏移程度相關(guān)。 本次設(shè)計(jì)選用的是三角步態(tài)法，前進(jìn)時(shí)讓前肢左，后肢左和后肢右，與前肢右，后肢左和后肢所分別構(gòu)成的三角形區(qū)域交叉進(jìn)行，使重心落于其中，而后退時(shí)是讓前肢左，前肢右和后肢左，與前肢左，前肢右和后肢右所分別構(gòu)成的三角形區(qū)域交叉進(jìn)行，使重心落于其中。機(jī)器人便能穩(wěn)定運(yùn)行。

3．硬件選型與電路設(shè)計(jì)3.1硬件選用 12個(gè)MG90S舵機(jī)，各3D打印零部件，ArduinoUNOR3，杜邦線若干，1個(gè)面包板。1個(gè)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，1個(gè)16路PWM舵機(jī)控制板。3.2硬件系統(tǒng)框圖 設(shè)計(jì)與制作整個(gè)硬件電路系統(tǒng)，首先需要設(shè)計(jì)好硬件電路的系統(tǒng)框圖，而硬件系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。66V電源輸入16路P16路PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板舵機(jī)ArduinoUNOR3超聲波測(cè)距模塊超聲波測(cè)距模塊圖3-1硬件系統(tǒng)框圖3.3舵機(jī)選型 舵機(jī)屬于一種位置伺服驅(qū)動(dòng)裝置，由于其的可中斷特性與角度偏移可變特性多被應(yīng)用在一些需要不斷改變偏移角度和維持偏移量的控制系統(tǒng)裝置中，例如無(wú)人機(jī)，遙控汽車，許多機(jī)械機(jī)構(gòu)裝置中都有舵機(jī)的存在。一般而言，控制舵機(jī)方式一般是使用定時(shí)器還有中斷器搭配單片機(jī)控制的。當(dāng)傳統(tǒng)單片機(jī)所搭載的舵機(jī)數(shù)量增多時(shí)，各模塊不足以完整控制多舵機(jī)運(yùn)行，而傳統(tǒng)的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方式步驟繁多且復(fù)雜，精度也無(wú)法保證，控制將變得復(fù)雜多樣，而本次畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的是12路的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，也自因此，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用市面上流行的開(kāi)源硬件Arduino來(lái)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。這種利用閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為小型的直流電機(jī)、變速的齒輪組、控制板和可調(diào)節(jié)電位器等機(jī)械部件組成，具有可以自由控制所需偏移角度值的特性（偏移舵角，一般而言舵角不超過(guò)180°），如圖3-2所示。圖3-2舵機(jī)結(jié)構(gòu) 本次設(shè)計(jì)選用的舵機(jī)型號(hào)是MG90S型號(hào)舵機(jī)，選用此種舵機(jī)的原因是他作為機(jī)器人的專用伺服電機(jī)，工作時(shí)產(chǎn)生的扭力大且穩(wěn)定，精度高，反作用力影響較小。且使用插線式控制，適合于多自由度機(jī)器人的組裝。MG90S舵機(jī)外形如下圖3-3所示。

圖3-3MG90S舵機(jī)外形 舵機(jī)的控制方式：通過(guò)時(shí)基脈沖的刺激，當(dāng)受到0.5~2.5ms的脈沖反饋時(shí)，舵機(jī)能分析反饋脈沖而轉(zhuǎn)動(dòng)所需的角度，如圖3-4：圖3-4舵機(jī)控制方式脈沖角度對(duì)應(yīng)表3.4微處理器選型 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)微處理器模塊是Arduino，Arduino是屬于意大利研發(fā)的一款開(kāi)源的硬件模塊，是屬于教學(xué)使用的硬件模塊，該模塊的一般適用對(duì)象是部分希望嘗試交互式的物理對(duì)象的實(shí)踐人員和眾多創(chuàng)客們還有部分有想法的藝術(shù)家所構(gòu)建的，它的程序開(kāi)發(fā)完全開(kāi)源，可以免費(fèi)下載。如下表3-1所示是各種Arduino微處理器產(chǎn)品的特點(diǎn)和物理特性，還有使用場(chǎng)景，價(jià)格，尺寸各參數(shù)分析。

表3-1Arduino各種類參數(shù)對(duì)比Arduino版型ArduinoUNOArduinoDUEArduinoLeonardoArduinoMegaArduinoADKArduinoMicroArduinoYun微處理器ATmega328AT91SAM3X8EATmega32u4ATmega2560ATmega2560ATmega32u4ATmega32u4工作電壓（電壓/輸入電壓）5V/7~12V3.3V/7~125V/7~125V/7~125V/7~125V/7~125VCPU頻率16MHZ84MHZ16MHZ16MHZ16MHZ16MHZ16MHZEEPROM[KB]114411SRAM[KB]2962.5882.52.5Flash[KB]32512322562563232Analogport(input/output)6/012/212/016/016/012/012/0Digitalport(IO/PWM)14/654/1220/754/1554/1520/720/7USB接口A-BMicroMicroA-BA-BMicroMicroUART1424422尺寸75*55mm108*54mm75*55mm108*54mm108*54mm45*20mm75*55價(jià)格區(qū)間（￥）100-200300-400100-200300-400400-500100-200500-600特點(diǎn)ArduinoUNO是Arduino主控制器件系列中的經(jīng)典款，Arduino后的新產(chǎn)品都是以ArduinoUNO作為原型參照的ArduinoDUE是第一款基于32位ARM的Arduino主控硬件，基于AtmelSAM3X8ECPU的微控制處理器ArduinoLeonardo是一款低成本的主控制器。不僅擁有兩個(gè)控制串口，而且數(shù)字和模擬口均比ArduinoUNO多ArduinoMega擁有54個(gè)數(shù)字口，16個(gè)模擬口，是一款具有超多IO口的Arduino主控制器。MegaADK是一款基于Atmega256的主控制器，其于Mega最大的區(qū)別在于-其完全兼容于GOOGLEADKArduinoMicro是基于Atmega32U4的超小型主控板。具有超小尺寸，ArduinoMicro可兼容小型面包板上。ArduinoYun是一塊基于ATmega32u4和AtherosAR9331的主控器。Atheros支持基于Linux分支OpenWRT平臺(tái)下Linino系統(tǒng)。適用場(chǎng)景適合于初學(xué)者使用DUE不像其他Arduino主控產(chǎn)品，工作電壓是3.3V，所以其不兼容于5V的shield和外設(shè)低成本的特點(diǎn)適用于Arduino愛(ài)好者多使用于需要外接較多傳感器的場(chǎng)景多使用Android手機(jī)的USB數(shù)據(jù)通訊場(chǎng)景多使用于對(duì)尺寸有較多要求的Arduino設(shè)計(jì)師多使用于基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)人員 對(duì)于綜上所述的硬件部分對(duì)比分析，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的微處理器模塊是ArduinoUNOR3模塊，是考慮到Arduino是開(kāi)源硬件，易于二次編程開(kāi)發(fā)，選用的ArduinoUNOR3模塊具有USB通信功能，可以通過(guò)USB線直接連接電腦，通過(guò)軟件“arduino”編程，軟件編程語(yǔ)言環(huán)境屬于類似Java、C語(yǔ)言的Processing/Wiring開(kāi)發(fā)環(huán)境，與其它Arduino類產(chǎn)品對(duì)比更加簡(jiǎn)潔和容易使用，而此畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品而言無(wú)特殊需求，因此選擇價(jià)格相對(duì)低廉，便于操作的UNO系列產(chǎn)品。而ArduinoUNOR3的外形如圖3-5所示。圖3-5ArduinoUNOR33.5舵機(jī)控制板選型 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用16路PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板作為控制從機(jī)，選用此舵機(jī)控制板因?yàn)檫@是一款具有16條通道的12比特的PWM通信的舵機(jī)模塊，搭配了PCA9685芯片，功能強(qiáng)大，特點(diǎn)是可以只需要使用兩個(gè)引腳通過(guò)I2C就可以驅(qū)動(dòng)16個(gè)舵機(jī)，通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式疊加，可以最高級(jí)聯(lián)控制62個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，所以總共可以一次性驅(qū)動(dòng)992個(gè)舵機(jī)?？梢院芎玫墓?jié)省主機(jī)空間資源。級(jí)聯(lián)的方式如下圖3-6所示：圖3-6多驅(qū)動(dòng)板級(jí)聯(lián)（提供更大的拓展性） ArduinoUNOR3可以直接連接單個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是如果舵機(jī)數(shù)量增加，ArduinoUNOR3只有12個(gè)引腳（2號(hào)引腳到13號(hào)引腳），本次實(shí)驗(yàn)所需的舵機(jī)數(shù)量正好為12個(gè)MG90S舵機(jī)，但如果直接使用ArduinoUNOR3外接12個(gè)舵機(jī)的情況下，因舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓維持在5~6伏特之間而需要相對(duì)而言更大的電壓才能使得多個(gè)舵機(jī)同時(shí)正常工作，因此就需要外接更大功率的電源去供電使其正常工作，但大電源直接連接ArduinoUNOR3有可能燒壞硬件板，而且ArduinoUNOR3的IO口輸出電流太低，無(wú)法全功率驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，對(duì)于處理器和外接硬件會(huì)造成一些難以預(yù)測(cè)的問(wèn)題。 因此綜合考量，這時(shí)候就需要使用舵機(jī)控制器——這款16路的PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板，首先用ArduinoUNO連接舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板，再通過(guò)外接電源給16路PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板供電去驅(qū)動(dòng)外接的12個(gè)MG90S舵機(jī)。 接線圖如下圖3-7所示。圖3-7硬件系統(tǒng)接線圖（1）下列是微處理器和舵機(jī)控制機(jī)的接線方式：1.+5V——>VCC2.GND——>GND3.SDA——>SDA4.SCL——>SCL（2）下列是16路PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板的主要參數(shù)： 1．電壓：舵機(jī)供電5-7V（電壓可以稍高點(diǎn)）。 2．邏輯電路電壓：3-5V。 3．通信接口：使用I2C通信方式，引腳是SCL,SDA。 4．OE反使能腳：該引腳是低電平使能，正常情況該引腳不用連接模塊，因?yàn)槿绻唤幽K內(nèi)部會(huì)自動(dòng)默認(rèn)接地使能。 5.運(yùn)行環(huán)境頻率：40-1000HZ。3.6電源選型 舵機(jī)采用USB供電的方式，通過(guò)arduino微處理器外接USB電源線到電源，再把舵機(jī)和ArduinoUNOR3共地接到外接電路中，因?yàn)槎鏅C(jī)在不同的電壓下工作扭力不同，電壓如何過(guò)低，舵機(jī)產(chǎn)生扭力不夠大以無(wú)法正常工作，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模妷禾哂秩菀讚p壞舵機(jī)和硬件電路，所以電池的電壓選擇不能太高，本次實(shí)驗(yàn)選用4個(gè)1.5V鋰電池并聯(lián)成一個(gè)6V電源。3.7超聲波測(cè)距模塊選型 對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用的超聲波測(cè)距模塊型號(hào)是HC-SR04，超聲波模塊的工作原理：向模塊前方發(fā)射超聲波，通過(guò)媒介傳播過(guò)程中碰到前方物體，聲波會(huì)進(jìn)行反射，此時(shí)該超聲波模塊會(huì)對(duì)反射聲波進(jìn)行吸收和分析，得出時(shí)間差，根據(jù)聲速運(yùn)算得出物體的距離。 下列是該產(chǎn)品的各項(xiàng)功能參數(shù)如下：能夠測(cè)量距離范圍為2~450cm距離分辨率為0.3cm工作測(cè)量角度為15deg正常測(cè)量頻率為40Hz（頻率最快達(dá)到每25ms測(cè)量一次）

正常運(yùn)行電壓為4.5~5.5伏特

正常運(yùn)行電流為10~40毫安接線方式：VCC,trig（控制端），echo（接收端），GND。3.8硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 通過(guò)AltiumDesigner設(shè)計(jì)電路原理圖，先打開(kāi)“新建”，再點(diǎn)擊“庫(kù)”-“原理圖庫(kù)”，新建一個(gè)文件庫(kù)，對(duì)所需要的各個(gè)硬件模塊進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)，添加引腳和命名，然后再在原理圖模塊中添加剛剛新建的文件庫(kù)，下載到“庫(kù)”文檔中，便可以在原理圖繪制模塊編輯。如圖3-8所示為該仿蜥蜴機(jī)器人電路設(shè)計(jì)原理圖.圖3-8硬件電路原理圖設(shè)計(jì)4．開(kāi)發(fā)軟件介紹4.1ArduinoIDE4.1.1ArduinoIDE軟件介紹ArduinoIDE是一款能寫(xiě)入，下載和上傳代碼的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的軟件系統(tǒng)，該應(yīng)用系統(tǒng)里面功能主要包括一款文本編輯器模塊用于編寫(xiě)程序代碼，一個(gè)文本內(nèi)容控制部分還有一個(gè)功能強(qiáng)大的調(diào)用工具欄。通過(guò)USB串口連接電腦串口，進(jìn)行串行通信來(lái)下載軟件編碼到硬件中，連接Arduino和Genuino之后，就能上傳程序和通信了。而對(duì)于初次接觸Arduino的開(kāi)發(fā)者而言，操作靈活性強(qiáng)，能夠較容易去掌握這個(gè)軟件的使用，能夠進(jìn)行圖形化的編程測(cè)試，不需要太專業(yè)的單片機(jī)的操作背景。相對(duì)的而已，Arduino的電路原理圖與設(shè)計(jì)圖和軟件核心的庫(kù)都是開(kāi)源的，在Arduino的開(kāi)源協(xié)議背景下可以修改程序原本的設(shè)計(jì)和對(duì)應(yīng)的編碼。4.1.2ArduinoIDE界面展示 當(dāng)打開(kāi)ArduinoIDE的主頁(yè)面如下圖4-1所示，但驅(qū)動(dòng)舵機(jī)需要打開(kāi)servo的庫(kù)文件才能正常使用Arduino去控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖4-1ArduinoINE界面找到“項(xiàng)目”的選項(xiàng)，打開(kāi)后選擇“加載庫(kù)”，可以看到servo庫(kù)的選項(xiàng)，如圖4-2，點(diǎn)擊它。圖4-2servo庫(kù)文件位置打開(kāi)servo庫(kù)之后，會(huì)自動(dòng)調(diào)用servo編程模板，參數(shù)模板如下，可自己更改。Servo庫(kù)的界面如下圖（4-3）所示。#include<Servo.h>//引入舵機(jī)控制庫(kù)文件Servomyservo;//實(shí)例化一個(gè)舵機(jī)對(duì)象來(lái)控制舵機(jī)intpos=0;voidsetup(){myservo.attach(5);//引腳5為舵機(jī)控制接口}voidloop(){for(pos=0;pos<=180;pos+=1){//控制舵機(jī)角度從0°轉(zhuǎn)到180°myservo.write(pos);delay(15);//延遲15毫秒}for(pos=180;pos>=0;pos-=1){myservo.write(pos);delay(15);}}圖4-3servo庫(kù)編程界面4.1.3ArduinoIDE數(shù)據(jù)類型 下表4-1是ArduinoIDE的數(shù)據(jù)類型統(tǒng)計(jì)。表4-1ArduinoIDE數(shù)據(jù)類型Boolean布爾Char字符Byte字節(jié)Int整數(shù)Unsignedint無(wú)符號(hào)整數(shù)Long長(zhǎng)整數(shù)Unsignedlong無(wú)符號(hào)長(zhǎng)整數(shù)Float浮點(diǎn)Double雙字節(jié)浮點(diǎn)String字符串Array數(shù)組4.2LobotServoControlLobotServoControl是一款多個(gè)舵機(jī)同時(shí)控制的最多24路舵機(jī)控制程序軟件，軟件公司是LOBOT，LobotServoControl的操作相對(duì)而言十分容易，需要有串口通信功能的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板還有多個(gè)舵機(jī)同時(shí)使用，可以通過(guò)移動(dòng)條件上位機(jī)軟件里的圖形進(jìn)行實(shí)時(shí)舵機(jī)編程，還有添加刪除更新等功能模塊可以選用，動(dòng)作組的下載或是去除功能也十分全面。該軟件對(duì)偏差的處理支持下載和復(fù)位偏差還有實(shí)時(shí)讀取偏差。而舵機(jī)控制器是整個(gè)軟件的核心部分，必須先熟練舵機(jī)控制器的操作方法才能安裝我們的機(jī)器人，當(dāng)設(shè)計(jì)仿蜥蜴機(jī)器人之前，首先是需要對(duì)所有舵機(jī)進(jìn)行初始化的操作，這時(shí)候就需要使用LobotServoControl上位機(jī)軟件更加方便我們對(duì)舵機(jī)進(jìn)行復(fù)位和初始化的操作，這樣才可以更加方便安裝機(jī)器人。LobotServoControl軟件界面如下圖4-4所示。圖4-4LobotServoControl軟件界面4.3SolidworksSoildworks是一款基于Windows運(yùn)行環(huán)境中的機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，適用于多數(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)師和機(jī)械愛(ài)好者建模使用，以設(shè)計(jì)功能模塊為主的CAD/CAM/CAE的建模軟件，具有十分人性化的操作界面，其用戶操作界面如圖（4-5）所示。該軟件功能也十分強(qiáng)大，搭配許多功能型插件和設(shè)計(jì)組件，自打問(wèn)世以來(lái)一直都是世界領(lǐng)先的一流三維CAD繪圖軟件。插件內(nèi)部包括有以下功能例如：繪制草圖，設(shè)計(jì)工程圖，建立裝配體，設(shè)計(jì)各個(gè)零件模塊，鈑金設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)仿真和外形渲染等眾多功能模塊。圖4-5Solidworks2016界面 通過(guò)solidworks這個(gè)三維建模軟件對(duì)機(jī)器人的外形進(jìn)行建模，在草圖中繪制出所建零件的各尺寸再進(jìn)行拉伸切除等操作，建立三維模型，再通過(guò)打印的選項(xiàng)將所建模的零件轉(zhuǎn)換成STL文件，在網(wǎng)上購(gòu)買提供3D打印服務(wù)的店鋪，將文件發(fā)送給店家，便可得到零件的模型實(shí)體。4.4ALTIUMDESIGNER AltiumDesigner是一款功能齊全而且十分強(qiáng)大的專業(yè)設(shè)計(jì)PCB硬件電路的軟件，使用不算復(fù)雜，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)也比較容易上手，是一款隸屬于Altium公司的電路設(shè)計(jì)軟件，軟件誕生至今不過(guò)數(shù)載，在美國(guó)電子工程師之中廣泛流行后，傳入世界再傳入中國(guó)國(guó)內(nèi)。這款軟件是Protel軟件的后身，該軟件功能十分強(qiáng)大并且這是唯一的一款集齊所有應(yīng)用方案的電子電路設(shè)計(jì)軟件，具有市面上常見(jiàn)的電子產(chǎn)品需要的所有的設(shè)計(jì)和核心技術(shù)功能，像是PCB模型原理圖，PCB設(shè)計(jì)，還有電路設(shè)計(jì)以及仿真等功能模塊，打開(kāi)AltiumDesigner的設(shè)計(jì)文件類型如下表4-2所示。

表4-2AltiumDesigner文件類型文件拓展名類型說(shuō)明.PrjPCBPCB項(xiàng)目/工程文件.SchDoc原理圖文件.Schlib/.SCHLIB原理圖庫(kù)文件.PcbDoc印制電路板文件PcbLib/.PCBLIBPCB封裝庫(kù)文件.intLib集合庫(kù)軟件打開(kāi)界面如下圖4-6所示。圖4-6軟件打開(kāi)界面

軟件使用PCB界面如下圖4-7所示。圖4-7AltiumdesignerPCB界面

5．控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本流程框圖因研究的目標(biāo)是仿蜥蜴四足機(jī)器人，運(yùn)作形式是爬行機(jī)器人，以此為基本運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)骨架。根據(jù)仿生蜥蜴機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制要求，主控芯片模塊選用ArduinoUNOR3作為控制控制主機(jī)，輔助以MG90S型號(hào)舵機(jī)作為機(jī)器人的控制自由度單元，再配以超聲波測(cè)距模塊作為機(jī)器人的“眼睛”模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)避障功能，以此共同搭建仿蜥蜴機(jī)器人的控制系統(tǒng)部分。再通過(guò)調(diào)試，直至蜥蜴機(jī)器人能保持平衡并且能穩(wěn)定得完成周期的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。 先將蜥蜴機(jī)器人通電后，進(jìn)行初始化操作。將全身各個(gè)舵機(jī)和超聲波模塊初始化操作，將Arduino主機(jī)，Lobotservocontrol從機(jī)，MG90S舵機(jī)和HC-SR04超聲波測(cè)距模塊復(fù)位，再通過(guò)電腦ArduinoIDE寫(xiě)入編好的三角步態(tài)程序，之后上傳運(yùn)行蜥蜴機(jī)器人行走過(guò)程中輸出和接收都通過(guò)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊獲取和發(fā)送信息，再通過(guò)Arduino主機(jī)進(jìn)行信息分析處理，協(xié)調(diào)和調(diào)整從機(jī)完成步態(tài)的控制。 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊行走避障軟件設(shè)計(jì)：當(dāng)機(jī)器人超聲波測(cè)距模塊往前方發(fā)送聲波，反射后接收處理得出前方物體距離機(jī)器人大于35cm時(shí)，則繼續(xù)保持前進(jìn)姿態(tài)。當(dāng)機(jī)器人超聲波測(cè)距模塊往前方發(fā)送聲波，反射后接收處理得出前方物體距離機(jī)器人小于或等于35cm時(shí)，則選擇執(zhí)行轉(zhuǎn)向指令，執(zhí)行指令后再發(fā)射和接受聲波檢測(cè)前方，若前方障礙物大于30cm時(shí)則保持前進(jìn)姿態(tài)，若前方障礙物小于等于30cm時(shí)則繼續(xù)轉(zhuǎn)向。以此類推。

軟件運(yùn)行流程圖如下圖5-1所示：圖5-1軟件流程程序框圖5.2運(yùn)動(dòng)組軟件設(shè)計(jì)5.2.1運(yùn)動(dòng)組方案設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象是仿生蜥蜴，根據(jù)前面第二章的自由度設(shè)計(jì)可以計(jì)算得出，運(yùn)動(dòng)組模型具有12自由度，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)也屬于“爬行”姿態(tài)。蜥蜴機(jī)器人的兩側(cè)分別具有兩條足，重心的保持與占空比β有關(guān)，此蜥蜴機(jī)器人的每一個(gè)動(dòng)作都需要抬起一只腳，和運(yùn)動(dòng)時(shí)需要有至少3只腳立于地面保持平衡，使重心落于那3只腳所構(gòu)成的三角形穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，從而可以保持機(jī)器人的穩(wěn)定和平衡姿態(tài)。對(duì)此仿生蜥蜴機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)組設(shè)計(jì)需要同時(shí)用到ArduinoIDE和Lobotservocontrol兩個(gè)軟件。5.2.2舵機(jī)偏差調(diào)整 （1）先通過(guò)LobotServoContro軟件對(duì)各個(gè)舵機(jī)進(jìn)行編號(hào)，共使用12個(gè)舵機(jī)，將舵機(jī)編號(hào)為1~12。四足機(jī)器人的每條節(jié)肢分配了三個(gè)舵機(jī)，按照順序把每個(gè)舵機(jī)編號(hào)。再通過(guò)Lobotservocontrol上位機(jī)軟件的舵機(jī)進(jìn)行排列，將機(jī)器人舵機(jī)和上位機(jī)的舵機(jī)排布順序一致，分為4只腿，前肢左分配：（1號(hào)舵機(jī)，2號(hào)舵機(jī)，3號(hào)舵機(jī)），后肢左分配：（4號(hào)舵機(jī)，5號(hào)舵機(jī)，6號(hào)舵機(jī)），前肢右分配：（7號(hào)舵機(jī)，8號(hào)舵機(jī)，9號(hào)舵機(jī)），后肢右分配：（10號(hào)舵機(jī)，11號(hào)舵機(jī)，12號(hào)舵機(jī)）。如下圖5-2和圖5-3所示。圖5-2編號(hào)12個(gè)舵機(jī)圖5-3編制舵機(jī)編號(hào)圖當(dāng)組裝好12個(gè)舵機(jī)和仿蜥蜴機(jī)器人模型零件之后，每個(gè)舵機(jī)都會(huì)存在中值偏差（中值為1500，偏差調(diào)整幅度為-100~+100），需要對(duì)舵機(jī)進(jìn)行偏差調(diào)整，使得仿蜥蜴機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)能保持平衡姿態(tài)。5.3動(dòng)作組各參數(shù)5.3.1前進(jìn) 前進(jìn)邁前左腿的動(dòng)作命名為動(dòng)作組（1），前進(jìn)時(shí)需要保持一條腿抬起30度左右，另外三條腿保持重心的穩(wěn)定，所以需要前肢左起腳，1號(hào)舵機(jī)和2號(hào)，3號(hào)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度分別從中值角度1500度旋轉(zhuǎn)到1686度，1523度，1515度。其他各部分舵機(jī)保持平衡姿態(tài)，動(dòng)作組（1）號(hào)的具體參數(shù)如下： #1P1709#2P1198#3P1779#41500#5P1495#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500#10P1495#11P1500#12P1505然后動(dòng)作組（1）運(yùn)行結(jié)束。下一步使得機(jī)器人前傾，需要5號(hào)舵機(jī)和11號(hào)舵機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得機(jī)器人重心運(yùn)動(dòng)，同時(shí)前肢左收回中值，經(jīng)過(guò)調(diào)試，運(yùn)動(dòng)組（2）號(hào)具體參數(shù)如下：#1P1500#2P1500#3P1505#41500#5P1198#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500#10P1495#11P1244#12P1505這時(shí)機(jī)器人已經(jīng)往前邁出一只腳，需要保持靜態(tài)平衡狀態(tài)，舵機(jī)需要回到原始初值，動(dòng)作組（3）參數(shù)如下：#1P1500#2P1500#3P1505#41500#5P1495#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500#10P1495#11P1500#12P1505同理邁出右足的參數(shù)運(yùn)算如上所述。 右腳交替運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作組參數(shù)如下： 動(dòng)作組（4）：#1P1500#2P1500#3P1500#41500#5P1495#6P1500#7P1709#8P1198#9P1779#10P1495#11P1500#12P1505運(yùn)動(dòng)組（5）：#1P1500#2P1500#3P1505#41500#5P1198#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500#10P1495#11P1244#12P1505運(yùn)動(dòng)組（6）：#1P1500#2P1500#3P1505#41500#5P1495#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500#10P1495#11P1500#12P15055.3.2后退 后退的具體動(dòng)作姿態(tài)與前進(jìn)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)恰是相反，不過(guò)因?yàn)橹亓坎煌詫?dǎo)致重心會(huì)不同。動(dòng)作組參數(shù)如下所示：動(dòng)作組（7）：#1P1500#2P1500#3P1505#41128#5P1988#6P1198#7P1500#8P1500#9P1500#10P1495#11P1500#12P1505動(dòng)作組（8）：#1P1500#2P1221#3P1505#41500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1174#9P1500#10P1495#11P1500#12P1505動(dòng)作組（9）：#1P1500#2P1500#3P1505#41500#5P1495#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500#10P1495#11P1500#12P1505動(dòng)作組（26）：#1P1500#2P1500#3P1505#41128#5P1988#6P1198#7P1500#8P1500#9P1500#10P1495#11P1500#12P1505動(dòng)作組（27）：#1P1500#2P1221#3P1505#41500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1174#9P1500#10P1495#11P1500#12P1505動(dòng)作組（28）：#1P1500#2P1500#3P1505#41500#5P1495#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500#10P1029#11P2012#12P1150

5.3.3轉(zhuǎn)向 轉(zhuǎn)向姿態(tài)分為左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。 1.左轉(zhuǎn)動(dòng)作組參數(shù)： 動(dòng)作組（10）：#1P1150#2P1919#3P1105#41500#5P1495#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500#10P1495#11P1500#12P1505 動(dòng)作組（11）：#1P1500#2P1498#3P1105#41500#5P1495#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500#10P1495#11P1500#12P1505 動(dòng)作組（12）：#1P1500#2P1498#3P1105#41779#5P1988#6P919#7P1500#8P1500#9P1500#10P1495#11P1500#12P1505 動(dòng)作組（13）：#1P1500#2P1498#3P1105#41500#5P1988#6P1500#7P1500#8P1500#9P1500#10P1495#11P1500#12P1505 動(dòng)作組（14）：#1P1500#2P1498#3P1105#41500#5P1988#6P1500#7P1012#8P1988#9P1221#10P1495#11P1500#12P1505 動(dòng)作組（15）：#1P1500#2P1498#3P1105#41500#5P1988#6P1500#7P1500#8P1500#9P1221#10P1495#11P1500#12P1505 動(dòng)作組（16）：#1P1500#2P1498#3P1105#41500#5P1988#6P1500#7P1500#8P1500#9P1221#10P1988#11P2012#12P1151 動(dòng)作組（17）：#1P1500#2P1498#3P1105#41500#5P1988#6P1500#7P1500#8P1500#9P1221#10P1988#11P1500#12P1505 2右轉(zhuǎn)動(dòng)作組參數(shù)：動(dòng)作組（18）：#1P1500#2P1498#3P1500#41500#5P1500#6P1500#7P1150#8P1942#9P1965#10P1500#11P1500#12P1505動(dòng)作組（19）：#1P1500#2P1498#3P1500#41500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1965#10P1500#11P1500#12P1505動(dòng)作組（20）：#1P1500#2P1498#3P1500#41500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1965#10P1919#11P2012#12P1105動(dòng)作組（21）：#1P1500#2P1498#3P1500#41500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1965#10P1919#11P1500#12P1505動(dòng)作組（22）：#1P1058#2P1988#3P1872#41500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1965#10P1919#11P1500#12P1505動(dòng)作組（23）：#1P1500#2P1498#3P1872#41500#5P1500#6P1500#7P1500#8P1500#9P1965#10P1919#11P1500#12P1505動(dòng)作組（24）：#1P1500#2P1498#3P1872#42035#5P1895#6P942#7P1500#8P1500#9P1965#10P1919#11P1500#12P1505動(dòng)作組（25）：#1P1500#2P1498#3P1872#42035#5P1496#6P1500#7P1500#8P1500#9P1965#10P1919#11P1500#12P1505

5.4程序代碼5.4.1程序結(jié)構(gòu)流程圖 首先對(duì)于整個(gè)程序進(jìn)行流程圖分析，流程框圖如下圖6-1所示。圖6-1主程序流程框圖（1）程序調(diào)用與設(shè)置流程圖#include<Servo.h> //調(diào)用servo庫(kù)文件#include<LobotServoController.h> //調(diào)用LobotServoController庫(kù)文件constintTrigPin=2;constintEchoPin=3; //定義SR04引腳，輸入口對(duì)應(yīng)Arduino2號(hào)引腳輸出口對(duì)應(yīng)3號(hào)引腳floatcm; //將“距離”參數(shù)轉(zhuǎn)化為單精度浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)voidsetup(){Serial.begin(9600);pinMode(TrigPin,OUTPUT);pinMode(EchoPin,INPUT);}voidloop(){//發(fā)一個(gè)10ms的高脈沖去觸發(fā)TrigPindigitalWrite(TrigPin,LOW);delayMicroseconds(2);digitalWrite(TrigPin,HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(TrigPin,LOW);cm=pulseIn(EchoPin,HIGH)/58.0; //單位轉(zhuǎn)化厘米cm=(int(cm*100.0))/100.0; //保留兩位小數(shù)Serial.print(cm);Serial.print("cm");Serial.println();delay(1000);}voidloop(){while(1){}}

（2）動(dòng)作組流程圖： 其次對(duì)動(dòng)作住進(jìn)行分析，運(yùn)動(dòng)過(guò)程的流程框圖分析如下圖6-2所示。圖6-2運(yùn)動(dòng)組流程框圖5.4.2程序代碼while(1){cm=dist(cm);if(cm>=30){gear.runActionGroup(1,1);delay(20);gear.runActionGroup(2,1);delay(20);gear.runActionGroup(3,1);delay(20);gear.runActionGroup(4,1);delay(20);gear.runActionGroup(5,1);delay(20);gear.runActionGroup(6,1);delay(20);Serial.print(cm);Serial.print("cm");Serial.println(“goahead”);}//保持前進(jìn)指令elseif(cm<=30){gear.stopActionGroup(0,1);delay(200);//停止gear.stopActionGroup(11,1);delay(20);gear.stopActionGroup(12,1);delay(20);gear.stopActionGroup(13,1);delay(20);gear.stopActionGroup(14,1);delay(20);gear.stopActionGroup(15,1);delay(20);gear.stopActionGroup(16,1);delay(20);gear.stopActionGroup(17,1);delay(20);Serial.print(cm);Serial.print("cm");Serial.println("Turningleft");//左轉(zhuǎn)cm=dist(cm);//獲取前方距離delay(1000);if(cm>=30&cm<1000){gear.runActionGroup(1,1);delay(20);gear.runActionGroup(2,1);delay(20);gear.runActionGroup(3,1);delay(20);gear.runActionGroup(4,1);delay(20);gear.runActionGroup(5,1);delay(20);gear.runActionGroup(6,1);delay(20);Serial.print(cm);Serial.print("cm");Serial.println(“goahead”);//繼續(xù)前進(jìn)}elseif(cm<=30){gear.stopActionGroup(18,1);delay(20);gear.stopActionGroup(19,1);delay(20);gear.stopActionGroup(20,1);delay(20);gear.stopActionGroup(21,1);delay(20);gear.stopActionGroup(22,1);delay(20);gear.stopActionGroup(23,1);delay(20);gear.stopActionGroup(24,1);delay(20);gear.stopActionGroup(25,1);delay(20);Serial.print(cm);Serial.print("cm");Serial.println("Turningright");delay(500);//左轉(zhuǎn)后發(fā)現(xiàn)前方有障礙，此時(shí)右轉(zhuǎn)}if（cm>=30&cm<1000）{gear.runActionGroup(1,1);delay(20);gear.runActionGroup(2,1);delay(20);gear.runActionGroup(3,1);delay(20);gear.runActionGroup(4,1);delay(20);gear.runActionGroup(5,1);delay(20);gear.runActionGroup(6,1);delay(20);Serial.print(cm);Serial.print("cm");Serial.println("goahead");}//繼續(xù)前進(jìn)elseif(cm<=30)//右轉(zhuǎn)后發(fā)現(xiàn)前方有障礙{inti,a=2;i=1;while（i<a）{gear.stopActionGroup(11,1);delay(20);gear.stopActionGroup(12,1);delay(20);gear.stopActionGroup(13,1);delay(20);gear.stopActionGroup(14,1);delay(20);gear.stopActionGroup(15,1);delay(20);gear.stopActionGroup(16,1);delay(20);gear.stopActionGroup(17,1);delay(20);i++;Serial.print(cm);Serial.print("cm");Serial.println("Turningleftonce");}//執(zhí)行一次左轉(zhuǎn)指令gear.runActionGroup(7,1);delay(20);gear.runActionGroup(8,1);delay(20);gear.runActionGroup(9,1);delay(20);gear.runActionGroup(26,1);delay(20);gear.runActionGroup(27,1);delay(20);gear.runActionGroup(28,1);delay(20);Serial.print(cm);Serial.print("cm");Serial.println("Turningback");//執(zhí)行后退指令delay(800);/}}}

6．調(diào)試過(guò)程6.116路PWM舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板從機(jī)內(nèi)部資源 首先需要在網(wǎng)上找到關(guān)于LobotServoControl這軟件的庫(kù)函數(shù)才能使用ArduinoIDE進(jìn)行通信，所以第一步是下載到<LobotServoController.zip>這個(gè)庫(kù)文件如圖6-1，將其導(dǎo)入ArduinoIDE函數(shù)庫(kù)中，才能使用舵機(jī)控制板與Arduino通信。圖6-1Lobotservocontroller.zip 導(dǎo)入之后，需要從ArduinoIDE中調(diào)用此庫(kù)函數(shù)，輸入”#include<LobotServoController.h>”,(或者可以直接從“項(xiàng)目”——“加載庫(kù)”中直接打開(kāi)調(diào)用)。如圖6-2所示。圖6-2加載庫(kù)中添加界面 添加完之后就可以使用LobotServoController的庫(kù)文件了，再對(duì)LobotServoController進(jìn)行定義，將LobotServoController定義為gear，輸入“LobotServoControllergear；”，此時(shí)ArduinoIDE便能夠調(diào)用LobotServoControl中的動(dòng)作組了，調(diào)用通信程序?yàn)椋簃yse.runActionGroup(x,y)(其中x為動(dòng)作組編號(hào)，y為次數(shù))。 舵機(jī)控制板與主機(jī)Arduino直接是進(jìn)行串口通信，波特率為9600。6.2Arduino主機(jī)內(nèi)部資源第一步對(duì)Arduino與超聲波測(cè)距裝置進(jìn)行接線步驟，接線圖如下圖6-3所示。圖6-3示范接線圖各接線接口如下表6-1所示：表6-1接線接口對(duì)應(yīng)表HC-SR04ArduinoTRIG——>12ECHO——>11VCC——>5VGND——>GND此硬件模塊也需要下載庫(kù)文件與Arduino進(jìn)行串口通信，庫(kù)文件名稱為NewPing_v1.7.zip,在ArduinoIDE里如上述一樣進(jìn)行庫(kù)文件的添加，添加成功后便可使用ArduinoIDE對(duì)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行串口通信控制了。調(diào)用此庫(kù)文件輸入“#include<NewPing.h>”,再進(jìn)行定義通信端口，（1）輸入#defineTRIGGER_12(//此意味這定義通信端口為12)；（2）再輸入%defineECHO_PIN11(//此意味這通信端口為11)；（3）再輸入#defineMAX_DISTANCE30(//此意味著測(cè)距的最大距離為30cm，此數(shù)據(jù)可調(diào)整)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷調(diào)試和調(diào)整，尋找一個(gè)最佳值便可。6.3整體運(yùn)行調(diào)試 對(duì)微處理器和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板都進(jìn)行初始化內(nèi)部資源調(diào)試之后，再連接起來(lái)進(jìn)行整體運(yùn)行調(diào)試，通過(guò)3D打印的各機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，先在LobotServoControl中編寫(xiě)好動(dòng)作組，例如抬起左腳，抬右腳，前進(jìn)，后退等動(dòng)作指令，通過(guò)ArduinoIDE程序編碼導(dǎo)入Arduino微處理器中，再拔出電腦，連接6V電源，仿蜥蜴四足機(jī)器人便會(huì)按照ArduinoIDE中編寫(xiě)好的指令自動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這是設(shè)計(jì)所需要達(dá)到的目標(biāo)。但在實(shí)際操作中，仿蜥蜴四足機(jī)器人的主板和舵機(jī)3D打印零件尺寸有出入，拼裝起來(lái)遇到一些困難，但最終還是克服了此困難。接著在動(dòng)作組方面的調(diào)試中，很難找到整體協(xié)調(diào)的步態(tài)，運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)際情況與理論情況幾乎不同，蜥蜴機(jī)器人較難保持平衡姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，步態(tài)調(diào)整特別困難，但經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)物的不斷調(diào)試和修改，使得蜥蜴機(jī)器人能夠正常完成動(dòng)作指令。

總結(jié)本次我的畢業(yè)設(shè)計(jì)制作的是《仿蜥蜴機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作——控制系統(tǒng)部分》，通過(guò)對(duì)仿生蜥蜴機(jī)器人的研究，不斷溫習(xí)之前學(xué)過(guò)的一些知識(shí)，像是Arduino，Solidworks，AD等各種軟件，也通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)接觸到一些以前較少接觸的硬件模塊，例如HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，MG90S舵機(jī)等，發(fā)現(xiàn)Arduino對(duì)于開(kāi)發(fā)者和愛(ài)好者而言功能十分齊全和強(qiáng)大，可以使用其制作各種感興趣的機(jī)械部件。像是機(jī)器人以前彷佛總是出現(xiàn)在科幻電影中，或是高新技術(shù)的代名詞之一，但通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)去了解到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制原理，步態(tài)分析之后，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人制作只要沉下心去了解就可以去突破，雖然這次制作的仿生蜥蜴機(jī)器人對(duì)于機(jī)器人研究領(lǐng)域來(lái)說(shuō)只是一個(gè)滄海一粟，但對(duì)我而言，確實(shí)階段性的一次成長(zhǎng)，研究中遇到的各種困難和無(wú)助，都是自己慢慢熬過(guò)去的，也發(fā)現(xiàn)自己大學(xué)四年的理論基礎(chǔ)層次比較薄弱，認(rèn)識(shí)到自己理論和實(shí)踐方面的一些不足之處。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，因?yàn)橐咔榈挠绊?，?dǎo)致我和我的組員無(wú)法面對(duì)面溝通交流，只能在線上溝通，但實(shí)際的操作方面無(wú)法互相完全理解對(duì)方，溝通上會(huì)有點(diǎn)障礙，也是自己慢慢克服這些阻礙，一步一步完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)。對(duì)軟件模塊方面也不夠了解，比如許多軟件都是第一次使用，例如通過(guò)Lobotservocontrol控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板，是自己慢慢去學(xué)習(xí)使用這個(gè)軟件操作，和其他的一些不懂的方面也是不斷翻閱文獻(xiàn)資料進(jìn)行學(xué)習(xí)了解的。當(dāng)然對(duì)于很多控制方面和程序方面不懂的問(wèn)題，也有請(qǐng)教老師和同學(xué)，對(duì)我?guī)椭畲蟮膽?yīng)該是上屆的一位師兄，細(xì)心的指導(dǎo)我編程方面的細(xì)節(jié)，或者說(shuō)沒(méi)有他的幫助我無(wú)法這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。時(shí)光荏苒如白駒過(guò)隙，一轉(zhuǎn)瞬就到了畢業(yè)季了，回想大學(xué)那青春洋溢的歲月，或許我們?cè)趯W(xué)校里收獲最大的不是書(shū)本上的理論知識(shí)，不是那費(fèi)盡心血熬出來(lái)的論文課設(shè)，而是不斷克服困難的勇氣，從不會(huì)被困難嚇倒便是我們最大的收獲，只要下功夫，再難的艱難險(xiǎn)阻都可以突破。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也讓我突破了自己，受益良多！

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謝辭走的最快的總是時(shí)間，讓人抓不住又來(lái)不及感嘆，大學(xué)生活已接近告別的尾聲，如同一曲華麗絕倫的音樂(lè)會(huì)漸漸曲終人散，四年的努力與付出，隨著本次畢業(yè)論文的完成，被畫(huà)下完美的句號(hào)。本次論文設(shè)計(jì)是在吳明友老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成的，從選題到具體的寫(xiě)作部分，從格式到內(nèi)容，從初稿到定稿無(wú)不凝聚著吳明友老師的心血與汗水，在我畢業(yè)設(shè)計(jì)的期間，吳明友老師給了我許多專業(yè)知識(shí)上的指導(dǎo)和一些富含創(chuàng)造性的推薦，我受益匪淺，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和求實(shí)的態(tài)度讓我深受感動(dòng)，在這次疫情期間，吳明友老師特別擔(dān)心我們無(wú)法順利完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，心系各位同學(xué)，特地開(kāi)了很多次會(huì)議，強(qiáng)調(diào)目前的進(jìn)度，為同學(xué)們解疑答惑，我相信每一個(gè)同學(xué)都會(huì)感謝吳明友老師這段時(shí)間給與我們的幫助。再次想?yún)敲饔牙蠋煴磉_(dá)我深深的感謝和最崇高的尊重。在完成畢業(yè)論文的這段期間，也因?yàn)楸l(fā)的疫情使得我不能夠順利地回到學(xué)校與各位同學(xué)和我的組員交流討論，然而這并不影響我的同學(xué)和組員所給予我的幫助，我的身邊始終圍繞著我的家人，我的朋友，我的同學(xué)，也是多虧他們無(wú)私的關(guān)心我才能這么順利的完成本次畢業(yè)論文，再次也向他們表達(dá)我深刻的敬意！路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。我愿在未來(lái)的學(xué)習(xí)與工作道路上，用更加豐厚的成果來(lái)報(bào)答以前關(guān)心，幫助，支持不放棄我的老師和同學(xué)們！感謝在百忙之中抽出時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行審閱，評(píng)議和參與本人答辯的各位老師！祝老師們桃李滿天下！

附錄附錄一.程序完整代碼#include<Servo.h> //調(diào)用servo庫(kù)文件#include<LobotServoController.h> //調(diào)用LobotServoController庫(kù)文件constintTrigPin=2;constintEchoPin=3; //定義SR04引腳，輸入口對(duì)應(yīng)Arduino2號(hào)引腳輸出口對(duì)應(yīng)3號(hào)引腳floatcm; //將“距離”參數(shù)轉(zhuǎn)化為單精度浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)voidsetup(){Serial.begin(9600);pinMode(TrigPin,OUTPUT);pinMode(EchoPin,INPUT);}voidloop(){//發(fā)一個(gè)10ms的高脈沖去觸發(fā)TrigPindigitalWrite(TrigPin,LOW);delayMicroseconds(2);digitalWrite(TrigPin,HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(TrigPin,LOW);cm=pulseIn(EchoPin,HIGH)/58.0; //單位轉(zhuǎn)化厘米cm=(int(cm*100.0))/100.0; //保留兩位小數(shù)Serial.print(cm);Serial.print("cm");Serial.println();delay(1000);}voidloop(){while(1){cm=dist(cm);if(cm>=30){gear.runActionGroup(1,1);delay(20);gear.runActionGroup(2,1);delay(20);gear.runActionGroup(3,1);delay(20);gear.runActionGroup(4,1);delay(20);gear.runActionGroup(5,1);delay(20);gear.runActionGroup(6,1);delay(20);Serial.print(cm);Serial.print("cm");Serial.println(“goahead”);}//保持前進(jìn)指令elseif(cm<=30){gear.stopActionGroup(0,1);delay(200);//停止gear.stopActionGroup(11,1);delay(20);gear.stopActionGroup(12,1);delay(20);gear.stopActionGroup(13,1);delay(20);gear.stopActionGroup(14,1);delay(20);gear.stopActionGroup(15,1);delay(20);gear.stopActionGroup(16,1);delay(20);gear.stopActionGroup(17,1);delay(20);Serial.print(cm);Serial.print("cm");Serial.println("Turningleft");//左轉(zhuǎn)cm=dist(cm);//獲取前方距離delay(1000);if(cm>=30&cm<1000){gear.runActionGroup(1,1);delay(20);gear.runActionGroup(2,1);