零、实现功能

实现了爬行机器人的移动控制功能。采用三角步态控制机器人移动，通过运动学逆运算得出控制角度。
实现了上位机控制功能。采用蓝牙模块，实现蓝牙无线通信，下发控制指令控制机器人。
实现了实时监控功能。通过WIFI模块将是系统采集到的视频画面上传到上位机界面中。
实现了显示动画效果、灯光效果。促进人机交互体验。

一个呆萌的小机器人

一、关于本想法

我从小就是一个闲不住的孩子，小时候也动手拆过家里的遥控器、电子玩具等一些物品，对电子的世界也是充满了好奇，随着逐渐成长，在大学期间，我开始更深入的了解电子世界，当我接触单片机之后，小时候的一些梦想，就好像能得到了诠释，做一辆遥控小车、做一个音乐播放器、做一个掌上游戏机，这些都能够在电子的世界里找到答案。
于是那是的我也就有了一个梦想，那就是在大学期间做一个机器人，经过不断地学习与挑战，这个梦想也就在今天得到了展现。下图就是我设计的爬行机器人。
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二、理论分析

由于爬行机器人是通过舵机来控制各个足之间的传动，从而实现爬行机器人移动过程的稳定。运动学的逆运算就是这样一种适合爬行机器人移动控制的算法。作为一种逆解算法，运动学的逆运算实际上就是输入坐标轴参数，得出舵机执行的角度。该算法的实现，需要以机器人的中心建立空间直角坐标系，然后将原点偏移到六个足跟部，足尖在空间直角坐标系内的轨迹坐标，就是逆解算法输入的参数，根据算法的解析，就得出了各个舵机的控制量。

通过查阅文献和相关资料，发现运动学逆运算大多是采用矩阵运算实现，计算出舵机控制角度和整个足部之间移动位置的关系。因为看的不是很懂，所以本设计进行取巧，用三角函数关系硬算出来，但最后也没用上，因为发现舵机死区和主控性能不够，理论的计算实际上达不到一个预期的效果。所以最后直接输入不同参数验证，取了一个效果看起来比较好的值。以下为相关程序。

void core_run(double x, double y, double z, int *angle)
{
	int flag[2] = {0};     		//负坐标判断标志，[0]为x轴，[1]为z轴
	double l;					//模长投影
	double l1;					//模长
	double angle0;				//小腿角1
	double angle1;				//腿连接角2
	double angle2;				//大腿角3
	double angle11;				//辅助角1
	double angle12;				//辅助角2
	double angle13;				//辅助角3
	
	if(z < 0){
		flag[1] = 1;
	}
	if(x < 0){
		flag[0] = 1;
	}
	
	l = sqrt(pow(x,2) + pow(y,2));			//进行三角变换处理
	l1 = sqrt(pow(l,2) + pow(z,2));
	angle11 = acos(  (pow(l1,2) + pow(A1,2) - pow(A2,2)) / (2*l1*A1)  );
	angle12 = acos(  l / l1  );
	angle13 = acos(  (pow(l1,2) + pow(A2,2) - pow(A1,2)) / (2*l1*A2)  );
	
	if(flag[1] == 1){
		angle12 = -angle12;
	}
	angle0 = atan(x/y);						//解算出舵机执行的弧度
	angle1 = PI/2 - angle11 - angle12;
	angle2 = angle11 + angle13;
	if(flag[0] == 1){
		angle0 = -angle0;
	}
	
	angle[0] = angle0 * (180.0/PI);			//解算出执行角度，传入数组中
	angle[1] = angle1 * (180.0/PI);
	angle[2] = angle2 * (180.0/PI);
}

三角步态是一种仿生学步态，主要是参照了多足昆虫的爬行特点。在本设计爬行机器人中，共有6足，按照逆时针方向分别以A-F命名。将这6足分为2组，分别是A、C、E和B、D、F。其中，A、C、E作为第一组足，B、D、F作为第二组足。每组足的三个端点连接在一起，就组成了两个三角形。在机器人移动时，两组足之间交替运动，第一组足抬升时，第二组足就固定在地面，起到支撑作用。此时第一组足则往前伸，体现移动过程。然后再将第一组足放下，第二组足抬升，同时整个机器人的身体前移。如此循环交替两组足之间的动作，就完成了爬行机器人的移动控制。通过三角步态实现的移动具有稳定性，这是由于三角形的结构稳定特性，而且由于两组足之间是稳定分布的，当爬行机器人移动时，不仅能够确保在任何状态下都能有三足进行支撑。足之间所承受压力也是较为平均分摊的。将爬行机器人的六个足顺序进行调换，就能够实现向六个方向的移动控制，体现了爬行机器人移动控制的灵活特性。三角步态示意如下图所示。
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三、3D结构设计

关于3D结构设计，采用Fusion360，用Fusion360的原因就是它足够灵活，操作也比较简单，在本课题中，共设计了14个3D结构件，包括重复在内，一共打印了86个结构件。Fusion360设计界面如下图。
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由于在大二期间有幸接触了3D打印机，产生了浓厚的兴趣，于是同年就基于开源项目自己DIY了一台3D打印机，主要就是在淘宝上买来零件，根据教程组装，给控制板烧录固件，就搭建起了人生的第一台3D打印机。关于本结构设计，也并非空穴来风，而是参考了国外的一个开源项目的3D结构设计。那么为什么要自己重新去做呢，主要原因有两个，第一就是我自己想独立完成本课题的全部设计（没有完全实现，因为时间不够，云台部分还是采用了OPENMV官方开源的结构），第二就是开源项目中的结构设计我感觉有些地方不合理（有些地方容易断裂，当然也可能和打印机精度和耗材材质有关），而且与我需要用的舵机不适配，于是我就自行设计了爬行机器人的3D结构。下图为开源项目的结构示意图。
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而我自己设计的3D结构图，从形状上大部分参考了该项目，但在细节方面和尺寸方面做出了改动，使其能够适配国产舵机，也能满足本人的审美需求。下图为本设计的结构图。

四、硬件设计

关于硬件，做了两个PCB的设计。分为主控板和驱动板两块板子，两块板子之间通过2.54mm的排针进行连接。

其中驱动板主要采用贴片式的封装，通过PCA9685芯片提供16个PWM输出接口，再由主控单元引出2个PWM输出接口，完成18足的舵机驱动。驱动板也设计了2个5V电源管理模块，分别用于舵机的供电以及控制系统的供电。

主控板则主要采用直插式的封装，引出了主控STM32单片机最小系统、OLED显示屏、蓝牙模块等的接口，通过排插与驱动板的连接，体现控制特点。

硬件设计示意图如下。
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整个设计看起来也比较简单，板子的体积也比较大，不够紧凑。布线也比较随意，主要原因还是为了求稳，毕竟是毕业设计，没有那么多时间去试错。今后也希望自己在有时间时进行改良，去实现更好地想法。

主控板

主控板采用直插封装，主控用的是STM32F103C8T6最小系统单片机，也就是市面上常见的小模块，引出了蓝牙接口，实现手机蓝牙控制；OLED接口，进行眼神动画展示；FLASH存储模块接口，存放眼神表情；MPU6050接口，保持姿态稳定；云台接口，控制两个舵机驱动摄像头云台转动；RGB灯接口，实现灯光特效。
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驱动板

驱动板用到了贴片焊接，用的舵机驱动芯片应该是市面上中低配置的一款，主要引出了18个舵机驱动接口，2个电源管理模块，1个电源输入接口和1个主控通信接口。
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五、软件设计

软件设计主要分三块，控制程序、机器视觉和APP设计。

控制程序

采用了KEIL5-IDE来设计STM32单片机的控制程序。本设计核心程序是一种自定义的算法，实际上也就是根据三角步态来一帧一帧的去写控制，没有太大的参考价值，但我在设计过程中也有了一些其他想法，如果能实现的话确实是一个不错的创新点，在后续过程中会加以完善。

关于思路

对PCA9685进行驱动控制，完成16路的舵机驱动控制，通过IIC通信建立该芯片与主控芯片之间的联系；
对STM32单片机的PWM输出进行配置，配置好4个输出通道，其中2个用于2足的驱动，另外2个用于驱动云台；
封装角度控制函数，输入参数为舵机编号（1-20）与舵机执行角度，输出效果是控制该编号舵机执行至该角度；
通过逆解算法与实际测试得出稳定移动的控制角度；
封装三角步态函数，分为6个不同方向的移动函数；
配置蓝牙串口函数，根据不同指令，体现不同的控制效果；
引入MPU6050，通过简单判断维持姿态稳定（后期改进换用精度更高的舵机，拟引入PID算法）；
配置显示功能，分两个过程，先配置图显函数，再配置FLASH读取函数，实现眼神播放效果；
根据相关数据手册与资料，实现RGB灯光效果。

机器视觉

机器视觉功能实现了一个视频流传输到上位机显示的功能（就是直接调用一下图传库，进行点对点式的图传）。

APP设计

APP采用App Inventor组件搭载手机APP控制端。App Inventor是麻省理工学院某教授研发的一种开源安卓APP开发环境，采用的编程方式是一种图形化编程，能够快速实现安卓APP的开发，在本设计上位机中，通过调用其内部的蓝牙控件库来实现蓝牙无线通信，以安卓APP作为客户端，爬行机器人作为服务器，实现蓝牙通信过程，客户端将控制的指令上传到爬行机器人主机中，然后执行相应的移动控制功能和其它功能。其次上位机还搭载了Web浏览框，通过图传模块，可以将 OPENMV摄像头采集到的画面，实时上传到上位机中进行远程监控显示。APP界面如下图所示。
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整个界面的图案是在网上找图抠下来的，也符合自己的审美预期。通过开关控制视频流传输开启；通过按键和选择框进行蓝牙连接；通过显示框和发送、清除按键，进行指令下发和指令查看；下方的12个按键是固定指令按键，按下就直接发相应的字符；滑动条可以控速；摇杆控制机器人移动和方向（摇杆是采用了内里的一个球控件，后期会出一期教程展开说明）。