能避障的自主型乐高六足机器人
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图1 能避障的六足机器人全景图
一、前言
通常都是用一个智能小车来实现避障功能，网络上鲜有见到六足机器人也能避障。前面的文章《LabVIEW蓝牙控制乐高六足机器人》讲解了，上位计算机如何通过SSC32路舵机控制板来控制12台舵机，让六足机器人前、后、左、右行走。实际上，DFRobot公司的这款舵机控制板不仅可以控制各个舵机协调运行，而且还可以采集模拟和数字传感器检测的信息，并上传到上位机处理。这样，上位机就能从舵机控制板获取某个测距传感器的信息，然后制定一个避障算法，并生成舵机驱动输出，让机器人遇到障碍物时，可以躲避并另寻路线。
《LabVIEW蓝牙控制乐高六足机器人》文章网址：
http://blog.chinaaet.com/detail/32097.html。
视频网址：http://player.youku.com/player.php/sid/XNTMzNTY2OTUy/v.swf。
二、六足机器人的机械组成
这个六足机器人的驱动电机是辉盛9克mini舵机，它并不是乐高公司出品的电机，所以如何把mini舵机安装到乐高积木上，而且要做到舵机输出轴与支撑它的乐高积木孔之间距离，在X和Y轴两个方向上，都为乐高孔距的整数倍（乐高标准孔距为8mm）。这就需要自制一个专门适合乐高积木的舵机连接板。如图2的a画面所示。
现在淘宝上已经有这样的连接板，可以买到，大家不妨看看，
哪位高手也可以自己花精力用雕刻机做几个，当然安装孔的间距和配合精度要做到位才行。
有了专门的舵机连接板，不用任何机械加工，甚至不需要螺钉螺帽连接，仅用乐高积木，按照图2所示步骤，就可以搭建出这个六足机器人了。该机器人左右两侧各分布三条腿，每条腿由两个舵机控制，这两个舵机分别起着大腿关节和小腿关节的作用。
图2六足机器人的安装步骤图
这个专门适配乐高的舵机连接板的应用是Arduino电控与乐高机械积木结合的一种捷径。由于舵机分为两类，180度角度舵机和360度旋转舵机，所以这样的应用既可以做出类似六足、机械臂这样的模型，也可以做出如三轮智能车和光感晾衣架等作品。
三、六足机器人的电控组成
控制这个机器人12个mini舵机的是DFRobot公司出品的USB SSC32舵机控制板，该控制板的各端口分布和功能说明图如下。
图3 32路舵机控制板的端口分布和功能说明
六足机器人左侧6个舵机的输出端子分别插接在控制板的1到6舵机通道，而右侧6个舵机插接在17到22舵机通道。控制板的通信波特率，我设置为9600b/s，通过图4所示的拨码开关来设置，把1开关都拨到ON端，把2开关都拨到另一端，即可。
图4 SSC32舵机控制板波特率的设置
舵机控制板与Arduino控制器的通信采用蓝牙模式，在如图3所示控制板的 “16数传接口”上插入蓝牙模块，它的波特率设置为9600b/s，并采用从机通信模式。同时，在Arduino控制器主机的无线数传接口上插入另一个蓝牙模块，这个模块的波特率也设为9600b/s，通信采用主机模式。蓝牙模块采用的是由DFRobot公司出品的一对DF-BluetoothV3模块。
该模块的说明书网址：
图3中标号为1、8、10和12的端口都可以供电，1号和10号是逻辑部分供电端口，8号和12号端口是舵机部分供电端口。逻辑部分和舵机部分分别单独供电，我用一块9V方块电池供电给逻辑部分，用另一块7.4V、900ma的锂聚合物电池供电给舵机部分。于是“11 VL和VS1连通跳线”帽要断开！同时“2 USB供电选择跳线”帽不插上，断开，不采用电脑USB供电。这两套电源配置如图5所示。
图5 SSC32舵机控制板供电电池配置
值得注意的是，7.4V锂电池不能直接连在控制板上给舵机供电，因为mini舵机的供电电压不能超过6V，否则会出现异常噪音，不能正常工作，所以锂电池要接上一个电压调节器（Voltage Regulator）才能给舵机供电。我用的这个电压调节器的型号为好盈牌UBEC-3A，如图6所示，它的输入电压为5.5~26V，输出电压为5V或6V（可用跳线帽切换），额定电流为3A，最大电流6A。7.4V锂电池加上好盈UBEC-3A电压调节器的组合能达到给12路舵机供电的要求。
图6好盈牌UBEC-3A电压调节器
图6所示好盈牌UBEC-3A电压调节器的输入和输出端子要进行改造，以适应锂电池连接，所以它的输入端加装了JST 2P母头连接线。另外把它输出端原有的3P黑色杜邦公头端子剪断，并用剥线钳拨出导体，以方便接到图3所示8号或12号舵机部分供电端口。
四、Arduino控制器主机程序设计
SSC32舵机控制板可以看成一个输入输出接口板，它自己并没有程序思考能力，它把大脑交给远端计算能力更强的上位计算机，这次实验的上位主机是Arduino UNO控制器。Arduino控制器与SSC32舵机控制板，通过蓝牙无线通讯形成了主从机运行模式，如图1所示。舵机控制板不仅同时能控制多达32路的伺服电机，它还具有4个数字和模拟输入接口，可以接5V电压的传感器，这样就能实现带反馈的闭环控制，让多舵机设备，比如这个六足机器人，可以根据周边环境变化，做出相应的动作反映。
图7中，我用红色方框标注了A、B、C、D这四个数字输入或模拟输入接口的位置。
图7 SSC 32舵机控制板
A，B，C，D做模拟口时，禁止内部上拉，同时开启数字滤波功能以减噪，滤波后只读取端口电压8ms内变化量的最终值，返回“0”表示0V，返回“255”表示4.98V。返回值=（输入电压*256）/5。
舵机控制板上电初始，A，B，C，D接口将配置为数字输入并有内部上拉，第一次使用“VA VB VC VD <cr>”命令后，会配置为模拟输入并禁止内部上拉，在设置为模拟输入后的第一个返回值是无效字节。
我在下面Arduino初始化程序段中，用了三条指令把A，B，C，D端口设置为模拟输入模式。
Serial.println("VA VB VC VD");//把A、B、C、D端子设置为模拟量输入模式
delay(100);//延时，等待命令发送成功
//读取返回值，该值为“Serial.println("VA VB VC VD");”命令执行后的无效返回值
val=Serial.read();
这个具有避障功能的六足机器人模型采用了sharp公司的GP2Y0A21红外测距传感器，该传感器测距范围为10cm~80cm。它的输出线有三根，分别为模拟信号线、VCC线和GND线，我把它们分别连在了舵机控制板的D端子、+端子和-端子上。下面两张图为传感器与舵机控制板连线图和蓝牙模块加装图。
图8 GP2Y0A21传感器与舵机控制板连线图
图9蓝牙模块加装示意图
上位计算机给舵机控制板下达模拟输入读取命令，例如：发送VA VB <cr>命令后，A、B模拟传感器将会向上位机返回2个字节，比如A模拟输入为2V，B输入为3.5V，那么返回值为102（二进制）和179（二进制）。
如果用Arduino控制器作为主机，向舵机控制板的D模拟输入端口发送读命令，这个命令函数应为“Serial.println("VD");”，发出命令后，舵机控制板从机则返回一个字节数据，对这个数据做一个距离值转换算法，这个算法是“2547.8/((float)val*4*0.49-10.41)-0.42”，得出的结果就为六足机器人与前方障碍物有多少cm。有了距离值，Arduino控制器就可以进一步编制避障逻辑，该逻辑是如果机器人距离障碍物小于20cm，则Arduino下达后退命令“Serial.println("PL 0 SQ 1");”，后退4秒后，下达转弯命令“Serial.println("PL 0 SQ 3");”或“Serial.println("PL 0 SQ 2");”，右转或者左转6秒后，再执行前进命令“Serial.println("PL 0 SQ 0");”，于是机器人前行，直到又遇到障碍物，再重复执行上述避障动作。实现上述逻辑的Arduino程序如下。
/*Arduino控制器的任务：接受舵机控制板上红外测距传感器的采集数据，
并把此数据转换为距离值。如果六足机器人距离前方障碍物小于20cm，
则机器人后退、转弯，再前进，直到它又遇到障碍物，再重复执行避障动作。*/
int val; //定义变量，用于读取传感器上传的采集数据
float distance_float;//定义变量,用于存放距离转换值
int randNumber; //定义随机数变量
//初始化
void setup()
{
Serial.begin(9600);//启动串口通信，波特率为9600b/s
delay(10);//延时，等待波特率设置成功
Serial.println("VA VB VC VD");//把A、B、C、D接口设置为模拟量输入模式
delay(100);//延时，等待命令发送成功
//读取返回值，该值为“Serial.println("VA VB VC VD");”命令执行后的无效返回值
val=Serial.read();
Serial.println("PL 0 SQ 0"); //机器人前进
delay(100);//延时，等待命令发送成功
}
//主程序
void loop()
{
Serial.println("VD"); //向舵机控制板发送读取传感器采集数据的命令
delay(100);//延时，等待命令发送成功
if(Serial.available()>0) //查询Arduino控制器串口有无数据
{
val=Serial.read();//读取舵机控制板上传的传感器采集数据
//把采集数据0~255转换为距离值
distance_float=2547.8/((float)val*4*0.49-10.41)-0.42;
//如果六足机器人距离障碍物小于20cm
if(distance_float<=20 && distance_float>0)
{
Serial.println("PL 0 SQ 1"); //机器人后退
delay(4000);//后退，4s
randNumber = random(10);
//机器人随机向左或者向右转动，6s
if(randNumber<5)
{
Serial.println("PL 0 SQ 3"); //向右转动，6s
delay(6000);
}
else
{
Serial.println("PL 0 SQ 2"); //向左转动，6s
delay(6000);
}
Serial.println("PL 0 SQ 0"); //机器人前进
delay(100);//延时，等待命令发送成功
Serial.flush();//清除Arduino控制器串口输入缓冲器的数据
//此函数在Arduino 1.0之前的版本适用
}
}
}
值得注意的是上面程序中“Serial.flush();”函数必须加入，这也是实践中得来的经验。在主程序void loop()中，每次下达给舵机控制板的模拟量读取命令“Serial.println("VD");”之前，要清除Arduino控制器串口输入缓冲器的数据，这样才能保证Arduino串口读命令“Serial.read()”取出来的字节数据是当前“Serial.println("VD");”命令的返回值。“Serial.flush();”函数只有Arduino 1.0之前的版本才能够清除Arduino控制器串口输入缓冲器的数据，如果是Arduino 1.0版本，这个函数功能已发生了改变，所以你必须采用如Arduino 0022版本，来下载上述程序。
五、结束语
传统机器往往只有一两台定速电机，然后通过齿轮齿条、蜗轮蜗杆等复杂的传动机构，把动力分配和变速到多个执行部件。而现代机器往往配备了多台伺服电机，这些电机直接连接到执行部件，让各执行部件按照规划好的路线、速度和力量运行。控制这些伺服电机的就是智能控制器中的软件，软件起到了传统机器中的那些传动链和变速箱的作用，而且运行起来还更可靠。我的这个六足机器人就很好地体现了现代机器的特点，没有传动链，利用软件和多伺服电机直接控制着机器的各部件协调地运行。
