基于ESP8266的四足机器人的设计.docx

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基于ESP8266的四足机器人的设计

内容摘要

科技文明发展会推动人类社会历史的进步，21世纪是一个“人工智能”的时代，科技产物在发展人工智能满足当下需求外，也为未来的社会发展做出重要的铺垫作用，制造的机器人也被注入了“智能”的元素，使得机器具有像人一样的“学习”能力，这也意味着机器人的多功能性、高效稳定性和可互动性。

同时期的科技产物还有“物联网”技术，物联网与机器的结合产物，在军工业、制造业、农业、服务业等等领域有着应用，也有着相应的技术要求。

本次课题设计结合了当今社会的网络应用“物联网”技术，主要以机器对象为主，网络技术为辅作为研究目的，二者通过ESP8266模块生成的Web服务器连接，以此作为上位机和下位机的连接桥梁，通过接收控制端的指令输入来控制物体对象，在完成相应的控制运动研究后，加入了超声波避障模块来实现“智能”化，即智能避障，从而实现设计的过程和目的。

关键词：

人工智能四足机器人物联网ESP8266

abstract

Thedevelopmentofscientificandtechnologicalcivilizationwillpromotetheprogressofhumansocialhistory.The21stcenturyisaneraof"artificialintelligence".Inadditiontothedevelopmentofartificialintelligencetomeetthecurrentneeds,technologicalproductshavealsoplayedanimportantroleinpavingthewayforfuturesocialdevelopment.Beinginjectedwith"intelligence"elementsmakesthemachinehavetheabilityto"learn"likeahuman,whichalsomeanstherobot'sversatility,highefficiencystabilityandinteractivity.Atthesametime,thescientificandtechnologicalproductsalsohavethe"InternetofThings"technology.ThecombinationoftheInternetofThingsandthemachinehasapplicationsinthemilitaryindustry,manufacturing,agriculture,andserviceindustries,andhascorrespondingtechnicalrequirements.Thisprojectdesigncombinesthe“InternetofThings”technologyofnetworkapplicationintoday’ssociety,mainlybasedonmachineobjects,supplementedbynetworktechnologyasaresearchpurpose,thetwoareconnectedthroughtheWebservergeneratedbytheESP8266module,whichisusedastheuppercomputerandthelowercomputerThemachineisconnectedtothebridge,andtheobjectiscontrolledbyreceivingthecommandinputofthecontrolterminal.Aftercompletingthecorrespondingcontrolmotionresearch,theultrasonicobstacleavoidancemoduleisaddedtoachieve"intelligence",thatis,intelligentobstacleavoidance,soastoachievethedesignprocessandpurpose.

Keywords:

ArtificialintelligenceQuadrupedrobotInternetofthingsESP8266

第一章绪论...............................................1

1.1课题研究背景和意义...................................1

1.2国内外研究现状.......................................1

1.3论文研究内容与设计目标...............................2

1.4论文结构安排.........................................2

1.5本章小结.............................................3

第二章四足机器人的实现原理及硬件设计.....................4

2.1四足机器人的相关技术分析.............................4

2.1.1需求分析.........................................4

2.1.2系统实现框架.....................................4

2.1.3实现原理分析.....................................4

2.2硬件系统概述.........................................4

2.3系统结构设计.........................................5

2.3.1系统各模块结构概述...............................5

2.3.2结构支架设计.....................................8

2.3.3系统电路原理图...................................9

2.3本章小结............................................10

第三章软件设计与实现...................................11

3.1软件概述............................................11

3.1.1软件开发平台....................................11

3.1.2开发环境的配置..................................12

3.1.3Web网络控制端连接..............................14

3.1.4软件结构设计....................................15

3.2本章小结............................................15

第四章四足机器人的基础步态测试与调试...................16

4.1系统功能测试........................................16

4.1.1检测元器件......................................16

4.1.2整体运行检测调试................................17

4.2四足机器人的稳定性测试..............................26

4.3本章小结............................................27

第五章超声波避障设计及有关故障分析.....................28

5.1超声波模块避障功能测试..............................28

5.2故障分析及解决方案..................................29

5.3可预加模块及开发应用................................30

5.3.1人工智能机器学习模块............................30

5.3.2环境检测模块及云台应用..........................30

5.3.3关于四足机器人的“机械臂-轮子”结合应用.........30

5.3.4关于水陆两用机器人的理论开发和应用..............30

5.4本章小结............................................30

总结.....................................................33

致谢.....................................................34

参考文献.................................................35

第一章绪论

1.1.课题研究背景和意义

人类社会的发展需要科技最为推动力，科技的进步是一个时代发展的表现，迫于现代化、自动化的要求和智能化的需求，越来越多的人工智能产品应运而生出现在我们的生活中，为我们的生活和工作服务。

机器人便是其中之一的人工智能中重要的发明，各种机器人随场合要求需要被制定出来服务于人类，第三次工业革命是计算机及技术革命，20世纪90年代诞生的互联网技术应用，迅速在全球扩散传播，直接推动了“人工智能”的发展雏形，为21世纪的第四次工业革命准备好了接力棒，继20世纪末互联网发展后，在21世纪初新生了一种“物联网”应用技术，并结合了“人工智能”，它就是第四次工业革命的主要组成部分，与之前的工业科技相比，这种技术是革命性的，它不仅解决了劳动力不足问题，转变了经济发展方式，而且在日常生活中普遍存在着许多“物联网”例子的应用。

在此次设计中，设计的一种基于ESP8266的四足机器人的设计正是为了凸显“物联网”与“人工智能”的一个应用方面，它展示了一个“结合应用”的过程和结果，而结合“物联网”技术研究开发和控制机器人完成各种复杂指令算法成为了当今计算机行业的一个科研热点，只有将物联网技术与人工智能结合并运用在生活中，科技才会得到不断地发展和改进完善，相信在未来机器人的应用会变得越来越普遍，从而更好的服务社会。

1.2国内外研究现状

自人类步入电气时代，在20世纪60年代，人们开始着手关于四足机器人的研究工作，在1977年，随着计算机和机器人控制技术的的研究和成熟的应用，Frank 和McGhee制造出了世界上第一台真正意义的四足步行机器人，它具有较好的运动稳定性，由于控制运动系统是逻辑电路组成的，运动受到了限制，所以只能呈现固定的运动形式。

随着科学技术的进步，四足机器人经过了近大半个世纪发展，目前最具代表性的四足机器人是美国波士顿动力研制的BigDog、Spo等双足或四足机器人，结合着计算机科学的AI与物联网技术，每一次的进步性演示都令业界振奋不已。

然而在波士顿动力的研发过程中也是充满崎岖荆棘的，研发所需技术要求和软硬件要求极高，经过克服重重难关，利用传感器的控制和算法解决了复杂性机械运动的问题，除多足式机器人外，在后续研发的Petman两足机器人，代表作机器人技术标准的新高度，与多足式机器人不同的是，它只有“双腿”，却与当代AI完美的结合在一起，具有优异的平衡性，高度的灵活性,如今许多国内外创客的优秀作品大多是建立在这些开源项目的基础上的。

回看国内科技，在机器人的发展上也终于有企业做出了在性能上接近波士顿动力的足式机器人，但相比国外的技术，国内技术水准总体来说还是有很大的进步空间。

当下正是科技信息高速发展的时期，在物联网的发展高潮同时，随着第五代移动通信技术的到来和应用，越来越多的科技产物得以开发应用，小到纳米技术，大到宇宙探索，在2020年初的新冠肺炎抗疫行动中，由于病危患者与医务人员存在地理上的距离，随即开展了通过5G技术操控医疗机器人进行手术医治，并取得了成功，除此之外还有无人机辅助防疫，各大车站智能测温系统等等。

目前来看，机器人的发展是当代的一个科学技术发展的趋势，而且逐渐趋于无人化的比例越来越大，所以说未来更是无人机器类发展的一个人工智能时代。

1.3.论文研究内容与设计目标

自然界中有着许多四足或多足肢的动物，典型常见的有猫狗、蜘蛛螃蟹乌龟等等，它们的运动方式与人类截然不同，但它们可以在复杂的地形上行走自如，科研人员通过仿生学进行研究发现，相比在平面上运动的物体，在复杂环境中前行或达到目的地是非常困难的，所以特定的地形需要特定的运动控制形式，才可以可靠、高效地前行，目前的人工机器主要运用最广的有轮式和履带式，足式机器人是非常少见的，有许科学研究目的无法使用传统轮式或履带式的移动工具到达，所以为了应对特殊场所相应的开发出足式机器人，本次设计的一款基于ESP8266的四足机器人仅为代表例子演示，它以舵机作为肢足，四个肢足在电机驱动板的PWM信号下协调配合运动，不同于于轮式和履带式机器人，其不仅有四只运动机械肢体，而且相比轮式和履带式机器人，它有着不可比拟的地形运动优势，可以在相对复杂的地形上运动。

同时结合了“物联网”技术，原因是ESP8266是一款含有串口wifi模块的开发板，这使得其更具有操控性和实时性，更好地完成相关指令动作，比如前进后退，左右移动和平移等，在此基础上再加入超声波模块，实现智能避障的功能，从而达到更好地设计目的和效果。

1.4论文结构安排

第一章为绪论，讨论了足式机器人的研究背景和意义，介绍了足式机器人在国内外的研究情况，以及关于足式机器人和运动控制和功能扩展和优缺点的解决方案。

第二章为四足机器人的系统需求设计方案和相关硬件的设计，分析了四足或多足机器人的系统的需求点,提出了可行性的设计和性能要求并对部分操作执行原理进行描述。

讲述了四足机器人的机械结构以及硬件模块之间的配合方式。

第三章为四足机器人的开发平台和软件的设计，对软件开发平台以及程序执行的流程图进行了介绍，讲述了两者之间的通信机制，控制运动的过程。

第四章为四足机器人的基本步态测试和调试，在单独测试了各个子系统的正常运行情况下，进一步进行前进、后退、左转、右转、左移、右移以及整体的最终测试。

第五章为四足机器人的超声波避障测试以及有关整个设计存在的故障进行分析，同时对四足机器人有关领域的结合应用进行分析。

最后对本文进行设计总结，总结设计开发过程中遇到的问题，自己的感受和收获。

1.5本章小结

本章结介绍了该课题设计的背景和意义，结合国内外的研究状况，讨论了此次设计的实现功能和目标，并给出了论文撰写和本次设计的安排。

第二章四足机器人的实现原理及硬件设计

2.1四足机器人的相关技术分析

2.1.1需求分析

本设计要求采用ESP8266串口WiFi模块进行指令编译和接收，要求通信模块与网络模块连接成功，机器人才能接收命令指令，经过MCU处理，再通过PWMServo舵机驱动板模块PCA9685来调节舵机转动的角度值，从而完成预定或指定的动作，比如前进后退，左右移动和左右平移等等，最后环节再加上一个超声波避障。

2.1.2系统实现框架

为实现上述功能需求，如图2.1所示系统框架图，在移动操作端进行指令的输入，通过无线局域网WiFi模块的接收，经过MCU处理指令信息，从而驱动PWMservo的输出来控制各个舵机的转动的幅度值。

图2.1系统框架图

2.1.3实现原理分析

本次设计的四足机器人使用8个舵机，每2个舵机组成一个运动的肢足，运动的方式是靠舵机接收PWM信号来对相应的肢足进行运动控制，而每个肢足它组成的2个舵机PWM信号值进行配合变成相应的运动状态，根据要求的运动姿势来发送PWM信号给各个肢足，从而实现一个完整的运动控制。

四足机器人的前后运动，左右运动及左右平移运动会在第五章整体测试与调试中进行详细的解析。

2.2硬件系统概述

一个现代制造的机器的运转缺少不了硬件和软件，但每一个机器组成成分最多的就是硬件，硬件及外辅助支架的组成相当于机器的器官和骨架，它可以提供强劲有力、高效稳定的运转条件，此次关于四足机器人的设计也是如此。

2.3系统结构设计

2.3.1系统各模块结构概述

（1）结构支架

有可选方案如下：

1.塑料3D打印支架结构。

2.椴木支架结构。

对比两种支架材料，虽然塑料的3D打印支架具有良好的实用性、稳定性和观赏性，自己没有相关的3D打印设备，而且价格较高。

反观普通的椴木板。

即使椴木支架易松动损坏，但也可以提供短期的稳定效果，又考虑到设计成本及现有设备材料，以及设计实验的初衷，决定用椴木作为结构支架。

（2）MCU控制端模块

由于此次四足机器人的设计采用的是ESP8266WiFi模块，局域网的无线连接，它支持手机、平板、电脑的连接控制，在很大方面展示了物联网的控制平台兼容性，相比电脑和平板，为方便此次设计，采用了移动手机作为操作控制端。

（3）电源模块

能源是每一个机器运转的前提条件，此次设计可用5.0V-12.0V电源作为动力，有两种电源方案选择：

1.锂电池

优点：

质量偏轻，自放电率低，高储存能量密度。

缺点：

厚度偏厚，成本高。

2.聚合物锂电池

优点：

容量大，质量轻，厚度薄，价格便宜。

缺点：

极片受潮容易发生气鼓，对环境要求高。

综上所述及设计目的功能需求，在此选择7.4V聚合物锂电池来作为电源。

（如下图2.2所示）

图2.2聚合物锂电池

（4）电源转接板

电源转接板可间接保护电路，以及提供稳定的工作电源。

（如图2.3所示）

图2.37.4V电源转接板

（5）ESP8266WiFi模块

ESP8266模块有两种选择方案

1.ESP8266NodeMcuLuaWiFiV3（CH340）。

2.ESP8266NodeMcuLuaWiFi（CPC2102）。

由图2.1系统框架图可知，此模块负责接收指令并运行执行指令，市场上有很多NodeMCU变体并且基本上具有相同的功能,以上两种皆可以实现设计目的，但考虑价格，且性能相近，决定采用了ESP8266NodeMcuLuaWiFiV3模块，支持Android和iOS移动设备，工作温度范围：

-40°C-125°C等等，并且NodeMcu已经刷好固件，安装串口驱动后，连接到电脑即可用。

（如图2.4所示，引脚图说明如图2.5所示）

图2.4ESP8266NodeMcuLuaWiFiV3

图2.5ESP8266NodeMcuLuaWiFiV3引脚图

（6）PCA9685电机驱动模块

由于设计中用到舵机，需要用驱动板板来驱动，又考虑到存在多个舵机工作，所以用到了16路PWMServoPCA9685电机驱动模块接收来自nodemcu的信号，并驱动舵机动作，这里需要注意的是在连接各个舵机时要注意对应颜色的接口。

（如图2.6实物图所示）

图2.6PCA9685电机驱动板

（7）舵机模块

此次设计采用的舵机质量也会影响设计的准确性，有两种舵机可供选择：

1.普通塑料SG90舵机（图2.7所示）

优点：

价格便宜。

缺点：

故障率高，易抖动。

2.MG90S金属齿轮舵机（图2.8所示）

优点：

稳定性好。

缺点：

价格相对较高。

为提供稳定的性能，保证数据的准确性，两种舵机进行比较后，决定采用MG90S金属齿轮舵机，舵机装配在一起之前要把舵机插到主板对应插槽上，上下电，驱动主板会让舵机转到出厂位置，即初始位，然后再装配。

图2.7普通通塑料SG90舵机图2.8MG90S金属齿轮舵机

（8）HC-SR04超声波模块

图2.9HC-SR04

老款HC-SR04超声波模块需要主板另外接5V的电源供电，而新款HC-SR04超声波模块，如图3.7所示，可在主板的3.3V电压下工作，精准度较高，在完成四足机器人前进后退、左右移动基础运动次设计后，增加此模块来实现智能的超声波避障，以此实现给予指令后四足机器人自身避开障碍物持续运动的效果。

2.3.2结构支架设计

如图2.10支架受力平衡分析图，2.11三维构架图画,图2.12实物图所示：

图2.10支架受力平衡分析图

图2.10支架受力平衡分析图

图2.11四足机器人三维构架图画

图2.12四足机器人实物图

2.3.3系统电路原理图

如图2.13所示：

图2.13系统电路原理图

2.4本章小结

本章节介绍了四足机器人的需求分析和原理框架图，详细地描述了其控制原理及运动机制，为后文关于硬件的选取和软件的结构设计实践确定了目的要求和设计思路。

同时概述了硬件和电路设计在此次机器人结构上的重要作用，粗略地描述了设计所需的硬件及模块功能和控制电路的实现原理，针对设计目的对部分模块进行详细的综合分析进行选择，以此达到最好的数据和效果，并且完成基础设计后增加超声波模块来实现智能避障运动。

第三章软件设计与实现

3.1软件概述

上章节介绍了硬件模块的组成，硬件之外便是软件的组成部分了，又分有系统软件和应用软件等，此次是软件设为源代码编程，经过开发环境编译处理后形成执行指令，源代码部分涉及了javascript的局域网Web网页的应用，即控制四足机器人的操作端，本次软件设计重点偏向于在辅助应用下进行四足机器人主要的运动控制的源代码修改设计。

3.1.1软件开发平台

在此，ESP8266模块可以支持多种编程模式，这显示了它的兼容性和实用方便性，以下是对其开发平台的参考及建议：

（1）.使用AT指令进行操作：

这是最常见的方式，使用PC端的串口助手配合简单的指令就可以实现，也可以配合单片机发送指令使用。

（2）.LUA语言编程：

这是一种单独ESP8266编程的方式，可以不依靠单片机和串口调试软件，直接把程序编写到ESP8266内部。

（3）.Arduino开发环境编程：

这个接触过Arduino的都会比较熟悉。

可以直接在ArduinoIDE的环境下进行代码烧录，使用Arduino的开发方式进行开发，其相关资料也比较多。

综上所述，个人比较推荐Arduino开发环境编程，因为比较容易接受与理解，arduino现在已经非常的成熟了，是一个非常成熟的解决方案了,相关资料也比较多，更适合作为这次设计的软件开发平台。

（软件开发平台如图3.1、3.2所示）

图3.1arduino开发平台图3.2代码编辑界面

3.1.2开发环境的配置

在Arduino开发环境中，由于设计中用到的是ESP8266开发板模块，在原来的开发板管理器是没有的，需要自己手动输入搜索添加的，操作过程下如图3.3、3.4、3.5所示。

1.在编辑界面中，点开工具，单击开“发板:

‘XXX’”，展示右边界面，双机“开发板管理器”，