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1、多功能四足仿生机器狗基金项目:辽宁科技大学大学生创新创业计划专项经费资助项目(项目编号: S202110146018)。作者简介:闫鹏国(2000- )，男，山西省大同市，本科。研究方向:自动化摘要：本文利用单片机的可开发性设计了一款基于VMC算法的多功能四足机 器狗，机器狗使用行星电机和光电编码器完成行走动作，同时装配了 GPS定位系 统，可以实时查看机器狗位置，以及激光测距来勘测距离同时避免误撞，亦有温 湿度检测和光照强度检测功能。在此基础上设计开发了手环，可通机器狗随时查 看环境条件，以及定位机器狗。希望本项目可以在环境勘测方面提供一些建议。关键词：STM32单片机，操作系统，手环引言随
2、着科学的发展，我们探索的面积逐渐增大，但是目前有很多地方都是人力 所不及或者会有一定危险的。机器狗的产生可以极大地解决这个问题，我们在机 器狗上装备多样化的设备，即可使机器狗实现不同的功能，可以有效地降低科学 探索的危险程度，还可以增加物资运输效率，减少人员受伤几率。仿生机器狗结 合仿生学，最大程度还原狗的灵活性，满足人们的需求，使人们更加轻松。由于 在抗震救灾、山地抢险、科学研究、军事运输等危险领域不断地创造了辉煌的成 绩,仿生机器狗的发展不断受到关注，这所以各个国家、高校等科研机构都在不 断地增加在这一领域的投入,但同时对仿生机器狗的运动控制的算法实时性、鲁 棒性、准确性等性能提出了越来越
3、苛刻的需求。1系统整体设计设计并制作一个基于 FreeRTOS 操作系统和 STM32F407 单片机的四足仿生机 器狗，同时使用 STM32F103 设计对应控制手环。一方面，该四足仿生机器狗使用 行星电机和光电编码器进行行走方式的控制，同时在机器狗和手环上都装有 GPS 定位模块，实现机器狗的实时位置检测，并且使用激光测距避免误撞。另一方面 手环的设计增加了对机器狗控制的另一种方式，手环上设计 WT902 陀螺仪，并设 置有操作界面，当进入了陀螺仪操控模式时，机器狗会根据陀螺仪的倾角去改变 行走速度。同时，对机器狗的机械结构我们又重新进行了设计，使机器狗可以承 载更大的重量，同时机体也可以
4、存放小物品，实现为人们服务的宗旨。单片机作为最核心的原件，可以对整个系统进行编程，再加上单片机的灵活 性，未来在对系统进行升级的时候，继续对程序进行修改即可。2 系统模块设计系统设计采用 C 语言编写，应用 C 语言编写系统软件，便于修改和扩充，且 C 语言编译器可以自动完成变量的储存单元分配，编程者可以专注于应用软件的 设计。2.1 机械结构机器狗机构主要基于机械连杆机构控制关节的运动和行走，电机带动主动轴 转动，主动轴通过偏心轮带动从动轮转动，从动轮通过机械连杆机构带动对角的 1、3 脚向前运动，当 1、3 脚落地带动 2、4 脚向前运动。此机器狗主体是一个躯 体和四条腿，提供动力部分是电
5、机，其腿部分是基节为主体。基节连接着躯体平 台，躯干平台可以用来存放物品。其中各个关节都是通过轴连接，电机驱动主动 轴旋转，主动轴带着机械连杆机构通过轴运动，使得脚 1 和脚 3 一起向前运动然 后带动脚 2 和脚 4 也向前运动，每次运动都会有两个支撑脚和地面接触。其主要 材料是ABS，所以材质轻、容易拆装。当系统需要强动力性和机构稳定性时，可 以改装为钢板等材料。2.2 电机控制部分电机预计选用 MD36NP27P 行星减速电机，编码器选用 500 线 AB 相光电编码 器，使用 PID 闭环算法控制，分别对速度环、角度环、电流环进行算法的建立和 程序参数的调试，同时建立 MATLAB 模
6、型，结合逆运动学分析和步态规划代码， 实现对行走的精准控制。2.3 手环部分设计手环和 WT902 陀螺仪使机器狗拥有了另一种操作方式，加强了人与机器狗的 交互，WT902陀螺仪集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性 能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速的求解出模 块当前的实时运动姿态。并且数据传输速率达到了我们的需求，同时，通过对 WT902 输出的角度进行角度与路程、速度的转换计算，实现在不同角度下机器狗 运动的速度和路程。3 系统改进完善该系统还可以进一步的改进与完善，例如 ATK-SIM900A 模块的加入，更是增 加了机器狗的智能程度。当人与机器
7、狗的距离大于设定距离时，机器狗和手环便 会同时报警，一方面是可以应用与家长对孩子的监管，另一方面让人们可以更加 放心的带着机器狗出去跑步，散步等。同时，如果超出设定距离时间太长，那么 可能意味着事故的发生，这时机器狗便会通过 SIM9000A 向家人或者朋友发送短 信电话，极大的保障了安全。4 结束语本文主要是设计了一个基于单片机的多功能四足仿生机器狗，利用单片机和 FreeRTOS 操作系统对各个组件进行控制，利用行星电机强大的性能来实现基本运 动，同时通过各种传感器将所需要信息进行采集，将这一系列的软硬件结合起来 就能够实现对特殊环境的勘测，在该领域智能化、自动化设备的研发有效地降低 了探索的危险度，同时实现了在环境探索时不破坏当下环境的准则。参考文献1 许威,闫曈,许鹏,梁振杰.特种机器人行业的新锐四足仿生机器人 J. 机器人产业,2021(04):50-57.2 郭建，赵易，陈景聪.基于步态规划的四足机器人运动学分析和仿真J.组 合机床与自动化加工技术,2021(07):57-61+65.3 张淼，姚鹏飞.四足机器人的稳定设计与步态控制技术J.电子技 术，2021，50(06):42-43.
