基于ESP8266的四足机器人的设计.docx
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1、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
2、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 ESP8266abstractThe development of scientific and technological civilization will promote the progress of human social history. The 21st century is an era of artificial intelligence. In addition to the development of
3、 artificial intelligence to meet the current needs, technological products have also played an important role in paving the way for future social development. Being injected with intelligence elements makes the machine have the ability to learn like a human, which also means the robots versatility,
4、high efficiency stability and interactivity. At the same time, the scientific and technological products also have the Internet of Things technology. The combination of the Internet of Things and the machine has applications in the military industry, manufacturing, agriculture, and service industrie
5、s, and has corresponding technical requirements. This project design combines the “Internet of Things” technology of network application in today s society, mainly based on machine objects, supplemented by network technology as a research purpose, the two are connected through the Web server generat
6、ed by the ESP8266 module, which is used as the upper computer and the lower computer The machine is connected to the bridge, and the object is controlled by receiving the command input of the control terminal. After completing the corresponding control motion research, the ultrasonic obstacle avoida
7、nce module is added to achieve intelligence, that is, intelligent obstacle avoidance, so as to achieve the design process and purpose .Keywords: Artificial intelligence Quadruped robot Internet of things ESP8266目录第一章 绪论.11.1课题研究背景和意义.11.2国内外研究现状.11.3论文研究内容与设计目标.21.4论文结构安排.21.5本章小结.3第二章 四足机器人的实现原理及硬件
8、设计.42.1四足机器人的相关技术分析.42.1.1需求分析.42.1.2系统实现框架.42.1.3实现原理分析.42.2硬件系统概述.42.3系统结构设计.52.3.1系统各模块结构概述.52.3.2结构支架设计.82.3.3系统电路原理图.92.3本章小结.10第三章 软件设计与实现.113.1软件概述.113.1.1软件开发平台.113.1.2开发环境的配置.123.1.3 Web网络控制端连接.143.1.4软件结构设计.153.2本章小结.15第四章 四足机器人的基础步态测试与调试.164.1系统功能测试.164.1.1检测元器件.164.1.2整体运行检测调试.174.2四足机器人
9、的稳定性测试.264.3本章小结.27第五章 超声波避障设计及有关故障分析.285.1超声波模块避障功能测试.285.2故障分析及解决方案.295.3可预加模块及开发应用.305.3.1人工智能机器学习模块.305.3.2环境检测模块及云台应用.305.3.3关于四足机器人的“机械臂-轮子”结合应用.305.3.4关于水陆两用机器人的理论开发和应用.305.4本章小结.30总结.33致谢.34参考文献.35广东东软学院本科毕业设计(论文)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
10、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
11、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
12、,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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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PWM Servo舵机驱动板模块PCA9685
18、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
19、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
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