1.
用 Raspberry Pi 完成一個智
慧型六足機器人
組長 : 許 0 桀
組員 : 賴 0 成 張 0 祥 張 0 誠
專題指導老師 : Joseph chen
105 艾鍗科技嵌入式 Linux 系統工程師人才養成班

2.
專題摘要
關鍵詞 : 六足機器人 Raspberry Pi,PCA9685,I2C,PWM,Servo motor,
LM2596,LM358,XL4015,Android APP,webview,volley
用 Raspberry Pi 完成一個智慧型六足機器人。
六足機器人的基本結構，基本上包含機器人本體結構、 Raspberry Pi 控制核心、馬達驅動板、電
力系統。首先，針對機器人本體結構，每一足將有 3 顆伺服馬達，故六足共有 18 顆伺服馬達使六
足機器人可以達到所有可能的走行模式。馬達驅動板的部份，我們以 2 個 PCA9685 模組 (I2C 界
面具 16 通道 PWM 輸出 ) 來進行 18 顆伺服馬達的控制。 在電力系統的部份，由於六足機器人在
所有的伺服馬達同時動作時，消耗約 4A 電流，故我們串聯了 3 顆 18650 電池，以提供 12.6v 電
壓及最大電流輸出 6A 作為主要的電力來源。系統中再以 LM2596 及 LM1117 進行不同的 DC-DC
轉換，以提供系統其他部件所需的 5V 及 3.3V 工作電壓。另外，馬達驅動電源部份，使用了
XL4015 恆壓模組，使伺服馬達具備穏定電壓源而能 更穏定靈活轉動。 最後，夠 Raspberry Pi 控
制核心主要為軟體設計的部份，我們完成了一個低階的 PWM 馬達驅動程式與一個高階並行控制運
動演算法，使六足機器人能進行基本的直線、橫移與旋轉等運動行為。
最後，我們設計一個 Android APP 並以 Wi-Fi 通訊方式來控制六足機器運動控制、其中即時影像
串流的能力以 Android Webview 來實現，而手機對雲端相簿的存取則 Android volley 來完成。

3.
實現的功能
1. 六 機器人移動腳 ( 前進、後退、轉彎、橫移 )
2. 攝影機即時影像傳輸
3. 即時影像拍照上傳雲端
4. 人體紅外線感測觸發拍照
5. 手機推播通知
6. 自動閃避障礙物

4.
大綱
•系統架構介紹
•機構行為設計與分析
•電源供應模組設計
•手機操作介面功能介紹
•保全警示功能介紹
•實體 Demo

5.
工作分工
許 0 桀：操控介面 HTML 、 CSS 、 JQuery 與 Python 做整合操控馬達與
感測器
張 0 祥：針對 Pi 、感測器、伺服馬達設計相對應電壓的電源供應模組
賴 0 成：機器人步態分析、 PWM 伺服馬達動作設計、調整
張 0 誠：手機 Android 設計、雲端相簿 HTML 與 PHP 設計、感測器功能
Python 設計

6.
系統架構
手機連接網頁透過樹莓派控制
機器人回傳感測器訊息到手機
感測器回傳資訊給樹莓派
設置手機瀏覽方式
的網頁。
網頁同步影像
拍照
上傳照片至雲端
+
推播

7.
伺服馬達驅動 -PCA9685
I2C
PW
M
PCA9685
Servo Motor
Raspberry Pi 2B
16-Channel 12-bit
PWM / Servo Driver

8.
PWM 控制伺服馬達原理
脈 調製寬 (PWM) ，是將類比信號
轉換為脈波的一種技術，一般轉
換後脈波的週期固定，但脈波的
占空比會依類比信號的大小而改
變，藉由數位訊號高頻率的切換
，調整開關的比例，我們可以模
擬出我們需要的類比訊號。

9.
機器人步態類型
source:http://hexapodalpha.blogspot.tw/2010/12/blog-post.html
Wave 步態 L3->L2->L1->R3->R2->R1->L3...
Tripod 步態 (L1,R2,L3) -> (R1,L2,R3) -> (L1,R2,L3) ...
Ripple 步態 L3->R1->L2->R3->L1->R2->L3…

10.
機器人機構說明
A
B
C
D
E
F
12
3

11.
足抬起，往前傾
1. 前後移動
2. 左右移動
3. 左右旋轉
機器人動作說明
足保持固定
足往左傾
四足擺定位
足抬起
足抬起逆時針轉
足著地順時針轉
足著地順時針
足抬起逆時針轉
逆時針轉
足保持固定 足抬起，往前傾
足抬起 足往左傾

12.
機器人電源供應問題
由於機器人上面要接感測器以及 19 顆伺服馬達，吃電量無
法由 Pi 全部供應，加上部分感測元件會使用 DC5V 與 3.3V
電源，因此電源模組必須針對相對應的元件設計其對應的外
來供電電壓；因為使用 DC to DC 降壓穩壓電路，因此電池
也不會出現大電流放電情況，另外機器人不至於在電池快要
沒電時候，開始出現慢慢延遲至沒電的現象。

13.
六足機器人 - 電源線路說明 ( 工作電壓 )
LM3596 + LM358 DC - DC
XL4015 DC - DC
LM1117 - DC - DC
18650 3S
12.6V
DCV 12.6V
DCV 5V
DCV 3.3V

14.
PCA9685 上的 19 顆
Servo Motor
消耗電流約 4A!!
PCA9685 上的 19 顆
Servo Motor
消耗電流約 4A!!
六足機器人 - 電源線路說明 ( 電流消耗 )
DC - DC Max Current 3A
DC - DC Max Current 5A
PCA9685 PWM Servo Driver
PCA9685 PWM Servo Driver
DC - DC Max Current 800mA
3S 18650
12.6V 6A
Pi2 消耗電流約 700mA
x19

15.
19 顆伺服馬達 4A 電流處理
XL4015
IN + Out +
IN - Out -
Out Voltage ADJ Power indicator LED
PWM Servo Motor 工作電壓為 5V ，共有 19 顆考慮功耗因
此使用 XL4015 恆壓模組降壓，提供 4.5A 及 22.5W 大功
率輸出，讓 Servo Motor 能 靈活作動。夠

16.
DC-DC 轉換 : 使用 LM2596+LM358
Raspberry pi 2&HC-SR04 超音波距模組感測器由於
輸入電壓需為 5V 因此使用 LM2596+LM358 恆
壓恆流模組降壓，也可防止電流超載燒壞板子。
IN + Out +
IN - Out -
Out Voltage ADJ Out Current ADJ
Current
indicator LED
Min & Max
Green or Red
12.6V  5V

17.
DC-DC 轉換 : 使用 LM1117
IN + Out +
IN - Out -
Power indicator
LED
HC-SR501 人體紅外線模組工作電壓為
3.3V ，因此使用 LM1117 降壓，最大穩定電
流達 800ma 功率輸出，提供給外接感測器穩定
電源。
5V  3.3V

18.
控制相機轉向
機器人轉向
前進、後退
左橫移右橫移
左：紅外線人體感測拍照
中：即時拍照觀看
右：雲端相簿觀看
左、右：超音波測距數值
中：自動閃避障礙物模式
手機開 警示通知啟
APP 操作介面
即時影像傳輸

19.
軟體架構
PHP
HTML
( 雲端相簿 )
Python
( 感測器控制 )
mjpg-streamer
( 影像串流 )
Android
( 頁面控制 , 推播 )
Python
HTML
JavaScript
(JQuery)
Java
(Eclipse)
Android 的 volley
Raspberry Pi
Python 的 urllib
Android 的 webview

20.
android 保全警示推播功能
下拉按下警示圖
顯示人體感測器拍的即時相片
雲端：利用 PHP 抓取相片 名建立一個陣列檔
，陣列最後一位為最新 名。檔
手機：使用 android 裡面 volley 抓取雲端
PHP 陣列最後一位 名做比較，一有檔
新的 案便會發出通知擷取最新照檔
片，而開關通知是使用 android 的
Service 功能讓其背景做無窮迴圈撈
取資料。

21.
實體 Demo 影片
影片連結： https://youtu.be/xniNN0sqo8o

22.
Future work
1. 更加精密自走模式， ex ：走迷宮。
2. 與其他家電做結合實現物聯網， ex ：遙控遠端設備、行動遠端監控
。
3. 使用更精密的伺服馬達實現更多複雜的動作， ex ：跳舞、爬樓梯、
動
態平衡。
4. 不同應用支援， ex ：行走式花台、行走式澆花器 ( 可兼土壤感測 ) 、
行
走式投影機 ( 可兼紅外線定位投影 )…

23.
結論
透過這次實作，我們結合許多有關軟硬體端相關的應用，也很感謝艾鍗
的老師在這段期間給我們很多的幫忙。專題一開始感覺像是困難重重，
好像甚麼都辦不到似的，透過上網，找書的方式再加上同學之間的互相
幫助，不但一步步克服障礙實現我們想要的功能，也從中獲取不小的成
就感。我們從中學習到的不僅僅是書上的知識，也了解與人分工的重要
性，相信這些對將來我們在步入職場都會有一番新的幫助。