智能革命者

一、课题概述

本课题设计的仿生轮足式 IoT 集群系统，通过仿生学原理与物联网技术融合，解决传统机器人系统在复杂地形中移动受限、协同能力不足的痛点。硬件系统采用 STM32 主控芯片，结合多模态驱动模块、TB6612 电机驱动模块、IMU 惯性传感器及 ESP32Wi-Fi 通信模块。当探测到复杂地形时，系统自主切换轮足模式，并基于集群协同算法动态分配任务。例如，在地震救援场景中，机器人集群可协作完成废墟探测、物资运输、伤员定位等功能，大幅提升应急响应效率。

二、集群化控制技术研究

2.1 集群控制

仿生轮足式 IoT 集群系统的核心在于多机器人协同控制，其优势如下：

（1）模式协同

根据环境复杂度，动态分配轮式或足式机器人执行任务。平坦地形下，优先启用轮式机器人以高速完成物资运输；崎岖地形中，足式机器人通过仿生关节越障，并引导轮式机器人绕行。

（2）任务分层

物联网服务器将全局任务拆解为子任务，优先调度具备相应能力的机器人执行。例如，在火灾救援场景中，集群自动分配“环境监测”“热源定位”“破拆作业”等子任务至搭载对应传感器的机器人。

（3）路径规划

救援车辆会根据服务器分配的任务和路径规划，选择最佳的行驶路径，避开交通拥堵和障碍物，迅速抵达事发现场。

（4）动态优化

机器人们在行驶过程中会不断接收和上传实时信息，服务器会根据情况对任务进行动态调整，重新分配救援车辆的任务或调整路径规划，以应对突发情况和环境变化。

2.2 通讯协议

在仿生轮足式 IoT 集群系统中，MQTT 协议被用于实现机器人集群与物联网服务器之间的高效通信，以及机器人之间的协同控制。每个仿生轮足机器人作为MQTT 客户端接入物联网服务器，形成去中心化的集群网络。

当系统检测到复杂任务（如地震废墟探测或危险品搬运）时，机器人通过 MQTT 协议向服务器发布任务请求，包含任务类型、目标坐标及环境参数（如地形复杂度、障碍物分布）。物联网服务器订阅所有机器人的消息主题，动态分析任务需求与机器人状态，来进行分配机器人。集群内机器人通过 MQTT 协议共享实时数据，包括自身位置、运动状态、传感器读数（如温湿度、气体浓度）等。这种信息同步机制可避免任务重复执行或资源冲突。

2.3 仿生轮足式设计

在仿生轮足式 IoT 集群协同系统中，仿生轮足式设计通过模拟生物运动机理，实现了轮式高速移动与足式复杂地形越障能力的深度融合。该设计赋予机器人多模态运动特性，使其能够在平坦路面快速行进，同时灵活应对城市废墟、山地陡坡等非结构化环境。基于仿生关节与智能驱动技术，机器人可自主切换轮式与足式模式，例如在检测到碎石堆积或沟壑障碍时，足式关节自动展开，通过仿生步态实现稳定越障；而在开阔区域则切换至轮式模式，依托全向轮结构进行高效平移。视觉与激光雷达融合感知系统实时分析地形复杂度，动态调整运动策略，确保路径规划的最优性。

三、系统设计

在仿生轮足式 IoT 集群协同系统中，物联网服务器作为核心决策单元，实时接收集群内各机器人上传的任务请求与环境数据。服务器通过分析事件类型（如地震废墟探测、危险品搬运）及目标位置，动态调度最优机器人执行任务。例如，当检测到狭窄区域需探测时，服务器优先选择体积小、搭载高精度激光雷达的足式机器人；而对于大范围物资运输任务，则调度载重能力强的轮式机器人。机器人根据场景需求切换运动模式——在崎岖地形展开足式越障，或在平坦路面启用轮式高速移动，同时实时回传执行状态至服务器，确保任务全程可监控与动态优化。

集群机器人采用 STM32F407 结合 ESP32 作为主控单元，其集成 Wi-Fi6 与蓝牙 5.0 模块，支持多机器人间高并发通信。开发板通过 GPIO 接口连接多模态驱动模块，并搭载边缘计算功能，可在本地处理传感器数据，减少云端依赖。例如，在弱网环境下，机器人通过 ESP32 实时融合激光雷达与视觉数据，自主规划避障路径，同时将关键信息压缩后上传至服务器。

在仿生轮足式 IoT 集群协同系统中，GPS 定位模块安装在每台机器人上，用于实时获取机器人的地理位置信息。这些信息将被发送到物联网服务器进行处理和分析，以便系统能够准确计算每台机器人的位置，并调度最近的机器人前往现场进行作业。

四、产品竞争力

本产品利用物联网技术和仿生学技术实现了机器人的集群化和智能化。凭借其多模态运动能力与智能化协同架构，在复杂环境作业领域展现出显著优势。通过融合轮式高速移动与足式越障功能，系统可覆盖城市废墟、山地陡坡等 90% 以上的非结构化地形场景，突破传统机器人单一运动模式的局限性。基于物联网技术的动态调度算法，集群内机器人实现任务自动分配与路径协同优化，任务执行效率较传统方案提升 40% ，资源利用率提高 60% ，尤其在紧急救援与大规模勘探中表现卓越。全流程无人化操作与实时状态监控机制，大幅降低人员暴露于危险环境的风险，通过多源冗余通信与自主容错策略，确保任务执行的高可靠性与安全性，为工业、救援及军事领域提供了兼具高效、经济与安全的创新解决方案。

五、核心技术优势

仿生轮足式 IoT 集群协同系统的核心技术优势体现在多模态感知与智能决策的深度融合。通过集成激光雷达、视觉传感器与触觉反馈模块，系统能够实时解析复杂地形特征，动态生成最优路径，并自适应切换轮式与足式运动模式。例如，在废墟场景中，机器人可同步分析障碍物分布与地面硬度，自主选择越障或绕行策略，确保高效且稳定的行进能力。

系统的另一核心在于其分布式协同架构与云端-边缘协同计算能力。集群内机器人通过轻量化通信协议共享环境数据与任务状态，基于强化学习算法动态优化任务分配与资源调度，实现多机器人无缝协作。

此外，系统采用模块化设计与开放接口，可快速对接机械臂等异构设备，构建立体化作业网络。

六、结语

仿生轮足式 IoT 集群系统通过仿生设计与物联网技术的深度融合，为复杂环境下的机器人应用提供了创新解决方案。其在救援、勘探、物流等领域的应用潜力，展现了智能装备与集群协同技术的广阔前景。本项目的成功实施，不仅推动了机器人技术的进步，也为未来智能化社会的基础设施建设提供了重要参考。

项目类型：创新训练（省级一般项目）

项目名称：智能革命者——仿生轮足式 IoT 集群协同系统

项目来源：2024 年黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202413301027）

课题来源：2024 年度黑龙江省高等教育教学改革研究项目

课题名称：雨课堂 SPOC 平台与产业学院远程协同构建机器人通识课程实践教学体系研究（课题编号：SJGYB2024838）