馬春杰 丁學(xué)文 黃健 徐麒麟 高茂華

【摘 ?要】近年來，類人機器人也在快速發(fā)展并在較多領(lǐng)域得到開發(fā)應(yīng)用，據(jù)此本課題旨在開發(fā)一款能夠通過紅外遙控的智能多自由度家居類人機器人。本設(shè)計以STC12C5A60S2芯片為核心搭建機器人的控制系統(tǒng)，通過裝載17個SH14-M舵機來實現(xiàn)機器人的多自由度，通過對機器人的步態(tài)規(guī)劃進(jìn)行機器人動作設(shè)計，最后利用紅外遙感技術(shù)進(jìn)行遙控，實現(xiàn)了機器人的行走、轉(zhuǎn)向、跳舞等多種動作。

【關(guān)鍵詞】智能;類人機器人;步態(tài)規(guī)劃;伺服舵機;紅外遙控;

1.引言

現(xiàn)今，隨著微電子技術(shù)的更新與發(fā)展，類人機器人的鉆研范圍一直在擴展，起初類人機器人只能模仿人類的肢體動作，到現(xiàn)在去研究類人機器人模仿人類的聽覺、視覺、嗅覺，甚至通過AI智能芯片模仿人類分析事物。早在2000年本田公司宣布推出名為Asimo的行走機器人，它的運動能力與范圍具有更高的實現(xiàn)性。此外，我國研制的“匯童”仿人機器人取得了重大成果，目前已推出第5代。國內(nèi)外的家居類人機器人也正在研發(fā)當(dāng)中，只是還沒有得到廣泛應(yīng)用，本課題設(shè)計了一款家居類人機器人，可以放松人們的生活，具有很好的應(yīng)用前景。

2.機器人機體機械結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計

2.1加藤一郎結(jié)構(gòu)

對于機器人的機體結(jié)構(gòu)設(shè)計，本課題是參照加藤一郎結(jié)構(gòu)體來進(jìn)行的。加藤一郎結(jié)構(gòu)體，顧名思義，就是加藤一郎教授在1966年提出的一種仿人形機器人機體結(jié)構(gòu)，其將機器人分為頭、軀干、四肢三個部分，經(jīng)過簡化和建模，形成了機器人的基本結(jié)構(gòu)并一直延續(xù)至今，因此在學(xué)術(shù)界中習(xí)慣稱該機體結(jié)構(gòu)為“加藤一郎結(jié)構(gòu)體”，加藤一郎教授也因此被稱為仿人形機器人之父。

2.2機械結(jié)構(gòu)原理

如同人類一樣，類人機器人也擁有關(guān)節(jié)，其中腿部關(guān)節(jié)是最為關(guān)鍵的一部分，因為機器人的翻轉(zhuǎn)、舞蹈、行走等動作要靠它來完成。本課題機器人腿部示意圖如圖1所示。在機器人學(xué)中，將機器人的關(guān)節(jié)稱作“自由度”，其代表機器人所擁有的關(guān)節(jié)的數(shù)目，多自由度即是代表著機器人可以較大程度的滿足需求，做出更加復(fù)雜的動作。實際設(shè)計時，用伺服舵機代替機器人的各關(guān)節(jié)，伺服舵機既是機器人移動的驅(qū)動力，也是平衡信息的收集器，伺服舵機內(nèi)置有位置探測器，可以檢測到舵機自身的平衡信息，并實時傳送給控制系統(tǒng)，然后控制系統(tǒng)會計算出使機體平衡時對應(yīng)的調(diào)節(jié)量，再發(fā)送回來給舵機，最后舵機根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)過多個舵機之間良好的統(tǒng)籌規(guī)劃，就能控制好機器人在進(jìn)行行走或者其他動作時的平衡狀態(tài)。

在機器人的運動中，自調(diào)節(jié)能力起到了至關(guān)重要的作用，其中，零力矩點ZMP（Zero Moment Point）的應(yīng)用起到了至關(guān)重要的作用，它會使機器人在受力運動中幫助機器人尋找到合適的落腳點。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

本課題采用的主控硬件是STC12C5A60S2單片機，并以紅外遙控作為人機交互方式的一款多自由度人形機器人，STC12C5A單片機具有更強大的功能，使機器人的運行動作更為敏捷和精確，另外通過紅外遙控器選擇機器人要進(jìn)行的動作，按下按鈕進(jìn)行不同動作之間的切換。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

3.1 STC12C5A60S2控制板

STC12C5A60S2為宏晶科技生產(chǎn)的新一代51單片機，和 舊一代51單片機相比，它的功耗更低，運行速度更快，此外，并具有超強抗干擾能力，對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它集成了MAX810專用復(fù)位電路，內(nèi)置2路PWM方波，更是針對這一特點，我們更能將其運用到本課題的類人機器人當(dāng)中。

3.2伺服舵機

舵機，又稱伺服電機，在本設(shè)計中作為機器人關(guān)節(jié)的扭動力，其原理是管制信號通過調(diào)制芯片來獲得一個直流穩(wěn)壓電源，這個直流穩(wěn)壓電源與電位器的基準(zhǔn)電壓相比較，得出的比較量會使電機驅(qū)動芯片產(chǎn)生一個電壓差從而決定電機是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。扭力和轉(zhuǎn)速是舵機很重要的兩個性能指標(biāo)，其中扭力是指舵機使物體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變的力，而轉(zhuǎn)速則是舵機從一個位置到另一個位置所需的時間，一般來說舵機的控制結(jié)果由PWM信號決定，PWM是脈沖寬度調(diào)制的縮寫形式，工作原理為：經(jīng)過脈沖的寬度的調(diào)制效應(yīng)，等效出一定形狀及幅值的波形，最后通過調(diào)節(jié)占空比，使機器人輸出正確有效的動作。本課題選用的是SH14-M舵機，它是專業(yè)的小型伺服電機，重復(fù)定位準(zhǔn)確，旋轉(zhuǎn)迅速。制作小型人形機器人，要求舵機的扭矩達(dá)到10kg.cm以上，SH14-M數(shù)字舵機能夠完全滿足這個要求。

3.3紅外遙控模塊

紅外發(fā)射模塊：電源3.3V或5V，通過發(fā)射管發(fā)射38KHz的紅外信號，高電平驅(qū)動紅外接收模塊：電源3.3V或5V，可接收紅外信號，并解調(diào)成邏輯電平，低電平有效。

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4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1主程序設(shè)計

本設(shè)計軟件采用keil軟件編譯，用C語言編程，再燒錄到單片機中進(jìn)行調(diào)試。本設(shè)計通過紅外遙控按鍵選擇機器人要進(jìn)行的動作，操作方簡單。圖7為機器人主程序流程圖。上電以后，程序進(jìn)行初始化，然后通過按鍵選擇行走、蹲下、前滾翻等動作，機器人接收到指令，就會按照指令執(zhí)行。

機器人的頭部、手臂、腿部關(guān)節(jié)均是由伺服舵機驅(qū)動。頭部扭轉(zhuǎn)，手臂擺動相對而言較簡單。腿部結(jié)構(gòu)是舵機數(shù)量較多也是較為復(fù)雜的，不論是在硬件組裝還是程序設(shè)計上都下了較大功夫。其中，行走又是最為基本的動作，因此下面重點介紹一下行走子程序。

4.2行走程序設(shè)計

首先機器人需要先執(zhí)行一段下蹲程序，原因是下蹲狀態(tài)的重心會下移，對于機器人的平衡有很大的幫助。

其實人類在行走的過程中，第二步的步伐長度實際上是第一步步伐長度的兩倍，因此本課題將機器人的行走姿勢設(shè)計成如同人類一樣，即行走開始后左腿先邁出半步，這半步與左腿前進(jìn)一步相比，前進(jìn)過程是相同的，但是步伐是后者的一半。

緊接著是右腿前進(jìn)一步和左腿前進(jìn)一步，前進(jìn)步伐的大小取決于積分步數(shù)。這兩步循環(huán)N遍，N即是控制系統(tǒng)設(shè)定的前進(jìn)的步數(shù)。

當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到后，即機器人走完設(shè)定的步數(shù)后，右腿需要跟進(jìn)半步，因為在行走剛開始的時候，左腿前進(jìn)了半步，右半步的步伐長度和左半步相同。最后，機器人起立流程與下蹲正好相反。

5.結(jié)論

類人機器人是基于STC12C5A60S2設(shè)計的一款多自由度，由舵機以及PWM方波控制的機器人，其運行十分高效并有較大的實用性。通過PWM方波的精確計算，機器人各個關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)角度也在控制范圍之內(nèi)。此外，紅外遙控器的設(shè)置使其在家庭使用中更為方便，其多種運行動作在家居娛樂方面做出了很大貢獻(xiàn)，在家居使用的開發(fā)中具有開闊的前景。

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作者簡介：

馬春杰，女，天津市人，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科學(xué)生。

（作者單位：1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院;2.天津市高速鐵路無線通信企業(yè)重點實驗室）