摘 要：隨著人工智能和機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，仿人型機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。跑步作為一種常見的運(yùn)動方式，對人體健康具有重要意義。本論文旨在基于樹莓派4B設(shè)計(jì)和研究一種小型仿人型跑步機(jī)器人，通過模擬人體的運(yùn)動方式和步態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效的跑步功能。將從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器系統(tǒng)、運(yùn)動控制算法以及人機(jī)交互等方面展開研究，以期為小型仿人型跑步機(jī)器人的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供理論和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：跑步機(jī)器人;樹莓派4B；傳感器系統(tǒng)；運(yùn)動控制算法

中圖分類號：TP393" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

一、引言

移動機(jī)器人的研究始于上個(gè)世紀(jì)中期。隨著傳感器系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，仿人機(jī)器人比賽的舉行，跑步機(jī)器人也成為了研究熱點(diǎn)。小型仿人型跑步機(jī)器人在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動靈活、穩(wěn)定性好、易于控制的原則。對此，我們需要深入研究人體的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動機(jī)理，并將其融入到機(jī)器人的設(shè)計(jì)中。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小型跑步機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由樹莓派4B、加速度傳感器、舵機(jī)系統(tǒng)組成。對于跑步機(jī)器人而言，樹莓派4B提供中心整體控制，加速度傳感器與舵機(jī)系統(tǒng)輔助配合，共同完成小型仿人跑步機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)。機(jī)器人共有2條腿，每條腿有5個(gè)舵機(jī)，機(jī)器人總共有18個(gè)舵機(jī)，即機(jī)器人每條腿上有5個(gè)自由度，全身共8個(gè)自由度。機(jī)器人剩余部位按照實(shí)際需求進(jìn)行安裝。

三、硬件設(shè)計(jì)

（一）控制器設(shè)計(jì)方案

控制器系統(tǒng)以樹莓派4B為核心處理器，搭配WIFI模塊，使計(jì)算機(jī)與跑步機(jī)器人處于同一局域網(wǎng)下，在此基礎(chǔ)上完成行走、奔跑、跨欄等相關(guān)動作。該控制器將負(fù)責(zé)接收指令、處理數(shù)據(jù)、驅(qū)動電機(jī)等任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動控制。

樹莓派4B：作為主控制器，處理指令、數(shù)據(jù)計(jì)算和電機(jī)驅(qū)動等功能。

加速度傳感器：用于驅(qū)動機(jī)器人的舵機(jī)系統(tǒng)，接收來自控制器的信號，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動。

舵機(jī)系統(tǒng)：通過主控制器進(jìn)行對應(yīng)的動作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動。主要流程如圖1所示。

（二）系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)方案

機(jī)器人需要在WIFI模塊的控制下，根據(jù)比賽環(huán)境的不同，進(jìn)行相應(yīng)的跑步動作。主要有行走，跑步，爬臺階，跨欄。通過樹莓派4B控制板進(jìn)行WIFI模塊、加速度傳感器等相關(guān)硬件配置，接受PC端發(fā)送的指令信息，控制舵機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行，完成仿人成機(jī)器人某個(gè)具體動作的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

（三）攝像頭識別

機(jī)器人采用的舵機(jī)為總線式舵機(jī)，此種舵機(jī)連接方式可以看作是所有的舵機(jī)是被一組線串聯(lián)起來的[1]。利用攝像頭識別進(jìn)行工作的原理：當(dāng)PC端發(fā)出運(yùn)行指令后，樹莓派控制攝像頭識別當(dāng)前所處環(huán)境，將所處的賽道信息返還到控制器，進(jìn)行機(jī)器人的下一步運(yùn)動。[2]

四、軟件設(shè)計(jì)

（一）軟件結(jié)構(gòu)

本次項(xiàng)目的研究方向主要為通過現(xiàn)有的知識體系對樹莓派4B芯片進(jìn)行改裝，按照機(jī)器人比賽相關(guān)規(guī)則對機(jī)器人算法程序編寫和優(yōu)化，對機(jī)器人進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)以便于更好的完成比賽。使用基于樹莓派4B芯片的單片機(jī)與傳感器、舵機(jī)系統(tǒng)組合設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)的小型仿人跑步機(jī)器人，通過WIFI模塊在同一局域網(wǎng)中控制機(jī)器人執(zhí)行指令任務(wù)，實(shí)現(xiàn)大賽要求相關(guān)動作。軟件系統(tǒng)框架圖如圖3所示。

（二）多舵機(jī)運(yùn)動控制程序

機(jī)器人利用多個(gè)舵機(jī)間的組合運(yùn)動，完成機(jī)器人的指令動作，在控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相關(guān)比賽動作的同時(shí)，控制各個(gè)舵機(jī)移動到下一指定位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動作連貫性。通過相應(yīng)的代碼指令以及參數(shù)設(shè)置，使得機(jī)器人相關(guān)動作更好的完成。舵機(jī)運(yùn)動控制圖如圖4所示，主要代碼示意圖如圖5所示。

（三）程序流程圖

嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式硬件系統(tǒng)和相對應(yīng)的軟件系統(tǒng)結(jié)合而成，硬件系統(tǒng)可以接受軟件系統(tǒng)發(fā)出的執(zhí)行指令，完成相應(yīng)的操作和任務(wù)，如PC端發(fā)出前進(jìn)的指令后，通過WIFI模塊調(diào)動相應(yīng)的舵機(jī)，機(jī)器人的腿部舵機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸角度做出類人的前行動作。程序流程圖如圖6所示。

（四）機(jī)器安全防護(hù)

在機(jī)器人的運(yùn)動過程中，通過軟件算法限制機(jī)器人的最大速度，防止因速度過快導(dǎo)致的意外傷害。同時(shí)在電機(jī)驅(qū)動過程中，對電機(jī)的負(fù)載進(jìn)行監(jiān)測，防止因過載導(dǎo)致的設(shè)備損壞和安全事故。使用傳感器判斷機(jī)器是否摔倒，對傳感器設(shè)置初始值作為依據(jù)，在機(jī)器人倒地后可以準(zhǔn)確判斷并站立。

五、結(jié)語

本次項(xiàng)目從開始到最后的完成，主要有以下的幾個(gè)問題，第一是對硬件舵機(jī)系統(tǒng)原理的理解，當(dāng)控制信號送達(dá)舵機(jī)時(shí)，控制電路會解析信號并確定所需的輸出位置，對18個(gè)舵機(jī)進(jìn)行同步控制，鏈接WIFI模塊，設(shè)置舵機(jī)初始值，配置局域網(wǎng)環(huán)境等。第二是在軟件方面，利用vncviewer和PyCharm軟件進(jìn)行python語言編寫，將所寫代碼嵌入單片機(jī)后，使用WIFI控制機(jī)器人依靠舵機(jī)系統(tǒng)完成相關(guān)的指令動作，即為單片機(jī)寫入合理的程序，使機(jī)器人按照要求完成比賽。第三是在其它方向，例如機(jī)器人的材料，既要保證所使用的材料有足夠的強(qiáng)度作為機(jī)器人的主體框架，也要確保其穩(wěn)定性可以適應(yīng)多種比賽環(huán)境以及復(fù)雜的舵機(jī)動作，確保在任何情況下可以完成比賽。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇青. 多機(jī)器人路徑規(guī)劃與協(xié)同避碰研究[D].南京郵電大學(xué)，2015.

[2]盧嫚，謝磊鑫.基于OpenCV智能車牌及顏色識別[J].自動化與儀表，2023，38（08）：120-124.DOI：10.19557/j.cnki.1001-9944.2023.08.025.