人形智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)

徐格威　栗麗　陳雪

【摘 要】雙足類(lèi)人行機(jī)器人一直都是國(guó)內(nèi)外非專(zhuān)業(yè)和專(zhuān)業(yè)機(jī)器人愛(ài)好者重點(diǎn)研究的項(xiàng)目。介紹了具有GPS定位功能的雙足機(jī)器人的行走運(yùn)動(dòng)控制，主要研究了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的“加藤一郎”約束結(jié)構(gòu)的人形機(jī)器人進(jìn)行行走運(yùn)動(dòng)控制，對(duì)硬件的控制系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，動(dòng)作流程的規(guī)劃，完成軟件的編程。機(jī)器人選取了被人們廣泛使用的51系列單片機(jī)，采用的是單片機(jī)STC12C5A60S2，并集成了GPS模塊，使機(jī)器人擁有了定位功能。

【關(guān)鍵詞】人形機(jī)器人；單片機(jī)STC12C5A60S2；GPS；“加藤一郎”約束結(jié)構(gòu)

0 引言

類(lèi)人形步行機(jī)器人的控制還有它的相關(guān)技術(shù)的研究無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的機(jī)器人領(lǐng)域中都有著重要研究?jī)r(jià)值，同時(shí)機(jī)器人的研究成果和當(dāng)今的社會(huì)有著密不可分和不容忽視的意義，所以這項(xiàng)科學(xué)一直成為機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一。

時(shí)至今日，設(shè)計(jì)并完成具有GPS定位功能的類(lèi)人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，需要滿(mǎn)足以下幾個(gè)基本功能：其一是研制出兩足步行機(jī)構(gòu)，并使其能在許多結(jié)構(gòu)性、非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中完成行走任務(wù)，從而代替人類(lèi)進(jìn)行諸如延伸、作業(yè)、擴(kuò)大活動(dòng)等領(lǐng)域；二是更多地了解和掌握人類(lèi)步行時(shí)的特性和技巧，并且利用這些特性來(lái)為人類(lèi)服務(wù)；三是兩足人形機(jī)器人的步行系統(tǒng)，具有極為豐富的動(dòng)力學(xué)特性。在這方面進(jìn)行的研究，可以拓寬力學(xué)以及機(jī)器人學(xué)的研究方向。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2 單片機(jī)作為主控芯片，集成了兩片存儲(chǔ)芯片AT24C512，GPS定位模塊并設(shè)計(jì)了35個(gè)IO雙向接口，用于傳感器及電機(jī)的集成。

硬件部分的控制器主要采用的是STC12C5A60S2 單片機(jī)。單片機(jī)的工作電壓為3.3 V～5.5 V（5V單片機(jī)），兼容普通8051的定時(shí)器或4個(gè)外部中斷，工作頻率在0-35MHz之間，有6個(gè)16位定時(shí)器，具有看門(mén)狗和EEPROM功能，并且內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路 。使用內(nèi)部R/C振蕩器時(shí)鐘 11MHz-17MHz。

GPS模塊性能的價(jià)值指標(biāo)主要有接收靈敏度、定位時(shí)間、位置精度、時(shí)間精度、功耗等。在不同的啟動(dòng)模式下，模塊開(kāi)機(jī)定位時(shí)間有很大不同。一般來(lái)說(shuō)，模塊內(nèi)部沒(méi)有保存任何有助于定位的數(shù)據(jù)的情況稱(chēng)為冷啟動(dòng)時(shí)間，包括星歷、時(shí)間等，一般標(biāo)稱(chēng)在1分鐘以?xún)?nèi)；模塊內(nèi)部有較新的衛(wèi)星星歷（一般不超過(guò)2小時(shí)），但時(shí)間偏差很大的，稱(chēng)為溫啟動(dòng)時(shí)間，一般標(biāo)稱(chēng)在45秒以?xún)?nèi)；熱啟動(dòng)時(shí)間是指關(guān)機(jī)不超過(guò)二十分鐘，并且RTC時(shí)間誤差很小時(shí)的情況。

人形機(jī)器人設(shè)計(jì)了35個(gè)IO接口，其中包括萬(wàn)能接口11個(gè)，萬(wàn)能接口可以選擇7.4V 或5V 電壓供電，可選上拉電阻或下拉電阻。可用于各種擴(kuò)展舵機(jī)和傳感器。

由于雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的復(fù)雜性，為機(jī)器人使用的STC12C5A60S2單片機(jī)集成了兩片電可擦除存儲(chǔ)芯片AT24C512，存儲(chǔ)空間共有128KB，這樣可以讓機(jī)器人程序存儲(chǔ)器空間擴(kuò)充至190KB。AT24C512是Atmel公司生產(chǎn)的64KB串行電可擦的可編程存儲(chǔ)器，內(nèi)部共有512頁(yè)，每一頁(yè)為128字節(jié)，任一單元的地址為16 位，地址范圍為0000～0FFFFH之間。其優(yōu)點(diǎn)就是，采用8引腳封裝，結(jié)構(gòu)緊湊、存儲(chǔ)容量大。在測(cè)控系統(tǒng)中被大量采用，可以在2總線(xiàn)上并接4 片芯片，特別適用于具有大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)采用由德州儀器公司推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。串口通信指的是數(shù)據(jù)的各位按順序一位一位傳送。他的優(yōu)點(diǎn)就是，只需一對(duì)傳輸線(xiàn)，占用硬件資源少，適用于遠(yuǎn)距離通信，而缺點(diǎn)則是，傳送速度較慢。本設(shè)計(jì)所采用的是4pinRS232接口帶“CTS”判斷位，可以同時(shí)輸出RS232電平和TTL電平。由于電腦串口RS232電平是-10v+10v，而一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所采用的信號(hào)電壓是TTL電平0+5v，所以需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，這也就是使用max232的原因，該器件包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。

2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)雙足類(lèi)人形機(jī)器人行走控制系統(tǒng)的功能需求和硬件電路特點(diǎn)，軟件系統(tǒng)需要滿(mǎn)足以下3個(gè)要求：

1）軟件模塊化，并且需要有很好的可維護(hù)性，可擴(kuò)展性。

2）能夠?qū)崿F(xiàn)PWM 信號(hào)的分時(shí)復(fù)用，并且要保證PWM 信號(hào)的高精度。從而通過(guò)軟件，及時(shí)地改變PWM 的輸出。

3）可以滿(mǎn)足機(jī)器人多自由度控制的實(shí)時(shí)性。

3 結(jié)論

雙足類(lèi)人行機(jī)器人是近年來(lái)的前沿學(xué)科，它涉及人工智能、自動(dòng)控制、仿生、通訊、機(jī)械電子等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)融合。本論文重點(diǎn)研究了機(jī)器人的行走規(guī)劃以及GPS定位功能的實(shí)現(xiàn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠在平坦的地面上自由行走并具有GPS定位功能。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]