基于STM32雙足競步機器人的研究與設計

盧士林 李彩霞 張奎慶 段忠臣

摘 要：隨著工業的不斷發展和科技的不斷進步，智能機器人已逐步應用到各個生產領域，并促進機械、農業、家具等向智能化方向發展。為此，設計了雙足競步機器人。該機器人將先進的自動控制系統與機械設備的有效結合，并通過STM32單片機輸出pwm波形來控制舵機運動，從而實現機器人的前進、后退、轉彎等多個動作。而且本系統的功能還能延伸運用，可以很好地用于其它相關領域，具有一定的擴展應用價值和意義。

關鍵詞：雙足；競步；自控；舵機

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A

Research and design of biped walking robot based on STM32

LU Shilin， LI Caixia， ZHANG Kuiqing， DUAN Zhongchen

（School of mechanical and electrical engineering， Dezhou University， Dezhou Shandong 253023，China）

Abstract： with the continuous development of science and technology， intelligent robot has been gradually applied to all areas of production， and promotes the intelligent development of machinery， agriculture， furniture etc. To this end， the paper proposes the design of a biped walking robot. The robot researches the effective combination of the advanced automatic control system and mechanical equipment， and concretely applies PWM waveform output of the STM32 MCU to control steering gear， so as to realize stepping forward/backward， turning and other movements of the robot. And the function of the system could also be extended for use， which can be well used in other related areas， and has a certain value and significance of the expanding application.

Key words： double feet； step by step；automatic control； steering gear

0引言

雙足競步機器人是足式機器人中自動化程度最高、設計復雜測評指數獲居前茅的一款機器人。該機器人具有長久續航的特性，并且能適應各種惡劣的環境，不僅可以在平地上行走，而且還可以在階梯、坡道上穩定前進。雙足機器人的整體設計效果如圖1所示。而在機器人執行任務時，長久續航是最顯難度的執行項目。為此，研究中改良了傳統機械結構，在機器人的頂部加裝了太陽能發電裝置，不僅環保、節能，而且還可保證其持久工作。與其它雙足機器人相比，該機器人表現出動態支撐面的優勢特點，當面對階梯道路時，機器人重心變高，而此時機器人的支撐面積也會擴大，從而提升對道路的變化適應性。此外，由于雙足機器人具備著超出其他足式機器人的更佳靈活性，因此可以在各種環境中投入工作，甚至還可以與人類協同工作，因而在未來的工、農業生產以至現代智能家居方面均將獲得廣闊的應用前景和實現發展空間。

1總體設計方案

雙足競步機器人在系統結構上主要包括：傳感器電路、主控電路、穩壓電路、放大器電路及動力裝置等組成部分。系統設計框架如圖2所示。

2 工作原理及性能分析

2.1 供電方式

1） VCC 供電：3.3～5.5V

舵機的供電電壓為5V。傳感器加電后，要等待1s 以度過不穩定狀態，在此期間無需發送任何指令。電源引腳（VCC，GND）之間可增加一個100nF 的電容，用以達到去耦濾波目的。

2）穩壓裝置

采用電源供電后，需要給單片機、舵機、傳感器分別供電。為此，研發中采用了2940/2941穩壓芯片，進行穩壓供電。穩壓原理如圖3所示。

3）GND 共地，電源負極。

2.2舵機的工作原理

舵機的工作電壓為5.5～6.0V，工作電流為200mA。舵機就是將直流電機、電機控制器和減速器密封在一個便于安裝的外殼里的伺服單元。當進入工作進程時，首先由接收機的通道輸入信號，內部的基準電路將其轉化為基準信號，此時的信號與實際電壓形成對照比較，得到偏差，并將該差值反饋給控制器，最終由控制器驅動直流電機轉動特定角度，這樣就構造組建了舵機的閉環控制，由此舵機即可精準地轉動給定角度。此外，舵機內部的減速裝置，不僅降低了直流電機的轉速，同時也產生了強大的扭力矩，可以更好地來驅動機器人的各項擬人行為。在此，給出舵機與電流的對應關系如下：

0.025Ig--------------0°；0.05Ig------------45°；0.075Ig-----------90°；0.1Ig-----------135°；0.125Ig-----------180° ；

其中，Ig為20ms時基脈沖中的高電平部分。

2.3 主機單元

單片機作為控制器， 可以接收來自光電傳感器從外部檢測的環境信息，并將這些信息與預置的程序采用匹配連接方式處理，再通過單片機輸出pwm波形來控制舵機運動，使舵機轉動固定角度， 從而實現對機器人的前進、后退、轉彎等多個動作的操作與控制。

3結束語

機器人學是當今世界極為活躍的研究領域之一，而且其中涉及到了計算機科學、機械學、電子學、自動控制、人工智能等多個學科。機器人是一種現代光機電一體化的典型產品。隨著計算機、人工智能以及各類應用技術的迅速發展，機器人、尤其是工業機器人已廣泛應用于國民經濟各個領域。隨著第三次工業革命浪潮的來襲，工業機器人產業已然迎來了新一輪的發展熱潮，在面對機遇的同時，民族機器人企業如何開拓國內外機器人市場即已成為本土機器人企業亟需面對的重要問題。本文研究試圖為國內同類研究提供一定的實踐應用意義和學術借鑒價值。

參考文獻：

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