基于ROS的人形機器系統設計

廣東工業大學　李步恒　杜玉曉

0　引言

在過去的幾十年中，世界上許多高校、企業，亞洲是日本和韓國、歐洲是德國和法國，之外還有美國等國家，均投入大量的資金用于人形機器人中。到現在也有很多高質量的文章提出了有關機器人的機械設計、運動學、動力學和控制系統的問題，同時己經有很多的人形智能機器人被創造出來，其中整身的人形智能機器人，如ASIMO，QRIO，HUBO，NAO和ARMAR等，上半身的仿人機器人如Twendyone, Justin等；一些專注于面部表情機器人，如Geminoid[1]。國內長沙國防科技大學于2000年11月研制出我國首臺人形機器人——先行者，BHR-2型機器人，還有北京理工大學提出BHR-4仿人機器人[2]。雖然這些人形智能機器人的性能高，但是價格過高、性價比低、軟件代碼適用性差，如果從頭到尾開發機器人的軟硬系統勢必會造成開發周期長、開發難度大大提高，對于企業來說，需要一個模塊化、易于維護的人形機器人軟硬件系統顯得尤為關鍵。

針對以上的考慮，本研究采用目前流行的開源機器人次級操作系統---ROS系統，設計一種成本低、性能高、性價比高的人形機器人軟硬系統。

1　人形機器人硬件系統設計

1.1　硬件系統框架

人形機器人硬件系統主要由主控制器（PC104）和舵機控制板（STM32）兩部分構成，其結構圖如圖1所示。其中主控制器主要負責復雜計算，如步態規劃和圖像處理；舵機控制板主要對負責陀螺儀加速度計模塊的控制，收集機器人位姿信息，通過USB協議反饋回主控制器，之外，還直接與舵機通信，把上位機處理好的結果讓舵機做出相應的反應。

1.2　驅動系統設計

韓國Dynamixel 系列中的MX-28T舵機的位置、速度控制精度高，可達4096級，最大轉角為360°，控制角度分辨率為0. 088度/步。通信波特率范圍為8000bps ～ 4.5Mbps，通信協議類型為半雙工異步串口通信，其中具體的格式是8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗，STM32舵機控制板是根據20個舵機之間的唯一的ID進行識別，在TTL連接上，最大有254個舵機ID[3]。韓國Dynamixel 系列舵機都有提供了一個控制表，用來存儲舵機的狀態和控制信息，控制表是由RAM和EEPROM區組成[4]，所以，對MX-28T舵機的控制就是向其控制表中寫指令，獲取舵機狀態信息就是讀取控制表相應的值。

STM32舵機控制器和舵機之間通信按照MX-28T數據格式即可，控制舵機時候，是通過發送指令包給舵機，指令包的格式主要內容解釋有，0XFF是表示開頭，ID表示把數據發送給哪個舵機，LENGTH則表示當前發送指令包的長度，INSTRACTION就是使用控制表中的控制指令，PARAMETER表示發送的實際數據，最后校驗和的計算是全部參數相加[4]，最后取反即可。

圖1　人形機器人硬件系統

2　人形機器人軟件系統設計

研究模塊化的人形機器人軟件系統，使人形機器人具有高系統、高模塊和高擴展性[5]。人形機器人軟件系統的設計直接關乎到后續工作，設計出一套適合的軟件系統將會為后續的復雜算法的開發節省時間，在系統的可移植性上，盡量做到其他類似的平臺上也可以使用。為此除了在PC104移植ubuntu12.04系統，還在系統上構建次級系統---ROS系統，作為機器人的上層決策系統。

根據需求，設計層次化和模塊化的人形機器人系統，得出人形機器人軟件系統總體框架如圖2所示[6]。其中ROS平臺中的模塊是后續算法運行的基礎；上層控制中的模塊是需要另外開發的模塊，本文主要集中研究控制系統。

圖2　人形機器人軟件系統總體框架

上下通信模塊，主要負責與STM32舵機控制板通信和ROS系統進行數據傳輸；ROS平臺主要建立機器人的仿真模型，在模型上仿真實現機器人的各項功能；上層控制主要負責人臉識別、語音控制的等一些模塊的實現[7]。

3　ROS下人形機器人系統調試

設計完硬件電路和移植軟件系統，人形機器人軟硬件系統就搭建完，最后在系統上部署ROS系統，并在ROS上建立機器人仿真模型。其中，STM32的代碼需要預先編譯好在燒錄進去。

最后，通過對STM32調試，各傳感器模塊、電源模塊正常工作。把預先編譯好的程序下載到STM32舵機控制板，用串口調試助手觀察STM32串口的輸出數據，數據是正確的，表明預先編譯的程序是正常。最后把程序固化到STM32控制器上，，安裝到人形機器人上。在觀察與PC104串口的通信情況。通過多次的調試數據顯示，STM32控制板與二十個舵機還有傳感器模塊通訊正常，與PC104的通信也沒錯。

4　結束語

本研究利用開源機器人操作系統ROS，PC104和STM32等設計了一個人形機器人軟硬件系統。系統中使用的方法可以快速的構建一個人形機器人系統。實驗結果也表明，該人形機器人軟硬件系統設計方案合理，且具有高性能、低成本、性價比高，功能豐富和高擴展行等特點，同時，構建好的系統具有強大的性能，后期在其上開展步態控制、導航定位和路徑規劃等研究提供了重要的基礎。

[1]謝濤,徐建峰,張永學,強文義.仿人機器人的研究歷史、現狀及展望[J].機器人技術及應用,2007(3):29-34.

[2]宋健.智能控制超越世界的目標[J].中國自動化學會通訊,1999(14):7.

[3]Darrick Addison.Introduction to Robotics Technology[J].Developer Works,USA,September 2001.

[4]張茂川.仿人機器人理論研究綜述[D].吉林:東北電力大學,2010(4):166-168.

[5]李磊,葉濤,譚明,等.移動機器人技術研究現狀與未來[J}.機器人,2002,24(5):475-480.

[6]章小兵,宋愛國.地面移動機器人研究現狀及發展趨勢[J].機器人技術與應用,2005(2):19-23.

[7]Marques L,de Almeida,A T.Application of Odor Sensors in Mobile Robotics,In AutonomousRobotics Systems[M].Lecture Notes in Control and Information Science,1998:264-275.

[8]R AndrewRussell.Suvey of Applications for Odorssensing Technology，The International Journal of Robotics Research,2001,20(2):144-162.

[9]The Robocup Federation.Robocup 2010 List Of Awards[EB/OL].http://www.robocup2010.org/,2010-07-02.

[10]Guy Campion,Georges Bastin and Brigitte D’Anderea-Novel.Structural Properties and Classification of Kinematic and Dynamic Modles of Wheeled Robots[D].IEEE Transaction on Robotixd and Automation,I996,12(1):46-62.