雙足競步機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李佳怡

摘要：本設(shè)計是基于C8051F410單片機(jī)的雙足競步機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)，主要由主控模塊C8051F410單片機(jī)、數(shù)字舵機(jī)DS3115、語音模塊LD3320、以及光電傳感器E18-D80NK等組成，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙足機(jī)器人的行走、避障、語音控制等功能。

關(guān)鍵詞：雙足機(jī)器人；單片機(jī)；數(shù)字舵機(jī)；語音；避障

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0009-02

近年來，人們對于雙足機(jī)器人的研究發(fā)展迅速，仿人機(jī)器人作為機(jī)器人的一個重要的分支，無疑對機(jī)器人研究的技術(shù)和思想提出了更高的要求。雙足機(jī)器人有著仿人的外形、雙足步行的方式，因受環(huán)境限制等因素小，所以它擁有非常好的靈活性。現(xiàn)在，對雙足機(jī)器人技術(shù)的研究是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，不僅有重要的學(xué)術(shù)意義，并且在未來人們的生活中有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)由C8051F410單片機(jī)、數(shù)字舵機(jī)DS3115、語音模塊LD3320、以及光電傳感器E18-D80NK組成，通過語音模塊向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)接受到信號后開始輸出PWM信號控制六路數(shù)字舵機(jī)并通過軟件對數(shù)字舵機(jī)的角度進(jìn)行控制，從而完成雙足機(jī)器人行走的過程。當(dāng)光電傳感器模塊檢測到前方有障礙物時，單片機(jī)對舵機(jī)做出調(diào)整，使雙足機(jī)器人能順利避開障礙物。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)C8051F410

本設(shè)計采用C8051F410單片機(jī)作為控制核心，它可以提供高達(dá)50MIPS的8051核心處理器，C8051F410芯片內(nèi)含穩(wěn)壓器，給系統(tǒng)外部元器件提供電源。C8051F410采用32腳QFN封裝，具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器，是能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。C8051F410最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 數(shù)字舵機(jī)DS3115

控制系統(tǒng)選擇DS3115型號的數(shù)字舵機(jī)，主要由馬達(dá)、減速齒輪、控制電路等組成。舵機(jī)的控制信號是脈沖位置調(diào)制（PWM）信號，周期一般為20ms，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生變化，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。減速齒輪組由電機(jī)驅(qū)動，其輸出端帶動一個線性的比例電位器作為位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制單元，將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動電機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，達(dá)到舵機(jī)精確定位的目的。DS3115數(shù)字舵機(jī)和PWM脈沖寬度與輸出軸對應(yīng)圖如圖3所示。

2.3 語音模塊LD332

LD3320 芯片是一款語音識別專用芯片。該芯片集成了語音識別處理器和外部電路，包括AD、DA 轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。芯片不需要外接任何的輔助芯片，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實(shí)現(xiàn)語音識別/聲控/人機(jī)對話功能。而且識別的關(guān)鍵詞語列表是可以任意動態(tài)編輯的。LD3320電路原理圖如圖4所示。

2.4 光電傳感器E18-D80NK

避障模塊選用光電傳感器E18-D80NK，當(dāng)檢測到前方障礙物信號時，電路板上紅色指示燈點(diǎn)亮，同時OUT端口持續(xù)輸出低電平信號，該模塊檢測距離3～80cm，檢測角度35°，檢測距離可以通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時針調(diào)電位器，檢測距離增加；逆時針調(diào)電位器，檢測距離減少（由于紅外光的特性，不同顏色的物體，能探測的最大距離也有不同；白色物體最遠(yuǎn)，黑色物體最近）。

3 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)在軟件方面的設(shè)計主要有主程序，舵機(jī)打角程序，語音識別程序以及避障程序組成。主程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

本設(shè)計中雙足機(jī)器人采用了全金屬舵盤，高度約40CM，寬度為23CM，重量約為1500g，含6個自由度。其中，手臂2個自由度，腿部 4個自由度。機(jī)器人上電后，回歸到初始狀態(tài)，等待語音信號輸入，當(dāng)操作者說出“打開”兩字之后，機(jī)器人開始執(zhí)行行走動作，可分為抬腳、擺臂、出腳、落腳四個動作，分別對應(yīng)到每個舵機(jī)的打角的不同。通過光電傳感器檢測到障礙物，機(jī)器人及時做出抬腳動作，中部舵機(jī)向外側(cè)旋轉(zhuǎn)，緊接著另一條腿也向同一側(cè)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，重復(fù)此動作，直到光電傳感器檢測不到障礙物。雙足機(jī)器人實(shí)物圖如圖6所示。

5 結(jié)語

本設(shè)計是基于C8051F410單片機(jī)作為主控制器設(shè)計的一款具有6自由度的雙足競步機(jī)器人，該系統(tǒng)能夠通過語音指令控制雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了停止、前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、避障等動作。本設(shè)計應(yīng)用了先進(jìn)的機(jī)器人控制理論，可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人各個動作的精準(zhǔn)控制。同時，該設(shè)計也可用于雙足機(jī)器人的實(shí)驗教學(xué)。

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Abstract：This design is the motion control system of biped race walking robot based on C8051F410 MCU. It mainly includes the main control module C8051F410 microcontroller， digital rudder DS3115， voice module LD3320， and photoelectric sensor E18-D80NK and so on. The system can realize walking， avoiding obstacles， voice control and other functions of biped robot.

Key words：biped robot；MCU；digital rudder；voice；avoiding obstacles