智能家居類人機器人

馬春杰 丁學文 黃健 徐麒麟 高茂華

【摘 ?要】近年來，類人機器人也在快速發展并在較多領域得到開發應用，據此本課題旨在開發一款能夠通過紅外遙控的智能多自由度家居類人機器人。本設計以STC12C5A60S2芯片為核心搭建機器人的控制系統，通過裝載17個SH14-M舵機來實現機器人的多自由度，通過對機器人的步態規劃進行機器人動作設計，最后利用紅外遙感技術進行遙控，實現了機器人的行走、轉向、跳舞等多種動作。

【關鍵詞】智能;類人機器人;步態規劃;伺服舵機;紅外遙控;

1.引言

現今，隨著微電子技術的更新與發展，類人機器人的鉆研范圍一直在擴展，起初類人機器人只能模仿人類的肢體動作，到現在去研究類人機器人模仿人類的聽覺、視覺、嗅覺，甚至通過AI智能芯片模仿人類分析事物。早在2000年本田公司宣布推出名為Asimo的行走機器人，它的運動能力與范圍具有更高的實現性。此外，我國研制的“匯童”仿人機器人取得了重大成果，目前已推出第5代。國內外的家居類人機器人也正在研發當中，只是還沒有得到廣泛應用，本課題設計了一款家居類人機器人，可以放松人們的生活，具有很好的應用前景。

2.機器人機體機械結構原理與設計

2.1加藤一郎結構

對于機器人的機體結構設計，本課題是參照加藤一郎結構體來進行的。加藤一郎結構體，顧名思義，就是加藤一郎教授在1966年提出的一種仿人形機器人機體結構，其將機器人分為頭、軀干、四肢三個部分，經過簡化和建模，形成了機器人的基本結構并一直延續至今，因此在學術界中習慣稱該機體結構為“加藤一郎結構體”，加藤一郎教授也因此被稱為仿人形機器人之父。

2.2機械結構原理

如同人類一樣，類人機器人也擁有關節，其中腿部關節是最為關鍵的一部分，因為機器人的翻轉、舞蹈、行走等動作要靠它來完成。本課題機器人腿部示意圖如圖1所示。在機器人學中，將機器人的關節稱作“自由度”，其代表機器人所擁有的關節的數目，多自由度即是代表著機器人可以較大程度的滿足需求，做出更加復雜的動作。實際設計時，用伺服舵機代替機器人的各關節，伺服舵機既是機器人移動的驅動力，也是平衡信息的收集器，伺服舵機內置有位置探測器，可以檢測到舵機自身的平衡信息，并實時傳送給控制系統，然后控制系統會計算出使機體平衡時對應的調節量，再發送回來給舵機，最后舵機根據數據進行調節，經過多個舵機之間良好的統籌規劃，就能控制好機器人在進行行走或者其他動作時的平衡狀態。

在機器人的運動中，自調節能力起到了至關重要的作用，其中，零力矩點ZMP（Zero Moment Point）的應用起到了至關重要的作用，它會使機器人在受力運動中幫助機器人尋找到合適的落腳點。

3.系統硬件設計

本課題采用的主控硬件是STC12C5A60S2單片機，并以紅外遙控作為人機交互方式的一款多自由度人形機器人，STC12C5A單片機具有更強大的功能，使機器人的運行動作更為敏捷和精確，另外通過紅外遙控器選擇機器人要進行的動作，按下按鈕進行不同動作之間的切換。系統組成框圖如圖2所示。

3.1 STC12C5A60S2控制板

STC12C5A60S2為宏晶科技生產的新一代51單片機，和 舊一代51單片機相比，它的功耗更低，運行速度更快，此外，并具有超強抗干擾能力，對于內部結構，它集成了MAX810專用復位電路，內置2路PWM方波，更是針對這一特點，我們更能將其運用到本課題的類人機器人當中。

3.2伺服舵機

舵機，又稱伺服電機，在本設計中作為機器人關節的扭動力，其原理是管制信號通過調制芯片來獲得一個直流穩壓電源，這個直流穩壓電源與電位器的基準電壓相比較，得出的比較量會使電機驅動芯片產生一個電壓差從而決定電機是正轉還是反轉。扭力和轉速是舵機很重要的兩個性能指標，其中扭力是指舵機使物體產生扭轉形變的力，而轉速則是舵機從一個位置到另一個位置所需的時間，一般來說舵機的控制結果由PWM信號決定，PWM是脈沖寬度調制的縮寫形式，工作原理為：經過脈沖的寬度的調制效應，等效出一定形狀及幅值的波形，最后通過調節占空比，使機器人輸出正確有效的動作。本課題選用的是SH14-M舵機，它是專業的小型伺服電機，重復定位準確，旋轉迅速。制作小型人形機器人，要求舵機的扭矩達到10kg.cm以上，SH14-M數字舵機能夠完全滿足這個要求。

3.3紅外遙控模塊

紅外發射模塊：電源3.3V或5V，通過發射管發射38KHz的紅外信號，高電平驅動紅外接收模塊：電源3.3V或5V，可接收紅外信號，并解調成邏輯電平，低電平有效。

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4.系統軟件設計

4.1主程序設計

本設計軟件采用keil軟件編譯，用C語言編程，再燒錄到單片機中進行調試。本設計通過紅外遙控按鍵選擇機器人要進行的動作，操作方簡單。圖7為機器人主程序流程圖。上電以后，程序進行初始化，然后通過按鍵選擇行走、蹲下、前滾翻等動作，機器人接收到指令，就會按照指令執行。

機器人的頭部、手臂、腿部關節均是由伺服舵機驅動。頭部扭轉，手臂擺動相對而言較簡單。腿部結構是舵機數量較多也是較為復雜的，不論是在硬件組裝還是程序設計上都下了較大功夫。其中，行走又是最為基本的動作，因此下面重點介紹一下行走子程序。

4.2行走程序設計

首先機器人需要先執行一段下蹲程序，原因是下蹲狀態的重心會下移，對于機器人的平衡有很大的幫助。

其實人類在行走的過程中，第二步的步伐長度實際上是第一步步伐長度的兩倍，因此本課題將機器人的行走姿勢設計成如同人類一樣，即行走開始后左腿先邁出半步，這半步與左腿前進一步相比，前進過程是相同的，但是步伐是后者的一半。

緊接著是右腿前進一步和左腿前進一步，前進步伐的大小取決于積分步數。這兩步循環N遍，N即是控制系統設定的前進的步數。

當循環次數達到后，即機器人走完設定的步數后，右腿需要跟進半步，因為在行走剛開始的時候，左腿前進了半步，右半步的步伐長度和左半步相同。最后，機器人起立流程與下蹲正好相反。

5.結論

類人機器人是基于STC12C5A60S2設計的一款多自由度，由舵機以及PWM方波控制的機器人，其運行十分高效并有較大的實用性。通過PWM方波的精確計算，機器人各個關節的扭轉角度也在控制范圍之內。此外，紅外遙控器的設置使其在家庭使用中更為方便，其多種運行動作在家居娛樂方面做出了很大貢獻，在家居使用的開發中具有開闊的前景。

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作者簡介：

馬春杰，女，天津市人，天津職業技術師范大學本科學生。

（作者單位：1.天津職業技術師范大學電子工程學院;2.天津市高速鐵路無線通信企業重點實驗室）