一種仿人競速機器人的結構和控制設計

魯攀 黎顯 呂海崗 李永祥

【摘? 要】隨著傳感器檢測技術與控制技術的高速發展，仿人機器人將在工業和家庭中得到廣泛應用，本項目將設計一個具有自動檢測黑白線功能的自主尋跡仿人競速機器人。可以模仿體育場上運動員的中短距離賽跑，機器人從起跑線出發，在類似環形賽道上直立行走快速行進一圈到達終點線后停止。具體控制原理如下：核心控制板基于Arduino系列單片機，各部件及轉動部分以數字舵機來驅動，識別及分辨路線通過光電傳感器檢測來實現。

【關鍵字】Arduino;光電傳感器;數字舵機

1、仿人機器人簡介

仿人機器人是當今機器人研究領域的研究熱點之一，大量學者都研究這一課題。該設計所研究的仿人競速機器人，可以模仿人類雙足直立行走，并要求其頭部、手臂有協調的配合功能，再輔助以各類傳感器，以使得該仿人機器人能夠自主識別周圍環境，快速靈活的完成競速行走功能。

在機器人行走的過程中，就需要機器人具有較高的雙足行走機動性能和可靠的傳感控制性能。因此，從優化傳感器和數字舵機的安裝布局入手，設計出合適的機器人結構，開發所需自由度較少、但機動性強、傳感靈敏可靠并且性價比高的仿人競速機器人具有重要的意義。

2、機械結構設計

仿人競速機器人的機械結構采用人性結構，如圖1所示，在各個關機處安裝有數字舵機，舵機可以帶動相應部位擺動。通過合理的控制算法可以控制多個舵機同時工作完成機器人腿部的抬起，邁出和落地，接著以該腿部為支點使得另外一條腿進行抬起，邁出和落地動作完成機器人的行走運動。在機器人行走的過程中，需要保持機器人的平衡性，因此機器人在行走過程中需要想人行走一樣具有手臂擺動的動作，這樣可以維持平衡，完成流暢快速的行走。

機器人在行走過程中難免會遇到障礙，在這里以黑色膠帶表示障礙，當機器人踩到黑線時，布置在其腳部的光電傳感器會檢測到信號，這時機器人對應的左轉和右轉動作，當機器人繞過障礙時可以繼續前行，直至到達終點線完成任務。

圖1 仿人競速機器人結構展示

3、控制系統設計

為了實現對多自由度復雜結構的仿人競速機器人的動作控制，需要較多控制路數的舵機控制板，仿人機器人系統的軟件采用了C語言編程，程序是采用Arduino IDE軟件編寫，該軟件提供了豐富的庫函數和供能強大的集成開發調試工具，可以完成編輯，編譯，連接，調試，仿真等能夠實現整個開發流程。

黑白跑道具有明顯的色差，光電傳感器會不間斷發射紅外線并向Arduino控制器發射信號，當Arduino探測到機器人接近或者踩到黑線時，向舵機控制模塊發送信號控制舵機運動使得機器人完成左轉或者右轉動作實現躲避障礙物的功能。如圖2示。

圖2 智能仿人機器人系統總體設計框圖

程序設計中需要在主函數中編寫多條判斷語句，判斷語句的執行部分皆為子函數。當判斷若無障礙物執行語句中的行走子函數，有障礙執行判定中的左轉或右轉子函數，從而完成對機器人行進中的避障功能。其中控制板的定時器會每隔5ms檢測紅外數據，根據數據不同來對判斷語句中的判斷條件執行相應的指令，進而達到仿人競速機器人的行進。

仿人競速機器人的軟件設計構思大致思路如圖3所示：

圖3 控制流程圖

4、展望

仿人機器人具有與人類最為相似的外觀，未來將會在人們的生活中扮演更加重要的角色，代替人們完成一些危險的的工作。并具其還在很多方面有擴展的能力，正逐漸在服務，醫療，教育，娛樂等多個領域得到廣泛應用。相信仿人機器人在未來會給人類帶來更巨大的驚喜。

參考文獻：

[1]于建均，李晨，左國玉，阮曉剛，王洋.仿人機器人步態平衡泛化模型的建立與仿真[J/OL].智能系統學報：1-9[2020-03-07].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20200305.0947.002.html.

[2]施群，呂雷，謝家駿.可變環境下仿人機器人智能姿態控制[J/OL].機械工程學報：1-9[2020-03-07].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20191224.1509.170.html.

[3]吳峰華，楊哲海，張玉萍，王昊，劉實，尹競瑤，金鑫，王承業，蓋宇.仿人足球機器人快速多目標識別方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2019，31（12）：2152-2165.

[4]吳悅.仿人機器人的設計與競賽應用[J].電子世界，2019（23）：136-137.

（作者單位：河南理工大學 機械與動力工程學院）