基于STM32單片機的雙足競走機器人設(shè)計

楊蒙蒙，鄧三星，李 帥，畢戰(zhàn)文，楊嵐松

（黃河交通學(xué)院 河南省智能制造技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河南 焦作 454950）

0 引 言

隨著社會和科技的進(jìn)步，機器人出現(xiàn)在人們的視野，并逐漸代替人們服務(wù)于各行各業(yè)。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省發(fā)布的《2012年機器人產(chǎn)業(yè)市場趨勢》報告顯示：2035年，日本機器人市場50%左右的訂單來自服務(wù)業(yè)。意味著機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展將呈現(xiàn)爆發(fā)態(tài)勢。我國人口紅利在逐漸消失，勞動力成本上升，機器人需求增加。眾所周知，在沒有持續(xù)性研發(fā)資金供給和市場運作的背景下，國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化機器人的研究還處于相當(dāng)疲弱的狀態(tài)，而且前景堪憂。日本、德國、美國甚至韓國在計算機產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域正處于高速發(fā)展的狀態(tài)，各國差距越來越大。在當(dāng)前形勢下，我國應(yīng)加強對機器人領(lǐng)域的了解和研究，為以后的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

本文利用STM32單片機設(shè)計了雙足機器人的舵機控制系統(tǒng)，并對機器人的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和步態(tài)規(guī)劃，提高了機器人步態(tài)穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

本文設(shè)計的雙足機器人系統(tǒng)包含多個部分，主要由機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，包括機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動模塊、傳感模塊和控制模塊。機械結(jié)構(gòu)類似于人的骨架，它起到一個支撐平臺的作用，機器人的其他部分都是在此平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行安裝調(diào)試的。控制系統(tǒng)類似于人的大腦，它發(fā)出相關(guān)指令和信號來控制機器人完成設(shè)計的規(guī)定動作。雙足機器人驅(qū)動是通過舵機對其進(jìn)行控制的，而舵機的基本控制都是通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)進(jìn)行的。為了得到舵機的精確控制效果，本文設(shè)計了一個能夠輸出多路PWM信號的舵機控制器。

下面介紹雙足機器人的步態(tài)規(guī)劃。雙足機器人的特點是具有多個關(guān)節(jié)、多個驅(qū)動器、多約束等，因此機器人行走時的步態(tài)規(guī)劃控制難度較大，規(guī)劃機器人步態(tài)使其穩(wěn)定行走是本文設(shè)計的雙足機器人的關(guān)鍵。通過大量研究和分析人類行走方式以及翻跟斗的動作，設(shè)計出了雙足機器人的機械結(jié)構(gòu)并建立了簡化運動的模型；在此工作基礎(chǔ)上，根據(jù)ZMP原理完成機器人的步態(tài)設(shè)計和規(guī)劃，通過編程指令控制實現(xiàn)了一系列的動作，如前后移動、左右轉(zhuǎn)動、前后翻滾等動作，最后對步態(tài)進(jìn)行可行性測試。通過多次優(yōu)化和改進(jìn)，機器人的步態(tài)控制效果較好。在測試環(huán)節(jié)證明了雙足機器人的步行方式是所有步行方式中自動化程度最高的。

1.2 舵機與無線通信控制

舵機控制設(shè)計如圖1所示，根據(jù)PWM模塊程序初始化，判斷是否有傳感器的信息，如果沒有，PWM直接輸出；如果有，修改PWM占空比，再進(jìn)行輸出。

圖1 舵機控制設(shè)計流程

圖2為無線通信模塊流程，圖中主機的藍(lán)牙與控制器之間的通信是通過指令分組和數(shù)據(jù)分組完成的。當(dāng)主機執(zhí)行完畢1個指令分組時，控制器返回1個事件分組，并向主機發(fā)送指令的執(zhí)行情況以及控制器底層硬件的相關(guān)信息。藍(lán)牙模塊串口通信的建立過程包含初始化藍(lán)牙芯片、查詢周邊藍(lán)牙地址、建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、斷開連接等環(huán)節(jié)。

圖2 無線通信模塊流程

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

雙足機器人系統(tǒng)中所設(shè)計的雙足機器人結(jié)構(gòu)尺寸比例是根據(jù)人體下半身運動且按照比例縮放得到的，共六個關(guān)節(jié)。在制作前進(jìn)行了大量的仿真和實驗，參考了大量的數(shù)據(jù)，最終確定U型機架、腳底板、側(cè)面板、蓋板大小以及加工需要的夾件、卡件和連接件。經(jīng)過精加工，打孔并與螺絲裝訂，實現(xiàn)整個機器人的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

串行總線舵機控制板能夠控制6個串行總線舵機，因此雙足機器人的控制部分選用串行總線舵機控制板，控制舵機作為髖、膝、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動，使機器人完成各種動作。完成舵機控制的同時對機器人的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過FUSION360建模對機器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。在節(jié)約成本的前提下，并沒有使用彈性連接件和無線傳感器，并且最終實現(xiàn)前后翻和前進(jìn)等動作。

2.2 部分零件設(shè)計

本文設(shè)計的機器人機械結(jié)構(gòu)主要包含金屬支架、舵機控制板、銅柱、U形連接件、舵機、側(cè)面板和腳底板，如圖3所示。其中機器人機械結(jié)構(gòu)中的銅柱包括第一、第二銅柱，U形連接件包括第一、第二、第三、第四、第五U形連接件，舵機包括第一、第二、第三舵機。

圖3 機器人零件

2.3 整體效果設(shè)計

如圖4所示，機器人主要由金屬構(gòu)成，驅(qū)動部分主要分布在機器人機械結(jié)構(gòu)中的頂板、腿部結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)、腳底板等機械結(jié)構(gòu)處。在雙足機器人的設(shè)計和制作中，頂板與控制板之間通過多根第一銅柱固定連接，頂板與控制板之間要求相互保持平行；同時控制板下表面通過固定連接件分別與兩塊第一U形連接件的底座對應(yīng)連接，目的是為了增加雙足機器人的行走穩(wěn)定性，同時可以增大雙足機器人行走時的單步步伐長度，提高機器人的行走效率。如圖5所示為機器人的整體結(jié)構(gòu)，其身高約為260 mm。

圖4 機器人三視圖

圖5 機器人整體結(jié)構(gòu)

3 硬件電路設(shè)計

3.1 電源

圖6為機器人的整體電源電路。舵機和CPU共用一個電源，供電電壓為5～8.4 V，電源功率可根據(jù)舵機數(shù)量自行搭配，比如使用5～6個舵機時，額定電流要達(dá)到3 A以上；使用15～16個舵機時，額定電流要達(dá)到8 A以上。由于不是每個舵機都同時工作，所以隨著舵機增多，電流增長的速度可以適當(dāng)減小，比如當(dāng)使用24個舵機時，電流為10 A左右即可。

圖6 電源電路

3.2 控制板

硬件電路的控制板如圖7所示，具體模塊功能如下：

圖7 控制板

（1）USB調(diào)試口：主要用于與上位機通信，可調(diào)試/配置控制器的功能。

（2）紅外接口：可接入紅外接收頭，搭配紅外遙控使用，可控制總線執(zhí)行設(shè)備，或者作為其他觸發(fā)源使用。

（3）總線通信接口：兩組黃色端子就是總線通信接口，主要接Arduino拓展板總線接口。

（4）總線舵機接口：6組白色端子就是總線執(zhí)行接口，主要接執(zhí)行設(shè)備，如總線舵機、總線MP3、總線馬達(dá)等總線設(shè)備。理論上每條線上可串聯(lián)255個設(shè)備，考慮到線的承載能力，建議每條線上串聯(lián)不超過5個設(shè)備為宜。

（5）PWM舵機接口：主要是用于外接PWM舵機，共可接24路PWM舵機，其中白針為信號接口、紅針為舵機電源的正極、黑針為舵機電源負(fù)極。

3.3 舵機

在本設(shè)計中使用的舵機是成本較低且性能良好的伺服電動機。舵機具體的參數(shù)見表1所列；舵機尺寸及外觀如圖8所示。髖、膝、踝關(guān)節(jié)的驅(qū)動是控制機器人完成各種動作的關(guān)鍵。本設(shè)計中的機器人采用串行總線舵機控制板，可同時控制6個串行總線舵機，在沒有使用彈性連接件和無線傳感器的條件下，舵機的控制效果良好。

表1 舵機參數(shù)

圖8 舵機尺寸及外觀

4 軟件設(shè)計

4.1 基本指令

4.2 串行總線舵機通信

本機器人采用單總線通信方式，這種通信方式的最大特點就是不同舵機之間可串聯(lián)，最多可控制255個舵機。舵機內(nèi)部設(shè)計有主控芯片，能夠完成PWM的控制；用戶在使用時，通過一條命令即可完成6個舵機的控制，快捷簡單。舵機通信流程如圖9所示。

圖9 舵機通信流程

5 系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試

對機器人進(jìn)行調(diào)試的方法有兩種：一種是有線調(diào)試；另一種是無線調(diào)試，無線調(diào)試更方便快捷。兩種調(diào)試都是通過同一個軟件實現(xiàn)的，如圖10所示是正在進(jìn)行調(diào)試的應(yīng)用界面，在界面中點擊“高級—高級設(shè)置”，通過對PWM總控和時間總控的調(diào)整，使機器人在前進(jìn)的過程中充分展現(xiàn)每一個舵機的極限，進(jìn)而在翻滾等一系列動作中把極限都顯示出來。通過不斷地對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最好的控制效果。如圖11所示是在調(diào)試完成后，機器人穩(wěn)定直行前進(jìn)的動作，經(jīng)機體6個舵機的相互配合實現(xiàn)了機器人步態(tài)行走的動作。在這款仿人類雙足機器人中，采用基于ZMP的步態(tài)規(guī)劃算法對機器人的步行軌跡進(jìn)行預(yù)判，保證了機器人行走的穩(wěn)定性及外形美觀。

圖10 調(diào)試應(yīng)用界面

圖11 調(diào)試行走展示

6 結(jié) 語

本文設(shè)計的雙足機器人，其機械結(jié)構(gòu)美觀，前后排布軸對稱，膝關(guān)節(jié)至底板的高度與胯關(guān)節(jié)至頂面的高度呈軸對稱。在STM32單片機的控制下結(jié)合多種模塊，實現(xiàn)了機器人前后翻滾、左右轉(zhuǎn)動以及模擬步態(tài)行走的一系列動作，并且各個動作相對穩(wěn)定。盡管在行走的過程中，機器人會發(fā)生偏移，但是在不斷地實驗和調(diào)試后，最后實現(xiàn)了機器人的正常行走。本款機器人可以外接控制器二次開發(fā)，與WiFi攝像頭控制模塊外接，支持視頻傳輸和串口數(shù)據(jù)透傳；還可以與語音識別模塊外接，實現(xiàn)語音識別和控制機器人。這些都可以在后期的發(fā)展中逐步實現(xiàn)，為國內(nèi)相關(guān)機器人研究提供一些借鑒。