苗志全

(華北科技學院電子信息工程學院，北京 東燕郊 101601)

0 引言

隨著信息時代的到來，機器人技術的發(fā)展是個必然的趨勢。機器人的出現(xiàn)并高速發(fā)展是社會和經(jīng)濟發(fā)展的必然，是為了提高社會的生產(chǎn)水平和人類的生活質(zhì)量。機器人學是一門高度交叉的前沿學科，獲得快速發(fā)展。教學用人形機器人的制作不僅可以使學生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關課程的專業(yè)知識，而且可以激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣，使他們樹立系統(tǒng)工程的概念，培養(yǎng)其獨立開展科學研究的能力。

基于當前機器人技術的發(fā)展，本項目所研制的機器人為教學用人形機器人，即設計的機器人能模仿人進行一些簡單的動作，比如:揮手、搖頭、行走、跳舞、唱歌等。教學用人形機器人屬于表演型機器人的范疇，主要考慮吸引學生興趣，提高學生動手參與能力，體現(xiàn)教學示范作用。

2 整體設計方案

2.1 結構框圖

圖1 教學用人形機器人結構圖

2.2 控制原理

本設計的教學用人形機器人的研制分為控制臺和教學用人形機器人兩部分組成。

控制平臺由4*4鍵盤和自復位按鍵模塊、12864液晶顯示模塊、無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和電源模塊組成。主要完成4*4鍵盤和自復位按鍵的檢測、液晶的顯示控制和無線數(shù)據(jù)的發(fā)送，達到對教學用人形機器人的控制。

教學用人形機器人的控制由兩塊CPU組成，實現(xiàn)CPU的聯(lián)合控制，即由一塊ATMEGA8和一塊ATMEGA128組成，其中ATMEGA8控制核心板主要由無線數(shù)據(jù)接收模塊、傳感器網(wǎng)絡、頭部伺服電機和RS232總線組成。ATMEGA8控制核心板主要完成無線數(shù)據(jù)的接收，根據(jù)接收到的控制碼再決定當前教學用人形機器人的工作模式和具體要執(zhí)行的何種動作，再將控制代碼以RS232總線傳送給ATMEGA128控制核心板。當教學用人形機器人工作于知道那個運行模式中時，ATMEGA8控制核心板根據(jù)外部的傳感器網(wǎng)絡和頭部伺服電機采集當前的環(huán)境參數(shù)，使其具有獨立運行的功能。而教學用人形機器人中的 ATMEGA128控制核心板主要任務就是接收 ATMEGA8控制核心板發(fā)送過來的RS232數(shù)據(jù)代碼，在根具控制代碼控制教學用人形機器人中的18個伺服電機，以使其完成各種模式下的動作。

本次設計的教學用人形機器人具有兩種工作模式，即受控模式和自動運行模式。受控模式，當處于受控模式中時，教學用人形機器人的所有動作均受到控制臺的控制，能完成和人類一樣的動作，包括:前進、后退、左轉、右轉、踏步、發(fā)聲和搖頭這些和人類相同的基本動作，另外我們在受控模式中還加設了教學用人形機器人良好的互動功能，即當人與其握手后具有跳舞的功能，具有很強的表演功能。自動運行模式，當處于自動運行模式中時，教學用人形機器人能自動進行良好的前進、后退、左轉、右轉、踏步、發(fā)聲和搖頭動作。在自動運行模式中，控制臺處于較高的控制優(yōu)先級中，即在模式中，控制臺也能實現(xiàn)實時的控制教學用人形機器人的停止。

3 硬件設計

3.1 控制臺

控制臺中的硬件設計主要包含電源模塊的設計、ATMEGA128控制核心板電路設計和制作、12864硬件、4*4鍵盤和自復位按鍵模塊組成。其中關于控制臺中電源模塊的考慮時，發(fā)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)為增加發(fā)送模塊的功率要求，需用12 V的電源，而ATMEGA128控制核心板和12864液晶的工作電源用的是5 V的電源，所以，電源的設計必須設計一個由12V－5V的變換電路，關于這部分的電源變換圖我們經(jīng)過綜合考慮，覺得如果選用7805三端穩(wěn)壓芯片的話，基本可以達到要求，但是其穩(wěn)定性不是很好，而選用穩(wěn)定性很好的穩(wěn)壓芯片LM2575來實現(xiàn)電源的變換。

圖2 控制臺流程圖

3.2 機器人

教學用人形機器人中的硬件設計主要包括電源模塊、傳感器網(wǎng)絡模塊、無線數(shù)據(jù)接收模塊、頭部伺服電機和18個教學用人形機器人肢體伺服電機驅動模塊、ATMEGA8控制核心板和 ATMEGA128控制核心板的設計。電源模塊的設計中，同控制臺一樣需提供12V和5V電源，但是教學用人形機器人中的電源設計卻不能采用控制臺中的電源變換方案，因為在教學用人形機器人中無線數(shù)據(jù)接收模塊使用12 V的電源，而 ATMEGA8控制核心板、ATMEGA128控制核心板和19的伺服電機使用的也是5 V的電源，這樣考慮到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，控制器就不能和伺服電機共用同一個電源，因為根據(jù)電機的參數(shù)計算得出，當教學用人形機器人在執(zhí)行動作時其電流大約為2.5 A左右，這么大的電流在電源設計上必須單獨處理。

基于以上特殊的電源要求，我們最后經(jīng)過綜合設計和可行性分析，決定采用電源分割技術來解決該問題，具體實施的方法是:所有的控制核心板使用一個獨立的電源模塊，該電源模塊由電池經(jīng)過一個穩(wěn)定性好的穩(wěn)壓芯片得出一個5 V電源，而所有的傳感器和伺服電機采用另一路電源，該電源也從電池引電，經(jīng)過一個大功率穩(wěn)壓芯片處理后得出另一路5 V電源，這樣相互之間的電源影響可以很小，從而是整個系統(tǒng)更穩(wěn)定的工作。

另外，在教學用人形機器人中使用的 ATMEGA128控制核心板和控制臺中的設計電路完全一樣。所以這里就不用再單獨設計了，但考慮到ATMEGA8控制核心板的控制作用，我們對其進行了設計，在該部分電路的設計中將所有的傳感器網(wǎng)絡接口和無線數(shù)據(jù)接收接口均提供出來，這樣在傳感器的使用時就非常的方便、快捷。

4 軟件設計

4.1 控制臺

控制臺中的ATMEGA129控制核心板主要完成4*4鍵盤和按鍵掃描，12864液晶的顯示控制和無線數(shù)據(jù)的發(fā)送。這樣控制臺中的整個程序流程圖如圖3所示。并且，考慮到系統(tǒng)后期的調(diào)試方便，程序移植方便，我們在編寫控制臺中程序時采用程序的模塊化設計思想，并采用當前應用最為廣泛的C語言來進行程序的編寫。

4.2 機器人

教學用人形機器人中的程序包括兩部分，分別為ATMEGA8控制板和ATMEGA128控制板中的程序編寫。ATMEGA8控制板中程序主要實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的接收，傳感器數(shù)據(jù)的處理和與AT-MEGA128控制板的 RS232通信。這樣，ATMEGA8控制板的程序流程圖如圖2所示。同控制臺一樣，我們在編寫這部分程序時也采用模塊化設計思想和C語言來進行編寫。ATMEGA128控制板中的任務主要為接收ATMEGA8控制板發(fā)送的控制數(shù)據(jù)和控制教學用人形機器人中的所有伺服電機的動作，考慮到控制數(shù)量很大，所以，ATMEGA128控制板中的程序主要是在執(zhí)行電機的控制，該部分的程序流程圖如圖3所示。這部分也采用模塊化設計思想和C語言進行編寫。

圖3 ATMEGA8控制板流程圖

在本設計中，使用的所有控制器(ATMEGA8和ATMEGA128)均是屬于AVR系列的控制器，所以，這使得我們在開發(fā)環(huán)境上更加方便、統(tǒng)一。我們采用的開發(fā)工具為iccv7ProLoader，該軟件使用非常方便，其使用界面如圖4所示，我們使用的程序下載軟件為AVR_fighter。

圖4 ATMEGA128控制板流程圖

圖6 iccv7ProLoader開發(fā)環(huán)境

5 系統(tǒng)整體調(diào)試

經(jīng)過對教學用人形機器人的研制設計的硬件設計和軟件設計的單獨、模塊化設計思想，使得我們在后期的系統(tǒng)整體調(diào)試中非常有針對性。我們在系統(tǒng)整體調(diào)試時，先對所有的硬件電路進行測試，如果硬件電路設計的參數(shù)達不到要求，我們先調(diào)試硬件，直至硬件電路均達到要求為止。并且，我們在硬件調(diào)試過程中，也同時進行軟件程序的編寫，軟件調(diào)試時先使用軟件的仿真功能調(diào)試程序，利用仿真功能將程序調(diào)試通過為主。這樣，當硬件調(diào)試好后，軟件的仿真也通過后，我們就開始進行軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，根據(jù)具體功能進行整體調(diào)試，直至所有功能均調(diào)試達到控制要求為止。經(jīng)過最后的調(diào)試，教學用人形機器人能和控制臺很好的工作，能實現(xiàn)要求的所有功能，并且，還增設了一定的擴展功能，整個系統(tǒng)能很穩(wěn)定、可靠地工作。

教學用人形機器人能實時的接收控制臺的控制碼，并能很穩(wěn)定、很準確地控制教學用人形機器人的所有動作，效果很好。并且控制臺中我們增設了12864液晶，實時顯示出當前的機器人運行狀態(tài)，運用鍵盤和按鍵提供良好的人機交互接口，這也使得整個系統(tǒng)非常人性化，操作者可以很方便地進行任何操作。

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