徐格威　栗麗　陳雪

【摘 要】雙足類人行機器人一直都是國內外非專業(yè)和專業(yè)機器人愛好者重點研究的項目。介紹了具有GPS定位功能的雙足機器人的行走運動控制，主要研究了對標準的“加藤一郎”約束結構的人形機器人進行行走運動控制，對硬件的控制系統(tǒng)進行合理的設計，動作流程的規(guī)劃，完成軟件的編程。機器人選取了被人們廣泛使用的51系列單片機，采用的是單片機STC12C5A60S2，并集成了GPS模塊，使機器人擁有了定位功能。

【關鍵詞】人形機器人；單片機STC12C5A60S2；GPS；“加藤一郎”約束結構

0 引言

類人形步行機器人的控制還有它的相關技術的研究無論是在國內還是國外的機器人領域中都有著重要研究價值，同時機器人的研究成果和當今的社會有著密不可分和不容忽視的意義，所以這項科學一直成為機器人研究的熱點之一。

時至今日，設計并完成具有GPS定位功能的類人形機器人的運動控制，需要滿足以下幾個基本功能：其一是研制出兩足步行機構，并使其能在許多結構性、非結構性環(huán)境中完成行走任務，從而代替人類進行諸如延伸、作業(yè)、擴大活動等領域；二是更多地了解和掌握人類步行時的特性和技巧，并且利用這些特性來為人類服務；三是兩足人形機器人的步行系統(tǒng)，具有極為豐富的動力學特性。在這方面進行的研究，可以拓寬力學以及機器人學的研究方向。

1 系統(tǒng)結構設計

本設計采用STC12C5A60S2 單片機作為主控芯片，集成了兩片存儲芯片AT24C512，GPS定位模塊并設計了35個IO雙向接口，用于傳感器及電機的集成。

硬件部分的控制器主要采用的是STC12C5A60S2 單片機。單片機的工作電壓為3.3 V～5.5 V（5V單片機），兼容普通8051的定時器或4個外部中斷，工作頻率在0-35MHz之間，有6個16位定時器，具有看門狗和EEPROM功能，并且內部集成MAX810專用復位電路 。使用內部R/C振蕩器時鐘 11MHz-17MHz。

GPS模塊性能的價值指標主要有接收靈敏度、定位時間、位置精度、時間精度、功耗等。在不同的啟動模式下，模塊開機定位時間有很大不同。一般來說，模塊內部沒有保存任何有助于定位的數據的情況稱為冷啟動時間，包括星歷、時間等，一般標稱在1分鐘以內；模塊內部有較新的衛(wèi)星星歷（一般不超過2小時），但時間偏差很大的，稱為溫啟動時間，一般標稱在45秒以內；熱啟動時間是指關機不超過二十分鐘，并且RTC時間誤差很小時的情況。

人形機器人設計了35個IO接口，其中包括萬能接口11個，萬能接口可以選擇7.4V 或5V 電壓供電，可選上拉電阻或下拉電阻?？捎糜诟鞣N擴展舵機和傳感器。

由于雙足機器人運動控制的復雜性，為機器人使用的STC12C5A60S2單片機集成了兩片電可擦除存儲芯片AT24C512，存儲空間共有128KB，這樣可以讓機器人程序存儲器空間擴充至190KB。AT24C512是Atmel公司生產的64KB串行電可擦的可編程存儲器，內部共有512頁，每一頁為128字節(jié)，任一單元的地址為16 位，地址范圍為0000～0FFFFH之間。其優(yōu)點就是，采用8引腳封裝，結構緊湊、存儲容量大。在測控系統(tǒng)中被大量采用，可以在2總線上并接4 片芯片，特別適用于具有大容量數據存儲要求的數據采集系統(tǒng)。

本設計采用由德州儀器公司推出的一款兼容RS232標準的芯片。串口通信指的是數據的各位按順序一位一位傳送。他的優(yōu)點就是，只需一對傳輸線，占用硬件資源少，適用于遠距離通信，而缺點則是，傳送速度較慢。本設計所采用的是4pinRS232接口帶“CTS”判斷位，可以同時輸出RS232電平和TTL電平。由于電腦串口RS232電平是-10v+10v，而一般的單片機應用系統(tǒng)所采用的信號電壓是TTL電平0+5v，所以需要進行電平轉換，這也就是使用max232的原因，該器件包含兩個驅動器、兩個接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。

2 軟件設計

根據雙足類人形機器人行走控制系統(tǒng)的功能需求和硬件電路特點，軟件系統(tǒng)需要滿足以下3個要求：

1）軟件模塊化，并且需要有很好的可維護性，可擴展性。

2）能夠實現PWM 信號的分時復用，并且要保證PWM 信號的高精度。從而通過軟件，及時地改變PWM 的輸出。

3）可以滿足機器人多自由度控制的實時性。

3 結論

雙足類人行機器人是近年來的前沿學科，它涉及人工智能、自動控制、仿生、通訊、機械電子等多個領域的技術融合。本論文重點研究了機器人的行走規(guī)劃以及GPS定位功能的實現，經實驗驗證，所設計的機器人能夠在平坦的地面上自由行走并具有GPS定位功能。

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[責任編輯：鄧麗麗]