西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 吳仲雪 韋金玲 金 鳳 馬玉鳳 梁蘭方 王 濤

仿人形機(jī)器人

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 吳仲雪 韋金玲 金 鳳 馬玉鳳 梁蘭方 王 濤

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷進(jìn)行，創(chuàng)新型教育逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，本研究針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款以單片機(jī)為主要控制芯片，由語(yǔ)音模塊、電源模塊之間相互協(xié)調(diào)控制的仿人形機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)舵機(jī)串行、并行控制各個(gè)關(guān)節(jié)，能夠根據(jù)語(yǔ)音命令執(zhí)行相應(yīng)的舞蹈動(dòng)作，既能娛樂(lè)大眾，又能達(dá)到培養(yǎng)青少年創(chuàng)新精神的目的。

舵機(jī)；語(yǔ)音控制；創(chuàng)新型教育；機(jī)器人

0 引言

教育是一個(gè)國(guó)家發(fā)展的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的教育是理論知識(shí)對(duì)認(rèn)知的洗禮，主要目的是擴(kuò)增知識(shí)面，而創(chuàng)新型的教育旨在培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新精神，激發(fā)青少年對(duì)于新興的具有創(chuàng)新性的發(fā)展方向探索的熱情，為社會(huì)甚至是國(guó)家培育優(yōu)秀的未來(lái)創(chuàng)造者打下良好的基礎(chǔ)。本文建立在此基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于仿人形機(jī)器人的研究，設(shè)計(jì)了一款以語(yǔ)音及舵機(jī)為主要控制系統(tǒng)的機(jī)器人，此設(shè)計(jì)及相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)在青少年教育、休閑娛樂(lè)等方面有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用，在宣傳創(chuàng)新的過(guò)程中，提高了自動(dòng)化程度，為未來(lái)大部分的產(chǎn)業(yè)走向自動(dòng)化奠定了良好基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

主控為單片機(jī)，由舵機(jī)以及仿人形的骨架關(guān)節(jié)為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括語(yǔ)音模塊以及電源模塊等組成，使用PID算法及C語(yǔ)言進(jìn)行編程。舵機(jī)主要控制各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，使其能夠執(zhí)行諸多較為復(fù)雜的舞蹈動(dòng)作，語(yǔ)音模塊用于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制的目的。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

仿照人體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出機(jī)器人的基本框架，確定89C51芯片的位置，確定各個(gè)舵機(jī)以及語(yǔ)音模塊、電源模塊和主控單片機(jī)的具體位置，進(jìn)行硬件部分搭建，使各個(gè)部分整體美觀且能夠正常執(zhí)行相應(yīng)的功能。用PID算法和C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)，調(diào)節(jié)好語(yǔ)音模塊與舵機(jī)之間的聯(lián)系，當(dāng)收到語(yǔ)音命令時(shí)，機(jī)器人做出正確動(dòng)作且不發(fā)生錯(cuò)誤。進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音模塊、傳感器、舵機(jī)之間相互協(xié)調(diào)的智能化控制。本設(shè)計(jì)機(jī)器人內(nèi)將設(shè)有特定歌曲的文件，在做出動(dòng)作的同時(shí)或者其他要求的時(shí)候播放音樂(lè)，大大提高其在娛樂(lè)方面的應(yīng)用。

2 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 舵機(jī)的控制

本設(shè)計(jì)所用到的舵機(jī)的工作流程為：控制信號(hào)→控制電路板→電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)→齒輪組減速→舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)→位置反饋電位計(jì)→控制電路板反饋。它的控制信號(hào)周期為20MS的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5-2.5MS,相對(duì)應(yīng)的舵盤位置為0－180度，呈線性變化。也就是說(shuō)，給他提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持一定對(duì)應(yīng)角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎么改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)位置上如圖7所求。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20MS，寬度1.5MS的基準(zhǔn)信號(hào)，有一個(gè)比出較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷出方向和大小，從而生產(chǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。

2.2 語(yǔ)音模塊

通過(guò)語(yǔ)音模塊接收使用者下達(dá)的命令，由主控單片機(jī)下達(dá)指令，由其對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，做出相應(yīng)的技術(shù)動(dòng)作?？刂普甙l(fā)出播放歌曲命令，機(jī)器人自動(dòng)播放音樂(lè)，從而達(dá)到人機(jī)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由語(yǔ)音進(jìn)行控制的目的，大大提高其智能化程度。

2.3 傳感器

本設(shè)計(jì)使用的多為用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)(如手臂間角度)的傳感器，即內(nèi)部傳感器，多為檢測(cè)位置和角度的傳感器。在機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)活動(dòng)以及執(zhí)行各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，用于調(diào)節(jié)肢體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及將要運(yùn)動(dòng)到的位置的感知。

2.4 外部控制

本設(shè)計(jì)除了一部分自主編寫(xiě)的內(nèi)部程序之外，還可以通過(guò)外部軟件APP對(duì)其動(dòng)作進(jìn)行控制，在APP 中添加入所想看到的動(dòng)作，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸，機(jī)器人能夠執(zhí)行相應(yīng)要求的動(dòng)作，甚至播放音樂(lè)。

圖2 程序設(shè)計(jì)流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程圖如右圖所示，主要由單片機(jī)控制，由語(yǔ)音模塊接收使用者發(fā)出的語(yǔ)音命令并把數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，主控單片機(jī)向舵機(jī)發(fā)出指令，控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，這樣，機(jī)器人就能按照指令完成相應(yīng)的技術(shù)動(dòng)作。圖2為程序設(shè)計(jì)流程圖。

4 結(jié)論

（1）本設(shè)計(jì)的研究應(yīng)用語(yǔ)音智能化控制的理念，將其與舵機(jī)結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢(shì)，使得機(jī)器人更具智能化。

（2）系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、 成本低及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)， 具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與商業(yè)推廣價(jià)值。

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Imitation humanoid robot thesis

WU Zhong-xue，WEI Jin-ling，JIN Feng，MA Yu-feng，LIANG lan-fang，Wang Tao
（School of Electrical Engineering，Northwest University for Nationalities，Lanzhou ,730030,China）

With the continuous construction of economic construction，the innovation education gradually dominates.In this paper，this paper designs a kind of imitated humanoid robot，which is controlled by voice module and power module.，The robot through the steering gear serial，parallel control of the joints，according to the voice command to perform the corresponding dance action，both entertainment public，but also to cultivate the purpose of cultivating young people’s innovative spirit.

steering gear；voice control；innovative education；robot

吳仲雪（1997—），女，重慶江津人，大學(xué)本科，研究方向：通信工程。

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院本科生科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助。