李佳怡

摘要：本設(shè)計(jì)是基于C8051F410單片機(jī)的雙足競(jìng)步機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由主控模塊C8051F410單片機(jī)、數(shù)字舵機(jī)DS3115、語(yǔ)音模塊LD3320、以及光電傳感器E18-D80NK等組成，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙足機(jī)器人的行走、避障、語(yǔ)音控制等功能。

關(guān)鍵詞：雙足機(jī)器人；單片機(jī)；數(shù)字舵機(jī)；語(yǔ)音；避障

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）06-0009-02

近年來(lái)，人們對(duì)于雙足機(jī)器人的研究發(fā)展迅速，仿人機(jī)器人作為機(jī)器人的一個(gè)重要的分支，無(wú)疑對(duì)機(jī)器人研究的技術(shù)和思想提出了更高的要求。雙足機(jī)器人有著仿人的外形、雙足步行的方式，因受環(huán)境限制等因素小，所以它擁有非常好的靈活性?，F(xiàn)在，對(duì)雙足機(jī)器人技術(shù)的研究是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，不僅有重要的學(xué)術(shù)意義，并且在未來(lái)人們的生活中有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由C8051F410單片機(jī)、數(shù)字舵機(jī)DS3115、語(yǔ)音模塊LD3320、以及光電傳感器E18-D80NK組成，通過(guò)語(yǔ)音模塊向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)接受到信號(hào)后開(kāi)始輸出PWM信號(hào)控制六路數(shù)字舵機(jī)并通過(guò)軟件對(duì)數(shù)字舵機(jī)的角度進(jìn)行控制，從而完成雙足機(jī)器人行走的過(guò)程。當(dāng)光電傳感器模塊檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，單片機(jī)對(duì)舵機(jī)做出調(diào)整，使雙足機(jī)器人能順利避開(kāi)障礙物。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)C8051F410

本設(shè)計(jì)采用C8051F410單片機(jī)作為控制核心，它可以提供高達(dá)50MIPS的8051核心處理器，C8051F410芯片內(nèi)含穩(wěn)壓器，給系統(tǒng)外部元器件提供電源。C8051F410采用32腳QFN封裝，具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器，是能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。C8051F410最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 數(shù)字舵機(jī)DS3115

控制系統(tǒng)選擇DS3115型號(hào)的數(shù)字舵機(jī)，主要由馬達(dá)、減速齒輪、控制電路等組成。舵機(jī)的控制信號(hào)是脈沖位置調(diào)制（PWM）信號(hào)，周期一般為20ms，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生變化，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。減速齒輪組由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出端帶動(dòng)一個(gè)線(xiàn)性的比例電位器作為位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制單元，將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，達(dá)到舵機(jī)精確定位的目的。DS3115數(shù)字舵機(jī)和PWM脈沖寬度與輸出軸對(duì)應(yīng)圖如圖3所示。

2.3 語(yǔ)音模塊LD332

LD3320 芯片是一款語(yǔ)音識(shí)別專(zhuān)用芯片。該芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和外部電路，包括AD、DA 轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。芯片不需要外接任何的輔助芯片，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話(huà)功能。而且識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表是可以任意動(dòng)態(tài)編輯的。LD3320電路原理圖如圖4所示。

2.4 光電傳感器E18-D80NK

避障模塊選用光電傳感器E18-D80NK，當(dāng)檢測(cè)到前方障礙物信號(hào)時(shí)，電路板上紅色指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)OUT端口持續(xù)輸出低電平信號(hào)，該模塊檢測(cè)距離3～80cm，檢測(cè)角度35°，檢測(cè)距離可以通過(guò)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離增加；逆時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離減少（由于紅外光的特性，不同顏色的物體，能探測(cè)的最大距離也有不同；白色物體最遠(yuǎn)，黑色物體最近）。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在軟件方面的設(shè)計(jì)主要有主程序，舵機(jī)打角程序，語(yǔ)音識(shí)別程序以及避障程序組成。主程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

本設(shè)計(jì)中雙足機(jī)器人采用了全金屬舵盤(pán)，高度約40CM，寬度為23CM，重量約為1500g，含6個(gè)自由度。其中，手臂2個(gè)自由度，腿部 4個(gè)自由度。機(jī)器人上電后，回歸到初始狀態(tài)，等待語(yǔ)音信號(hào)輸入，當(dāng)操作者說(shuō)出“打開(kāi)”兩字之后，機(jī)器人開(kāi)始執(zhí)行行走動(dòng)作，可分為抬腳、擺臂、出腳、落腳四個(gè)動(dòng)作，分別對(duì)應(yīng)到每個(gè)舵機(jī)的打角的不同。通過(guò)光電傳感器檢測(cè)到障礙物，機(jī)器人及時(shí)做出抬腳動(dòng)作，中部舵機(jī)向外側(cè)旋轉(zhuǎn)，緊接著另一條腿也向同一側(cè)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，重復(fù)此動(dòng)作，直到光電傳感器檢測(cè)不到障礙物。雙足機(jī)器人實(shí)物圖如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是基于C8051F410單片機(jī)作為主控制器設(shè)計(jì)的一款具有6自由度的雙足競(jìng)步機(jī)器人，該系統(tǒng)能夠通過(guò)語(yǔ)音指令控制雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了停止、前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、避障等動(dòng)作。本設(shè)計(jì)應(yīng)用了先進(jìn)的機(jī)器人控制理論，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各個(gè)動(dòng)作的精準(zhǔn)控制。同時(shí)，該設(shè)計(jì)也可用于雙足機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

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Abstract：This design is the motion control system of biped race walking robot based on C8051F410 MCU. It mainly includes the main control module C8051F410 microcontroller， digital rudder DS3115， voice module LD3320， and photoelectric sensor E18-D80NK and so on. The system can realize walking， avoiding obstacles， voice control and other functions of biped robot.

Key words：biped robot；MCU；digital rudder；voice；avoiding obstacles