魯攀 黎顯 呂海崗 李永祥

【摘? 要】隨著傳感器檢測(cè)技術(shù)與控制技術(shù)的高速發(fā)展，仿人機(jī)器人將在工業(yè)和家庭中得到廣泛應(yīng)用，本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)一個(gè)具有自動(dòng)檢測(cè)黑白線功能的自主尋跡仿人競(jìng)速機(jī)器人?？梢阅７麦w育場(chǎng)上運(yùn)動(dòng)員的中短距離賽跑，機(jī)器人從起跑線出發(fā)，在類似環(huán)形賽道上直立行走快速行進(jìn)一圈到達(dá)終點(diǎn)線后停止。具體控制原理如下：核心控制板基于Arduino系列單片機(jī)，各部件及轉(zhuǎn)動(dòng)部分以數(shù)字舵機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，識(shí)別及分辨路線通過(guò)光電傳感器檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵字】Arduino;光電傳感器;數(shù)字舵機(jī)

1、仿人機(jī)器人簡(jiǎn)介

仿人機(jī)器人是當(dāng)今機(jī)器人研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，大量學(xué)者都研究這一課題。該設(shè)計(jì)所研究的仿人競(jìng)速機(jī)器人，可以模仿人類雙足直立行走，并要求其頭部、手臂有協(xié)調(diào)的配合功能，再輔助以各類傳感器，以使得該仿人機(jī)器人能夠自主識(shí)別周圍環(huán)境，快速靈活的完成競(jìng)速行走功能。

在機(jī)器人行走的過(guò)程中，就需要機(jī)器人具有較高的雙足行走機(jī)動(dòng)性能和可靠的傳感控制性能。因此，從優(yōu)化傳感器和數(shù)字舵機(jī)的安裝布局入手，設(shè)計(jì)出合適的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，開發(fā)所需自由度較少、但機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、傳感靈敏可靠并且性價(jià)比高的仿人競(jìng)速機(jī)器人具有重要的意義。

2、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿人競(jìng)速機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用人性結(jié)構(gòu)，如圖1所示，在各個(gè)關(guān)機(jī)處安裝有數(shù)字舵機(jī)，舵機(jī)可以帶動(dòng)相應(yīng)部位擺動(dòng)。通過(guò)合理的控制算法可以控制多個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作完成機(jī)器人腿部的抬起，邁出和落地，接著以該腿部為支點(diǎn)使得另外一條腿進(jìn)行抬起，邁出和落地動(dòng)作完成機(jī)器人的行走運(yùn)動(dòng)。在機(jī)器人行走的過(guò)程中，需要保持機(jī)器人的平衡性，因此機(jī)器人在行走過(guò)程中需要想人行走一樣具有手臂擺動(dòng)的動(dòng)作，這樣可以維持平衡，完成流暢快速的行走。

機(jī)器人在行走過(guò)程中難免會(huì)遇到障礙，在這里以黑色膠帶表示障礙，當(dāng)機(jī)器人踩到黑線時(shí)，布置在其腳部的光電傳感器會(huì)檢測(cè)到信號(hào)，這時(shí)機(jī)器人對(duì)應(yīng)的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)動(dòng)作，當(dāng)機(jī)器人繞過(guò)障礙時(shí)可以繼續(xù)前行，直至到達(dá)終點(diǎn)線完成任務(wù)。

圖1 仿人競(jìng)速機(jī)器人結(jié)構(gòu)展示

3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多自由度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的仿人競(jìng)速機(jī)器人的動(dòng)作控制，需要較多控制路數(shù)的舵機(jī)控制板，仿人機(jī)器人系統(tǒng)的軟件采用了C語(yǔ)言編程，程序是采用Arduino IDE軟件編寫，該軟件提供了豐富的庫(kù)函數(shù)和供能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，可以完成編輯，編譯，連接，調(diào)試，仿真等能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)開發(fā)流程。

黑白跑道具有明顯的色差，光電傳感器會(huì)不間斷發(fā)射紅外線并向Arduino控制器發(fā)射信號(hào)，當(dāng)Arduino探測(cè)到機(jī)器人接近或者踩到黑線時(shí)，向舵機(jī)控制模塊發(fā)送信號(hào)控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)使得機(jī)器人完成左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)躲避障礙物的功能。如圖2示。

圖2 智能仿人機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

程序設(shè)計(jì)中需要在主函數(shù)中編寫多條判斷語(yǔ)句，判斷語(yǔ)句的執(zhí)行部分皆為子函數(shù)。當(dāng)判斷若無(wú)障礙物執(zhí)行語(yǔ)句中的行走子函數(shù)，有障礙執(zhí)行判定中的左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)子函數(shù)，從而完成對(duì)機(jī)器人行進(jìn)中的避障功能。其中控制板的定時(shí)器會(huì)每隔5ms檢測(cè)紅外數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)不同來(lái)對(duì)判斷語(yǔ)句中的判斷條件執(zhí)行相應(yīng)的指令，進(jìn)而達(dá)到仿人競(jìng)速機(jī)器人的行進(jìn)。

仿人競(jìng)速機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)構(gòu)思大致思路如圖3所示：

圖3 控制流程圖

4、展望

仿人機(jī)器人具有與人類最為相似的外觀，未來(lái)將會(huì)在人們的生活中扮演更加重要的角色，代替人們完成一些危險(xiǎn)的的工作。并具其還在很多方面有擴(kuò)展的能力，正逐漸在服務(wù)，醫(yī)療，教育，娛樂(lè)等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。相信仿人機(jī)器人在未來(lái)會(huì)給人類帶來(lái)更巨大的驚喜。

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（作者單位：河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）