劉衛(wèi)妍，龐金生，王文，張龍

基于AI技術的機器人設計

劉衛(wèi)妍，龐金生，王文，張龍

（天津職業(yè)技術師范大學，天津 300222）

針對減輕服務類行業(yè)繁重的勞動力和提高服務效率等問題，設計及實現(xiàn)了一種可以人機交互的基于AI技術的機器人。系統(tǒng)采用ZMP步態(tài)算法和三次多項式運動軌跡規(guī)劃等方法，通過STM32F7最小核心板、語音交互模塊和舵機驅(qū)動模塊等來控制機器人的行進動作。通過MATLAB中的Simulink可視化仿真工具實現(xiàn)3D仿真模型同機器人之間的協(xié)同動作。經(jīng)過最終的實驗檢測后，系統(tǒng)可以通過語音模塊和上位機界面實現(xiàn)人機交互功能。

人機交互；人形機器人；3D仿真實驗平臺；MATLAB

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設計

機器人系統(tǒng)主要包括硬件搭建部分、機器人行進控制算法部分和人機交互部分。通過UG（Unigraphics NX）建模軟件完成機器人的零件外殼設計并通過3D打印機打印成型。通過D-H建模法對機器人運動學進行求解后，采用三次多項式軌跡規(guī)劃法和ZMP步態(tài)算法來實現(xiàn)機器人的運動軌跡規(guī)劃及步態(tài)行走。上位機界面通過MATLAB GUI進行設計，利用Simulink模型實現(xiàn)實體機器人與Simulink機器人模型的線上動態(tài)3D仿真。

機器人模型協(xié)同仿真如圖1所示。

圖1 機器人模型協(xié)同仿真

2 系統(tǒng)硬件設計

人形機器人的系統(tǒng)控制板主要包括STM32F7最小核心板、語音交互模塊、姿態(tài)采集模塊、舵機驅(qū)動電路等，以此來實現(xiàn)對機器人的控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 微處理器最小系統(tǒng)

將STM32F7最小系統(tǒng)核心板與系統(tǒng)控制板相連接實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制，其微處理器的主頻高達216 MHz，可以高速完成系統(tǒng)的運算處理。通過將電路原理圖導入至PCB圖后，根據(jù)機器人內(nèi)部空間進行布局和規(guī)劃，使設計完成后的電路板剛好可以嵌入機器人體內(nèi)。

2.2 語音交互

語音交互模塊主要由LD3320芯片組成，該芯片內(nèi)部有高精度的模擬量和數(shù)字量轉(zhuǎn)換接口，通過與單片機控制系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)對聲音的采集和識別。

機器人根據(jù)識別到的信息做出相應的回應和執(zhí)行相應的操作工作，實現(xiàn)語言交互功能。

2.3 舵機驅(qū)動

采用串行總線通訊的SCS15舵機作為機器人的動力機構(gòu)，在位置伺服控制模式下的舵機轉(zhuǎn)動范圍為0°～200°。通過微處理器來控制舵機的角度，對每個舵機設定不同的節(jié)點ID地址，設定完成后將所有的舵機連接起來，利用ID廣播來實現(xiàn)對各個舵機的控制。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 機器人3D仿真設計

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，Simulink中的機器人器件模型在UG軟件中的3D設計模型，利用Solidworks與Simulink的接口實現(xiàn)模型的導入。通過輸入關節(jié)角度來控制關節(jié)轉(zhuǎn)動，機器人模型根據(jù)接收到MATLAB運算后的軌跡數(shù)據(jù)和實際機器人在線調(diào)試時傳回的關節(jié)數(shù)據(jù)實現(xiàn)機器人的實時在線3D仿真。

3.2 基于MATLAB的上位機界面設計

通過MATLAB中的guide工具可以對Simulink仿真模型進行交互，并且可以將在MATLAB所編寫的函數(shù)進行調(diào)用。機器人的上位機界面如圖3所示，在上位機界面對串口和波特率進行配置完成后，點擊“打開串口”即可實現(xiàn)機器人與上位機之間的通訊，通過上位機界面控制起立、下蹲、前進和后退等動作，還可以直接對機器人各個關節(jié)的角度進行控制。

圖3 上位機界面圖

4 結(jié)束語

本次設計通過MATLAB、UG（Unigraphics NX）和STM32F7最小系統(tǒng)核心板等設計了一款基于AI技術的機器人。最終的實驗檢測結(jié)果表明，可以通過語言與AI機器人進行交流，可以控制機器人的前進和后退等動作。它可以幫助人類完成多種場合的服務類工作，通過制定不同的服務類型來滿足不同場合的需要，對促進人工智能的發(fā)展具有重要的意義。

［1］明廷堂，李辰.MATLAB零基礎入門教程（實例版）［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2018．

［2］劉火良，楊森.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2017.

［3］唐策，趙現(xiàn)朝，齊臣坤.人形機器人建模與步態(tài)規(guī)劃［J］.機械制造與自動化，2012，41（4）：158-162.

［4］訾詩宇，李小斌，吳宏岐，等.一種人形機器人控制系統(tǒng)設計［J］.數(shù)字通信世界，2018（8）：38-69.

［5］王勇，王梨英.基于ARM的仿人形機器人的設計［J］.電子世界，2018（1）：108-109.

［6］張爽，鄔依林，葛偉亮，等.仿人服務機器人的平衡控制［J］.中山大學學報（自然科學版），2016，55（5）：14-20.

［7］史耀強，厲明勇，頓向明.雙足機器人基于ADAMS與Matlab的聯(lián)合仿真［J］.機械與電子，2008（1）：45-47.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.051

2095－6835（2019）20－0116－02

劉衛(wèi)妍（1997—），女，本科在讀，研究方向為自動化（電氣技術教育方向）。

〔編輯：嚴麗琴〕