李澤杰 李發(fā)海 劉林 潘濤

摘 要：本文以模仿體育比賽的田徑項(xiàng)目為出發(fā)點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)了一款小型窄足競(jìng)步機(jī)器人系統(tǒng)方案，主要以STM32F103單片機(jī)為核心作為主控板，控制多個(gè)舵機(jī)進(jìn)行田徑動(dòng)作的模仿，進(jìn)而完成各種動(dòng)作。實(shí)踐證明，該機(jī)器人系統(tǒng)方案在實(shí)現(xiàn)各種田徑動(dòng)作時(shí)便于控制，反應(yīng)快，具有穩(wěn)定性高，速度快的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞：窄足機(jī)器人;STM32;舵機(jī)

在頒布《中國(guó)制造2025》后，機(jī)器人行業(yè)得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子，汽車制造、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療健康、家庭服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域，在去年疫情防控期間，無(wú)人配送、疫情消殺、測(cè)溫等機(jī)器人應(yīng)用于防控一線，這些機(jī)器人安全高效、成本低，為人們的生活帶來(lái)了極大的便利，同時(shí)也彰顯出了中國(guó)智能的力量，而窄足機(jī)器人的應(yīng)用研究與我們當(dāng)下的生活緊密相關(guān)，有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

窄足機(jī)器人的應(yīng)用研究主要是模仿人一樣的直立行走、跨步和翻轉(zhuǎn)，具有良好的自由度，使其動(dòng)作具有靈活自如的特點(diǎn)，主要的技術(shù)應(yīng)用有機(jī)械制作，單片機(jī)控制、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)等。在未來(lái)的生產(chǎn)生活中，機(jī)器人可以在極限環(huán)境下代替人工作業(yè)，如礦石勘探，水資源的開(kāi)發(fā)，應(yīng)急搜救等，具有非常良好的應(yīng)用前景。

基于此，本文針對(duì)窄足機(jī)器人的應(yīng)用研究提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、靈活的設(shè)計(jì)方案，能夠穩(wěn)定、快速的完成各種田徑動(dòng)作。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小型窄足競(jìng)步機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由以STM32F103RBT6為核心的主控板、6個(gè)伺服舵機(jī)、電池、機(jī)械支架組成，其中最為主要的是主控板和伺服舵機(jī)。主控板的作用是控制多個(gè)伺服舵機(jī)，使全身的舵機(jī)調(diào)整到合適的角度，以完成相應(yīng)的田徑動(dòng)作。伺服舵機(jī)的作用是構(gòu)成了窄足機(jī)器人的雙腿，成為了雙腿的關(guān)節(jié)，每一個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的就是機(jī)器人的一個(gè)自由度，所以說(shuō)窄足機(jī)器人一共有6個(gè)自由度，每一條腿有3個(gè)自由度。

在系統(tǒng)方案的調(diào)試中，主要通過(guò)PC上位機(jī)軟件對(duì)6個(gè)伺服舵機(jī)的角度參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后通過(guò)USB線傳輸給單片機(jī)，然后通過(guò)單片機(jī)控制6個(gè)伺服舵機(jī)完成相應(yīng)的角度調(diào)整，從而完成對(duì)應(yīng)的田徑動(dòng)作。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）控制器模塊

窄足機(jī)器人的控制器模塊選擇的是意法半導(dǎo)體ST公司生產(chǎn)的32位高性能ARM Cortex-M3內(nèi)核處理器STM32F103RBT6，該處理器集成度高，功能強(qiáng)、功耗低。其中有4-16M晶振、工作頻率高達(dá)72MHz、64個(gè)I/O外設(shè)接口、128KHz字節(jié)的Flash、7個(gè)定時(shí)器、7個(gè)DMA通道、多種通信接口及等多種功能。該處理器采用的是LQFP64封裝，一共有休眠、停止、待機(jī)三種工作運(yùn)行模式，支持串行線調(diào)試（SWD）和JTAG。

（二）伺服舵機(jī)模塊

窄足機(jī)器人的伺服舵機(jī)模塊是整個(gè)動(dòng)作完成的核心，每個(gè)舵機(jī)控制著機(jī)器人的一個(gè)自由度，模仿像人一樣的直立行走和翻滾，使用LX-824舵機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)的舵機(jī)具有無(wú)反應(yīng)區(qū)范圍小、固定性好、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，將舵機(jī)的可調(diào)角度設(shè)置為±90°，滿足規(guī)定的動(dòng)作的需要。多個(gè)舵機(jī)的連接方式采用總線式舵機(jī)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是所有的舵機(jī)串聯(lián)在一起，主控板發(fā)送控制信號(hào)后，相應(yīng)的舵機(jī)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的指令。

舵機(jī)主要是由馬達(dá)、齒輪組、電位器、控制板構(gòu)成。舵機(jī)是一個(gè)典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其工作原理就是首先馬達(dá)高速轉(zhuǎn)動(dòng)下提供動(dòng)力源，然后帶動(dòng)齒輪組，再帶動(dòng)輸出端的比例電位器做出一個(gè)位置的檢測(cè)，檢測(cè)之后把這個(gè)位置的角度轉(zhuǎn)變成比例電壓給控制電路，控制電路與電路的控制脈沖比較，進(jìn)行相應(yīng)的矯正，從而使舵機(jī)能夠轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置。舵機(jī)的控制原理是輸入一個(gè)周期性的正向脈沖信號(hào)后，產(chǎn)生一個(gè)PWM波，使舵機(jī)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，通過(guò)控制周期性脈沖的正脈沖寬度來(lái)改變伺服舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

在舵機(jī)速度調(diào)試過(guò)程中，將動(dòng)作運(yùn)行的平均速度通過(guò)劃分部分的方式來(lái)控制，幅度90°分為128部分，每一部分代表一個(gè)角度，通過(guò)每部分的停頓時(shí)間得出平均速度，大多數(shù)的舵機(jī)的速度單位都是“度數(shù)/秒”。

（三）電源模塊

窄足機(jī)器人的電源模塊，承擔(dān)著對(duì)整個(gè)機(jī)器人和各個(gè)模塊的供電，對(duì)于機(jī)器人整體規(guī)格、安全性等方面考慮，我們采用的是鋰電池，它的安全性能好、體積小、容量大、壽命長(zhǎng)、成本低。該電源供電主要分為2個(gè)部分，一部分產(chǎn)生5v的電壓通過(guò)穩(wěn)壓芯片進(jìn)一步產(chǎn)生3.3v電壓，進(jìn)而給控制器模塊和其他的外部模塊供電，另一部分，給驅(qū)動(dòng)電路、舵機(jī)供電。除此之外本電源方案有檢測(cè)電壓、散熱的功能。

三、軟件設(shè)計(jì)

窄足機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)，是基于keil5平臺(tái)，對(duì)STM32處理器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，采取C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫，主要包括對(duì)PWM舵機(jī)、電機(jī)控制、動(dòng)作組運(yùn)行、Flash存儲(chǔ)、上位機(jī)通信、伺服舵機(jī)控制等的程序設(shè)計(jì)，再通過(guò)PC端上位機(jī)平臺(tái)，對(duì)關(guān)節(jié)舵機(jī)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試的參數(shù)一般與實(shí)際的動(dòng)作的有一定的偏差，還應(yīng)該多在場(chǎng)地進(jìn)行程序運(yùn)行和微調(diào)，使機(jī)器人穩(wěn)定、快速的完成相應(yīng)動(dòng)作。

四、總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的窄足機(jī)器人系統(tǒng)方案，采用STM32單片機(jī)和伺服舵機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，綜合的運(yùn)用了嵌入式設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要是對(duì)硬件、軟件問(wèn)題的解決，在硬件中主要是對(duì)舵機(jī)的使用，控制周期性脈沖的正脈沖寬度，來(lái)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角度，又采用總線式連接將6個(gè)舵機(jī)進(jìn)行串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制，在軟件中，通過(guò)keil5平臺(tái)，對(duì)STM32單片機(jī)進(jìn)行PWM舵機(jī)、動(dòng)作組運(yùn)行、上位機(jī)的數(shù)據(jù)接受、舵機(jī)控制、Flash存儲(chǔ)等程序的編寫，再通過(guò)PC端上位機(jī)進(jìn)行舵機(jī)參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)方案的完成較好的實(shí)現(xiàn)了窄足機(jī)器人完成田徑動(dòng)作時(shí)穩(wěn)定性高、速度快的要求。

在后期的研究過(guò)程中，我們將進(jìn)一步的進(jìn)行改善，主要從以下3點(diǎn)：

增加藍(lán)牙和攝像頭模塊，通過(guò)增加攝像頭模塊進(jìn)行圖像識(shí)別和實(shí)時(shí)傳輸，再通過(guò)藍(lán)牙模塊，對(duì)機(jī)器人在手機(jī)端進(jìn)行較遠(yuǎn)距離控制，使機(jī)器人具有一定的生活實(shí)際應(yīng)用能力。

對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，使機(jī)器人的重心降低，在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程更加穩(wěn)定。

增加電池組，增強(qiáng)機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間，在不影響動(dòng)作組的完好運(yùn)行下，使電池容量增加。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔慶權(quán)， 尹遜和， 唐瑜謙. 一種競(jìng)賽型雙足競(jìng)步機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究[J]. 電子測(cè)量技術(shù)， 2015（11）：96-99.

[2余深孝， 李鋒， 馮俊凱. 淺析KHR-2HV機(jī)器人的控制原理及常見(jiàn)故障的處理方法[J]. 科技資訊， 2012， 000（022）：2-4

[3]沈紅衛(wèi).STM32單片機(jī)應(yīng)用與全案例實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.6.