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摘要：針對以往教育機器人自由度少、控制不靈活、教育功能弱的缺點，使用高集成度ARM芯片設計了一個簡潔的17自由度人形機器人控制系統(tǒng)。規(guī)劃了機器人的軟硬件結(jié)構(gòu)，設計了控制電路和驅(qū)動系統(tǒng)，采用1個定時器產(chǎn)生17路PWM驅(qū)動信號。重點以實例講解了波形產(chǎn)生及驅(qū)動函數(shù)的編寫方法和技巧。設計的機器人能夠完成整套體操運動。這種方法在多自由度機器人操控和教學中具有廣泛的借鑒意義。 1 系統(tǒng)方案設計 人形機器人控制系統(tǒng)包括機器人控制器和機器人遙控器兩部分。其中控制器以飛利浦公司的ARM7處理器為核心，包含17個舵機控制驅(qū)動電路與接口、串口通信調(diào)試電路、遙控接口、電源等。通過串口下載和傳輸控制信息。機器人遙控器使用無線模塊向機器人控制器發(fā)送指令，控制機器人完成規(guī)定動作。 2 硬件設計 人形機器人控制器主板由控制核心LPC2114、電源及檢測電路、外部晶振、JTAG調(diào)試接口、串口模塊、遙控模塊、舵機接口、LED指示燈等組成，組成框圖如圖1所示。 LPC2114基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有128 k字節(jié)的高速Flash存儲器，非常小的LQFP64封裝、極低的功耗、2個32位定時器、4路10位ADC、PWM輸出、46個GPIO以及多達9個外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和電子收款機(POS)等[2]。 較高的功能集成度和強大的端口驅(qū)動能力使得機器人控制器主板電路的核心部分非常簡潔，基本上實現(xiàn)了單芯片的設計，如圖2所示為LPC2114控制器電路和4個舵機的驅(qū)動接口電路，其余13個舵機驅(qū)類同。 考慮到教育機器人的運動平衡控制，將PCB電路板按圖3(a)所示位置布局。該布局除了處理器最小系統(tǒng)，以及必要的指示和控制電路外，最重要的就是17個舵機驅(qū)動接口，這里使用彎角3排針連接，保證鏈接的緊湊和可靠。17個舵機接口分為5組，與下載接口按照左右各9個布局，其中人形機器人的頭包含1個舵機接口，負責左右運動，左胳膊包含3個舵機接口，分控肩、肘、腕3個運動自由度，左腿包含4個舵機接口，分控胯的左右/上下、膝蓋及腳腕4個自由度。右胳膊與右腿的分控接口和功能與機器人控制器左半部分對稱[3]。 最后將控制器與7.2V電芯并列裝配到鋁合金外殼中，作為機器人的軀體，同時作為運動平衡的重心，良好的布局對機器人的運動至關(guān)重要[4]。 考慮到人形機器人的自重和動作力度，設計采用FUTABA系列產(chǎn)品中的S3050大力矩車用、船用競賽型金屬齒輪數(shù)字舵機，如圖3(b)所示。該舵機自重48.8克，尺寸小，在6V電壓下工作，能夠達到0.16秒/60度的轉(zhuǎn)速，力矩大小為6.5千克/厘米。 17個舵機按照前述的分組和人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)對稱排列布局，頭部1個舵機，左右胳膊各3個舵機，分別做為肩、肘、腕關(guān)節(jié)，左右腿各5個舵機，分別為髖關(guān)節(jié)的左右運動1個、前后運動1個、膝關(guān)節(jié)1個、踝關(guān)節(jié)前后運動1個、左右運動1個，其中2個肩關(guān)節(jié)舵機和2個髖關(guān)節(jié)的左右運動的舵機，上下左右對稱緊湊安裝，作為身體的一部分，所有其他舵機使用鋁合金支撐固定成緊湊的人形結(jié)構(gòu)[5]。 3 軟件設計 軟件設計主要包含軟件架構(gòu)設計、程序流程設計和驅(qū)動控制函數(shù)的設計。 3.1 軟件架構(gòu) 該人形機器人控制系統(tǒng)原理是：當機器人控制器接收到遙控器發(fā)出的指令后，ARM處理器根據(jù)指令要求，將要執(zhí)行的動作參數(shù)分解成一系列寬度不等的PWM信號，并通過驅(qū)動電路輸出到舵機接口，外部舵機根據(jù)占空比不同的PWM信號轉(zhuǎn)動相應的角度，多個舵機不同的轉(zhuǎn)動角度構(gòu)成了不同的機器人瞬時動作，多個動作連貫執(zhí)行就完成與外部命令相應的響應動作。軟件架構(gòu)如圖4所示。本文主要對關(guān)鍵驅(qū)動函數(shù)進行說明。 3.2 舵機驅(qū)動程序設計 驅(qū)動脈沖與舵機轉(zhuǎn)動角度如表1所示，不同的高電平時間對應著舵機不同的輸出位置。因此可以使用LPC2114內(nèi)部定時器模擬出17路以20ms為周期、高電平寬度與位置時序?qū)腜WM波形，來分別驅(qū)動控制17個舵機轉(zhuǎn)動的角度，配合完成機器人的相關(guān)動作[6]。 多個舵機的驅(qū)動需要依據(jù)機器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出轉(zhuǎn)動時間，將其時間數(shù)據(jù)按一定算法進行排序，并在CPU的控制下設置各舵機的運動和停止時間。 3.3 機器人舵機整體驅(qū)動函數(shù) ManMoveFrame()設計 函數(shù)功能：將輸入的各伺服器角度轉(zhuǎn)換為各伺服器的高電平時間，按照17個伺服器高電平時間從短到長依次調(diào)用對應伺服器驅(qū)動。共18個入口參數(shù)，17個是伺服器角度，1個是動畫停留時間，轉(zhuǎn)換關(guān)系：1度約為0.00814ms。 函數(shù)定義：void ManMoveFrame(int16 Head_Angle,int16 Larm1_Angle,… ,,int16 Rleg5_Angle,uint8 t) {uint8 i,t1; int HeadTime,Larm1Time,Larm2Time, … ,Rleg4Time,Rleg5Time;/*與角度對應的時間變量*/ int MotorTime[17]; /*各舵機驅(qū)動脈沖時間數(shù)組*/ MotorTime[0]=HeadTime=Head_0+Head_Angle*Angle1;/*頭部驅(qū)動脈沖時間*/ /*MotorTime[1]至MotorTime[16]略;*/ qsort(MotorTime,17,sizeof(int),Compare); /*對MotorTime數(shù)組快排序，使其值從小到大重排*/ … for(i=0;i機器人姿態(tài)數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動函數(shù)ManMoveKeyframeData()設計 機器人動作的關(guān)鍵姿態(tài)是由各舵機轉(zhuǎn)動位置決定的，需要參照機器人的體態(tài)對17個舵機的自由度關(guān)系數(shù)據(jù)進行設置，驅(qū)動函數(shù)將如表2所示設置的參數(shù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號，控制17個舵機的轉(zhuǎn)動，從而完成機器人行走的動作。表格空白的地方默認數(shù)據(jù)為0。 函數(shù)功能：初始化各伺服器角度/時間數(shù)組，將機器人每姿態(tài)動作的各舵機角度數(shù)據(jù)輸入給各伺服器數(shù)組。共19個入口參數(shù)：1個關(guān)鍵幀號、17個伺服器角度、1個動畫停留時間。 函數(shù)定義：void ManMoveKeyframeData(uint16 ID,int16 H_Angle, …,int16 RL5_Angle,uint8 t){ ID_Max++;/*動作幀數(shù)，全局變量，記錄動作幀數(shù)，每加入1幀，ID_Max的值就增1*/ H[ID]=H_Angle;/*頭的角度*/ … RL5[ID]=RL5_Angle; /*左肩的角度*/ T_Key[ID]=t;/*幀動作完成的時間長度*/ } 3.5 機器人動作控制驅(qū)動函數(shù)ManMoveKeyframeToFrame()設計 主要功能：把動作幅度較大的姿態(tài)關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)結(jié)合其下面緊挨的姿態(tài)關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時間均勻的普通幀驅(qū)動參數(shù)，供整體驅(qū)動使用。入口參數(shù)：無。出口參數(shù)：無。 函數(shù)定義：void ManMoveKeyframeToFrame(void) {uint16 id,h,la1,la2,la3,ra1,ra2,ra3,ll1,ll2,ll3,ll4,ll5,rl1,rl2,rl3,rl4,rl5;uint8 t,k;/*幀號、舵機時間臨時變量*/ for(id=0;id機器人程序流程 機器人根據(jù)接收到的遙控命令自行判斷并完成動作，工作流程如圖5所示。因為人形機器人使用電池，工作比較耗電，所以在運動前要先檢測工作電壓，如果達到工作要求就接著工作，否則不執(zhí)行動作并報警，工作電壓不滿足要求會造成機器人因動力不足而摔倒，接收到結(jié)束命令就停止運行，不再響應外部所發(fā)來的遙控命令，如果完成一個動作就恢復到立正站立狀態(tài)[7]。 需要指出的是，在機器人運動時，程序?qū)ζ渫獠康乃欧骺刂埔M行分時分批控制，以減輕處理器功耗壓力，達到可靠驅(qū)動的目的。 4 結(jié)論 按照機器人的運動體態(tài)完成運動數(shù)據(jù)的設計，經(jīng)過測試，該控制系統(tǒng)可以完成包括前滾翻、后滾翻、俯臥撐在內(nèi)的多種體操運動。課題組計劃進一步封裝函數(shù)，并設計可視化圖形編程界面，以便可以在電腦上更加直觀地生成運動數(shù)據(jù)，積木化編程，降低操作難度。 參考文獻： [1] 閻世梁, 張華等.高等工程教育中的機器人教育探索與實踐[J].實驗室研究與探索.2013(8):149-152 [2] 高彥杰.嵌入式溫度測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應用.2012(6):147-149 [3] 趙瑞林,盧慶林,張順星.教學型雙足步行機器人的結(jié)構(gòu)及其控制電路設計[J]. 計算技術(shù)與自動化.2014(2):74 [4]付偉,王建華.一種用于仿人型機器人控制的腳本語言的設計與實現(xiàn)[J].計算機應用. 2014,32(8):24 [5] 劉磊，韓冰，王連弟等.一種雙足行走機構(gòu)的構(gòu)型設計與運動學分析[J]. 天津理工大學學報.2014(3):32-35 [6] 陳強，羅斌，秦超.仿人型機器人控制系統(tǒng)設計的幾個問題[J]. 自動化技術(shù)與應用.2013,32(5) 14 [7] 李紅巖,高陽東.基于LPC2131的RF遙控多關(guān)節(jié)蛇形機器人[J]. 自動化與儀表.2014(6):3-4 |
