一种人形机器人控制系统设计

2018-03-20訾诗宇李小斌吴宏岐

数字通信世界 2018年8期

訾诗宇，李小斌，吴宏岐，刘霞

（宝鸡文理学院电子电气工程学院，宝鸡 721016）

随着智能控制、机器学习等科目的迅速发展，作为控制论集大成者的机器人研究也随之进入了一个新的时代。人形机器人是最复杂的机器之一，也是人类最早想象的关于未来的图景之一。机器人的研究日趋热点化，加上笔者对于机器人一直以来的兴趣，学校也恰好有这个条件和机会给笔者提供了一套类人机器套装，所以有此设计。

1 H1-B型机器人控制系统硬件整体设计结构

H1-B型智能机器人系统主要包括单片机主控电路、电源模块电路、发音模块电路、步进电机动作模块电路、声音传感器模块电路、光学传感器模块电路、机器人外形设计等，单片机检测到传感器发来的信号并处理后，指示步进电机或音频模块做出相应动作[1]。

之所以要用单片机控制系统，是因为单片机是将CPU、储存器、T/C、I/O接口都集成在一块IC卡上的微型计算机，可以完成传统计算机可以完成的所有工作。再加上其体积小、成本低廉，成为了微型机器人（广义上）最常用的控制系统中心。Abilix 能力风暴H1-B机器人是对新手十分友好的教学类机器人，集电子学、机械、计算机、仿生学和传感器等多方面的知识于一体。

1.1 主控模块

Abilix头脑风暴H1-B教育机器人采用了RAM 的 STM32 芯片，内核为ARM 32位的Cortex-M3，最高时序频率为72MHz，闪存容量为384K，SRAM为64K，2.0-3.6V供电，2个12位模数转换器，1μm转换时间，16个输入通道，2个DMA控制器，USB2.0接口。单片机与PC之间的通信通过USB串联接口实现，通信芯片为SILABSCP2102。

1.2 传感器模块

传感器模块采用反射式的红外光电传感器和声音传感器，NXP公司的1114F处理芯片，工作原理为传感器收端没有接收到红外线，表明探头没有检测到障碍，传感器输出低电平到比较器的反相输入端，反相输入端的电压小于正相输入端电压，则比较器输出端输出高电平，此时开始避开障碍；接收端接收到红外线信号，表明探头检测到了障碍，此时继续运动[2]。此外遇到故障后可以发出声音提醒。在传感器的信号接收和信号发送流程中，由于传感器采用了一体式模块化设计，让信号采集和发送处于一条线路上，使得系统得到了简化。

1.3 动作模块

Abilix 头脑风暴 H1-B 型教育机器人套装自带七个智能电机模块作为机器人的关节使用，通过H-CON101控制器可以控制其速度和角度，在无限旋转模式下还可以作为轮子或者风车的轴来使用，可以设置转速快慢，取值范围在-1023～1023之间，0为电机停止，-1023为顺时针最大速度，1023为逆时针最大速度。

1.4 电源电路

Abilix H1-B型机器人采用充电锂电池供电，交流电通过适配器和平衡充将220V/60Hz的国标交流电转换为12V/3.5A的直流电，锂电池的充电电压为12.6V，输出为11.1V，单片机的工作电压为5V，因此系统控制板配置有Maxim 603稳压芯片，可以将11.1V的电压滤波2为5V的工作电压，低压复位保护电路为DS1233。

2 软件编程设计

本机器人套装提供的软件是基于VJC编程环境的，用户在已有可视化模板模块程序基础上做适当修改，使用模板选择窗口，并选择已有的模板程序，建立自己的项目，一键下载到程序A，或者程序B，来控制机器人模板程序实现的示例项目中的基本功能[3]。在一个机器人中，可以使用其中一个或多个编辑器，实现机器人的编程和控制，也可以使用原有模板或者对模板进行编辑，再创建新的方式实现机器人的控制。

2.1 编程的实现过程

机器人还有一个对新手来说很友好的特点，全程可以使用图形化交互式C 语言（VJC）来完成主程序设计，这种程序设计模式避开了繁琐的代码编写，以较为直观的方法实现了主程序的构建。在本次设计中，本人使用的是VJC 5.0，它包含了流程图编辑器、动作编辑器、模型编辑器，可以直接使用原模版程序，也可以对模板进行修改后实现机器人的控制，高级用户可以使用JC代码编辑器进行编写开发。

2.2 VJC的用户界面及模块库

模块库功能是将复杂的编程语言转化为简单的图形化模块，列举在该库中方便用户拖动调用。笔者使用的环境是VJC5.1，它安装简单，使用方便，兼容性高。

流程图编程的模块分五类，控制器模块库，智能电机模块库，集成传感器模块库，控制器模块库，程序模块库[4]。

（1）控制器模块库。针对控制器本身及l/O接口进行检测设置的模块库。

（2）智能电机模块库。本机器人常用的执行器模块库，包含本机器人主要部分的执行（智能电机的控制，动作页的执行[动作编辑器产生]）。

（3）集成传感器模块库。本机器人常用的传感器控制模块库，包含了所有的传感器功能。

（4）控制模块库。在用户程序中，读取各端口传感器的返回值一般有两种用途：储存和判断，其中用于判断的情况居多。在VJC中提供了while语句、if…else…语句、for语句三种判断方式的流程图模块，在控制模块库中，如果要做判断必须有被比较的对象和比较参考值。被比较的对象一般是传染期的返回值或者更新后的变量值，所以在传感器模块库中所有具备“读取”功能的模块都可以直接转换成条件判断模块。

（5）程序模块库。在进行较大程序的编写时，有的时候总会有几条指令重复出现，此时我们可以将其定义为子程序，程序模块库就是满足这一需求的库。