基于ROS的人形机器系统设计

广东工业大学　李步恒　杜玉晓

0　引言

在过去的几十年中，世界上许多高校、企业，亚洲是日本和韩国、欧洲是德国和法国，之外还有美国等国家，均投入大量的资金用于人形机器人中。到现在也有很多高质量的文章提出了有关机器人的机械设计、运动学、动力学和控制系统的问题，同时己经有很多的人形智能机器人被创造出来，其中整身的人形智能机器人，如ASIMO，QRIO，HUBO，NAO和ARMAR等，上半身的仿人机器人如Twendyone, Justin等；一些专注于面部表情机器人，如Geminoid[1]。国内长沙国防科技大学于2000年11月研制出我国首台人形机器人——先行者，BHR-2型机器人，还有北京理工大学提出BHR-4仿人机器人[2]。虽然这些人形智能机器人的性能高，但是价格过高、性价比低、软件代码适用性差，如果从头到尾开发机器人的软硬系统势必会造成开发周期长、开发难度大大提高，对于企业来说，需要一个模块化、易于维护的人形机器人软硬件系统显得尤为关键。

针对以上的考虑，本研究采用目前流行的开源机器人次级操作系统---ROS系统，设计一种成本低、性能高、性价比高的人形机器人软硬系统。

1　人形机器人硬件系统设计

1.1　硬件系统框架

人形机器人硬件系统主要由主控制器（PC104）和舵机控制板（STM32）两部分构成，其结构图如图1所示。其中主控制器主要负责复杂计算，如步态规划和图像处理；舵机控制板主要对负责陀螺仪加速度计模块的控制，收集机器人位姿信息，通过USB协议反馈回主控制器，之外，还直接与舵机通信，把上位机处理好的结果让舵机做出相应的反应。

1.2　驱动系统设计

韩国Dynamixel 系列中的MX-28T舵机的位置、速度控制精度高，可达4096级，最大转角为360°，控制角度分辨率为0. 088度/步。通信波特率范围为8000bps ～ 4.5Mbps，通信协议类型为半双工异步串口通信，其中具体的格式是8位数据位，1位停止位，无奇偶校验，STM32舵机控制板是根据20个舵机之间的唯一的ID进行识别，在TTL连接上，最大有254个舵机ID[3]。韩国Dynamixel 系列舵机都有提供了一个控制表，用来存储舵机的状态和控制信息，控制表是由RAM和EEPROM区组成[4]，所以，对MX-28T舵机的控制就是向其控制表中写指令，获取舵机状态信息就是读取控制表相应的值。

STM32舵机控制器和舵机之间通信按照MX-28T数据格式即可，控制舵机时候，是通过发送指令包给舵机，指令包的格式主要内容解释有，0XFF是表示开头，ID表示把数据发送给哪个舵机，LENGTH则表示当前发送指令包的长度，INSTRACTION就是使用控制表中的控制指令，PARAMETER表示发送的实际数据，最后校验和的计算是全部参数相加[4]，最后取反即可。

图1　人形机器人硬件系统

2　人形机器人软件系统设计

研究模块化的人形机器人软件系统，使人形机器人具有高系统、高模块和高扩展性[5]。人形机器人软件系统的设计直接关乎到后续工作，设计出一套适合的软件系统将会为后续的复杂算法的开发节省时间，在系统的可移植性上，尽量做到其他类似的平台上也可以使用。为此除了在PC104移植ubuntu12.04系统，还在系统上构建次级系统---ROS系统，作为机器人的上层决策系统。

根据需求，设计层次化和模块化的人形机器人系统，得出人形机器人软件系统总体框架如图2所示[6]。其中ROS平台中的模块是后续算法运行的基础；上层控制中的模块是需要另外开发的模块，本文主要集中研究控制系统。

图2　人形机器人软件系统总体框架

上下通信模块，主要负责与STM32舵机控制板通信和ROS系统进行数据传输；ROS平台主要建立机器人的仿真模型，在模型上仿真实现机器人的各项功能；上层控制主要负责人脸识别、语音控制的等一些模块的实现[7]。

3　ROS下人形机器人系统调试

设计完硬件电路和移植软件系统，人形机器人软硬件系统就搭建完，最后在系统上部署ROS系统，并在ROS上建立机器人仿真模型。其中，STM32的代码需要预先编译好在烧录进去。

最后，通过对STM32调试，各传感器模块、电源模块正常工作。把预先编译好的程序下载到STM32舵机控制板，用串口调试助手观察STM32串口的输出数据，数据是正确的，表明预先编译的程序是正常。最后把程序固化到STM32控制器上，，安装到人形机器人上。在观察与PC104串口的通信情况。通过多次的调试数据显示，STM32控制板与二十个舵机还有传感器模块通讯正常，与PC104的通信也没错。

4　结束语

本研究利用开源机器人操作系统ROS，PC104和STM32等设计了一个人形机器人软硬件系统。系统中使用的方法可以快速的构建一个人形机器人系统。实验结果也表明，该人形机器人软硬件系统设计方案合理，且具有高性能、低成本、性价比高，功能丰富和高扩展行等特点，同时，构建好的系统具有强大的性能，后期在其上开展步态控制、导航定位和路径规划等研究提供了重要的基础。

[1]谢涛,徐建峰,张永学,强文义.仿人机器人的研究历史、现状及展望[J].机器人技术及应用,2007(3):29-34.

[2]宋健.智能控制超越世界的目标[J].中国自动化学会通讯,1999(14):7.

[3]Darrick Addison.Introduction to Robotics Technology[J].Developer Works,USA,September 2001.

[4]张茂川.仿人机器人理论研究综述[D].吉林:东北电力大学,2010(4):166-168.

[5]李磊,叶涛,谭明,等.移动机器人技术研究现状与未来[J}.机器人,2002,24(5):475-480.

[6]章小兵,宋爱国.地面移动机器人研究现状及发展趋势[J].机器人技术与应用,2005(2):19-23.

[7]Marques L,de Almeida,A T.Application of Odor Sensors in Mobile Robotics,In AutonomousRobotics Systems[M].Lecture Notes in Control and Information Science,1998:264-275.

[8]R AndrewRussell.Suvey of Applications for Odorssensing Technology，The International Journal of Robotics Research,2001,20(2):144-162.

[9]The Robocup Federation.Robocup 2010 List Of Awards[EB/OL].http://www.robocup2010.org/,2010-07-02.

[10]Guy Campion,Georges Bastin and Brigitte D’Anderea-Novel.Structural Properties and Classification of Kinematic and Dynamic Modles of Wheeled Robots[D].IEEE Transaction on Robotixd and Automation,I996,12(1):46-62.