仿人避障机器人设计

王黎明　李宗林　罗文　陈保平　张佳佳　赵凯悦

摘  要：在科学探索以及救灾抢险中，经常会遇到一些危险或者人类无法轻易到达的地方。因此我们设计和开发了仿人竞速避障机器人来更好地为社会服务。^“我们设计的是一种基于单片机控制的自动寻迹避障机器人，该机器人以单片机为控制核心，利用传感器对前方障碍物信息及路面信息进行采集，并将检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断，及时控制机器人的转向，实现机器人自动寻迹避障的目的”。

关键词：智能化;仿人;寻迹避障;服务;创新

一、系统整体设计。机器人自动寻迹避障系统一般可划分为信号检测部分和控制部分，信号检测部分包括轨道检测、障碍物检测以及速度检测，控制部分包括驱动控制、制动控制和转向控制。

1.1检测结构的设计。我们的循迹避障机器人选择通过红外避障传感器检测以及光电传感器识别相互协调配合，对前方是否存在障碍物进行检测，对路线的检测我们使用灰度传感器，如果偏离路线则通过自身程序进行自动纠正。灰度传感器是将红外线发射器和接收器共同至于同一个装置中，在装置前方放置一块反光板，利用光线反射原理完成光电控制作用的光电传感器。灰度传感器可以用来检测地面明暗程度和颜色的变化，同时也可以探测前方是否存在物体。

1.2驱动结构的设计。我们的机器人是由11.1v锂电池电池供电，带动11个舵机转动，分别带动机器人的四肢及头部的转动，实现前进，转弯，摆臂等动作。机器人的头部和四肢分别装用一个小型DP0037舵机由stm32开发板来控制机器人上身的动作。机器人的腿部装有10个数字舵机，左右各五个，1，2两个舵机控制机器人的转向，3，4，5，6，9，10六个舵机控制机器人的提腿迈步以及重心移动。机器人的左右脚上分别装有7，8两个舵机，用来控制脚掌左右的1个自由度。

1.3电池和控制板的放置。考虑到机器人的稳定性，将机器人的重心尽量降低，故我们决定将电池和开发板放在机器人的躯干内，由于机器人的脚掌前部较大，所以我们将较重的电池放在机器人的腹部，較轻的开发板放在机器人的背部。

1.4整体结构的设计。我们机器人大致可以分为上半身和下半身，上半身必须有头部，两只手和躯干，控制板和电源则放在机器人的躯干里。下半身由双腿和双脚组成，由控制器控制舵机，使机器人直立行走，脚上的传感器扫描，反馈信息至控制系统，及时调节机器人的前进方向，可以顺利走完预定的路线。

二、机械结构设计。我们竞速机器人，采用LD-2701数字舵机实现驱动，以仿照人的身体结构为主，并尽量还原人行走时主要的活动关节，以模仿人活动的方式来实现机器人的行走和跨越障碍的基本动作。

三、硬件设计。该机器人采用11.1V电池供电，分成三路电源，一路通过LM2596压降模块降压至7.4V供给舵机，其他两路通过L7805稳压电源输出稳定的5V电压值，分别供电给单片机、传感器，和航模小舵机，把电源分开是为了防止舵机产生的杂波干扰单片机控制的信号。

轨迹寻找识别采用寻迹避障传感器模块（TELESKY型）。其利用红外光探测，可测量的距离更远，抗干扰能力更强，采用CTRT5000，高灵敏度，性能稳定，普通照明灯基本对其无影响，它比一般的传感器灵敏度高，体积较小，能够有效地节省空间。

舵机选用为 LD2701数字舵机，该舵机内部采用金属齿轮，扭力大，响应速度快，噪声低，虚位和死区都很小，控制精度比一般的模拟舵机更高，反应速度更快，线性度更好，其可以通过发送一次信号保持舵机的角度不变，性能稳定。

光电传感器模块采用E18-D80NK，该漫反射式红外光电开关感应的距离远，检测距离可根据要求进行调节，方便可靠，响应时间快，灵敏度比一般的避障传感器模块高，可检测透明或不透明物体，受可见光干扰小。

四、系统开发与调试。该机器人以单片机为控制核心，利用传感器对前方障碍物信息及路面信息进行采集，并将障碍物检测信号和路面检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断，及时控制驱动舵机以调整机器人的转向，从而使机器人能够跨越障碍物并沿着预定轨道自动行走，实现机器人自动寻迹避障的目的。

利用STM32单片机来控制避障机器人，利用红外寻迹传感器来确定和规划机器人行走路线，通过主控制板输出的PWM信号控制机器人各个部位的舵机以达到平稳行走，通过光电传感器给机器人提供周围环境的参数指标。例如障碍物的尺寸、形状和位置等。我们使用的是激光测距和红外避障协同作用减少作业环境引起的数据处理误差，更加实时精准的做出相应的避障动作。

五、结论。机器人避障技术作为一项机器人技术的重要分支，虽然已有了多年的研究历程，仍然是一个潜力很大的未知领域。如果要将这项技术广泛应用于各个制造业与服务业，那么需要各路学者进行理论以上的深层次研究。此外安置各个传感器并使用多样算法的避障机器人才是未来的开发方向，而这个开发方向艰难重重。总之，机器人自动避障在某种程度上可以看作是机器人规划路线功能的一种特例，它对产品的实时性和成功率的要求更高。不过，一旦解决了这一大难题，将无疑给人类带来巨大的便利，为未来创造无限可能。

参考文献

[1]  刘莉. 寻迹避障机器人控制系统设计.江苏：工业控制计算机，2017

[2]  刘荣科. 51单片机C语言应用与开发. 北京，北京航空航天大学出版社，2010

[3]  孙宝元. 传感器及其应用手册. 北京，机械工业出版社，2004

[4]  陈光东. 单片微型计算机原理与接口技术. 武汉，华中理工大学出版社，1999