仿人型機器人控制系統(tǒng)設(shè)計的幾個問題

　　1 引言

　　仿人型機器人由于具有類人的基本外形，在實際的生活中，能夠代替人完成很多工作，因此對仿人型機器人的研究具有實用價值，各國都在投入巨大的人力物力進行研發(fā)。仿人型機器人具有多自由度的機械結(jié)構(gòu)要求，因此需要對機器人的各個關(guān)節(jié)通過電機來完成轉(zhuǎn)動動作。這對于電機驅(qū)動控制提出了很高的性能要求。本文提出了一種基于STM32單片機的仿人型機器人控制系統(tǒng)方案，可以同時對機器人關(guān)節(jié)所需的16路舵機進行驅(qū)動控制。

　　2 硬件解決方案

　　本控制系統(tǒng)的硬件部分共分為5個模塊，其硬件系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。

　　圖1 硬件系統(tǒng)模塊框圖

　　主控制器采用STM32F103xB增強型系列單片機，該系列單片機使用了高性能的ARM CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器（128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM），增強型I/O端口［2］。這些性能使得 STM32F103系列微控制器非常適合應(yīng)用于小型仿人型機器人的控制系統(tǒng)。由于仿人型機器人的體型限定，因此我們在設(shè)計舵機控制板時采用了 STM32F103系列的小型貼片封裝型號STM32F103CBT6。以得到體積較小的舵機控制電路板，如圖2所示。

　　圖2 舵機控制板實物圖

　　圖3 舵機控制示意圖

　　為了實現(xiàn)對多自由度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的仿人型機器人進行動作控制，需要較多控制路數(shù)的舵機控制板。由于舵機的角度控制是采用PWM波形輸出，當單片機IO口的輸出脈沖寬度變化時，舵機舵盤角度發(fā)生改變，如圖3所示［3］，因此在舵機控制板電路設(shè)計中，充分利用了STM32單片機的IO口數(shù)量多且具有PWM輸出的技術(shù)優(yōu)勢［4］。共設(shè)計了16路舵機控制口，可以保證16個機器人關(guān)節(jié)同時動作。舵機驅(qū)動IO接口分布在PCB板的兩側(cè)，便于插拔。

　　在舵機的控制中，有一個容易出現(xiàn)的問題就是舵機抖舵問題。這種問題一般發(fā)生在采用普通電池做為機器人系統(tǒng)的主電源的情況下，如采用多節(jié)AA型鎳鎘或鎳氫電池串聯(lián)組成機器人供電主電源。原因是這些電池由于容量和放電能力的局限，無法在其額定電壓下提供長時間穩(wěn)定持續(xù)的大電流。在仿人型機器人的多路舵機同時工作時，采用普通電源輸出的電壓會迅速降低，從而導(dǎo)致舵機的供電不足，最終出現(xiàn)舵盤異常抖動，造成機器人在執(zhí)行動作時的抖舵現(xiàn)象。

　　圖4 控制信號5V供電電源原理圖

　　圖5 6V舵機驅(qū)動電源原理圖

　　因此我們設(shè)計的仿人型機器人控制電路中采用了型號為格氏25C放電倍率，容量為2200mAh，額定電壓為11.1V的鋰聚合物航模電池作為主電源。分為 5V控制信號電源和6V舵機驅(qū)動電源，如圖4所示。為了保證多路舵機同時工作時所需要的大電流，利用鋰聚合物電池具有很強的持續(xù)放電能力，選用了型號為 120W 12A大功率降壓模塊［5］，將機器人的供電電源穩(wěn)壓在+6V，放電電流峰值為12A，如圖5所示。利用光電耦合器隔離單片機IO口控制信號和舵機驅(qū)動信號，提高控制信號的抗干擾能力。舵機的IO口電路設(shè)計原理圖如圖6所示。這樣解決了多路舵機由于同時工作時，電源電源被拉低引起的舵盤異常抖動問題。

　　圖6 舵機IO口電路原理圖

　　舵機控制板在初始上電時，所有IO口會同時通入無序的PWM信號，造成瞬間出現(xiàn)巨大的電流消耗。經(jīng)實驗測得舵機控制板上電時，單個IO口的峰值電流可以達到1.5A以上。因此在16個舵機同時初始上電通入PWM信號時，其總電流將達到24A以上，這就大大超出了大容量直流降壓模塊的極限供電電流，導(dǎo)致電源電路進入過流保護，整個舵機控制電路將無法進入正常的工作狀態(tài)。為了解決這個問題，我們在STM32單片機上電初始化時，首先只讓IO口1和2輸出PWM 信號，然后同時再讓IO口3和4輸出初始化PWM信號，以此順序最后讓IO口15和16輸出PWM信號。這樣就保證IO口初始化時，最多只有兩路PWM信號同時通入。在機器人正常動作時，同時動作的舵機數(shù)量不超過6個，即6個IO同時輸出的峰值電流為9A，低于大功率降壓模塊的最大輸出電流12A，因此整個電路在工作期間的極限電流均小于12A。最終達到了舵機控制板穩(wěn)定工作的硬件要求。

　　3 軟件部分的設(shè)計

　　仿人型機器人控制系統(tǒng)的軟件分為兩種模式：調(diào)試模式和正常模式。

　　調(diào)試模式：機器人上電默認靜止，以響應(yīng)上位機信號為主。在該模式下，上位機通過RS232串口對機器人進行在線控制，可以對單個舵機的角度進行精確調(diào)整，編排好的流程動作單次執(zhí)行，流程動作的全部執(zhí)行等，并顯示當前機器人對代碼解析值。調(diào)試模式的工作界面如圖7所示。

　　正常模式：機器人上電即開始執(zhí)行調(diào)試完畢的全套程序動作。

　　圖7 上位機調(diào)試模式工作界面

　　為了實行軟件控制，采用了多任務(wù)模塊的定時輪換機制［6］。共建立了3個模塊任務(wù)：任務(wù)0用來解析送入該任務(wù)的軟件代碼值到PWM輸出的轉(zhuǎn)換。任務(wù)1用來調(diào)用每套動作編碼，連續(xù)的將得到的軟件值發(fā)送給任務(wù)0。任務(wù)2為串口處理任務(wù)，通過分析串口發(fā)來的數(shù)據(jù)進行模式的轉(zhuǎn)換和響應(yīng)。其程序流程圖如圖8所示。

　　圖8 程序流程圖

　　4 系統(tǒng)調(diào)試效果

　　設(shè)計該仿人型機器人的走步步態(tài)時，主要考慮了機器人的自重為2.53Kg，身高為42cm，因此機器人的腳和手臂的舵機輸出幅度不能太大，否則會導(dǎo)致機器人走步時的重心偏移太大，造成機器人翻倒。因此在設(shè)計機器人的腳掌時，適當增大了與地面的接觸面積，腳掌的尺寸為8.5&TImes;15cm，同時加快了腳步移動的頻率，并在腳部增加了額外的配重，以增強機器人在走步過程中的穩(wěn)定性，其走步的步態(tài)如圖9所示。該型機器人的走步步態(tài)協(xié)調(diào)一致，在2012年中國機器人大賽仿人競速比賽項目中獲得二等獎。

　　圖9 12自由度的仿人型機器人

　　走步動作正面

　　5 結(jié)束語

　　文中基于STM32微控制器的仿人型機器人控制系統(tǒng)，能夠靈活地控制16路大扭力舵機，通過大功率降壓電源模塊，可以得到16路舵機同時動作時所需要的直流電壓，實現(xiàn)了仿人型機器人的走步動作，可作為高校學(xué)生進行機器人技術(shù)創(chuàng)新時的參考。