一款基于ARM的多自由度人形教育機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　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(shè)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(shè)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(shè)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(xué)中具有廣泛的借鑒意義。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)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(shè)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(shè)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]。