教學(xué)用人形機(jī)器人研制①

苗志全

(華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

0 引言

隨著信息時代的到來，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是個必然的趨勢。機(jī)器人的出現(xiàn)并高速發(fā)展是社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然，是為了提高社會的生產(chǎn)水平和人類的生活質(zhì)量。機(jī)器人學(xué)是一門高度交叉的前沿學(xué)科，獲得快速發(fā)展。教學(xué)用人形機(jī)器人的制作不僅可以使學(xué)生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關(guān)課程的專業(yè)知識，而且可以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，使他們樹立系統(tǒng)工程的概念，培養(yǎng)其獨立開展科學(xué)研究的能力。

基于當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，本項目所研制的機(jī)器人為教學(xué)用人形機(jī)器人，即設(shè)計的機(jī)器人能模仿人進(jìn)行一些簡單的動作，比如:揮手、搖頭、行走、跳舞、唱歌等。教學(xué)用人形機(jī)器人屬于表演型機(jī)器人的范疇，主要考慮吸引學(xué)生興趣，提高學(xué)生動手參與能力，體現(xiàn)教學(xué)示范作用。

2 整體設(shè)計方案

2.1 結(jié)構(gòu)框圖

圖1 教學(xué)用人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制原理

本設(shè)計的教學(xué)用人形機(jī)器人的研制分為控制臺和教學(xué)用人形機(jī)器人兩部分組成。

控制平臺由4*4鍵盤和自復(fù)位按鍵模塊、12864液晶顯示模塊、無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和電源模塊組成。主要完成4*4鍵盤和自復(fù)位按鍵的檢測、液晶的顯示控制和無線數(shù)據(jù)的發(fā)送，達(dá)到對教學(xué)用人形機(jī)器人的控制。

教學(xué)用人形機(jī)器人的控制由兩塊CPU組成，實現(xiàn)CPU的聯(lián)合控制，即由一塊ATMEGA8和一塊ATMEGA128組成，其中ATMEGA8控制核心板主要由無線數(shù)據(jù)接收模塊、傳感器網(wǎng)絡(luò)、頭部伺服電機(jī)和RS232總線組成。ATMEGA8控制核心板主要完成無線數(shù)據(jù)的接收，根據(jù)接收到的控制碼再決定當(dāng)前教學(xué)用人形機(jī)器人的工作模式和具體要執(zhí)行的何種動作，再將控制代碼以RS232總線傳送給ATMEGA128控制核心板。當(dāng)教學(xué)用人形機(jī)器人工作于知道那個運行模式中時，ATMEGA8控制核心板根據(jù)外部的傳感器網(wǎng)絡(luò)和頭部伺服電機(jī)采集當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)，使其具有獨立運行的功能。而教學(xué)用人形機(jī)器人中的 ATMEGA128控制核心板主要任務(wù)就是接收 ATMEGA8控制核心板發(fā)送過來的RS232數(shù)據(jù)代碼，在根具控制代碼控制教學(xué)用人形機(jī)器人中的18個伺服電機(jī)，以使其完成各種模式下的動作。

本次設(shè)計的教學(xué)用人形機(jī)器人具有兩種工作模式，即受控模式和自動運行模式。受控模式，當(dāng)處于受控模式中時，教學(xué)用人形機(jī)器人的所有動作均受到控制臺的控制，能完成和人類一樣的動作，包括:前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、踏步、發(fā)聲和搖頭這些和人類相同的基本動作，另外我們在受控模式中還加設(shè)了教學(xué)用人形機(jī)器人良好的互動功能，即當(dāng)人與其握手后具有跳舞的功能，具有很強(qiáng)的表演功能。自動運行模式，當(dāng)處于自動運行模式中時，教學(xué)用人形機(jī)器人能自動進(jìn)行良好的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、踏步、發(fā)聲和搖頭動作。在自動運行模式中，控制臺處于較高的控制優(yōu)先級中，即在模式中，控制臺也能實現(xiàn)實時的控制教學(xué)用人形機(jī)器人的停止。

3 硬件設(shè)計

3.1 控制臺

控制臺中的硬件設(shè)計主要包含電源模塊的設(shè)計、ATMEGA128控制核心板電路設(shè)計和制作、12864硬件、4*4鍵盤和自復(fù)位按鍵模塊組成。其中關(guān)于控制臺中電源模塊的考慮時，發(fā)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)為增加發(fā)送模塊的功率要求，需用12 V的電源，而ATMEGA128控制核心板和12864液晶的工作電源用的是5 V的電源，所以，電源的設(shè)計必須設(shè)計一個由12V－5V的變換電路，關(guān)于這部分的電源變換圖我們經(jīng)過綜合考慮，覺得如果選用7805三端穩(wěn)壓芯片的話，基本可以達(dá)到要求，但是其穩(wěn)定性不是很好，而選用穩(wěn)定性很好的穩(wěn)壓芯片LM2575來實現(xiàn)電源的變換。

圖2 控制臺流程圖

3.2 機(jī)器人

教學(xué)用人形機(jī)器人中的硬件設(shè)計主要包括電源模塊、傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊、無線數(shù)據(jù)接收模塊、頭部伺服電機(jī)和18個教學(xué)用人形機(jī)器人肢體伺服電機(jī)驅(qū)動模塊、ATMEGA8控制核心板和 ATMEGA128控制核心板的設(shè)計。電源模塊的設(shè)計中，同控制臺一樣需提供12V和5V電源，但是教學(xué)用人形機(jī)器人中的電源設(shè)計卻不能采用控制臺中的電源變換方案，因為在教學(xué)用人形機(jī)器人中無線數(shù)據(jù)接收模塊使用12 V的電源，而 ATMEGA8控制核心板、ATMEGA128控制核心板和19的伺服電機(jī)使用的也是5 V的電源，這樣考慮到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，控制器就不能和伺服電機(jī)共用同一個電源，因為根據(jù)電機(jī)的參數(shù)計算得出，當(dāng)教學(xué)用人形機(jī)器人在執(zhí)行動作時其電流大約為2.5 A左右，這么大的電流在電源設(shè)計上必須單獨處理。

基于以上特殊的電源要求，我們最后經(jīng)過綜合設(shè)計和可行性分析，決定采用電源分割技術(shù)來解決該問題，具體實施的方法是:所有的控制核心板使用一個獨立的電源模塊，該電源模塊由電池經(jīng)過一個穩(wěn)定性好的穩(wěn)壓芯片得出一個5 V電源，而所有的傳感器和伺服電機(jī)采用另一路電源，該電源也從電池引電，經(jīng)過一個大功率穩(wěn)壓芯片處理后得出另一路5 V電源，這樣相互之間的電源影響可以很小，從而是整個系統(tǒng)更穩(wěn)定的工作。

另外，在教學(xué)用人形機(jī)器人中使用的 ATMEGA128控制核心板和控制臺中的設(shè)計電路完全一樣。所以這里就不用再單獨設(shè)計了，但考慮到ATMEGA8控制核心板的控制作用，我們對其進(jìn)行了設(shè)計，在該部分電路的設(shè)計中將所有的傳感器網(wǎng)絡(luò)接口和無線數(shù)據(jù)接收接口均提供出來，這樣在傳感器的使用時就非常的方便、快捷。

4 軟件設(shè)計

4.1 控制臺

控制臺中的ATMEGA129控制核心板主要完成4*4鍵盤和按鍵掃描，12864液晶的顯示控制和無線數(shù)據(jù)的發(fā)送。這樣控制臺中的整個程序流程圖如圖3所示。并且，考慮到系統(tǒng)后期的調(diào)試方便，程序移植方便，我們在編寫控制臺中程序時采用程序的模塊化設(shè)計思想，并采用當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的C語言來進(jìn)行程序的編寫。

4.2 機(jī)器人

教學(xué)用人形機(jī)器人中的程序包括兩部分，分別為ATMEGA8控制板和ATMEGA128控制板中的程序編寫。ATMEGA8控制板中程序主要實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的接收，傳感器數(shù)據(jù)的處理和與AT-MEGA128控制板的 RS232通信。這樣，ATMEGA8控制板的程序流程圖如圖2所示。同控制臺一樣，我們在編寫這部分程序時也采用模塊化設(shè)計思想和C語言來進(jìn)行編寫。ATMEGA128控制板中的任務(wù)主要為接收ATMEGA8控制板發(fā)送的控制數(shù)據(jù)和控制教學(xué)用人形機(jī)器人中的所有伺服電機(jī)的動作，考慮到控制數(shù)量很大，所以，ATMEGA128控制板中的程序主要是在執(zhí)行電機(jī)的控制，該部分的程序流程圖如圖3所示。這部分也采用模塊化設(shè)計思想和C語言進(jìn)行編寫。

圖3 ATMEGA8控制板流程圖

在本設(shè)計中，使用的所有控制器(ATMEGA8和ATMEGA128)均是屬于AVR系列的控制器，所以，這使得我們在開發(fā)環(huán)境上更加方便、統(tǒng)一。我們采用的開發(fā)工具為iccv7ProLoader，該軟件使用非常方便，其使用界面如圖4所示，我們使用的程序下載軟件為AVR_fighter。

圖4 ATMEGA128控制板流程圖

圖6 iccv7ProLoader開發(fā)環(huán)境

5 系統(tǒng)整體調(diào)試

經(jīng)過對教學(xué)用人形機(jī)器人的研制設(shè)計的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的單獨、模塊化設(shè)計思想，使得我們在后期的系統(tǒng)整體調(diào)試中非常有針對性。我們在系統(tǒng)整體調(diào)試時，先對所有的硬件電路進(jìn)行測試，如果硬件電路設(shè)計的參數(shù)達(dá)不到要求，我們先調(diào)試硬件，直至硬件電路均達(dá)到要求為止。并且，我們在硬件調(diào)試過程中，也同時進(jìn)行軟件程序的編寫，軟件調(diào)試時先使用軟件的仿真功能調(diào)試程序，利用仿真功能將程序調(diào)試通過為主。這樣，當(dāng)硬件調(diào)試好后，軟件的仿真也通過后，我們就開始進(jìn)行軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，根據(jù)具體功能進(jìn)行整體調(diào)試，直至所有功能均調(diào)試達(dá)到控制要求為止。經(jīng)過最后的調(diào)試，教學(xué)用人形機(jī)器人能和控制臺很好的工作，能實現(xiàn)要求的所有功能，并且，還增設(shè)了一定的擴(kuò)展功能，整個系統(tǒng)能很穩(wěn)定、可靠地工作。

教學(xué)用人形機(jī)器人能實時的接收控制臺的控制碼，并能很穩(wěn)定、很準(zhǔn)確地控制教學(xué)用人形機(jī)器人的所有動作，效果很好。并且控制臺中我們增設(shè)了12864液晶，實時顯示出當(dāng)前的機(jī)器人運行狀態(tài)，運用鍵盤和按鍵提供良好的人機(jī)交互接口，這也使得整個系統(tǒng)非常人性化，操作者可以很方便地進(jìn)行任何操作。

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