基于STM32雙足競步機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

盧士林 李彩霞 張奎慶 段忠臣

摘 要：隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，智能機(jī)器人已逐步應(yīng)用到各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，并促進(jìn)機(jī)械、農(nóng)業(yè)、家具等向智能化方向發(fā)展。為此，設(shè)計(jì)了雙足競步機(jī)器人。該機(jī)器人將先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)與機(jī)械設(shè)備的有效結(jié)合，并通過STM32單片機(jī)輸出pwm波形來控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等多個(gè)動(dòng)作。而且本系統(tǒng)的功能還能延伸運(yùn)用，可以很好地用于其它相關(guān)領(lǐng)域，具有一定的擴(kuò)展應(yīng)用價(jià)值和意義。

關(guān)鍵詞：雙足；競步；自控；舵機(jī)

中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research and design of biped walking robot based on STM32

LU Shilin， LI Caixia， ZHANG Kuiqing， DUAN Zhongchen

（School of mechanical and electrical engineering， Dezhou University， Dezhou Shandong 253023，China）

Abstract： with the continuous development of science and technology， intelligent robot has been gradually applied to all areas of production， and promotes the intelligent development of machinery， agriculture， furniture etc. To this end， the paper proposes the design of a biped walking robot. The robot researches the effective combination of the advanced automatic control system and mechanical equipment， and concretely applies PWM waveform output of the STM32 MCU to control steering gear， so as to realize stepping forward/backward， turning and other movements of the robot. And the function of the system could also be extended for use， which can be well used in other related areas， and has a certain value and significance of the expanding application.

Key words： double feet； step by step；automatic control； steering gear

0引言

雙足競步機(jī)器人是足式機(jī)器人中自動(dòng)化程度最高、設(shè)計(jì)復(fù)雜測評指數(shù)獲居前茅的一款機(jī)器人。該機(jī)器人具有長久續(xù)航的特性，并且能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，不僅可以在平地上行走，而且還可以在階梯、坡道上穩(wěn)定前進(jìn)。雙足機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)效果如圖1所示。而在機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)，長久續(xù)航是最顯難度的執(zhí)行項(xiàng)目。為此，研究中改良了傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人的頂部加裝了太陽能發(fā)電裝置，不僅環(huán)保、節(jié)能，而且還可保證其持久工作。與其它雙足機(jī)器人相比，該機(jī)器人表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)支撐面的優(yōu)勢特點(diǎn)，當(dāng)面對階梯道路時(shí)，機(jī)器人重心變高，而此時(shí)機(jī)器人的支撐面積也會(huì)擴(kuò)大，從而提升對道路的變化適應(yīng)性。此外，由于雙足機(jī)器人具備著超出其他足式機(jī)器人的更佳靈活性，因此可以在各種環(huán)境中投入工作，甚至還可以與人類協(xié)同工作，因而在未來的工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以至現(xiàn)代智能家居方面均將獲得廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)現(xiàn)發(fā)展空間。

1總體設(shè)計(jì)方案

雙足競步機(jī)器人在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上主要包括：傳感器電路、主控電路、穩(wěn)壓電路、放大器電路及動(dòng)力裝置等組成部分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

2 工作原理及性能分析

2.1 供電方式

1） VCC 供電：3.3～5.5V

舵機(jī)的供電電壓為5V。傳感器加電后，要等待1s 以度過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VCC，GND）之間可增加一個(gè)100nF 的電容，用以達(dá)到去耦濾波目的。

2）穩(wěn)壓裝置

采用電源供電后，需要給單片機(jī)、舵機(jī)、傳感器分別供電。為此，研發(fā)中采用了2940/2941穩(wěn)壓芯片，進(jìn)行穩(wěn)壓供電。穩(wěn)壓原理如圖3所示。

3）GND 共地，電源負(fù)極。

2.2舵機(jī)的工作原理

舵機(jī)的工作電壓為5.5～6.0V，工作電流為200mA。舵機(jī)就是將直流電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器密封在一個(gè)便于安裝的外殼里的伺服單元。當(dāng)進(jìn)入工作進(jìn)程時(shí)，首先由接收機(jī)的通道輸入信號，內(nèi)部的基準(zhǔn)電路將其轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)信號，此時(shí)的信號與實(shí)際電壓形成對照比較，得到偏差，并將該差值反饋給控制器，最終由控制器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)特定角度，這樣就構(gòu)造組建了舵機(jī)的閉環(huán)控制，由此舵機(jī)即可精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度。此外，舵機(jī)內(nèi)部的減速裝置，不僅降低了直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)也產(chǎn)生了強(qiáng)大的扭力矩，可以更好地來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各項(xiàng)擬人行為。在此，給出舵機(jī)與電流的對應(yīng)關(guān)系如下：

0.025Ig--------------0°；0.05Ig------------45°；0.075Ig-----------90°；0.1Ig-----------135°；0.125Ig-----------180° ；

其中，Ig為20ms時(shí)基脈沖中的高電平部分。

2.3 主機(jī)單元

單片機(jī)作為控制器， 可以接收來自光電傳感器從外部檢測的環(huán)境信息，并將這些信息與預(yù)置的程序采用匹配連接方式處理，再通過單片機(jī)輸出pwm波形來控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度， 從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等多個(gè)動(dòng)作的操作與控制。

3結(jié)束語

機(jī)器人學(xué)是當(dāng)今世界極為活躍的研究領(lǐng)域之一，而且其中涉及到了計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制、人工智能等多個(gè)學(xué)科。機(jī)器人是一種現(xiàn)代光機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品。隨著計(jì)算機(jī)、人工智能以及各類應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人、尤其是工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。隨著第三次工業(yè)革命浪潮的來襲，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已然迎來了新一輪的發(fā)展熱潮，在面對機(jī)遇的同時(shí)，民族機(jī)器人企業(yè)如何開拓國內(nèi)外機(jī)器人市場即已成為本土機(jī)器人企業(yè)亟需面對的重要問題。本文研究試圖為國內(nèi)同類研究提供一定的實(shí)踐應(yīng)用意義和學(xué)術(shù)借鑒價(jià)值。

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