基于MC9S12的人形機器人設計與實現(xiàn)

鄭闖

摘 要：隨著科技發(fā)展，現(xiàn)階段機器人在人類生產(chǎn)生活中已經(jīng)得到廣泛應用。本文介紹的是一款以16bit單片機為控制核心，17個小型直流伺服機（舵機）驅動的人形機器人的設計制作，使其能夠完成預期設計的各種動作。該人形機器人已經(jīng)完成制作和調(diào)試。

關鍵詞：人形機器人；單片機；軟件

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

0.引言

如今，機器人技術在軍事、生產(chǎn)和生活領域中得到了廣泛的應用。隨著機械化、自動化和智能化技術的發(fā)展，許多先進的技術已應用于各類機器人中。人形機器人的出現(xiàn)是控制科學、傳感器技術、人工智能等學科的技術進步。人形機器人的設計和發(fā)展在生活中應用前景較廣，如引路機器人、點菜機器人、問詢機器人等。本設計完成了一個具有17關節(jié)的機器人外形設計和零部件加工制作、電路設計和搭建和軟件編程調(diào)試，最終實現(xiàn)了一個能夠按照預先設置程序而動作的機器人。

1.外形設計

要使機器人動起來，必須借助電機的轉動控制機器人的關節(jié)以某種規(guī)則轉動。人形機器人整體采用1.5mm厚輕質(zhì)鋁板手工加工而成，如圖1所示。機器人頭部采用一個90°的9g舵機帶動，可以實現(xiàn)頭部的左右轉動運動。其余16個舵機均采用270°的60g金屬齒大扭矩舵機。每條手臂由3個舵機構成，其中一個舵機固定在胸板上，控制手臂的前后旋轉運動；一個舵機控制手臂的上下運動；一個舵機控制小臂的運動。每條腿部由4個舵機組成，其中最上方舵機控制腿部左右運動；其余3個舵機控制腿部彎曲的運動。每只腳部由1個舵機組成，控制腳部左右方向的運動。除了胸板、胸板外殼、頭部、腳板以外，其余所有關節(jié)連接均采用標準件完成。機械連接件均在本校內(nèi)加工中心由師生共同完成。最終機器人高度為500mm，寬度270mm，臂展560mm，臂長180mm，總質(zhì)量約1.5kg。

經(jīng)測量，機器人重心在膝蓋附近。機器人重心越低，機器人運動越加平穩(wěn)。反之機器人重心約高，機器人穩(wěn)定性越差。本設計電源分布在機器人胸板偏下，兩塊鋰電池左右對稱安置，避免破壞機器人的平衡性。

2.電路設計

人形機器人由舵機電源電路、單片機電源電路、單片機最小系統(tǒng)電路和舵機控制電路四部分組成。由于需要同時驅動17個舵機，故本設計采用2塊額定電壓為7.4V的輕質(zhì)鋰電池為機器人供電，其中頭部舵機、單片機最小系統(tǒng)和其中7個關節(jié)舵機采用一塊電池供電，另外9個關節(jié)舵機由另一塊電池供電。

因為60g舵機的驅動電流較大，故采用LM29302驅動，其驅動電流可達到3A。為保證供電平衡，本設計中采用4塊LM29302構成4個可調(diào)穩(wěn)壓電路模塊，經(jīng)調(diào)節(jié)后穩(wěn)壓輸出6V（±5%）為舵機供電，每個模塊控制4個舵機。如圖2所示為LM29302電路圖。頭部舵機、單片機最小系統(tǒng)采用LM2940穩(wěn)壓輸出5V控制。

機器人核心控制板采用作者本人設計PCB印制電路板，如圖3所示。該PCB中需要將XS128最小系統(tǒng)板插入在引腳座中。核心板中包含LM2940穩(wěn)壓電源線路，并引出了最小系統(tǒng)中的80個引腳。

3.軟件設計

（1）舵機控制

本設計中的舵機均為數(shù)字舵機，采用PWM信號控制。MC9S12XS128系列芯片帶有7路引出的PWM輸出口，其余10路PWM信號輸出采用10個I/O口由軟件模擬實現(xiàn)。調(diào)試前，先找到每個舵機的中間位置點和運動范圍區(qū)間，記錄角度和對應的PWM值，最終實現(xiàn)線性控制。每個舵機的單獨控制可以近似采用y=kx+b的數(shù)學模型。

（2）動作控制

程序采用C語言編程，每個舵機關節(jié)的運動采用一個獨立的函數(shù)編寫完成，并建立模塊化程序，通過各個模塊的協(xié)調(diào)運行實現(xiàn)機器人的協(xié)調(diào)運動。同時程序中具有良好的可維護性和擴展性，可以滿足隨時加入新的動作。本設計編寫了一套“舞蹈”動作和一套行走動作。

（3）單片機初始化

本設計采用MC9S12XS128型號單片機。其中包含以下初始化程序模塊：PLL模塊主頻80MHz；PWM模塊不級聯(lián)輸出；PIT定時中斷和外部觸發(fā)中斷；I/O輸入輸出接口模塊。

結論

人形機器人在今后生活中的應用前景較大，配有GPS功能、語音功能和網(wǎng)絡化管理的人形機器人是未來人形機器人發(fā)展的趨勢。但這些智能化的功能都需要以機器人穩(wěn)定的行動能力為基礎。經(jīng)驗證，本設計的機器人能夠實現(xiàn)基本動作的展示和行走。下一步，可以在本文研究的基礎上，加入如語音問詢和導航功能，從而進一步提高人形機器人的智能化程度。

參考文獻

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