仿人形機器人

西北民族大學電氣工程學院 吳仲雪 韋金玲 金 鳳 馬玉鳳 梁蘭方 王 濤

仿人形機器人

西北民族大學電氣工程學院 吳仲雪 韋金玲 金 鳳 馬玉鳳 梁蘭方 王 濤

隨著經(jīng)濟建設(shè)不斷進行，創(chuàng)新型教育逐漸占據(jù)主導地位，本研究針對這一問題，設(shè)計了一款以單片機為主要控制芯片，由語音模塊、電源模塊之間相互協(xié)調(diào)控制的仿人形機器人，該機器人通過舵機串行、并行控制各個關(guān)節(jié)，能夠根據(jù)語音命令執(zhí)行相應(yīng)的舞蹈動作，既能娛樂大眾，又能達到培養(yǎng)青少年創(chuàng)新精神的目的。

舵機；語音控制；創(chuàng)新型教育；機器人

0 引言

教育是一個國家發(fā)展的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的教育是理論知識對認知的洗禮，主要目的是擴增知識面，而創(chuàng)新型的教育旨在培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新精神，激發(fā)青少年對于新興的具有創(chuàng)新性的發(fā)展方向探索的熱情，為社會甚至是國家培育優(yōu)秀的未來創(chuàng)造者打下良好的基礎(chǔ)。本文建立在此基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于仿人形機器人的研究，設(shè)計了一款以語音及舵機為主要控制系統(tǒng)的機器人，此設(shè)計及相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)在青少年教育、休閑娛樂等方面有廣泛的市場應(yīng)用，在宣傳創(chuàng)新的過程中，提高了自動化程度，為未來大部分的產(chǎn)業(yè)走向自動化奠定了良好基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件組成

主控為單片機，由舵機以及仿人形的骨架關(guān)節(jié)為主要執(zhí)行機構(gòu)，包括語音模塊以及電源模塊等組成，使用PID算法及C語言進行編程。舵機主要控制各個關(guān)節(jié)運動，使其能夠執(zhí)行諸多較為復雜的舞蹈動作，語音模塊用于實現(xiàn)語音控制的目的。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

仿照人體結(jié)構(gòu)設(shè)計出機器人的基本框架，確定89C51芯片的位置，確定各個舵機以及語音模塊、電源模塊和主控單片機的具體位置，進行硬件部分搭建，使各個部分整體美觀且能夠正常執(zhí)行相應(yīng)的功能。用PID算法和C語言進行程序的編寫，調(diào)節(jié)好語音模塊與舵機之間的聯(lián)系，當收到語音命令時，機器人做出正確動作且不發(fā)生錯誤。進行反復測試，實現(xiàn)語音模塊、傳感器、舵機之間相互協(xié)調(diào)的智能化控制。本設(shè)計機器人內(nèi)將設(shè)有特定歌曲的文件，在做出動作的同時或者其他要求的時候播放音樂，大大提高其在娛樂方面的應(yīng)用。

2 硬件的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 舵機的控制

本設(shè)計所用到的舵機的工作流程為：控制信號→控制電路板→電機轉(zhuǎn)動→齒輪組減速→舵盤轉(zhuǎn)動→位置反饋電位計→控制電路板反饋。它的控制信號周期為20MS的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5-2.5MS,相對應(yīng)的舵盤位置為0－180度，呈線性變化。也就是說，給他提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持一定對應(yīng)角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎么改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)位置上如圖7所求。舵機內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20MS，寬度1.5MS的基準信號，有一個比出較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而生產(chǎn)電機的轉(zhuǎn)動信號。

2.2 語音模塊

通過語音模塊接收使用者下達的命令，由主控單片機下達指令，由其對舵機進行控制，做出相應(yīng)的技術(shù)動作?？刂普甙l(fā)出播放歌曲命令，機器人自動播放音樂，從而達到人機互動，實現(xiàn)由語音進行控制的目的，大大提高其智能化程度。

2.3 傳感器

本設(shè)計使用的多為用來檢測機器人本身狀態(tài)(如手臂間角度)的傳感器，即內(nèi)部傳感器，多為檢測位置和角度的傳感器。在機器人各個關(guān)節(jié)活動以及執(zhí)行各項運動時，用于調(diào)節(jié)肢體轉(zhuǎn)動的角度以及將要運動到的位置的感知。

2.4 外部控制

本設(shè)計除了一部分自主編寫的內(nèi)部程序之外，還可以通過外部軟件APP對其動作進行控制，在APP 中添加入所想看到的動作，通過數(shù)據(jù)傳輸，機器人能夠執(zhí)行相應(yīng)要求的動作，甚至播放音樂。

圖2 程序設(shè)計流程圖

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計流程圖如右圖所示，主要由單片機控制，由語音模塊接收使用者發(fā)出的語音命令并把數(shù)據(jù)反饋給單片機，主控單片機向舵機發(fā)出指令，控制舵機運動，這樣，機器人就能按照指令完成相應(yīng)的技術(shù)動作。圖2為程序設(shè)計流程圖。

4 結(jié)論

（1）本設(shè)計的研究應(yīng)用語音智能化控制的理念，將其與舵機結(jié)合起來，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢，使得機器人更具智能化。

（2）系統(tǒng)具有設(shè)計簡單、 成本低及穩(wěn)定性高等特點， 具有很大的實際應(yīng)用價值與商業(yè)推廣價值。

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Imitation humanoid robot thesis

WU Zhong-xue，WEI Jin-ling，JIN Feng，MA Yu-feng，LIANG lan-fang，Wang Tao
（School of Electrical Engineering，Northwest University for Nationalities，Lanzhou ,730030,China）

With the continuous construction of economic construction，the innovation education gradually dominates.In this paper，this paper designs a kind of imitated humanoid robot，which is controlled by voice module and power module.，The robot through the steering gear serial，parallel control of the joints，according to the voice command to perform the corresponding dance action，both entertainment public，but also to cultivate the purpose of cultivating young people’s innovative spirit.

steering gear；voice control；innovative education；robot

吳仲雪（1997—），女，重慶江津人，大學本科，研究方向：通信工程。

西北民族大學電氣工程學院本科生科研創(chuàng)新項目資助。