一種人形機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

訾詩宇，李小斌，吳宏岐，劉 霞

（寶雞文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，寶雞 721016）

隨著智能控制、機(jī)器學(xué)習(xí)等科目的迅速發(fā)展，作為控制論集大成者的機(jī)器人研究也隨之進(jìn)入了一個新的時代。人形機(jī)器人是最復(fù)雜的機(jī)器之一，也是人類最早想象的關(guān)于未來的圖景之一。機(jī)器人的研究日趨熱點化，加上筆者對于機(jī)器人一直以來的興趣，學(xué)校也恰好有這個條件和機(jī)會給筆者提供了一套類人機(jī)器套裝，所以有此設(shè)計。

1 H1-B型機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件整體設(shè)計結(jié)構(gòu)

H1-B型智能機(jī)器人系統(tǒng)主要包括單片機(jī)主控電路、電源模塊電路、發(fā)音模塊電路、步進(jìn)電機(jī)動作模塊電路、聲音傳感器模塊電路、光學(xué)傳感器模塊電路、機(jī)器人外形設(shè)計等，單片機(jī)檢測到傳感器發(fā)來的信號并處理后，指示步進(jìn)電機(jī)或音頻模塊做出相應(yīng)動作[1]。

之所以要用單片機(jī)控制系統(tǒng)，是因為單片機(jī)是將CPU、儲存器、T/C、I/O接口都集成在一塊IC卡上的微型計算機(jī)，可以完成傳統(tǒng)計算機(jī)可以完成的所有工作。再加上其體積小、成本低廉，成為了微型機(jī)器人（廣義上）最常用的控制系統(tǒng)中心。Abilix 能力風(fēng)暴H1-B機(jī)器人是對新手十分友好的教學(xué)類機(jī)器人，集電子學(xué)、機(jī)械、計算機(jī)、仿生學(xué)和傳感器等多方面的知識于一體。

1.1 主控模塊

Abilix頭腦風(fēng)暴H1-B教育機(jī)器人采用了RAM 的 STM32 芯片，內(nèi)核為ARM 32位的Cortex-M3，最高時序頻率為72MHz，閃存容量為384K，SRAM為64K，2.0-3.6V供電，2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1μm轉(zhuǎn)換時間，16個輸入通道，2個DMA控制器，USB2.0接口。單片機(jī)與PC之間的通信通過USB串聯(lián)接口實現(xiàn)，通信芯片為SILABSCP2102。

1.2 傳感器模塊

傳感器模塊采用反射式的紅外光電傳感器和聲音傳感器，NXP公司的1114F處理芯片，工作原理為傳感器收端沒有接收到紅外線，表明探頭沒有檢測到障礙，傳感器輸出低電平到比較器的反相輸入端，反相輸入端的電壓小于正相輸入端電壓，則比較器輸出端輸出高電平，此時開始避開障礙；接收端接收到紅外線信號，表明探頭檢測到了障礙，此時繼續(xù)運動[2]。此外遇到故障后可以發(fā)出聲音提醒。在傳感器的信號接收和信號發(fā)送流程中，由于傳感器采用了一體式模塊化設(shè)計，讓信號采集和發(fā)送處于一條線路上，使得系統(tǒng)得到了簡化。

1.3 動作模塊

Abilix 頭腦風(fēng)暴 H1-B 型教育機(jī)器人套裝自帶七個智能電機(jī)模塊作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)使用，通過H-CON101控制器可以控制其速度和角度，在無限旋轉(zhuǎn)模式下還可以作為輪子或者風(fēng)車的軸來使用，可以設(shè)置轉(zhuǎn)速快慢，取值范圍在-1023～1023之間，0為電機(jī)停止，-1023為順時針最大速度，1023為逆時針最大速度。

1.4 電源電路

Abilix H1-B型機(jī)器人采用充電鋰電池供電，交流電通過適配器和平衡充將220V/60Hz的國標(biāo)交流電轉(zhuǎn)換為12V/3.5A的直流電，鋰電池的充電電壓為12.6V，輸出為11.1V，單片機(jī)的工作電壓為5V，因此系統(tǒng)控制板配置有Maxim 603穩(wěn)壓芯片，可以將11.1V的電壓濾波2為5V的工作電壓，低壓復(fù)位保護(hù)電路為DS1233。

2 軟件編程設(shè)計

本機(jī)器人套裝提供的軟件是基于VJC編程環(huán)境的，用戶在已有可視化模板模塊程序基礎(chǔ)上做適當(dāng)修改，使用模板選擇窗口，并選擇已有的模板程序，建立自己的項目，一鍵下載到程序A，或者程序B，來控制機(jī)器人模板程序?qū)崿F(xiàn)的示例項目中的基本功能[3]。在一個機(jī)器人中，可以使用其中一個或多個編輯器，實現(xiàn)機(jī)器人的編程和控制，也可以使用原有模板或者對模板進(jìn)行編輯，再創(chuàng)建新的方式實現(xiàn)機(jī)器人的控制。

2.1 編程的實現(xiàn)過程

機(jī)器人還有一個對新手來說很友好的特點，全程可以使用圖形化交互式C 語言（VJC）來完成主程序設(shè)計，這種程序設(shè)計模式避開了繁瑣的代碼編寫，以較為直觀的方法實現(xiàn)了主程序的構(gòu)建。在本次設(shè)計中，本人使用的是VJC 5.0，它包含了流程圖編輯器、動作編輯器、模型編輯器，可以直接使用原模版程序，也可以對模板進(jìn)行修改后實現(xiàn)機(jī)器人的控制，高級用戶可以使用JC代碼編輯器進(jìn)行編寫開發(fā)。

2.2 VJC的用戶界面及模塊庫

模塊庫功能是將復(fù)雜的編程語言轉(zhuǎn)化為簡單的圖形化模塊，列舉在該庫中方便用戶拖動調(diào)用。筆者使用的環(huán)境是VJC5.1，它安裝簡單，使用方便，兼容性高。

流程圖編程的模塊分五類，控制器模塊庫，智能電機(jī)模塊庫，集成傳感器模塊庫，控制器模塊庫，程序模塊庫[4]。

（1）控制器模塊庫。針對控制器本身及l(fā)/O接口進(jìn)行檢測設(shè)置的模塊庫。

（2）智能電機(jī)模塊庫。本機(jī)器人常用的執(zhí)行器模塊庫，包含本機(jī)器人主要部分的執(zhí)行（智能電機(jī)的控制，動作頁的執(zhí)行[動作編輯器產(chǎn)生]）。

（3）集成傳感器模塊庫。本機(jī)器人常用的傳感器控制模塊庫，包含了所有的傳感器功能。

（4）控制模塊庫。在用戶程序中，讀取各端口傳感器的返回值一般有兩種用途：儲存和判斷，其中用于判斷的情況居多。在VJC中提供了while語句、if…else…語句、for語句三種判斷方式的流程圖模塊，在控制模塊庫中，如果要做判斷必須有被比較的對象和比較參考值。被比較的對象一般是傳染期的返回值或者更新后的變量值，所以在傳感器模塊庫中所有具備“讀取”功能的模塊都可以直接轉(zhuǎn)換成條件判斷模塊。

（5）程序模塊庫。在進(jìn)行較大程序的編寫時，有的時候總會有幾條指令重復(fù)出現(xiàn)，此時我們可以將其定義為子程序，程序模塊庫就是滿足這一需求的庫。

3 結(jié)束語

本文對H1-B機(jī)器人的控制系統(tǒng)做了粗略的分析，并編寫了上位機(jī)程序用來實現(xiàn)機(jī)器人的特定動作，借助本文章可以對H1-B型機(jī)器人總體框架有一個基本的認(rèn)識，并在此基礎(chǔ)上做相應(yīng)的程序編寫。