仿人機(jī)器人的步態(tài)行走設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧三星，楊蒙蒙，李克強(qiáng)，韓鑫龍，肖翔宇

（黃河交通學(xué)院 河南省智能制造技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河南焦作，454950）

0 引言

2022 年8 月12 日，科技部、教育部、工業(yè)和信息化部、交通運(yùn)輸部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國(guó)家衛(wèi)生健康委發(fā)布《關(guān)于加快場(chǎng)景創(chuàng)新以人工智能高水平應(yīng)用促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》[1]，8 月15 日，科技部發(fā)布《關(guān)于支持建設(shè)新一代人工智能示范應(yīng)用場(chǎng)景的通知》[2]，還與財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布《企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動(dòng)方案（2022—2023 年）》[3]，國(guó)家對(duì)人工智能領(lǐng)域科學(xué)研究支持力度高。目前，仿人機(jī)器人在諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如地震救援、醫(yī)療服務(wù)等[4~6]，本文以STM32 單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一種仿人機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)直立行走、轉(zhuǎn)彎、翻滾功能，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行步態(tài)測(cè)試。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

■1.1 設(shè)計(jì)思路

仿人機(jī)器人的步態(tài)行走設(shè)計(jì)系統(tǒng)由意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RBT6 單片機(jī)主控芯片、舵機(jī)控制板、舵機(jī)與電源四大部分構(gòu)成[7]。為節(jié)約設(shè)計(jì)成本，未使用彈性連接件和無(wú)線傳感器。

仿人機(jī)器人的控制原理是在整個(gè)電路通電后，對(duì)單片機(jī)的復(fù)位引腳施加一個(gè)電平信號(hào)，以此完成單片機(jī)復(fù)位；然后將Keil 軟件中編譯好的操作程序下載到STM32 單片機(jī)中，并通過(guò)STM32 單片機(jī)向開(kāi)源舵機(jī)控制器發(fā)出控制信號(hào)；最后由開(kāi)源舵機(jī)控制器控制相應(yīng)的舵機(jī)動(dòng)作，完成預(yù)先設(shè)計(jì)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)步態(tài)行走。

■1.2 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿人機(jī)器人的步態(tài)行走設(shè)計(jì)采用的核心部件為STM-32F103RBT6 單片機(jī)，最小系統(tǒng)由上電復(fù)位電路、電源供電電路與時(shí)鐘電路三部分構(gòu)成，其中電源電路中有5 個(gè)數(shù)字電源正極；主時(shí)鐘晶振頻率為8MHz，晶振電路為單片機(jī)提供定時(shí)計(jì)數(shù)功能；NRET 引腳正常工作時(shí)接3.3V 高電平，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)，按鈕開(kāi)關(guān)接地，在需要進(jìn)行初始化操作時(shí)，按下開(kāi)關(guān)復(fù)位引腳被賦予低電平即可。

STM32F103RBT6 單片機(jī)的核心是 ARM?的Cortex ?-M3，并且內(nèi)置有閃存和SRAM，ARM 的Cortex-M3 處理器是新一代的嵌入式ARM 處理器，它為實(shí)現(xiàn)MCU 的需要提供了低成本的平臺(tái)、縮減了引腳數(shù)目、降低了系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。

■1.3 開(kāi)源舵機(jī)控制器

仿人機(jī)器人的步態(tài)行走設(shè)計(jì)采用的是開(kāi)源舵機(jī)控制器，該控制器擁有多種給外設(shè)模塊提供電源的接口，供給遙控的手柄接收器接口，以及總線舵機(jī)的接口與PWM 舵機(jī)的接口，脫機(jī)運(yùn)行按鍵等強(qiáng)大的功能與多種多樣的外部接口。

由于本設(shè)計(jì)采用的是總線舵機(jī)，所以需用舵機(jī)線連接舵機(jī)與總線舵機(jī)的接口，上電調(diào)試后，就可燒錄程序給單片機(jī)經(jīng)開(kāi)源舵機(jī)控制器后就可控制舵機(jī)的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)。

開(kāi)源舵機(jī)控制器結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 開(kāi)源舵機(jī)控制器結(jié)構(gòu)圖

開(kāi)源舵機(jī)控制器的具體功能參數(shù)如表1 所示。

表1 開(kāi)源舵機(jī)控制器功能參數(shù)表

■1.4 舵機(jī)

舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)，在高檔遙控玩具，如飛機(jī)、潛艇模型、遙控機(jī)器人中已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用。采用總線舵機(jī)控制方案，具有在線調(diào)試、下載程序模塊、離線程序執(zhí)行功能特點(diǎn)[8]。

舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由一組變速齒輪組、一個(gè)微小的直流馬達(dá)、一個(gè)提供反饋并可調(diào)電位器及一塊電子控制板組成。其中，高轉(zhuǎn)速的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)減速齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出。

圖2 舵機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

舵機(jī)是一個(gè)經(jīng)典的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，原動(dòng)力由電機(jī)提供，進(jìn)而帶動(dòng)齒輪箱，承擔(dān)終端位置檢測(cè)反饋任務(wù)的為電位器，線性電位器以比例電壓的形式將轉(zhuǎn)角坐標(biāo)反饋給控制電路板，控制電路板將該信號(hào)與輸入的控制信號(hào)相比較，然后發(fā)生修正脈沖信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

■1.5 電源

電源模塊最核心元件為電池，所選用的電池應(yīng)滿(mǎn)足安全、電池容量大、電池可循環(huán)次數(shù)多、重量小、體積小等條件，還要根據(jù)單片機(jī)所需供電電壓等級(jí)，設(shè)計(jì)電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換電路。鋰離子電池同等體積下，其電池容量及放電電壓要優(yōu)于其他電池，本設(shè)計(jì)采用1500mAh 鋰電池組，電壓轉(zhuǎn)換電路采用AMS1117 穩(wěn)壓器芯片[9]。接通電源開(kāi)關(guān)后，7.4V 電壓通過(guò)兩個(gè)不同輸出電壓的AMS1117 穩(wěn)壓器芯片，一路電壓變?yōu)?.3V，供給STM32 單片機(jī)使用，另一路電壓輸出為5V。電源模塊如圖3 所示。

圖3 電源模塊電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■2.1 主程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)通電后，初始化程序運(yùn)行，STM32 單片機(jī)為總處理單元，舵機(jī)反饋位置、電壓、溫度等信號(hào)，通過(guò)開(kāi)源舵機(jī)控制器處理經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換后，傳輸至單片機(jī)處理，若舵機(jī)沒(méi)有復(fù)位，則需要先進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位后即可運(yùn)行機(jī)器人動(dòng)作組程序。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

■2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的為開(kāi)源雙足機(jī)器人上位機(jī)軟件，該上位機(jī)軟件界面清晰，軟件主界面如圖5 所示。

圖5 上位機(jī)軟件主界面圖

仿人機(jī)器人上位機(jī)軟件的操作界面為三個(gè)區(qū)域，左方六個(gè)藍(lán)色圖標(biāo)為舵機(jī)控制區(qū)域，每個(gè)圖標(biāo)對(duì)應(yīng)一個(gè)舵機(jī)，圖標(biāo)上方有舵機(jī)的標(biāo)號(hào)，方便區(qū)分，圖標(biāo)下方有白色滑軌和滑塊，用以改變舵機(jī)的位置，因?yàn)槭褂玫氖腔瑝K調(diào)節(jié)，故可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

右方靠上位置的方框?yàn)閯?dòng)作編輯詳情列表，可以顯示設(shè)定動(dòng)作的舵機(jī)位置，動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間與修改動(dòng)作執(zhí)行順序等，最多可輸入1020 個(gè)動(dòng)作。

右方靠下位置的區(qū)域?yàn)榘存I區(qū)域，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作組功能設(shè)置，動(dòng)作編輯完成后可以執(zhí)行保存、修改、更新等操作。

使用上位機(jī)軟件時(shí)，用USB 數(shù)據(jù)連接PC 端和仿人機(jī)器人，打開(kāi)電腦的設(shè)備管理器，找到連接的仿人機(jī)器人設(shè)備，記下COM 端標(biāo)號(hào)，打開(kāi)串口，指示燈變綠，即可進(jìn)行機(jī)器人動(dòng)作的編輯。每設(shè)置好一個(gè)動(dòng)作，點(diǎn)擊添加動(dòng)作按鈕設(shè)定動(dòng)作的數(shù)值，將編輯好的動(dòng)作組文件下載到STM32 單片機(jī)中，下載完成后關(guān)閉串口并斷開(kāi)連接線，按下控制按鍵即可運(yùn)行動(dòng)作。

3 系統(tǒng)調(diào)試

■3.1 硬件組裝

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選配系統(tǒng)元器件。主要有六個(gè)舵機(jī)、舵機(jī)之間連接的金屬件、開(kāi)源舵機(jī)控制器、STM32 單片機(jī)與亞克力板等。組裝后機(jī)器人如圖6 所示。

圖6 仿人機(jī)器人整體效果圖

由于組裝時(shí)可能對(duì)舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，上電后機(jī)器人不是處于直立狀態(tài)，因而需要通過(guò)舵機(jī)調(diào)試板連接舵機(jī)與調(diào)試軟件分別對(duì)舵機(jī)的ID、中位進(jìn)行設(shè)置，使得機(jī)器人處于直立狀態(tài)。

■3.2 系統(tǒng)在線調(diào)試

將仿人機(jī)器人主控芯片與USB 口連接，打開(kāi)KEIL 軟件，將編寫(xiě)好的主程序燒錄至單片機(jī)中，圖7 為電腦與仿人機(jī)器人連接調(diào)試效果圖。

圖7 電腦與仿人機(jī)器人連接調(diào)試效果圖

打開(kāi)上位機(jī)軟件，將上位機(jī)與機(jī)器人連接成功后，就可通過(guò)調(diào)整上位機(jī)軟件的舵機(jī)控制區(qū)來(lái)操控舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

測(cè)試一：行走

首先測(cè)試機(jī)器人的行走，直立狀態(tài)下，行走的第一步首先要改變機(jī)器人的重心分布，從而使機(jī)器人單腳站立，此時(shí)控制另一只腿上的舵機(jī)，向前邁步，邁步后調(diào)整好落地角度，注意與另一只腿部舵機(jī)的配合，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)落地。行走動(dòng)作組舵機(jī)各數(shù)值如表2 所示。

表2 行走動(dòng)作組舵機(jī)數(shù)值表

測(cè)試二：轉(zhuǎn)彎

由于本設(shè)計(jì)每個(gè)關(guān)節(jié)只有兩個(gè)自由度，轉(zhuǎn)彎動(dòng)作需要機(jī)器人單腳站立并保持較大的傾斜角度，另一條腿向前邁步，落地的同時(shí)，兩條腿上的舵機(jī)同時(shí)復(fù)位，在舵機(jī)扭矩的作用下，機(jī)器人即可向單腳傾斜的方向完成轉(zhuǎn)彎。如圖8 所示。

圖8 轉(zhuǎn)彎測(cè)試效果圖

轉(zhuǎn)彎動(dòng)作組舵機(jī)數(shù)值如表3 所示。

表3 轉(zhuǎn)彎動(dòng)作組舵機(jī)數(shù)值表

測(cè)試三：翻滾

翻滾時(shí)需要兩條腿上的舵機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，第一步需要完成機(jī)器人的頭部和腳部同時(shí)著地，第二步用頭部支撐，抬起腿部，使機(jī)器人呈現(xiàn)出倒立的形態(tài)，第三步將機(jī)器人腿部執(zhí)行第一、第二步機(jī)器人頭部動(dòng)作，即可完成翻轉(zhuǎn)操作。

翻滾動(dòng)作組舵機(jī)數(shù)值如表4 所示。

表4 翻滾動(dòng)作組舵機(jī)數(shù)值表

■3.3 系統(tǒng)脫機(jī)調(diào)試

首先需將測(cè)試完畢的動(dòng)作文件保存，將動(dòng)作組文件命名并保存，方便后續(xù)修改，保存完畢后，點(diǎn)擊動(dòng)作組序號(hào)，選擇“100”，因?yàn)闄C(jī)器人默認(rèn)設(shè)置 100 號(hào)動(dòng)作組為脫機(jī)起始動(dòng)作組號(hào)碼，而其余動(dòng)作組號(hào)碼則不能作為脫機(jī)動(dòng)作組起始號(hào)碼，下載完成后，如圖9 所示。

圖9 脫機(jī)調(diào)試圖

此時(shí)點(diǎn)擊關(guān)閉串口按鈕，斷開(kāi)機(jī)器人的連接，將其放在較為平整的地面上，按下控制器上的按鍵，機(jī)器人就能脫機(jī)運(yùn)行編輯的動(dòng)作組文件。

4 結(jié)語(yǔ)

仿人機(jī)器人的步態(tài)行走設(shè)計(jì)，利用STM32 單片機(jī)來(lái)控制開(kāi)源舵機(jī)控制器，進(jìn)而操作舵機(jī)，完成仿人機(jī)器人的行走、轉(zhuǎn)彎、翻滾動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試與脫機(jī)運(yùn)行，動(dòng)作相對(duì)穩(wěn)定、姿態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。仿人機(jī)器人脫機(jī)調(diào)試時(shí)，能夠做到斷開(kāi)與上位機(jī)的連接后，脫機(jī)自動(dòng)運(yùn)行編寫(xiě)好的動(dòng)作組文件，各模塊配合運(yùn)行平穩(wěn)，舵機(jī)角度可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、扭矩大，能勝任一些較復(fù)雜動(dòng)作，動(dòng)作運(yùn)行流暢，但是也存在一些問(wèn)題，例如受限于電池包的重量體積等，故機(jī)器人續(xù)航時(shí)間較短，不能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，這些都需要在后期的改進(jìn)中逐步優(yōu)化，本設(shè)計(jì)為國(guó)內(nèi)外相關(guān)仿人機(jī)器人的研究提供了一些借鑒。