人形智能機器人的設(shè)計

徐格威　栗麗　陳雪

【摘 要】雙足類人行機器人一直都是國內(nèi)外非專業(yè)和專業(yè)機器人愛好者重點研究的項目。介紹了具有GPS定位功能的雙足機器人的行走運動控制，主要研究了對標(biāo)準的“加藤一郎”約束結(jié)構(gòu)的人形機器人進行行走運動控制，對硬件的控制系統(tǒng)進行合理的設(shè)計，動作流程的規(guī)劃，完成軟件的編程。機器人選取了被人們廣泛使用的51系列單片機，采用的是單片機STC12C5A60S2，并集成了GPS模塊，使機器人擁有了定位功能。

【關(guān)鍵詞】人形機器人；單片機STC12C5A60S2；GPS；“加藤一郎”約束結(jié)構(gòu)

0 引言

類人形步行機器人的控制還有它的相關(guān)技術(shù)的研究無論是在國內(nèi)還是國外的機器人領(lǐng)域中都有著重要研究價值，同時機器人的研究成果和當(dāng)今的社會有著密不可分和不容忽視的意義，所以這項科學(xué)一直成為機器人研究的熱點之一。

時至今日，設(shè)計并完成具有GPS定位功能的類人形機器人的運動控制，需要滿足以下幾個基本功能：其一是研制出兩足步行機構(gòu)，并使其能在許多結(jié)構(gòu)性、非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中完成行走任務(wù)，從而代替人類進行諸如延伸、作業(yè)、擴大活動等領(lǐng)域；二是更多地了解和掌握人類步行時的特性和技巧，并且利用這些特性來為人類服務(wù)；三是兩足人形機器人的步行系統(tǒng)，具有極為豐富的動力學(xué)特性。在這方面進行的研究，可以拓寬力學(xué)以及機器人學(xué)的研究方向。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計采用STC12C5A60S2 單片機作為主控芯片，集成了兩片存儲芯片AT24C512，GPS定位模塊并設(shè)計了35個IO雙向接口，用于傳感器及電機的集成。

硬件部分的控制器主要采用的是STC12C5A60S2 單片機。單片機的工作電壓為3.3 V～5.5 V（5V單片機），兼容普通8051的定時器或4個外部中斷，工作頻率在0-35MHz之間，有6個16位定時器，具有看門狗和EEPROM功能，并且內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路 。使用內(nèi)部R/C振蕩器時鐘 11MHz-17MHz。

GPS模塊性能的價值指標(biāo)主要有接收靈敏度、定位時間、位置精度、時間精度、功耗等。在不同的啟動模式下，模塊開機定位時間有很大不同。一般來說，模塊內(nèi)部沒有保存任何有助于定位的數(shù)據(jù)的情況稱為冷啟動時間，包括星歷、時間等，一般標(biāo)稱在1分鐘以內(nèi)；模塊內(nèi)部有較新的衛(wèi)星星歷（一般不超過2小時），但時間偏差很大的，稱為溫啟動時間，一般標(biāo)稱在45秒以內(nèi)；熱啟動時間是指關(guān)機不超過二十分鐘，并且RTC時間誤差很小時的情況。

人形機器人設(shè)計了35個IO接口，其中包括萬能接口11個，萬能接口可以選擇7.4V 或5V 電壓供電，可選上拉電阻或下拉電阻?？捎糜诟鞣N擴展舵機和傳感器。

由于雙足機器人運動控制的復(fù)雜性，為機器人使用的STC12C5A60S2單片機集成了兩片電可擦除存儲芯片AT24C512，存儲空間共有128KB，這樣可以讓機器人程序存儲器空間擴充至190KB。AT24C512是Atmel公司生產(chǎn)的64KB串行電可擦的可編程存儲器，內(nèi)部共有512頁，每一頁為128字節(jié)，任一單元的地址為16 位，地址范圍為0000～0FFFFH之間。其優(yōu)點就是，采用8引腳封裝，結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大。在測控系統(tǒng)中被大量采用，可以在2總線上并接4 片芯片，特別適用于具有大容量數(shù)據(jù)存儲要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

本設(shè)計采用由德州儀器公司推出的一款兼容RS232標(biāo)準的芯片。串口通信指的是數(shù)據(jù)的各位按順序一位一位傳送。他的優(yōu)點就是，只需一對傳輸線，占用硬件資源少，適用于遠距離通信，而缺點則是，傳送速度較慢。本設(shè)計所采用的是4pinRS232接口帶“CTS”判斷位，可以同時輸出RS232電平和TTL電平。由于電腦串口RS232電平是-10v+10v，而一般的單片機應(yīng)用系統(tǒng)所采用的信號電壓是TTL電平0+5v，所以需要進行電平轉(zhuǎn)換，這也就是使用max232的原因，該器件包含兩個驅(qū)動器、兩個接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。

2 軟件設(shè)計

根據(jù)雙足類人形機器人行走控制系統(tǒng)的功能需求和硬件電路特點，軟件系統(tǒng)需要滿足以下3個要求：

1）軟件模塊化，并且需要有很好的可維護性，可擴展性。

2）能夠?qū)崿F(xiàn)PWM 信號的分時復(fù)用，并且要保證PWM 信號的高精度。從而通過軟件，及時地改變PWM 的輸出。

3）可以滿足機器人多自由度控制的實時性。

3 結(jié)論

雙足類人行機器人是近年來的前沿學(xué)科，它涉及人工智能、自動控制、仿生、通訊、機械電子等多個領(lǐng)域的技術(shù)融合。本論文重點研究了機器人的行走規(guī)劃以及GPS定位功能的實現(xiàn)，經(jīng)實驗驗證，所設(shè)計的機器人能夠在平坦的地面上自由行走并具有GPS定位功能。

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