基于ROS的人形機(jī)器系統(tǒng)設(shè)計

廣東工業(yè)大學(xué)　李步恒　杜玉曉

0　引言

在過去的幾十年中，世界上許多高校、企業(yè)，亞洲是日本和韓國、歐洲是德國和法國，之外還有美國等國家，均投入大量的資金用于人形機(jī)器人中。到現(xiàn)在也有很多高質(zhì)量的文章提出了有關(guān)機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和控制系統(tǒng)的問題，同時己經(jīng)有很多的人形智能機(jī)器人被創(chuàng)造出來，其中整身的人形智能機(jī)器人，如ASIMO，QRIO，HUBO，NAO和ARMAR等，上半身的仿人機(jī)器人如Twendyone, Justin等；一些專注于面部表情機(jī)器人，如Geminoid[1]。國內(nèi)長沙國防科技大學(xué)于2000年11月研制出我國首臺人形機(jī)器人——先行者，BHR-2型機(jī)器人，還有北京理工大學(xué)提出BHR-4仿人機(jī)器人[2]。雖然這些人形智能機(jī)器人的性能高，但是價格過高、性價比低、軟件代碼適用性差，如果從頭到尾開發(fā)機(jī)器人的軟硬系統(tǒng)勢必會造成開發(fā)周期長、開發(fā)難度大大提高，對于企業(yè)來說，需要一個模塊化、易于維護(hù)的人形機(jī)器人軟硬件系統(tǒng)顯得尤為關(guān)鍵。

針對以上的考慮，本研究采用目前流行的開源機(jī)器人次級操作系統(tǒng)---ROS系統(tǒng)，設(shè)計一種成本低、性能高、性價比高的人形機(jī)器人軟硬系統(tǒng)。

1　人形機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1　硬件系統(tǒng)框架

人形機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要由主控制器（PC104）和舵機(jī)控制板（STM32）兩部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中主控制器主要負(fù)責(zé)復(fù)雜計算，如步態(tài)規(guī)劃和圖像處理；舵機(jī)控制板主要對負(fù)責(zé)陀螺儀加速度計模塊的控制，收集機(jī)器人位姿信息，通過USB協(xié)議反饋回主控制器，之外，還直接與舵機(jī)通信，把上位機(jī)處理好的結(jié)果讓舵機(jī)做出相應(yīng)的反應(yīng)。

1.2　驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

韓國Dynamixel 系列中的MX-28T舵機(jī)的位置、速度控制精度高，可達(dá)4096級，最大轉(zhuǎn)角為360°，控制角度分辨率為0. 088度/步。通信波特率范圍為8000bps ～ 4.5Mbps，通信協(xié)議類型為半雙工異步串口通信，其中具體的格式是8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)，STM32舵機(jī)控制板是根據(jù)20個舵機(jī)之間的唯一的ID進(jìn)行識別，在TTL連接上，最大有254個舵機(jī)ID[3]。韓國Dynamixel 系列舵機(jī)都有提供了一個控制表，用來存儲舵機(jī)的狀態(tài)和控制信息，控制表是由RAM和EEPROM區(qū)組成[4]，所以，對MX-28T舵機(jī)的控制就是向其控制表中寫指令，獲取舵機(jī)狀態(tài)信息就是讀取控制表相應(yīng)的值。

STM32舵機(jī)控制器和舵機(jī)之間通信按照MX-28T數(shù)據(jù)格式即可，控制舵機(jī)時候，是通過發(fā)送指令包給舵機(jī)，指令包的格式主要內(nèi)容解釋有，0XFF是表示開頭，ID表示把數(shù)據(jù)發(fā)送給哪個舵機(jī)，LENGTH則表示當(dāng)前發(fā)送指令包的長度，INSTRACTION就是使用控制表中的控制指令，PARAMETER表示發(fā)送的實(shí)際數(shù)據(jù)，最后校驗(yàn)和的計算是全部參數(shù)相加[4]，最后取反即可。

圖1　人形機(jī)器人硬件系統(tǒng)

2　人形機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計

研究模塊化的人形機(jī)器人軟件系統(tǒng)，使人形機(jī)器人具有高系統(tǒng)、高模塊和高擴(kuò)展性[5]。人形機(jī)器人軟件系統(tǒng)的設(shè)計直接關(guān)乎到后續(xù)工作，設(shè)計出一套適合的軟件系統(tǒng)將會為后續(xù)的復(fù)雜算法的開發(fā)節(jié)省時間，在系統(tǒng)的可移植性上，盡量做到其他類似的平臺上也可以使用。為此除了在PC104移植ubuntu12.04系統(tǒng)，還在系統(tǒng)上構(gòu)建次級系統(tǒng)---ROS系統(tǒng)，作為機(jī)器人的上層決策系統(tǒng)。

根據(jù)需求，設(shè)計層次化和模塊化的人形機(jī)器人系統(tǒng)，得出人形機(jī)器人軟件系統(tǒng)總體框架如圖2所示[6]。其中ROS平臺中的模塊是后續(xù)算法運(yùn)行的基礎(chǔ)；上層控制中的模塊是需要另外開發(fā)的模塊，本文主要集中研究控制系統(tǒng)。

圖2　人形機(jī)器人軟件系統(tǒng)總體框架

上下通信模塊，主要負(fù)責(zé)與STM32舵機(jī)控制板通信和ROS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；ROS平臺主要建立機(jī)器人的仿真模型，在模型上仿真實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各項(xiàng)功能；上層控制主要負(fù)責(zé)人臉識別、語音控制的等一些模塊的實(shí)現(xiàn)[7]。

3　ROS下人形機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)試

設(shè)計完硬件電路和移植軟件系統(tǒng)，人形機(jī)器人軟硬件系統(tǒng)就搭建完，最后在系統(tǒng)上部署ROS系統(tǒng)，并在ROS上建立機(jī)器人仿真模型。其中，STM32的代碼需要預(yù)先編譯好在燒錄進(jìn)去。

最后，通過對STM32調(diào)試，各傳感器模塊、電源模塊正常工作。把預(yù)先編譯好的程序下載到STM32舵機(jī)控制板，用串口調(diào)試助手觀察STM32串口的輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是正確的，表明預(yù)先編譯的程序是正常。最后把程序固化到STM32控制器上，，安裝到人形機(jī)器人上。在觀察與PC104串口的通信情況。通過多次的調(diào)試數(shù)據(jù)顯示，STM32控制板與二十個舵機(jī)還有傳感器模塊通訊正常，與PC104的通信也沒錯。

4　結(jié)束語

本研究利用開源機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS，PC104和STM32等設(shè)計了一個人形機(jī)器人軟硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用的方法可以快速的構(gòu)建一個人形機(jī)器人系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，該人形機(jī)器人軟硬件系統(tǒng)設(shè)計方案合理，且具有高性能、低成本、性價比高，功能豐富和高擴(kuò)展行等特點(diǎn)，同時，構(gòu)建好的系統(tǒng)具有強(qiáng)大的性能，后期在其上開展步態(tài)控制、導(dǎo)航定位和路徑規(guī)劃等研究提供了重要的基礎(chǔ)。

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