基于STC12C5A的雙足機(jī)器人設(shè)計

陳長菊 曾星 陳忠

摘要：本文介紹了一種雙足機(jī)器人設(shè)計方法，采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片。該系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、穩(wěn)壓驅(qū)動模塊、舵機(jī)模塊、傳感器模塊等模塊構(gòu)成，機(jī)器人通過面陣CCD光電傳感器模塊和光電開關(guān)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過主控芯片處理數(shù)據(jù)來進(jìn)行路況判斷，由單片機(jī)調(diào)整pwm波占空比改變舵機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)，從而達(dá)到控制機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)的目的。傳感器的加入使系統(tǒng)具有良好的魯棒性。通過光電管檢測遇到的障礙物，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，避免撞上障礙物。

關(guān)鍵詞：STC12；舵機(jī)；面陣；CCD；光電管

1 引言

隨著社會的發(fā)展、生產(chǎn)力的提高，機(jī)器人與自動化技術(shù)越來越成為熱門的研究領(lǐng)域。在機(jī)器人的移動方式中，如果選擇步行，那么在運(yùn)動過程中還要考慮機(jī)器人是否會跌倒，所以雙足步行機(jī)器人幾乎是最難設(shè)計的。本文接下來將會介紹一種簡單的雙足機(jī)器人設(shè)計，該機(jī)器人可以根據(jù)路況調(diào)整自己的運(yùn)動方向、運(yùn)動速度等。

2 系統(tǒng)方案論證

從控制器模塊、舵機(jī)模塊、電源模塊、傳感器模塊和避障模塊5個方面進(jìn)行系統(tǒng)論證。

2.1 控制器模塊的論證和選擇

方案1：采用STC89C51作為系統(tǒng)控制器。它的技術(shù)成熟，成本低。STC89C51為八位單片機(jī)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢，且實時性不好，難以實時實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，不利于高精度的控制。

方案2：采用Freescale最新一系列32為單片機(jī)，MKL26Z256VLL4具有豐富的外設(shè)資源和優(yōu)異的處理性能。它由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成，Cortex-M0+內(nèi)核，256KB的Flash存儲器、32KB的RAM、兩個異步串行通信接口、兩個串行外圍接口，DMA模塊，TPM、LPTM定時器模塊，一組6通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強(qiáng)型捕捉定時器、兩組8通道10路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6通道脈寬調(diào)制模塊、一個字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29路獨(dú)立的數(shù)字I/O接口、20路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字I/O接口、5個增強(qiáng)型CAN總線接口，單片機(jī)內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使性能和能耗適應(yīng)具體操作的需要。

方案3：STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)是單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S，即25萬次/秒），針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合，此芯片便于運(yùn)用，功能能夠滿足雙足機(jī)器人功能的實現(xiàn)，且其相較于MKL26Z256VLL4成本較低。

綜上，該系統(tǒng)需要獨(dú)立的脈寬調(diào)制模塊，出于對系統(tǒng)高效、節(jié)能等方面的考慮選擇方案3。

2.2 舵機(jī)論證與選擇

方案1：采用DS3115舵機(jī)，扭矩15kg/cm，工作電壓4.8V-7.2V，重量較輕。

方案2：采用SG90舵機(jī)，扭矩較小，但重量僅為9g，利于機(jī)器人的行走靈敏。

綜上，考慮到機(jī)器人整體的重量，扭矩過小無法承受將近1kg的機(jī)器人，所以選擇有較大扭矩的DS3115舵機(jī)更為可行，選擇方案1。

2.3 電源模塊論證與選擇

方案1、采用開關(guān)電源供電，其優(yōu)點(diǎn)是能夠提供穩(wěn)定的5V電壓，但是占用資源過大，且要求獨(dú)立的系統(tǒng)供電。

方案2、采用8V獨(dú)立電源進(jìn)行供電，通過穩(wěn)壓芯片AMS1117-5將8V電源電壓轉(zhuǎn)變成5V提供給舵機(jī)和單片機(jī)等芯片。

綜上，方案2符合制作要求，多路分別供電，更易控制，選擇方案2。

2.4 傳感器模塊論證與選擇

方案1、灰度傳感器。通過灰度傳感器檢測地面環(huán)境?；叶葌鞲衅魇悄M傳感器，有一只發(fā)光二級管和一只光敏電阻，安裝在同一面上，灰度傳感器利用不同顏色的檢測面對光的反射程度不同，光敏電阻對不同檢測面返回的光其阻值也不同的原理進(jìn)行顏色辨別，從而控制機(jī)器人的運(yùn)動。

方案2、通過面陣CCD光電傳感器采集地面信息，使機(jī)器人安全行走。面陣CCD光電傳感器按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到地面某點(diǎn)時，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對應(yīng)的電壓值。從而控制機(jī)器人的運(yùn)動。

綜上，由于地面環(huán)境錯綜復(fù)雜，灰度傳感器判斷范圍過小，無法準(zhǔn)確判斷復(fù)雜情況，而面陣CCD光電傳感器能夠檢測一大片區(qū)域，檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確也更加穩(wěn)定。為實現(xiàn)良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性.選擇方案2。

2.5 避障模塊論證與選擇

方案1、采用HC-SR04超聲波模塊，該模塊可提供2cm-100cm的非接觸式距離檢測功能，測距精度可達(dá)高到3mm.但是程序比方案2復(fù)雜。

方案2、把一只光電開關(guān)裝在雙足機(jī)器人的足上，安裝簡易，程序控制簡單，可以檢測到障礙物的存在，通過對障礙物的檢測來確定是否轉(zhuǎn)向躲避障礙物。

綜上，光電開關(guān)可以滿足設(shè)計需求，超聲波模塊價格過于昂貴且編程復(fù)雜，所以選擇方案2。

3 系統(tǒng)設(shè)計

雙足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是所有部件的載體也是設(shè)計雙足機(jī)器人的最基本的和首要的工作。它必須能夠具有像人一樣前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、避障等基本功能，因此自由度的配置必須合理。

首先分析雙足機(jī)器人的運(yùn)動過程和行走步驟：重心右移（先右腿支撐）、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、左腿放下、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個階段。從機(jī)器人的行動步驟來看，每條腿的自由度至少需要兩個，才能滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

1、舵機(jī)：本系統(tǒng)為四個自由度，共采用4個舵機(jī)參與機(jī)器人的拐彎、前行等運(yùn)動；

2、傳感器的設(shè)計安裝：本系統(tǒng)共采用了兩種傳感器：面陣CCD光電傳感器和光電管，面陣CCD光電傳感器用來循跡，安在機(jī)器人的雙足上；光電管用來檢測障礙，在機(jī)器人兩側(cè)各安置1個；

3、系統(tǒng)電路板的固定：系統(tǒng)電路板采用膠接的方式與機(jī)器人主體連接在一起；

4、架體支撐系統(tǒng)：本系統(tǒng)兩足用了輕便材料鋁板，足底摩擦力適中，既能支撐起4個舵機(jī)、1塊電池和系統(tǒng)板的重量，還使機(jī)器人總體質(zhì)量較輕，利于機(jī)器人的快速行走；

5、頭頸結(jié)構(gòu)設(shè)計：頭頸部分是系統(tǒng)的中樞，PCB板上焊有穩(wěn)壓驅(qū)動系統(tǒng)，舵機(jī)控制端子、傳感器端子等。

4 機(jī)器人主要參數(shù)匯總報告

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