一種仿人競速機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制設(shè)計(jì)

魯攀 黎顯 呂海崗 李永祥

【摘? 要】隨著傳感器檢測技術(shù)與控制技術(shù)的高速發(fā)展，仿人機(jī)器人將在工業(yè)和家庭中得到廣泛應(yīng)用，本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)一個(gè)具有自動檢測黑白線功能的自主尋跡仿人競速機(jī)器人?？梢阅７麦w育場上運(yùn)動員的中短距離賽跑，機(jī)器人從起跑線出發(fā)，在類似環(huán)形賽道上直立行走快速行進(jìn)一圈到達(dá)終點(diǎn)線后停止。具體控制原理如下：核心控制板基于Arduino系列單片機(jī)，各部件及轉(zhuǎn)動部分以數(shù)字舵機(jī)來驅(qū)動，識別及分辨路線通過光電傳感器檢測來實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵字】Arduino;光電傳感器;數(shù)字舵機(jī)

1、仿人機(jī)器人簡介

仿人機(jī)器人是當(dāng)今機(jī)器人研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，大量學(xué)者都研究這一課題。該設(shè)計(jì)所研究的仿人競速機(jī)器人，可以模仿人類雙足直立行走，并要求其頭部、手臂有協(xié)調(diào)的配合功能，再輔助以各類傳感器，以使得該仿人機(jī)器人能夠自主識別周圍環(huán)境，快速靈活的完成競速行走功能。

在機(jī)器人行走的過程中，就需要機(jī)器人具有較高的雙足行走機(jī)動性能和可靠的傳感控制性能。因此，從優(yōu)化傳感器和數(shù)字舵機(jī)的安裝布局入手，設(shè)計(jì)出合適的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，開發(fā)所需自由度較少、但機(jī)動性強(qiáng)、傳感靈敏可靠并且性價(jià)比高的仿人競速機(jī)器人具有重要的意義。

2、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿人競速機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用人性結(jié)構(gòu)，如圖1所示，在各個(gè)關(guān)機(jī)處安裝有數(shù)字舵機(jī)，舵機(jī)可以帶動相應(yīng)部位擺動。通過合理的控制算法可以控制多個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作完成機(jī)器人腿部的抬起，邁出和落地，接著以該腿部為支點(diǎn)使得另外一條腿進(jìn)行抬起，邁出和落地動作完成機(jī)器人的行走運(yùn)動。在機(jī)器人行走的過程中，需要保持機(jī)器人的平衡性，因此機(jī)器人在行走過程中需要想人行走一樣具有手臂擺動的動作，這樣可以維持平衡，完成流暢快速的行走。

機(jī)器人在行走過程中難免會遇到障礙，在這里以黑色膠帶表示障礙，當(dāng)機(jī)器人踩到黑線時(shí)，布置在其腳部的光電傳感器會檢測到信號，這時(shí)機(jī)器人對應(yīng)的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)動作，當(dāng)機(jī)器人繞過障礙時(shí)可以繼續(xù)前行，直至到達(dá)終點(diǎn)線完成任務(wù)。

圖1 仿人競速機(jī)器人結(jié)構(gòu)展示

3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對多自由度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的仿人競速機(jī)器人的動作控制，需要較多控制路數(shù)的舵機(jī)控制板，仿人機(jī)器人系統(tǒng)的軟件采用了C語言編程，程序是采用Arduino IDE軟件編寫，該軟件提供了豐富的庫函數(shù)和供能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，可以完成編輯，編譯，連接，調(diào)試，仿真等能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)開發(fā)流程。

黑白跑道具有明顯的色差，光電傳感器會不間斷發(fā)射紅外線并向Arduino控制器發(fā)射信號，當(dāng)Arduino探測到機(jī)器人接近或者踩到黑線時(shí)，向舵機(jī)控制模塊發(fā)送信號控制舵機(jī)運(yùn)動使得機(jī)器人完成左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)動作實(shí)現(xiàn)躲避障礙物的功能。如圖2示。

圖2 智能仿人機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

程序設(shè)計(jì)中需要在主函數(shù)中編寫多條判斷語句，判斷語句的執(zhí)行部分皆為子函數(shù)。當(dāng)判斷若無障礙物執(zhí)行語句中的行走子函數(shù)，有障礙執(zhí)行判定中的左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)子函數(shù)，從而完成對機(jī)器人行進(jìn)中的避障功能。其中控制板的定時(shí)器會每隔5ms檢測紅外數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)不同來對判斷語句中的判斷條件執(zhí)行相應(yīng)的指令，進(jìn)而達(dá)到仿人競速機(jī)器人的行進(jìn)。

仿人競速機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)構(gòu)思大致思路如圖3所示：

圖3 控制流程圖

4、展望

仿人機(jī)器人具有與人類最為相似的外觀，未來將會在人們的生活中扮演更加重要的角色，代替人們完成一些危險(xiǎn)的的工作。并具其還在很多方面有擴(kuò)展的能力，正逐漸在服務(wù)，醫(yī)療，教育，娛樂等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。相信仿人機(jī)器人在未來會給人類帶來更巨大的驚喜。

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（作者單位：河南理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院）