窄足機器人的設計與研究

李澤杰 李發(fā)海 劉林 潘濤

摘 要：本文以模仿體育比賽的田徑項目為出發(fā)點，自主設計了一款小型窄足競步機器人系統(tǒng)方案，主要以STM32F103單片機為核心作為主控板，控制多個舵機進行田徑動作的模仿，進而完成各種動作。實踐證明，該機器人系統(tǒng)方案在實現(xiàn)各種田徑動作時便于控制，反應快，具有穩(wěn)定性高，速度快的特點，具有一定的實際應用性。

關鍵詞：窄足機器人;STM32;舵機

在頒布《中國制造2025》后，機器人行業(yè)得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于電子，汽車制造、工業(yè)自動化、醫(yī)療健康、家庭服務等各個領域，在去年疫情防控期間，無人配送、疫情消殺、測溫等機器人應用于防控一線，這些機器人安全高效、成本低，為人們的生活帶來了極大的便利，同時也彰顯出了中國智能的力量，而窄足機器人的應用研究與我們當下的生活緊密相關，有著廣泛的實際應用價值。

窄足機器人的應用研究主要是模仿人一樣的直立行走、跨步和翻轉，具有良好的自由度，使其動作具有靈活自如的特點，主要的技術應用有機械制作，單片機控制、舵機驅(qū)動等。在未來的生產(chǎn)生活中，機器人可以在極限環(huán)境下代替人工作業(yè)，如礦石勘探，水資源的開發(fā)，應急搜救等，具有非常良好的應用前景。

基于此，本文針對窄足機器人的應用研究提供了一個簡單、靈活的設計方案，能夠穩(wěn)定、快速的完成各種田徑動作。

一、系統(tǒng)設計

小型窄足競步機器人的系統(tǒng)結構由以STM32F103RBT6為核心的主控板、6個伺服舵機、電池、機械支架組成，其中最為主要的是主控板和伺服舵機。主控板的作用是控制多個伺服舵機，使全身的舵機調(diào)整到合適的角度，以完成相應的田徑動作。伺服舵機的作用是構成了窄足機器人的雙腿，成為了雙腿的關節(jié)，每一個關節(jié)對應的就是機器人的一個自由度，所以說窄足機器人一共有6個自由度，每一條腿有3個自由度。

在系統(tǒng)方案的調(diào)試中，主要通過PC上位機軟件對6個伺服舵機的角度參數(shù)進行設置，然后通過USB線傳輸給單片機，然后通過單片機控制6個伺服舵機完成相應的角度調(diào)整，從而完成對應的田徑動作。

二、硬件設計

（一）控制器模塊

窄足機器人的控制器模塊選擇的是意法半導體ST公司生產(chǎn)的32位高性能ARM Cortex-M3內(nèi)核處理器STM32F103RBT6，該處理器集成度高，功能強、功耗低。其中有4-16M晶振、工作頻率高達72MHz、64個I/O外設接口、128KHz字節(jié)的Flash、7個定時器、7個DMA通道、多種通信接口及等多種功能。該處理器采用的是LQFP64封裝，一共有休眠、停止、待機三種工作運行模式，支持串行線調(diào)試（SWD）和JTAG。

（二）伺服舵機模塊

窄足機器人的伺服舵機模塊是整個動作完成的核心，每個舵機控制著機器人的一個自由度，模仿像人一樣的直立行走和翻滾，使用LX-824舵機相對于傳統(tǒng)的舵機具有無反應區(qū)范圍小、固定性好、反應快、抗干擾能力強、精度高等特點，將舵機的可調(diào)角度設置為±90°，滿足規(guī)定的動作的需要。多個舵機的連接方式采用總線式舵機，簡單來說就是所有的舵機串聯(lián)在一起，主控板發(fā)送控制信號后，相應的舵機執(zhí)行對應的指令。

舵機主要是由馬達、齒輪組、電位器、控制板構成。舵機是一個典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其工作原理就是首先馬達高速轉動下提供動力源，然后帶動齒輪組，再帶動輸出端的比例電位器做出一個位置的檢測，檢測之后把這個位置的角度轉變成比例電壓給控制電路，控制電路與電路的控制脈沖比較，進行相應的矯正，從而使舵機能夠轉到相應位置。舵機的控制原理是輸入一個周期性的正向脈沖信號后，產(chǎn)生一個PWM波，使舵機發(fā)生一定的偏轉，通過控制周期性脈沖的正脈沖寬度來改變伺服舵機的轉動角度。

在舵機速度調(diào)試過程中，將動作運行的平均速度通過劃分部分的方式來控制，幅度90°分為128部分，每一部分代表一個角度，通過每部分的停頓時間得出平均速度，大多數(shù)的舵機的速度單位都是“度數(shù)/秒”。

（三）電源模塊

窄足機器人的電源模塊，承擔著對整個機器人和各個模塊的供電，對于機器人整體規(guī)格、安全性等方面考慮，我們采用的是鋰電池，它的安全性能好、體積小、容量大、壽命長、成本低。該電源供電主要分為2個部分，一部分產(chǎn)生5v的電壓通過穩(wěn)壓芯片進一步產(chǎn)生3.3v電壓，進而給控制器模塊和其他的外部模塊供電，另一部分，給驅(qū)動電路、舵機供電。除此之外本電源方案有檢測電壓、散熱的功能。

三、軟件設計

窄足機器人的軟件設計，是基于keil5平臺，對STM32處理器進行程序設計，采取C語言進行程序的編寫，主要包括對PWM舵機、電機控制、動作組運行、Flash存儲、上位機通信、伺服舵機控制等的程序設計，再通過PC端上位機平臺，對關節(jié)舵機的參數(shù)進行調(diào)試，調(diào)試的參數(shù)一般與實際的動作的有一定的偏差，還應該多在場地進行程序運行和微調(diào)，使機器人穩(wěn)定、快速的完成相應動作。

四、總結

本文所設計的窄足機器人系統(tǒng)方案，采用STM32單片機和伺服舵機，結構簡單，成本低，綜合的運用了嵌入式設計、機械制造、電機驅(qū)動等技術，在設計過程中主要是對硬件、軟件問題的解決，在硬件中主要是對舵機的使用，控制周期性脈沖的正脈沖寬度，來控制舵機的轉動速度和角度，又采用總線式連接將6個舵機進行串聯(lián)，從而實現(xiàn)對舵機的控制，在軟件中，通過keil5平臺，對STM32單片機進行PWM舵機、動作組運行、上位機的數(shù)據(jù)接受、舵機控制、Flash存儲等程序的編寫，再通過PC端上位機進行舵機參數(shù)設置，系統(tǒng)方案的完成較好的實現(xiàn)了窄足機器人完成田徑動作時穩(wěn)定性高、速度快的要求。

在后期的研究過程中，我們將進一步的進行改善，主要從以下3點：

增加藍牙和攝像頭模塊，通過增加攝像頭模塊進行圖像識別和實時傳輸，再通過藍牙模塊，對機器人在手機端進行較遠距離控制，使機器人具有一定的生活實際應用能力。

對機械結構進行簡單改造，使機器人的重心降低，在機器人運行過程更加穩(wěn)定。

增加電池組，增強機器人的運行時間，在不影響動作組的完好運行下，使電池容量增加。

參考文獻：

[1]崔慶權， 尹遜和， 唐瑜謙. 一種競賽型雙足競步機器人設計與研究[J]. 電子測量技術， 2015（11）：96-99.

[2余深孝， 李鋒， 馮俊凱. 淺析KHR-2HV機器人的控制原理及常見故障的處理方法[J]. 科技資訊， 2012， 000（022）：2-4

[3]沈紅衛(wèi).STM32單片機應用與全案例實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.6.