作者：席東河，申一歌，杜娟，高吉珍

1 系統(tǒng)方案設計

人形機器人控制系統(tǒng)包括機器人控制器和機器人遙控器兩部分。其中控制器以飛利浦公司的ARM7處理器為核心，包含17個舵機控制驅(qū)動電路與接口、串口通信調(diào)試電路、遙控接口、電源等。通過串口下載和傳輸控制信息。機器人遙控器使用無線模塊向機器人控制器發(fā)送指令，控制機器人完成規(guī)定動作。

2 硬件設計

人形機器人控制器主板由控制核心LPC2114、電源及檢測電路、外部晶振、JTAG調(diào)試接口、串口模塊、遙控模塊、舵機接口、LED指示燈等組成，組成框圖如圖1所示。

LPC2114基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有128 k字節(jié)的高速Flash存儲器，非常小的LQFP64封裝、極低的功耗、2個32位定時器、4路10位ADC、PWM輸出、46個GPIO以及多達9個外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和電子收款機（POS）等［2］。

較高的功能集成度和強大的端口驅(qū)動能力使得機器人控制器主板電路的核心部分非常簡潔，基本上實現(xiàn)了單芯片的設計，如圖2所示為LPC2114控制器電路和4個舵機的驅(qū)動接口電路，其余13個舵機驅(qū)類同。

考慮到教育機器人的運動平衡控制，將PCB電路板按圖3（a）所示位置布局。該布局除了處理器最小系統(tǒng)，以及必要的指示和控制電路外，最重要的就是17個舵機驅(qū)動接口，這里使用彎角3排針連接，保證鏈接的緊湊和可靠。17個舵機接口分為5組，與下載接口按照左右各9個布局，其中人形機器人的頭包含1個舵機接口，負責左右運動，左胳膊包含3個舵機接口，分控肩、肘、腕3個運動自由度，左腿包含4個舵機接口，分控胯的左右/上下、膝蓋及腳腕4個自由度。右胳膊與右腿的分控接口和功能與機器人控制器左半部分對稱［3］。

最后將控制器與7.2V電芯并列裝配到鋁合金外殼中，作為機器人的軀體，同時作為運動平衡的重心，良好的布局對機器人的運動至關重要［4］。

考慮到人形機器人的自重和動作力度，設計采用FUTABA系列產(chǎn)品中的S3050大力矩車用、船用競賽型金屬齒輪數(shù)字舵機，如圖3（b）所示。該舵機自重48.8克，尺寸小，在6V電壓下工作，能夠達到0.16秒/60度的轉(zhuǎn)速，力矩大小為6.5千克/厘米。

17個舵機按照前述的分組和人體關節(jié)結(jié)構(gòu)對稱排列布局，頭部1個舵機，左右胳膊各3個舵機，分別做為肩、肘、腕關節(jié)，左右腿各5個舵機，分別為髖關節(jié)的左右運動1個、前后運動1個、膝關節(jié)1個、踝關節(jié)前后運動1個、左右運動1個，其中2個肩關節(jié)舵機和2個髖關節(jié)的左右運動的舵機，上下左右對稱緊湊安裝，作為身體的一部分，所有其他舵機使用鋁合金支撐固定成緊湊的人形結(jié)構(gòu)［5］。

3 軟件設計

軟件設計主要包含軟件架構(gòu)設計、程序流程設計和驅(qū)動控制函數(shù)的設計。

3.1 軟件架構(gòu)

該人形機器人控制系統(tǒng)原理是：當機器人控制器接收到遙控器發(fā)出的指令后，ARM處理器根據(jù)指令要求，將要執(zhí)行的動作參數(shù)分解成一系列寬度不等的PWM信號，并通過驅(qū)動電路輸出到舵機接口，外部舵機根據(jù)占空比不同的PWM信號轉(zhuǎn)動相應的角度，多個舵機不同的轉(zhuǎn)動角度構(gòu)成了不同的機器人瞬時動作，多個動作連貫執(zhí)行就完成與外部命令相應的響應動作。軟件架構(gòu)如圖4所示。本文主要對關鍵驅(qū)動函數(shù)進行說明。

3.2 舵機驅(qū)動程序設計

驅(qū)動脈沖與舵機轉(zhuǎn)動角度如表1所示，不同的高電平時間對應著舵機不同的輸出位置。因此可以使用LPC2114內(nèi)部定時器模擬出17路以20ms為周期、高電平寬度與位置時序?qū)腜WM波形，來分別驅(qū)動控制17個舵機轉(zhuǎn)動的角度，配合完成機器人的相關動作［6］。

多個舵機的驅(qū)動需要依據(jù)機器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出轉(zhuǎn)動時間，將其時間數(shù)據(jù)按一定算法進行排序，并在CPU的控制下設置各舵機的運動和停止時間。

3.3 機器人舵機整體驅(qū)動函數(shù) ManMoveFrame（）設計

函數(shù)功能：將輸入的各伺服器角度轉(zhuǎn)換為各伺服器的高電平時間，按照17個伺服器高電平時間從短到長依次調(diào)用對應伺服器驅(qū)動。共18個入口參數(shù)，17個是伺服器角度，1個是動畫停留時間，轉(zhuǎn)換關系：1度約為0.00814ms。

函數(shù)定義：void ManMoveFrame（int16 Head_Angle，int16 Larm1_Angle，… ，，int16 Rleg5_Angle，uint8 t）

{uint8 i，t1; int HeadTime，Larm1Time，Larm2Time， … ，Rleg4Time，Rleg5Time;/*與角度對應的時間變量*/

int MotorTime［17］; /*各舵機驅(qū)動脈沖時間數(shù)組*/

MotorTime［0］=HeadTime=Head_0+Head_Angle*Angle1;/*頭部驅(qū)動脈沖時間*/

/*MotorTime［1］至MotorTime［16］略;*/

qsort（MotorTime，17，sizeof（int），Compare）; /*對MotorTime數(shù)組快排序，使其值從小到大重排*/ …

for（i=0;i機器人姿態(tài)數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動函數(shù)ManMoveKeyframeData（）設計

機器人動作的關鍵姿態(tài)是由各舵機轉(zhuǎn)動位置決定的，需要參照機器人的體態(tài)對17個舵機的自由度關系數(shù)據(jù)進行設置，驅(qū)動函數(shù)將如表2所示設置的參數(shù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號，控制17個舵機的轉(zhuǎn)動，從而完成機器人行走的動作。表格空白的地方默認數(shù)據(jù)為0。

函數(shù)功能：初始化各伺服器角度/時間數(shù)組，將機器人每姿態(tài)動作的各舵機角度數(shù)據(jù)輸入給各伺服器數(shù)組。共19個入口參數(shù)：1個關鍵幀號、17個伺服器角度、1個動畫停留時間。

函數(shù)定義：void ManMoveKeyframeData（uint16 ID，int16 H_Angle， …，int16 RL5_Angle，uint8 t）{

ID_Max++;/*動作幀數(shù)，全局變量，記錄動作幀數(shù)，每加入1幀，ID_Max的值就增1*/

H［ID］=H_Angle;/*頭的角度*/ … RL5［ID］=RL5_Angle; /*左肩的角度*/

T_Key［ID］=t;/*幀動作完成的時間長度*/ }

3.5 機器人動作控制驅(qū)動函數(shù)ManMoveKeyframeToFrame（）設計

主要功能：把動作幅度較大的姿態(tài)關鍵幀數(shù)據(jù)結(jié)合其下面緊挨的姿態(tài)關鍵幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時間均勻的普通幀驅(qū)動參數(shù)，供整體驅(qū)動使用。入口參數(shù)：無。出口參數(shù)：無。

函數(shù)定義：void ManMoveKeyframeToFrame（void）

{uint16 id，h，la1，la2，la3，ra1，ra2，ra3，ll1，ll2，ll3，ll4，ll5，rl1，rl2，rl3，rl4，rl5;uint8 t，k;/*幀號、舵機時間臨時變量*/

for（id=0;id機器人程序流程

機器人根據(jù)接收到的遙控命令自行判斷并完成動作，工作流程如圖5所示。因為人形機器人使用電池，工作比較耗電，所以在運動前要先檢測工作電壓，如果達到工作要求就接著工作，否則不執(zhí)行動作并報警，工作電壓不滿足要求會造成機器人因動力不足而摔倒，接收到結(jié)束命令就停止運行，不再響應外部所發(fā)來的遙控命令，如果完成一個動作就恢復到立正站立狀態(tài)［7］。

需要指出的是，在機器人運動時，程序?qū)ζ渫獠康乃欧骺刂埔M行分時分批控制，以減輕處理器功耗壓力，達到可靠驅(qū)動的目的。

4 結(jié)論

按照機器人的運動體態(tài)完成運動數(shù)據(jù)的設計，經(jīng)過測試，該控制系統(tǒng)可以完成包括前滾翻、后滾翻、俯臥撐在內(nèi)的多種體操運動。課題組計劃進一步封裝函數(shù)，并設計可視化圖形編程界面，以便可以在電腦上更加直觀地生成運動數(shù)據(jù)，積木化編程，降低操作難度。

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