一款基于ARM的多自由度人形教育机器人控制系统的设计-2019年精选文档

1、一款基于ARM勺多自由度人形教育机器人控制系统的 设计DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.1.008 基金项目：河南省科技攻关计划项目（ 142102310226）席东 河（ 1980- ），男，硕士，实训中心主任、讲师，研究方向：电 子技术及自动化、嵌入式系统与应用方向。申一歌（ 1982 - ）， 女，硕士，讲师，研究方向：电气自动化方向。杜娟（ 1984- ）， 女，工程师，研究方向：计算机应用方向。高吉珍（ 1964- ）， 女，高级工程师，研究方向：结构设计。1 系统方案设计 人形机器人控制系统包括机器人控制器和机器人遥控器两部分。其中控制器以飞利浦

2、公司的 ARM处理器为核心，包含17 个舵机控制驱动电路与接口、串口通信调试电路、遥控接口、电 源等。通过串口下载和传输控制信息。 机器人遥控器使用无线模 块向机器人控制器发送指令，控制机器人完成规定动作。2 硬件设计人形机器人控制器主板由控制核心 LPC2114电源及检测电 路、外部晶振、JTAG调试接口、串口模块、遥控模块、舵机接 口、LED指示灯等组成，组成框图如图I所示。LPC2114基于一个支持实时仿真和跟踪的 32位ARM7TDMI-S CPU并带有128 k字节的高速 Flash存储器，非常小的 LQFP64 封装、极低的功耗、2个32位定时器、4路10位ADC PWM输出、46

3、个GPI0以及多达9个外部中断使它们特别适用于工业控制、 医疗系统、访问控制和电子收款机(POS等。较高的功能集成度和强大的端口驱动能力使得机器人控制 器主板电路的核心部分非常简洁，基本上实现了单芯片的设计， 如图2所示为LPC2114控制器电路和4个舵机的驱动接口电路， 其余 13 个舵机驱类同。考虑到教育机器人的运动平衡控制， 将PCB电路板按图3(a) 所示位置布局。 该布局除了处理器最小系统、 以及必要的指示和 控制电路外、最重要的就是 17个舵机驱动接口，这里使用弯角 3排针连接，保证链接的紧凑和可靠。17个舵机接口分为 5组，与下载接口按照左右各 9 个布局，其中人形机器人的头包含

4、 1 个 舵机接口，负责左右运动，左胳膊包含 3 个舵机接口，分控肩、 肘、腕 3 个运动自由度，左腿包含 4 个舵机接口，分控胯的左右 / 上下、膝盖及脚腕 4 个自由度。右胳膊与右腿的分控接口和功 能与机器人控制器左半部分对称。最后将控制器与 7.2V 电芯并列装配到铝合金外壳中，作为 机器人的躯体， 同时作为运动平衡的重心， 良好的布局对机器人 的运动至关重要。考虑到人形机器人的自重和动作力度，设计采用FUTABA系列产品中的S3050大力矩车用、船用竞赛型金属齿轮数字舵机， 如图3 (b)所示。该舵机自重 48.8克，尺寸小，在6V电压下 工作，能够达到 0 .16 秒/60 度的转速

5、，力矩大小为 6.5 千克 / 厘米。17 个舵机按照前述的分组和人体关节结构对称排列布局， 头部 1个舵机，左右胳膊各 3个舵机，分别做为肩、 肘、腕关节， 左右腿各 5个舵机，分别为髋关节的左右运动 1 个、前后运动 1 个、膝关节 1 个、踝关节前后运动 1 个、左右运动 1 个，其中 2 个肩关节舵机和 2 个髋关节的左右运动的舵机， 上下左右对称紧 凑安装， 作为身体的一部分， 所有其他舵机使用铝合金支撑固定 成紧凑的人形结构。3 软件设计软件设计主要包含软件架构设计、 程序流程设计和驱动控制 函数的设计。3.1 软件架构 该人形机器人控制系统原理是： 当机器人控制器接收到遥控 器发

6、出的指令后，ARM处理器根据指令要求，将要执行的动作参 数分解成一系列宽度不等的 PWM信号，并通过驱动电路输出到舵 机接口，外部舵机根据占空比不同的 PWM信号转动相应的角度， 多个舵机不同的转动角度构成了不同的机器人瞬时动作， 多个动 作连贯执行就完成与外部命令相应的响应动作。软件架构如图 4 所示。本文主要对关键驱动函数进行说明。3.2 舵机驱动程序设计驱动脉冲与舵机转动角度如表 1 所示，不同的高电平时间对应着舵机不同的输出位置。因此可以使用LPC2114内部定时器模 拟出17路以20ms为周期、高电平宽度与位置时序对应的PWM波形，来分别驱动控制 17 个舵机转动的角度，配合完成机器

7、人的 相关动作。单个舵机的驱动函数（以机器人头部舵机为例）定义： 多个舵机的驱动需要依据机器人的姿态数据计算出转动时 间，将其时间数据按一定算法进行排序，并在CPU的控制下设置 备舵机的运动和停止时间。3.3 机器人舵机整体驱动函数 ManMoveFram（e ）设计 函数功能：将输入的各伺服器角度转换为各伺服器的高电平时间，按照 1 7个伺服器高电平时间从短到长依次凋用对应伺服 器驱动。共 1 8个入口参数， 17个是伺服器角度， 1 个是动画停 留时间，转换关系： 1 度约为 0.00814mS。函数定义：3.4 机器人姿态数据输入驱动函数 ManMoveKeyframeDa（ta ） 设

8、计机器人动作的关键姿态是由各舵机转动位置决定的， 需要参 照机器人的体态对 17个舵机的自由度关系数据进行设置，驱动 函数将如表 2所示设置的参数转换为驱动信号，控制 17个舵机 的转动， 从而完成机器人行走的动作。 表格空白的地方默认数据 为 O。函数功能：初始化各伺服器角度 / 时间数组，将机器人每姿 态动作的各舵机角度数据输入给各伺服器数组。共 19 个入口参 数： 1个关键帧号、 17 个伺服器角度、 1个动画停留时间。函数定义：3.5 机器人动作控制驱动函数ManMoveKeyframeToFram（e ）设计 主要功能：把动作幅度较大的姿态关键帧数据结合其下面紧 挨的姿态关键帧数据转换为时间均匀的普通帧驱动参数， 供整体 驱动使用。入口参数：无。出口参数：无。函数定义：3.6 机器人程序流程 机器人根据接收到的遥控命令自行判断并完成动作， 工作流 程如图 5 所示。因为人形机器人使用电池，工作比较耗电，所以 在运动前要先检测工作电压， 如果达到工作要求就接着工作， 否 则不执行动作并报警， 工作电压不满足要求会造成机器人因动力 不足而摔倒， 接收到结束命令就停止运行， 不再响应外部所发来 的遥控命令，如果完成一个动作就恢复到立正站立状态。需要指出的是， 在机器人运动时， 程序对其外部的伺服器控 制要进行分时分批控制， 以减轻处理器功耗