仿人型机器人控制系统设计的几个问题

　　1 引言

　　仿人型机器人由于具有类人的基本外形，在实际的生活中，能够代替人完成很多工作，因此对仿人型机器人的研究具有实用价值，各国都在投入巨大的人力物力进行研发。仿人型机器人具有多自由度的机械结构要求，因此需要对机器人的各个关节通过来完成转动动作。这对于电机驱动控制提出了很高的性能要求。本文提出了一种基于的仿人型机器人控制系统方案，可以同时对机器人关节所需的16路舵机进行驱动控制。

　　2 硬件解决方案

　　本控制系统的硬件部分共分为5个模块，其硬件系统模块图如图1所示。

　　图1 硬件系统模块框图

　　图2 舵机控制板实物图

　　图3 舵机控制示意图

　　为了实现对多自由度复杂结构的仿人型机器人进行动作控制，需要较多控制路数的舵机控制板。由于舵机的角度控制是采用PWM波形输出，当单片机IO口的输出脉冲宽度变化时，舵机舵盘角度发生改变，如图3所示［3］，因此在舵机控制板电路设计中，充分利用了STM32单片机的IO口数量多且具有PWM输出的技术优势［4］。共设计了16路舵机控制口，可以保证16个机器人关节同时动作。舵机驱动IO分布在PCB板的两侧，便于插拔。

　　在舵机的控制中，有一个容易出现的问题就是舵机抖舵问题。这种问题一般发生在采用普通做为机器人系统的主的情况下，如采用多节AA型镍镉或镍氢电池串联组成机器人供电主电源。原因是这些电池由于容量和放电能力的局限，无法在其额定电压下提供长时间稳定持续的大电流。在仿人型机器人的多路舵机同时工作时，采用普通电源输出的电压会迅速降低，从而导致舵机的供电不足，最终出现舵盘异常抖动，造成机器人在执行动作时的抖舵现象。

　　图4 控制信号5V供电电源原理图

　　图5 6V舵机驱动电源原理图

　　因此我们设计的仿人型机器人控制中采用了型号为格氏25C放电倍率，容量为2200mAh，额定电压为11.1V的锂聚合物航模电池作为主电源。分为 5V控制信号电源和6V舵机驱动电源，如图4所示。为了保证多路舵机同时工作时所需要的大电流，利用锂聚合物电池具有很强的持续放电能力，选用了型号为 120W 12A大功率降压模块［5］，将机器人的供电电源稳压在+6V，放电电流峰值为12A，如图5所示。利用隔离单片机IO口控制信号和舵机驱动信号，提高控制信号的抗干扰能力。舵机的IO口原理图如图6所示。这样解决了多路舵机由于同时工作时，电源电源被拉低引起的舵盘异常抖动问题。

　　图6 舵机IO口电路原理图

　　舵机控制板在初始上电时，所有IO口会同时通入无序的PWM信号，造成瞬间出现巨大的消耗。经实验测得舵机控制板上电时，单个IO口的峰值电流可以达到1.5A以上。因此在16个舵机同时初始上电通入PWM信号时，其总电流将达到24A以上，这就大大超出了大容量直流降压模块的极限供电电流，导致电源电路进入过流保护，整个舵机控制电路将无法进入正常的工作状态。为了解决这个问题，我们在STM32单片机上电初始化时，首先只让IO口1和2输出PWM 信号，然后同时再让IO口3和4输出初始化PWM信号，以此顺序最后让IO口15和16输出PWM信号。这样就保证IO口初始化时，最多只有两路PWM信号同时通入。在机器人正常动作时，同时动作的舵机数量不超过6个，即6个IO同时输出的峰值电流为9A，低于大功率降压模块的最大输出电流12A，因此整个电路在工作期间的极限电流均小于12A。最终达到了舵机控制板稳定工作的硬件要求。

　　3 部分的设计

　　仿人型机器人控制系统的软件分为两种模式：调试模式和正常模式。

　　调试模式：机器人上电默认静止，以响应上位机信号为主。在该模式下，上位机通过232串口对机器人进行在线控制，可以对单个舵机的角度进行精确调整，编排好的流程动作单次执行，流程动作的全部执行等，并显示当前机器人对代码解析值。调试模式的工作界面如图7所示。

　　正常模式：机器人上电即开始执行调试完毕的全套程序动作。

　　图7 上位机调试模式工作界面

　　为了实行软件控制，采用了多任务模块的定时轮换机制［6］。共建立了3个模块任务：任务0用来解析送入该任务的软件代码值到PWM输出的转换。任务1用来调用每套动作编码，连续的将得到的软件值发送给任务0。任务2为串口处理任务，通过分析串口发来的数据进行模式的转换和响应。其程序流程图如图8所示。

　　图8 程序流程图

　　4 系统调试效果

　　设计该仿人型机器人的走步步态时，主要考虑了机器人的自重为2.53Kg，身高为42cm，因此机器人的脚和手臂的舵机输出幅度不能太大，否则会导致机器人走步时的重心偏移太大，造成机器人翻倒。因此在设计机器人的脚掌时，适当增大了与地面的接触面积，脚掌的尺寸为8.5×15cm，同时加快了脚步移动的频率，并在脚部增加了额外的配重，以增强机器人在走步过程中的稳定性，其走步的步态如图9所示。该型机器人的走步步态协调一致，在2012年中国机器人大赛仿人竞速比赛项目中获得二等奖。

　　图9 12自由度的仿人型机器人

　　走步动作正面

　　5 结束语

　　文中基于STM32微控制器的仿人型机器人控制系统，能够灵活地控制16路大扭力舵机，通过大功率降压，可以得到16路舵机同时动作时所需要的直流电压，实现了仿人型机器人的走步动作，可作为高校学生进行机器人技术创新时的参考。