人形智能机器人的设计

徐格威　栗丽　陈雪

【摘 要】双足类人行机器人一直都是国内外非专业和专业机器人爱好者重点研究的项目。介绍了具有GPS定位功能的双足机器人的行走运动控制，主要研究了对标准的“加藤一郎”约束结构的人形机器人进行行走运动控制，对硬件的控制系统进行合理的设计，动作流程的规划，完成软件的编程。机器人选取了被人们广泛使用的51系列单片机，采用的是单片机STC12C5A60S2，并集成了GPS模块，使机器人拥有了定位功能。

【关键词】人形机器人；单片机STC12C5A60S2；GPS；“加藤一郎”约束结构

0 引言

类人形步行机器人的控制还有它的相关技术的研究无论是在国内还是国外的机器人领域中都有着重要研究价值，同时机器人的研究成果和当今的社会有着密不可分和不容忽视的意义，所以这项科学一直成为机器人研究的热点之一。

时至今日，设计并完成具有GPS定位功能的类人形机器人的运动控制，需要满足以下几个基本功能：其一是研制出两足步行机构，并使其能在许多结构性、非结构性环境中完成行走任务，从而代替人类进行诸如延伸、作业、扩大活动等领域；二是更多地了解和掌握人类步行时的特性和技巧，并且利用这些特性来为人类服务；三是两足人形机器人的步行系统，具有极为丰富的动力学特性。在这方面进行的研究，可以拓宽力学以及机器人学的研究方向。

1 系统结构设计

本设计采用STC12C5A60S2 单片机作为主控芯片，集成了两片存储芯片AT24C512，GPS定位模块并设计了35个IO双向接口，用于传感器及电机的集成。

硬件部分的控制器主要采用的是STC12C5A60S2 单片机。单片机的工作电压为3.3 V～5.5 V（5V单片机），兼容普通8051的定时器或4个外部中断，工作频率在0-35MHz之间，有6个16位定时器，具有看门狗和EEPROM功能，并且内部集成MAX810专用复位电路 。使用内部R/C振荡器时钟 11MHz-17MHz。

GPS模块性能的价值指标主要有接收灵敏度、定位时间、位置精度、时间精度、功耗等。在不同的启动模式下，模块开机定位时间有很大不同。一般来说，模块内部没有保存任何有助于定位的数据的情况称为冷启动时间，包括星历、时间等，一般标称在1分钟以内；模块内部有较新的卫星星历（一般不超过2小时），但时间偏差很大的，称为温启动时间，一般标称在45秒以内；热启动时间是指关机不超过二十分钟，并且RTC时间误差很小时的情况。

人形机器人设计了35个IO接口，其中包括万能接口11个，万能接口可以选择7.4V 或5V 电压供电，可选上拉电阻或下拉电阻。可用于各种扩展舵机和传感器。

由于双足机器人运动控制的复杂性，为机器人使用的STC12C5A60S2单片机集成了两片电可擦除存储芯片AT24C512，存储空间共有128KB，这样可以让机器人程序存储器空间扩充至190KB。AT24C512是Atmel公司生产的64KB串行电可擦的可编程存储器，内部共有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为16 位，地址范围为0000～0FFFFH之间。其优点就是，采用8引脚封装，结构紧凑、存储容量大。在测控系统中被大量采用，可以在2总线上并接4 片芯片，特别适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统。

本设计采用由德州仪器公司推出的一款兼容RS232标准的芯片。串口通信指的是数据的各位按顺序一位一位传送。他的优点就是，只需一对传输线，占用硬件资源少，适用于远距离通信，而缺点则是，传送速度较慢。本设计所采用的是4pinRS232接口带“CTS”判断位，可以同时输出RS232电平和TTL电平。由于电脑串口RS232电平是-10v+10v，而一般的单片机应用系统所采用的信号电压是TTL电平0+5v，所以需要进行电平转换，这也就是使用max232的原因，该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。

2 软件设计

根据双足类人形机器人行走控制系统的功能需求和硬件电路特点，软件系统需要满足以下3个要求：

1）软件模块化，并且需要有很好的可维护性，可扩展性。

2）能够实现PWM 信号的分时复用，并且要保证PWM 信号的高精度。从而通过软件，及时地改变PWM 的输出。

3）可以满足机器人多自由度控制的实时性。

3 结论

双足类人行机器人是近年来的前沿学科，它涉及人工智能、自动控制、仿生、通讯、机械电子等多个领域的技术融合。本论文重点研究了机器人的行走规划以及GPS定位功能的实现，经实验验证，所设计的机器人能够在平坦的地面上自由行走并具有GPS定位功能。

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[责任编辑：邓丽丽]