基于STM32双足竞步机器人的研究与设计

卢士林 李彩霞 张奎庆 段忠臣

摘 要：随着工业的不断发展和科技的不断进步，智能机器人已逐步应用到各个生产领域，并促进机械、农业、家具等向智能化方向发展。为此，设计了双足竞步机器人。该机器人将先进的自动控制系统与机械设备的有效结合，并通过STM32单片机输出pwm波形来控制舵机运动，从而实现机器人的前进、后退、转弯等多个动作。而且本系统的功能还能延伸运用，可以很好地用于其它相关领域，具有一定的扩展应用价值和意义。

关键词：双足；竞步；自控；舵机

中图分类号：TP368 文献标识码：A

Research and design of biped walking robot based on STM32

LU Shilin， LI Caixia， ZHANG Kuiqing， DUAN Zhongchen

（School of mechanical and electrical engineering， Dezhou University， Dezhou Shandong 253023，China）

Abstract： with the continuous development of science and technology， intelligent robot has been gradually applied to all areas of production， and promotes the intelligent development of machinery， agriculture， furniture etc. To this end， the paper proposes the design of a biped walking robot. The robot researches the effective combination of the advanced automatic control system and mechanical equipment， and concretely applies PWM waveform output of the STM32 MCU to control steering gear， so as to realize stepping forward/backward， turning and other movements of the robot. And the function of the system could also be extended for use， which can be well used in other related areas， and has a certain value and significance of the expanding application.

Key words： double feet； step by step；automatic control； steering gear

0引言

双足竞步机器人是足式机器人中自动化程度最高、设计复杂测评指数获居前茅的一款机器人。该机器人具有长久续航的特性，并且能适应各种恶劣的环境，不仅可以在平地上行走，而且还可以在阶梯、坡道上稳定前进。双足机器人的整体设计效果如图1所示。而在机器人执行任务时，长久续航是最显难度的执行项目。为此，研究中改良了传统机械结构，在机器人的顶部加装了太阳能发电装置，不仅环保、节能，而且还可保证其持久工作。与其它双足机器人相比，该机器人表现出动态支撑面的优势特点，当面对阶梯道路时，机器人重心变高，而此时机器人的支撑面积也会扩大，从而提升对道路的变化适应性。此外，由于双足机器人具备着超出其他足式机器人的更佳灵活性，因此可以在各种环境中投入工作，甚至还可以与人类协同工作，因而在未来的工、农业生产以至现代智能家居方面均将获得广阔的应用前景和实现发展空间。

1总体设计方案

双足竞步机器人在系统结构上主要包括：传感器电路、主控电路、稳压电路、放大器电路及动力装置等组成部分。系统设计框架如图2所示。

2 工作原理及性能分析

2.1 供电方式

1） VCC 供电：3.3～5.5V

舵机的供电电压为5V。传感器加电后，要等待1s 以度过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VCC，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以达到去耦滤波目的。

2）稳压装置

采用电源供电后，需要给单片机、舵机、传感器分别供电。为此，研发中采用了2940/2941稳压芯片，进行稳压供电。稳压原理如图3所示。

3）GND 共地，电源负极。

2.2舵机的工作原理

舵机的工作电压为5.5～6.0V，工作电流为200mA。舵机就是将直流电机、电机控制器和减速器密封在一个便于安装的外壳里的伺服单元。当进入工作进程时，首先由接收机的通道输入信号，内部的基准电路将其转化为基准信号，此时的信号与实际电压形成对照比较，得到偏差，并将该差值反馈给控制器，最终由控制器驱动直流电机转动特定角度，这样就构造组建了舵机的闭环控制，由此舵机即可精准地转动给定角度。此外，舵机内部的减速装置，不仅降低了直流电机的转速，同时也产生了强大的扭力矩，可以更好地来驱动机器人的各项拟人行为。在此，给出舵机与电流的对应关系如下：

0.025Ig--------------0°；0.05Ig------------45°；0.075Ig-----------90°；0.1Ig-----------135°；0.125Ig-----------180° ；

其中，Ig为20ms时基脉冲中的高电平部分。

2.3 主机单元

单片机作为控制器， 可以接收来自光电传感器从外部检测的环境信息，并将这些信息与预置的程序采用匹配连接方式处理，再通过单片机输出pwm波形来控制舵机运动，使舵机转动固定角度， 从而实现对机器人的前进、后退、转弯等多个动作的操作与控制。

3结束语

机器人学是当今世界极为活跃的研究领域之一，而且其中涉及到了计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个学科。机器人是一种现代光机电一体化的典型产品。随着计算机、人工智能以及各类应用技术的迅速发展，机器人、尤其是工业机器人已广泛应用于国民经济各个领域。随着第三次工业革命浪潮的来袭，工业机器人产业已然迎来了新一轮的发展热潮，在面对机遇的同时，民族机器人企业如何开拓国内外机器人市场即已成为本土机器人企业亟需面对的重要问题。本文研究试图为国内同类研究提供一定的实践应用意义和学术借鉴价值。

参考文献：

[1] 郭天祥. 51单片机c语言教程[M]. 北京：电子工业出版社，2007.

[2] 田淑清. c语言程序设计[M]. 北京：高等教育出版社，2013.

[3] 赵同贺.新型开关电源典型电路设计与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2010：156-158.