双足竞步机器人控制系统设计与实现

李佳怡

摘要：本设计是基于C8051F410单片机的双足竞步机器人运动控制系统，主要由主控模块C8051F410单片机、数字舵机DS3115、语音模块LD3320、以及光电传感器E18-D80NK等组成，该系统能够实现双足机器人的行走、避障、语音控制等功能。

关键词：双足机器人；单片机；数字舵机；语音；避障

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0009-02

近年来，人们对于双足机器人的研究发展迅速，仿人机器人作为机器人的一个重要的分支，无疑对机器人研究的技术和思想提出了更高的要求。双足机器人有着仿人的外形、双足步行的方式，因受环境限制等因素小，所以它拥有非常好的灵活性。现在，对双足机器人技术的研究是机器人研究领域的热点，不仅有重要的学术意义，并且在未来人们的生活中有着广泛的实际应用价值。

1 系统总体设计

本系统由C8051F410单片机、数字舵机DS3115、语音模块LD3320、以及光电传感器E18-D80NK组成，通过语音模块向单片机发送数据，单片机接受到信号后开始输出PWM信号控制六路数字舵机并通过软件对数字舵机的角度进行控制，从而完成双足机器人行走的过程。当光电传感器模块检测到前方有障碍物时，单片机对舵机做出调整，使双足机器人能顺利避开障碍物。系统总体框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 单片机C8051F410

本设计采用C8051F410单片机作为控制核心，它可以提供高达50MIPS的8051核心处理器，C8051F410芯片内含稳压器，给系统外部元器件提供电源。C8051F410采用32脚QFN封装，具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器，是能独立工作的片上系统。C8051F410最小系统如图2所示。

2.2 数字舵机DS3115

控制系统选择DS3115型号的数字舵机，主要由马达、减速齿轮、控制电路等组成。舵机的控制信号是脉冲位置调制（PWM）信号，周期一般为20ms，当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生变化，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。减速齿轮组由电机驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作为位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制单元，将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，达到舵机精确定位的目的。DS3115数字舵机和PWM脉冲宽度与输出轴对应图如图3所示。

2.3 语音模块LD332

LD3320 芯片是一款語音识别专用芯片。该芯片集成了语音识别处理器和外部电路，包括AD、DA 转换器、麦克风接口、声音输出接口等。芯片不需要外接任何的辅助芯片，直接集成在现有的产品中即可以实现语音识别/声控/人机对话功能。而且识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的。LD3320电路原理图如图4所示。

2.4 光电传感器E18-D80NK

避障模块选用光电传感器E18-D80NK，当检测到前方障碍物信号时，电路板上红色指示灯点亮，同时OUT端口持续输出低电平信号，该模块检测距离3～80cm，检测角度35°，检测距离可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；逆时针调电位器，检测距离减少（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同；白色物体最远，黑色物体最近）。

3 软件设计

该系统在软件方面的设计主要有主程序，舵机打角程序，语音识别程序以及避障程序组成。主程序流程图如图5所示。

4 系统调试

本设计中双足机器人采用了全金属舵盘，高度约40CM，宽度为23CM，重量约为1500g，含6个自由度。其中，手臂2个自由度，腿部 4个自由度。机器人上电后，回归到初始状态，等待语音信号输入，当操作者说出“打开”两字之后，机器人开始执行行走动作，可分为抬脚、摆臂、出脚、落脚四个动作，分别对应到每个舵机的打角的不同。通过光电传感器检测到障碍物，机器人及时做出抬脚动作，中部舵机向外侧旋转，紧接着另一条腿也向同一侧进行旋转，重复此动作，直到光电传感器检测不到障碍物。双足机器人实物图如图6所示。

5 结语

本设计是基于C8051F410单片机作为主控制器设计的一款具有6自由度的双足竞步机器人，该系统能够通过语音指令控制双足机器人实现了停止、前进、转弯、避障等动作。本设计应用了先进的机器人控制理论，可以实现对机器人各个动作的精准控制。同时，该设计也可用于双足机器人的实验教学。

参考文献

[1]徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及其趋势[J].机器人技术应用，2001，15（3）：7-13.

[2]谢涛，徐建峰.仿人机器人的研究历史现状及展望[J].机器人，2002，24（4）：367-374.

[3]王勇，杨杰.基于被动动力式的两足机器人研究现状[J].机械工程师，2005，18（6）：31-33.

Abstract：This design is the motion control system of biped race walking robot based on C8051F410 MCU. It mainly includes the main control module C8051F410 microcontroller， digital rudder DS3115， voice module LD3320， and photoelectric sensor E18-D80NK and so on. The system can realize walking， avoiding obstacles， voice control and other functions of biped robot.

Key words：biped robot；MCU；digital rudder；voice；avoiding obstacles