小型仿人型跑步机器人设计与研究

摘 要：随着人工智能和机器人技术的不断发展，仿人型机器人在各个领域展现出广阔的应用前景。跑步作为一种常见的运动方式，对人体健康具有重要意义。本论文旨在基于树莓派4B设计和研究一种小型仿人型跑步机器人，通过模拟人体的运动方式和步态，实现高效的跑步功能。将从机械结构设计、传感器系统、运动控制算法以及人机交互等方面展开研究，以期为小型仿人型跑步机器人的设计和开发提供理论和技术支持。

关键词：跑步机器人;树莓派4B；传感器系统；运动控制算法

中图分类号：TP393" " " 文献标识码： A

一、引言

移动机器人的研究始于上个世纪中期。随着传感器系统的嵌入式系统的广泛应用，仿人机器人比赛的举行，跑步机器人也成为了研究热点。小型仿人型跑步机器人在设计时，应当遵循结构紧凑、运动灵活、稳定性好、易于控制的原则。对此，我们需要深入研究人体的生理结构和运动机理，并将其融入到机器人的设计中。

二、系统设计

小型跑步机器人的系统结构主要由树莓派4B、加速度传感器、舵机系统组成。对于跑步机器人而言，树莓派4B提供中心整体控制，加速度传感器与舵机系统辅助配合，共同完成小型仿人跑步机器人的设计与开发。机器人共有2条腿，每条腿有5个舵机，机器人总共有18个舵机，即机器人每条腿上有5个自由度，全身共8个自由度。机器人剩余部位按照实际需求进行安装。

三、硬件设计

（一）控制器设计方案

控制器系统以树莓派4B为核心处理器，搭配WIFI模块，使计算机与跑步机器人处于同一局域网下，在此基础上完成行走、奔跑、跨栏等相关动作。该控制器将负责接收指令、处理数据、驱动电机等任务，以实现机器人的运动控制。

树莓派4B：作为主控制器，处理指令、数据计算和电机驱动等功能。

加速度传感器：用于驱动机器人的舵机系统，接收来自控制器的信号，实现机器人的运动。

舵机系统：通过主控制器进行对应的动作，实现机器人的运动。主要流程如图1所示。

（二）系统模块设计方案

机器人需要在WIFI模块的控制下，根据比赛环境的不同，进行相应的跑步动作。主要有行走，跑步，爬台阶，跨栏。通过树莓派4B控制板进行WIFI模块、加速度传感器等相关硬件配置，接受PC端发送的指令信息，控制舵机系统的运行，完成仿人成机器人某个具体动作的实现。系统模块设计图如图2所示。

（三）摄像头识别

机器人采用的舵机为总线式舵机，此种舵机连接方式可以看作是所有的舵机是被一组线串联起来的[1]。利用摄像头识别进行工作的原理：当PC端发出运行指令后，树莓派控制摄像头识别当前所处环境，将所处的赛道信息返还到控制器，进行机器人的下一步运动。[2]

四、软件设计

（一）软件结构

本次项目的研究方向主要为通过现有的知识体系对树莓派4B芯片进行改装，按照机器人比赛相关规则对机器人算法程序编写和优化，对机器人进行硬件和软件的设计以便于更好的完成比赛。使用基于树莓派4B芯片的单片机与传感器、舵机系统组合设计的嵌入式系统的小型仿人跑步机器人，通过WIFI模块在同一局域网中控制机器人执行指令任务，实现大赛要求相关动作。软件系统框架图如图3所示。

（二）多舵机运动控制程序

机器人利用多个舵机间的组合运动，完成机器人的指令动作，在控制机器人实现相关比赛动作的同时，控制各个舵机移动到下一指定位置，实现机器人的动作连贯性。通过相应的代码指令以及参数设置，使得机器人相关动作更好的完成。舵机运动控制图如图4所示，主要代码示意图如图5所示。

（三）程序流程图

嵌入式系统一般由嵌入式硬件系统和相对应的软件系统结合而成，硬件系统可以接受软件系统发出的执行指令，完成相应的操作和任务，如PC端发出前进的指令后，通过WIFI模块调动相应的舵机，机器人的腿部舵机调节转轴角度做出类人的前行动作。程序流程图如图6所示。

（四）机器安全防护

在机器人的运动过程中，通过软件算法限制机器人的最大速度，防止因速度过快导致的意外伤害。同时在电机驱动过程中，对电机的负载进行监测，防止因过载导致的设备损坏和安全事故。使用传感器判断机器是否摔倒，对传感器设置初始值作为依据，在机器人倒地后可以准确判断并站立。

五、结语

本次项目从开始到最后的完成，主要有以下的几个问题，第一是对硬件舵机系统原理的理解，当控制信号送达舵机时，控制电路会解析信号并确定所需的输出位置，对18个舵机进行同步控制，链接WIFI模块，设置舵机初始值，配置局域网环境等。第二是在软件方面，利用vncviewer和PyCharm软件进行python语言编写，将所写代码嵌入单片机后，使用WIFI控制机器人依靠舵机系统完成相关的指令动作，即为单片机写入合理的程序，使机器人按照要求完成比赛。第三是在其它方向，例如机器人的材料，既要保证所使用的材料有足够的强度作为机器人的主体框架，也要确保其稳定性可以适应多种比赛环境以及复杂的舵机动作，确保在任何情况下可以完成比赛。

参考文献：

[1]苏青. 多机器人路径规划与协同避碰研究[D].南京邮电大学，2015.

[2]卢嫚，谢磊鑫.基于OpenCV智能车牌及颜色识别[J].自动化与仪表，2023，38（08）：120-124.DOI：10.19557/j.cnki.1001-9944.2023.08.025.