1 导言
仿人型机器人因为具有类人的根本外形，在实践的日子中，能够代替人完结许多作业，因而对仿人型机器人的研讨具有实用价值，各国都在投入巨大的人力物力进行研制。仿人型机器人具有多自由度的机械结构要求，因而需求对机器人的各个关节经过电机来完结滚动动作。这关于电机驱动操控提出了很高的功能要求。本文提出了一种根据STM32单片机的仿人型机器人操控体系计划，能够一起对机器人关节所需的16路舵机进行驱动操控。
2 硬件处理计划
本操控体系的硬件部分共分为5个模块，其硬件体系模块图如图1所示。
图1 硬件体系模块框图
主操控器选用STM32F103xB增强型系列单片机，该系列单片机使用了高功能的ARM CortexTM-M3 32位的RISC内核，作业频率为72MHz，内置高速存储器（128K字节的闪存和20K字节的SRAM），增强型I/O端口［2］。这些功能使得 STM32F103系列微操控器十分合适应用于小型仿人型机器人的操控体系。因为仿人型机器人的体型限制，因而咱们在规划舵机操控板时选用了 STM32F103系列的小型贴片封装类型STM32F103CBT6。以得到体积较小的舵机操控电路板，如图2所示。
图2 舵机操控板实物图
图3 舵机操控示意图
为了完成对多自由度杂乱结构的仿人型机器人进行动作操控，需求较多操控路数的舵机操控板。因为舵机的视点操控是选用PWM波形输出，当单片机IO口的输出脉冲宽度变化时，舵机舵盘视点产生改动，如图3所示［3］，因而在舵机操控板电路规划中，充分使用了STM32单片机的IO口数量多且具有PWM输出的技术优势［4］。共规划了16路舵机操控口，能够确保16个机器人关节一起动作。舵机驱动IO接口散布在PCB板的两边，便于插拔。
在舵机的操控中，有一个简单呈现的问题便是舵机抖舵问题。这种问题一般产生在选用一般电池做为机器人体系的主电源的情况下，如选用多节AA型镍镉或镍氢电池串联组成机器人供电主电源。原因是这些电池因为容量和放电才能的限制，无法在其额定电压下供给长期安稳继续的大电流。在仿人型机器人的多路舵机一起作业时，选用一般电源输出的电压会敏捷下降，然后导致舵机的供电缺乏，终究呈现舵盘反常颤动，形成机器人在履行动作时的抖舵现象。
图4 操控信号5V供电电源原理图
图5 6V舵机驱动电源原理图
因而咱们规划的仿人型机器人操控电路中选用了类型为格氏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操控信号电源和6V舵机驱动电源，如图4所示。为了确保多路舵机一起作业时所需求的大电流，使用锂聚合物电池具有很强的继续放电才能，选用了类型为 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。使用光电耦合器阻隔单片机IO口操控信号和舵机驱动信号，进步操控信号的抗干扰才能。舵机的IO口电路规划原理图如图6所示。这样处理了多路舵机因为一起作业时，电源电源被拉低引起的舵盘反常颤动问题。
图6 舵机IO口电路原理图
舵机操控板在初始上电时，一切IO口会一起通入无序的PWM信号，形成瞬间呈现巨大的电流耗费。经试验测得舵机操控板上电时，单个IO口的峰值电流能够到达1.5A以上。因而在16个舵机一起初始上电通入PWM信号时，其总电流将到达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维护，整个舵机操控电路将无法进入正常的作业状况。为了处理这个问题，咱们在STM32单片机上电初始化时，首要只让IO口1和2输出PWM 信号，然后一起再让IO口3和4输出初始化PWM信号，以此次序终究让IO口15和16输出PWM信号。这样就确保IO口初始化时，最多只要两路PWM信号一起通入。在机器人正常动作时，一起动作的舵机数量不超越6个，即6个IO一起输出的峰值电流为9A，低于大功率降压模块的最大输出电流12A，因而整个电路在作业期间的极限电流均小于12A。终究到达了舵机操控板安稳作业的硬件要求。
3 软件部分的规划
仿人型机器人操控体系的软件分为两种形式：调试形式和正常形式。
调试形式：机器人上电默许停止，以呼应上位机信号为主。在该形式下，上位机经过RS232串口对机器人进行在线操控，能够对单个舵机的视点进行准确调整，编排好的流程动作单次履行，流程动作的悉数履行等，并显现当时机器人对代码解析值。调试形式的作业界面如图7所示。
正常形式：机器人上电即开端履行调试结束的全套程序动作。
图7 上位机调试形式作业界面
为了实施软件操控，选用了多使命模块的守时轮换机制［6］。共建立了3个模块使命：使命0用来解析送入该使命的软件代码值到PWM输出的转化。使命1用来调用每套动作编码，接连的将得到的软件值发送给使命0。使命2为串口处理使命，经过剖析串口发来的数据进行形式的转化和呼应。其程序流程图如图8所示。
图8 程序流程图
4 体系调试作用
规划该仿人型机器人的走步步态时，首要考虑了机器人的自重为2.53Kg，身高为42cm，因而机器人的脚和手臂的舵机输出起伏不能太大，否则会导致机器人走步时的重心偏移太大，形成机器人翻倒。因而在规划机器人的脚掌时，恰当增大了与地上的触摸面积，脚掌的尺度为8.5&TImes;15cm，一起加快了脚步移动的频率，并在脚部增加了额定的配重，以增强机器人在走步过程中的安稳性，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年我国机器人大赛仿人竞速比赛项目中取得二等奖。
图9 12自由度的仿人型机器人
走步动作正面
5 结束语
文中根据STM32微操控器的仿人型机器人操控体系，能够灵敏地操控16路大扭力舵机，经过大功率降压电源模块，能够得到16路舵机一起动作时所需求的直流电压，完成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阅。
