窄足机器人的设计与研究

李泽杰 李发海 刘林 潘涛

摘 要：本文以模仿体育比赛的田径项目为出发点，自主设计了一款小型窄足竞步机器人系统方案，主要以STM32F103单片机为核心作为主控板，控制多个舵机进行田径动作的模仿，进而完成各种动作。实践证明，该机器人系统方案在实现各种田径动作时便于控制，反应快，具有稳定性高，速度快的特点，具有一定的实际应用性。

关键词：窄足机器人;STM32;舵机

在颁布《中国制造2025》后，机器人行业得到了快速的发展，现在已经广泛应用于电子，汽车制造、工业自动化、医疗健康、家庭服务等各个领域，在去年疫情防控期间，无人配送、疫情消杀、测温等机器人应用于防控一线，这些机器人安全高效、成本低，为人们的生活带来了极大的便利，同时也彰显出了中国智能的力量，而窄足机器人的应用研究与我们当下的生活紧密相关，有着广泛的实际应用价值。

窄足机器人的应用研究主要是模仿人一样的直立行走、跨步和翻转，具有良好的自由度，使其动作具有灵活自如的特点，主要的技术应用有机械制作，单片机控制、舵机驱动等。在未来的生产生活中，机器人可以在极限环境下代替人工作业，如矿石勘探，水资源的开发，应急搜救等，具有非常良好的应用前景。

基于此，本文针对窄足机器人的应用研究提供了一个简单、灵活的设计方案，能够稳定、快速的完成各种田径动作。

一、系统设计

小型窄足竞步机器人的系统结构由以STM32F103RBT6为核心的主控板、6个伺服舵机、电池、机械支架组成，其中最为主要的是主控板和伺服舵机。主控板的作用是控制多个伺服舵机，使全身的舵机调整到合适的角度，以完成相应的田径动作。伺服舵机的作用是构成了窄足机器人的双腿，成为了双腿的关节，每一个关节对应的就是机器人的一个自由度，所以说窄足机器人一共有6个自由度，每一条腿有3个自由度。

在系统方案的调试中，主要通过PC上位机软件对6个伺服舵机的角度参数进行设置，然后通过USB线传输给单片机，然后通过单片机控制6个伺服舵机完成相应的角度调整，从而完成对应的田径动作。

二、硬件设计

（一）控制器模块

窄足机器人的控制器模块选择的是意法半导体ST公司生产的32位高性能ARM Cortex-M3内核处理器STM32F103RBT6，该处理器集成度高，功能强、功耗低。其中有4-16M晶振、工作频率高达72MHz、64个I/O外设接口、128KHz字节的Flash、7个定时器、7个DMA通道、多种通信接口及等多种功能。该处理器采用的是LQFP64封装，一共有休眠、停止、待机三种工作运行模式，支持串行线调试（SWD）和JTAG。

（二）伺服舵机模块

窄足机器人的伺服舵机模块是整个动作完成的核心，每个舵机控制着机器人的一个自由度，模仿像人一样的直立行走和翻滚，使用LX-824舵机相对于传统的舵机具有无反应区范围小、固定性好、反应快、抗干扰能力强、精度高等特点，将舵机的可调角度设置为±90°，满足规定的动作的需要。多个舵机的连接方式采用总线式舵机，简单来说就是所有的舵机串联在一起，主控板發送控制信号后，相应的舵机执行对应的指令。

舵机主要是由马达、齿轮组、电位器、控制板构成。舵机是一个典型的闭环反馈系统，其工作原理就是首先马达高速转动下提供动力源，然后带动齿轮组，再带动输出端的比例电位器做出一个位置的检测，检测之后把这个位置的角度转变成比例电压给控制电路，控制电路与电路的控制脉冲比较，进行相应的矫正，从而使舵机能够转到相应位置。舵机的控制原理是输入一个周期性的正向脉冲信号后，产生一个PWM波，使舵机发生一定的偏转，通过控制周期性脉冲的正脉冲宽度来改变伺服舵机的转动角度。

在舵机速度调试过程中，将动作运行的平均速度通过划分部分的方式来控制，幅度90°分为128部分，每一部分代表一个角度，通过每部分的停顿时间得出平均速度，大多数的舵机的速度单位都是“度数/秒”。

（三）电源模块

窄足机器人的电源模块，承担着对整个机器人和各个模块的供电，对于机器人整体规格、安全性等方面考虑，我们采用的是锂电池，它的安全性能好、体积小、容量大、寿命长、成本低。该电源供电主要分为2个部分，一部分产生5v的电压通过稳压芯片进一步产生3.3v电压，进而给控制器模块和其他的外部模块供电，另一部分，给驱动电路、舵机供电。除此之外本电源方案有检测电压、散热的功能。

三、软件设计

窄足机器人的软件设计，是基于keil5平台，对STM32处理器进行程序设计，采取C语言进行程序的编写，主要包括对PWM舵机、电机控制、动作组运行、Flash存储、上位机通信、伺服舵机控制等的程序设计，再通过PC端上位机平台，对关节舵机的参数进行调试，调试的参数一般与实际的动作的有一定的偏差，还应该多在场地进行程序运行和微调，使机器人稳定、快速的完成相应动作。

四、总结

本文所设计的窄足机器人系统方案，采用STM32单片机和伺服舵机，结构简单，成本低，综合的运用了嵌入式设计、机械制造、电机驱动等技术，在设计过程中主要是对硬件、软件问题的解决，在硬件中主要是对舵机的使用，控制周期性脉冲的正脉冲宽度，来控制舵机的转动速度和角度，又采用总线式连接将6个舵机进行串联，从而实现对舵机的控制，在软件中，通过keil5平台，对STM32单片机进行PWM舵机、动作组运行、上位机的数据接受、舵机控制、Flash存储等程序的编写，再通过PC端上位机进行舵机参数设置，系统方案的完成较好的实现了窄足机器人完成田径动作时稳定性高、速度快的要求。

在后期的研究过程中，我们将进一步的进行改善，主要从以下3点：

增加蓝牙和摄像头模块，通过增加摄像头模块进行图像识别和实时传输，再通过蓝牙模块，对机器人在手机端进行较远距离控制，使机器人具有一定的生活实际应用能力。

对机械结构进行简单改造，使机器人的重心降低，在机器人运行过程更加稳定。

增加电池组，增强机器人的运行时间，在不影响动作组的完好运行下，使电池容量增加。

参考文献：

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