1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
人形機(jī)器人控制系統(tǒng)包括機(jī)器人控制器和機(jī)器人遙控器兩部分。其中控制器以飛利浦公司的ARM7處理器為核心，包含17個舵機(jī)控制驅(qū)動電路與接口、串口通信調(diào)試電路、遙控接口、電源等。通過串口下載和傳輸控制信息。機(jī)器人遙控器使用無線模塊向機(jī)器人控制器發(fā)送指令，控制機(jī)器人完成規(guī)定動作。
分揀機(jī)器人哪家好用2硬件設(shè)計(jì)
人形機(jī)器人控制器主板由控制核心LPC2114、電源及檢測電路、外部晶振、JTAG調(diào)試接口、串口模塊、遙控模塊、舵機(jī)接口、LED指示燈等組成，組成框圖如圖1所示。
LPC2114基于一個支持實(shí)時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-SCPU，并帶有128k字節(jié)的高速Flash存儲器，非常小的LQFP64封裝、極低的功耗、2個32位定時器、4路10位ADC、PWM輸出、46個GPIO以及多達(dá)9個外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和電子收款機(jī)等［2］。
較高的功能集成度和強(qiáng)大的端口驅(qū)動能力使得機(jī)器人控制器主板電路的核心部分非常簡潔，基本上實(shí)現(xiàn)了單芯片的設(shè)計(jì)，如圖2所示為LPC2114控制器電路和4個舵機(jī)的驅(qū)動接口電路，其余13個舵機(jī)驅(qū)類同。
考慮到教育機(jī)器人的運(yùn)動平衡控制，將PCB電路板按圖3所示位置布局。該布局除了處理器最小系統(tǒng)，以及必要的指示和控制電路外，最重要的就是17個舵機(jī)驅(qū)動接口，這里使用彎角3排針連接，保證鏈接的緊湊和可靠。17個舵機(jī)接口分為5組，與下載接口按照左右各9個布局，其中人形機(jī)器人的頭包含1個舵機(jī)接口，負(fù)責(zé)左右運(yùn)動，左胳膊包含3個舵機(jī)接口，分控肩、肘、腕3個運(yùn)動自由度，左腿包含4個舵機(jī)接口，分控胯的左右/上下、膝蓋及腳腕4個自由度。右胳膊與右腿的分控接口和功能與機(jī)器人控制器左半部分對稱［3］。
最后將控制器與7.2V電芯并列裝配到鋁合金外殼中，作為機(jī)器人的軀體，同時作為運(yùn)動平衡的重心，良好的布局對機(jī)器人的運(yùn)動至關(guān)重要［4］。
考慮到人形機(jī)器人的自重和動作力度，設(shè)計(jì)采用FUTABA系列產(chǎn)品中的S3050大力矩車用、船用競賽型金屬齒輪數(shù)字舵機(jī)，如圖3所示。該舵機(jī)自重48.8克，尺寸小，在6V電壓下工作，能夠達(dá)到0.16秒/60度的轉(zhuǎn)速，力矩大小為6.5千克/厘米。
四軸分揀機(jī)器人17個舵機(jī)按照前述的分組和人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)對稱排列布局，頭部1個舵機(jī)，左右胳膊各3個舵機(jī)，分別做為肩、肘、腕關(guān)節(jié)，左右腿各5個舵機(jī)，分別為髖關(guān)節(jié)的左右運(yùn)動1個、前后運(yùn)動1個、膝關(guān)節(jié)1個、踝關(guān)節(jié)前后運(yùn)動1個、左右運(yùn)動1個，其中2個肩關(guān)節(jié)舵機(jī)和2個髖關(guān)節(jié)的左右運(yùn)動的舵機(jī)，上下左右對稱緊湊安裝，作為身體的一部分，所有其他舵機(jī)使用鋁合金支撐固定成緊湊的人形結(jié)構(gòu)［5］。
北京分揀機(jī)器人作用3軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要包含軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、程序流程設(shè)計(jì)和驅(qū)動控制函數(shù)的設(shè)計(jì)。
3.1軟件架構(gòu)
該人形機(jī)器人控制系統(tǒng)原理是：當(dāng)機(jī)器人控制器接收到遙控器發(fā)出的指令后，ARM處理器根據(jù)指令要求，將要執(zhí)行的動作參數(shù)分解成一系列寬度不等的PWM信號，并通過驅(qū)動電路輸出到舵機(jī)接口，外部舵機(jī)根據(jù)占空比不同的PWM信號轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，多個舵機(jī)不同的轉(zhuǎn)動角度構(gòu)成了不同的機(jī)器人瞬時動作，多個動作連貫執(zhí)行就完成與外部命令相應(yīng)的響應(yīng)動作。軟件架構(gòu)如圖4所示。本文主要對關(guān)鍵驅(qū)動函數(shù)進(jìn)行說明。
小黃人自動分揀機(jī)器人如何控制3.2舵機(jī)驅(qū)動程序設(shè)計(jì)
驅(qū)動脈沖與舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度如表1所示，不同的高電平時間對應(yīng)著舵機(jī)不同的輸出位置。因此可以使用LPC2114內(nèi)部定時器模擬出17路以20ms為周期、高電平寬度與位置時序?qū)?yīng)的PWM波形，來分別驅(qū)動控制17個舵機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，配合完成機(jī)器人的相關(guān)動作［6］。
多個舵機(jī)的驅(qū)動需要依據(jù)機(jī)器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算出轉(zhuǎn)動時間，將其時間數(shù)據(jù)按一定算法進(jìn)行排序，并在CPU的控制下設(shè)置各舵機(jī)的運(yùn)動和停止時間。
3.3機(jī)器人舵機(jī)整體驅(qū)動函數(shù)ManMoveFrame設(shè)計(jì)
函數(shù)功能：將輸入的各伺服器角度轉(zhuǎn)換為各伺服器的高電平時間，按照17個伺服器高電平時間從短到長依次調(diào)用對應(yīng)伺服器驅(qū)動。共18個入口參數(shù)，17個是伺服器角度，1個是動畫停留時間，轉(zhuǎn)換關(guān)系：1度約為0.00814ms。
函數(shù)定義：voidManMoveFrame（int16Head_Angle，int16Larm1_Angle，…，，int16Rleg5_Angle，uint8t）
{uint8i，t1;intHeadTime，Larm1Time，Larm2Time，…，Rleg4Time，Rleg5Time;/*與角度對應(yīng)的時間變量*/
intMotorTime［17］;/*各舵機(jī)驅(qū)動脈沖時間數(shù)組*/
MotorTime［0］=HeadTime=Head_0+Head_Angle*Angle1;/*頭部驅(qū)動脈沖時間*/
/*MotorTime［1］至MotorTime［16］略;*/
qsort（MotorTime，17，sizeof;/*對MotorTime數(shù)組快排序，使其值從小到大重排*/…
for（i=0;i機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動函數(shù)ManMoveKeyframeData設(shè)計(jì)
視覺識別分揀機(jī)器人工作臺機(jī)器人動作的關(guān)鍵姿態(tài)是由各舵機(jī)轉(zhuǎn)動位置決定的，需要參照機(jī)器人的體態(tài)對17個舵機(jī)的自由度關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，驅(qū)動函數(shù)將如表2所示設(shè)置的參數(shù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號，控制17個舵機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而完成機(jī)器人行走的動作。表格空白的地方默認(rèn)數(shù)據(jù)為0。
函數(shù)功能：初始化各伺服器角度/時間數(shù)組，將機(jī)器人每姿態(tài)動作的各舵機(jī)角度數(shù)據(jù)輸入給各伺服器數(shù)組。共19個入口參數(shù)：1個關(guān)鍵幀號、17個伺服器角度、1個動畫停留時間。
函數(shù)定義：voidManMoveKeyframeData（uint16ID，int16H_Angle，…，int16RL5_Angle，uint8t）{
ID_Max++;/*動作幀數(shù)，全局變量，記錄動作幀數(shù)，每加入1幀，ID_Max的值就增1*/
H［ID］=H_Angle;/*頭的角度*/…RL5［ID］=RL5_Angle;/*左肩的角度*/
T_Key［ID］=t;/*幀動作完成的時間長度*/}
3.5機(jī)器人動作控制驅(qū)動函數(shù)ManMoveKeyframeToFrame設(shè)計(jì)
主要功能：把動作幅度較大的姿態(tài)關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)結(jié)合其下面緊挨的姿態(tài)關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時間均勻的普通幀驅(qū)動參數(shù)，供整體驅(qū)動使用。入口參數(shù)：無。出口參數(shù)：無。
函數(shù)定義：voidManMoveKeyframeToFrame
{uint16id，h，la1，la2，la3，ra1，ra2，ra3，ll1，ll2，ll3，ll4，ll5，rl1，rl2，rl3，rl4，rl5;uint8t，k;/*幀號、舵機(jī)時間臨時變量*/
for（id=0;id機(jī)器人程序流程
機(jī)器人根據(jù)接收到的遙控命令自行判斷并完成動作，工作流程如圖5所示。因?yàn)槿诵螜C(jī)器人使用電池，工作比較耗電，所以在運(yùn)動前要先檢測工作電壓，如果達(dá)到工作要求就接著工作，否則不執(zhí)行動作并報(bào)警，工作電壓不滿足要求會造成機(jī)器人因動力不足而摔倒，接收到結(jié)束命令就停止運(yùn)行，不再響應(yīng)外部所發(fā)來的遙控命令，如果完成一個動作就恢復(fù)到立正站立狀態(tài)［7］。
需要指出的是，在機(jī)器人運(yùn)動時，程序?qū)ζ渫獠康乃欧骺刂埔M(jìn)行分時分批控制，以減輕處理器功耗壓力，達(dá)到可靠驅(qū)動的目的。
4結(jié)論
按照機(jī)器人的運(yùn)動體態(tài)完成運(yùn)動數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過測試，該控制系統(tǒng)可以完成包括前滾翻、后滾翻、俯臥撐在內(nèi)的多種體操運(yùn)動。課題組計(jì)劃進(jìn)一步封裝函數(shù)，并設(shè)計(jì)可視化圖形編程界面，以便可以在電腦上更加直觀地生成運(yùn)動數(shù)據(jù)，積木化編程，降低操作難度。
分揀機(jī)器人出現(xiàn)的原因分揀機(jī)器人設(shè)計(jì)原理自動化分揀機(jī)器人的價(jià)格