雙足步行機器人控制電路設計與實現

1、第 10卷 第 31期 2010年 11月 1671 1815(2010 31-7661-04科 學 技 術 與 工 程Science Technology and EngineeringVol. 10No. 31Nov. 2010 2010Sci. Tech. Engng.雙足步行機器人控制電路設計與實現畢盛閔華清溫正東陳強朱金輝(華南理工大學計算機科學與工程學院 , 廣州 510006摘 要 提出和實現了一種具有語音控制和無線下載功能的雙足步行教育機器人的控制電路 。 系統采用雙單片機處理系統 , 其中包括步行控制電路 、 紅外避障電路 、 超聲波測距電路 、 語音發(fā)音識別電路和電腦無線通

2、訊電路 。 基于此控制電路的雙 足步行機器人 , 具有很好的學習擴展性和新穎性 。 關鍵詞雙足機器人控制電路單片機 中圖法分類號TP2426;文獻標志碼A 2010年 8月 13日收到 國家自然科學基金 (60873078 、廣州市科技計劃項目 (2009KP0008 資助第一作者簡介 :畢盛 (1978 , 男 , 甘肅開水人 , 博士研究生 , 講師 , 研究方向 :仿人機器人 。目前越來越多的機器人出現在我們的身邊 。 從日 本本田公司的 ASIMO 仿人機器人 。 美國的火星登陸 車到 IRobot 公司的家庭清潔機器人 。 WoWee 公司的 玩具機器人 ,機器人已經逐步進入到了我們

3、的生活中 。 同時越來越多的人 , 也開始對機器人技術感興 趣 。 設計出一種機器人的通用平臺 , 來讓人們了解 和學習機器人原理和技術 , 變得越來越重要 。著名的雙足步行機器人有日本的 ASIMO 仿人 機器人和法國的 Nao 仿人機器人 ,但這些機器人的 成本很高 , 作為展示和研究平臺很好 , 但作為向大 眾推廣的學習平臺并不適合 。 所以設計出一款成 本低廉的雙足機器人學習平臺很有必要 。目前國內推廣教育用的機器人控制平臺主要 是針對機器小車的 。 對于教育用的雙足機器人控 制平臺設計的并不多 ,并主要是針對機器人的運動 控制上 ,在機器人的人機交互和智能控制上沒有考 慮 。 本文設

4、計的控制平臺除了可控制機器人行走 、 避障 、 測距功能外 , 還能通過語音控制機器人和人 進行交互 , 并可實現無線下載功能 , 方便二次開發(fā) 學習 ,具有一定的技術先進性 。 1機器人控制電路總體結構這種雙足步行機器人 (見圖 1 通過巧妙的機械設計 , 只用了分布在腿部和身體部位的兩個舵機 , 就可以巧妙地控制機器人步行 。 其中一個舵機控 制機器人左右搖擺 , 另一個舵機控制機器人前后搖 擺 。 通過控制這些搖擺動作 ,如先控制機器人向右 擺動 , 此時左腿抬起 ; 接著控制左腿向前擺動 , 這樣 機器人就向前跨了一步 。 通過一系列組合動作 , 機 器人就能夠走起來。圖 1雙足機器人

5、機構圖整個雙足步行機器人的控制系統主要是由硬件 部分和軟件部分兩部分組成 。 整體結構采用雙芯片體系結構 (見圖 2 , 由 Atmel 公司的 AVR 單片機 AT-mega128芯片 1和凌陽公司 SPCE061A 芯片 2組成 。 利用 ATmega128豐富的外設和內部處理功能 , 實現虛 擬機程序及機器人舵機控制程序 、紅外避障程序 、 超 聲波程序 。 利用凌陽公司 SPCE061A 芯片強大的語 音處理功能實現錄音 、 發(fā)音及語音識別程序 。圖 2整體控制電路結構圖其中 , ATmega128芯片主要實現機器人行走控 制 、 紅外傳感器檢測 、 超聲波檢測 、 按鈕及顯示燈控 制

6、 、與電腦無線通訊 、 與凌陽單片機進行通信的功能 。 凌陽單片機 SPCE061A 芯片主要實現機器人的 發(fā)音 、語音識別 、 與 Atmega128芯片通信的功能 。 2主要控制硬件電路設計整個步行機器人的具體硬件電路設計如下 。21行走控制電路主要是通過控制兩個舵機來實現機器人的行走 。舵機是一個位置伺服系統 , 只需要給舵機的控制接口 一定的脈沖寬度 ,就能使舵機轉動到一定的位置 。 ATmega128芯片有多個 PWM 模塊 , 通過配置 定時器輸出 PWM 信號 , 產生舵機所需的脈沖 , 從而 控制舵機的轉動 3。 針對此步行機器人通過控制兩路舵機來實現行走 。22紅外傳感器檢測

7、電路紅外傳感器主要是為了機器人避障用 , 主要用 到 LM567實現 。 LM567是一種音調解碼器 , 內含鎖 相環(huán) , 可以廣泛用于 BB 機 、 頻率監(jiān)視器等各種電 路中 。圖 3舵機控制電路具 體 電 路 見 圖 4。 其 中 R 6和 C 4的 取 值 使 LM567的中心頻率為 38kHz , 此頻率也是紅外的發(fā)射頻率 。 C 2是環(huán)路濾波電容 , C 3是輸出濾波電容 。 LM741對接收到的紅外信號進行放大 。圖 4紅外傳感器檢測電路紅外傳感器具體工作過程 :LM567的中心頻率 為 38kHz , 為紅外發(fā)射管提供 38kHz 的脈沖信號 , 使紅外發(fā)射管發(fā)出 38kHz 的

8、光波 ; 當有障礙物時紅 外接收管輸出 38kHz 頻率的壓值變化信號 (無障礙 物時 輸 出 高 電 平 , 由 LM741電 壓 放 大 后 輸 入 LM567, 當 LM567接收到 38kHz 頻率的數據時 , 輸 出低電平 , 從而判斷出前方的障礙物 。 見圖 5。2667科 學 技 術 與 工 程 10卷 圖 5紅外傳感器檢測過程23超聲波傳感器檢測電路超聲波傳感器電路主要是實現測距的功能 。 主要由 超 聲 波 發(fā) 射 電 路 和 接 收 電 路 兩 部 分組成4。超聲波發(fā)射電路主要由反相器 7406和超聲波 發(fā)射換能器 T 構成 ,單片機端口輸出的 40kHz 的方 波信號一路

9、經一級反向器后送到超聲波換能器的 一個電極 , 另一路經兩級反向器后送到超聲波換能 器的另一個電極 , 用這種推挽形式將方波信號加到 超聲波換能器的兩端 , 可以提高超聲波的發(fā)射強 度 。 輸出端采用兩個反向器并聯 , 用以提高驅動能 力 。 上位電阻一方面可以提高反向器 7406輸出高 電平的驅動能力 , 另一方面可以增加超聲波換能器 的阻尼效果 , 縮短其自由振蕩時間 。 見圖 6 。圖 6超聲波發(fā)射電路超 聲 波 接 收 電 路 主 要 使 用 集 成 電 路 CX20106A , 它是一款紅外線檢波接收的專用芯片 , 常用于電視機紅外遙控接收器 。 考慮到紅外遙控 常用 的 載 波 頻

10、 率 38kHz 與 測 距 的 超 聲 波 頻 率 40kHz 較為接近 , 可以利用它制作超聲波接收電路 (如圖 7 。 實驗證明用 CX20106A 接收超聲波 (無 信號時輸出高電平 , 具有很好的靈敏度和較強的 抗干擾能力 。 具體電路見圖 7。 CX20106A 的第 5腳的電阻決定接收的中心頻率 ,220k 的電阻決定 了接收的中心頻率為 40kHz 。 當 CX20106A 接收 到 40kHz 的信號時 , 會在第 7腳產生一個低電平下 降脈沖 ,這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳 作為中斷信號輸入 。圖 7超聲波接收電路當前方有障礙物時 , 返回的信號是一串脈沖 , 通過

11、計脈沖的個數來得到障礙物的距離有多遠 。24凌陽 SPCE061A 語音電路2, 5凌陽的 SPCE061A 是 16位單片機 , 具有 DSP 功能 ,有很強的信息處理能力 , 最高時鐘可達到 49M , 具備運算速度高的優(yōu)勢等等 , 這為語音的播放 、 錄 放 、 合成及辨識提供了條件 。 SPCE061A 單片機集 成有單通道聲音 A /D轉換器 , 以及 2個 10位 D /A轉換輸出通道 , 方便語音電路的設計 。SPCE061A 聲音 A /D轉換器的輸入通道內置麥 克風放大器并具有自動增益控制 (AGC 功能 , 使采集 到的語音信號維持在最佳電平 ,整個采集電路只需要 在對應管

12、腳上接 3個電阻和電容就行了 ,見圖 8 。 圖 8語音輸入識別電路366731期 畢 盛 , 等 :雙足步行機器人控制電路設計與實現語音發(fā)音電路由雙通道 10位 D /A輸出接口外 接功放和揚聲器來實現 。 使用時只需要外接 2個電 阻 、 1個電容和 1個三極管就行了 , 見圖 9 。圖 9語音發(fā)音電路25其它硬件電路電源電路 , 直接是通過機 器 人 上 電 池 來 供 電的 , 然后利用穩(wěn)壓芯片 LM1117 33和 LM1117 5產生 33V 和 5V 電源 。ATmega128與凌陽 SPCE061A 的通信是通過串 口 1連接來實現的 。ATmega128芯片的串口 0的接收端

13、和發(fā)送端 , 分別接紅外遙控的接收頭和發(fā)射頭 。 直接可以和 接在電腦上的紅外遙控模塊通信 。 從而實現 AT-mega128與電腦的無線通信 。3總結整個硬件系統成本低廉 , 由于可以無線與電腦 通信 , 具有良好的二次開發(fā)接口 。 在此硬件基礎上 搭建的雙足步行機器人 , 具有避障 、 測距 、 發(fā)音 、 語 音識別 、 并和電腦具有無線通信的功能 , 具有好的 展示效果和學習效果 。參考 文 獻1胡 漢 才 高 檔 AVR 單 片 機 原 理 及 應 用 北 京 :清 華 大 學 出 版 社 ,20072張 培 仁 , 等 十 六 位 單 片 微 處 理 器 原 理 及 應 用 (凌 陽

14、 SPCE061A 北京 :清華大學出版社 , 20053梁 磊 , 王樹強 , 許 芹 多路 PWM 信號產生算法研究 電氣電子教學學報 , 2008; 30(4 :47 494崔坤征 , 羅均 , 謝少榮 , 等 一種用于動態(tài)障礙物探測的超聲波系統的研制 機電工程 , 2005; 22(6 :44 485謝黎明 , 趙軍 , 楊虹 , 等 紅外線人體感應控制語音系統的研究 科學技術與工程 ,2008; 8(7 :1798 1801The Hardware Design and Realization Based on a Biped RobotBI Sheng , MIN Hua-qing

15、 , WENG Zheng-dong , CHEN Qiang(School of Computer Science and Engineering , South China University of Technology , Guangzhou 510640, PRChina Abstract A hardware design and realization based on a kind of biped robot was proposedTwo kinds of microcontrol units were used in the hardware , including the control circuit of biped gait , the circuit of infrared sensor , the circuit of ultrasonic , the circuit of speech recognition and the circuit of wireless communication