李佳怡

摘要：本設計是基于C8051F410單片機的雙足競步機器人運動控制系統(tǒng)，主要由主控模塊C8051F410單片機、數(shù)字舵機DS3115、語音模塊LD3320、以及光電傳感器E18-D80NK等組成，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)雙足機器人的行走、避障、語音控制等功能。

關鍵詞：雙足機器人；單片機；數(shù)字舵機；語音；避障

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0009-02

近年來，人們對于雙足機器人的研究發(fā)展迅速，仿人機器人作為機器人的一個重要的分支，無疑對機器人研究的技術和思想提出了更高的要求。雙足機器人有著仿人的外形、雙足步行的方式，因受環(huán)境限制等因素小，所以它擁有非常好的靈活性?，F(xiàn)在，對雙足機器人技術的研究是機器人研究領域的熱點，不僅有重要的學術意義，并且在未來人們的生活中有著廣泛的實際應用價值。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)由C8051F410單片機、數(shù)字舵機DS3115、語音模塊LD3320、以及光電傳感器E18-D80NK組成，通過語音模塊向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機接受到信號后開始輸出PWM信號控制六路數(shù)字舵機并通過軟件對數(shù)字舵機的角度進行控制，從而完成雙足機器人行走的過程。當光電傳感器模塊檢測到前方有障礙物時，單片機對舵機做出調整，使雙足機器人能順利避開障礙物。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機C8051F410

本設計采用C8051F410單片機作為控制核心，它可以提供高達50MIPS的8051核心處理器，C8051F410芯片內含穩(wěn)壓器，給系統(tǒng)外部元器件提供電源。C8051F410采用32腳QFN封裝，具有片內上電復位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器，是能獨立工作的片上系統(tǒng)。C8051F410最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 數(shù)字舵機DS3115

控制系統(tǒng)選擇DS3115型號的數(shù)字舵機，主要由馬達、減速齒輪、控制電路等組成。舵機的控制信號是脈沖位置調制（PWM）信號，周期一般為20ms，當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸的角度發(fā)生變化，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。減速齒輪組由電機驅動，其輸出端帶動一個線性的比例電位器作為位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制單元，將其與輸入的控制脈沖信號比較，產生糾正脈沖，并驅動電機正向或反向轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，達到舵機精確定位的目的。DS3115數(shù)字舵機和PWM脈沖寬度與輸出軸對應圖如圖3所示。

2.3 語音模塊LD332

LD3320 芯片是一款語音識別專用芯片。該芯片集成了語音識別處理器和外部電路，包括AD、DA 轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。芯片不需要外接任何的輔助芯片，直接集成在現(xiàn)有的產品中即可以實現(xiàn)語音識別/聲控/人機對話功能。而且識別的關鍵詞語列表是可以任意動態(tài)編輯的。LD3320電路原理圖如圖4所示。

2.4 光電傳感器E18-D80NK

避障模塊選用光電傳感器E18-D80NK，當檢測到前方障礙物信號時，電路板上紅色指示燈點亮，同時OUT端口持續(xù)輸出低電平信號，該模塊檢測距離3～80cm，檢測角度35°，檢測距離可以通過電位器進行調節(jié)，順時針調電位器，檢測距離增加；逆時針調電位器，檢測距離減少（由于紅外光的特性，不同顏色的物體，能探測的最大距離也有不同；白色物體最遠，黑色物體最近）。

3 軟件設計

該系統(tǒng)在軟件方面的設計主要有主程序，舵機打角程序，語音識別程序以及避障程序組成。主程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)調試

本設計中雙足機器人采用了全金屬舵盤，高度約40CM，寬度為23CM，重量約為1500g，含6個自由度。其中，手臂2個自由度，腿部 4個自由度。機器人上電后，回歸到初始狀態(tài)，等待語音信號輸入，當操作者說出“打開”兩字之后，機器人開始執(zhí)行行走動作，可分為抬腳、擺臂、出腳、落腳四個動作，分別對應到每個舵機的打角的不同。通過光電傳感器檢測到障礙物，機器人及時做出抬腳動作，中部舵機向外側旋轉，緊接著另一條腿也向同一側進行旋轉，重復此動作，直到光電傳感器檢測不到障礙物。雙足機器人實物圖如圖6所示。

5 結語

本設計是基于C8051F410單片機作為主控制器設計的一款具有6自由度的雙足競步機器人，該系統(tǒng)能夠通過語音指令控制雙足機器人實現(xiàn)了停止、前進、轉彎、避障等動作。本設計應用了先進的機器人控制理論，可以實現(xiàn)對機器人各個動作的精準控制。同時，該設計也可用于雙足機器人的實驗教學。

參考文獻

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Abstract：This design is the motion control system of biped race walking robot based on C8051F410 MCU. It mainly includes the main control module C8051F410 microcontroller， digital rudder DS3115， voice module LD3320， and photoelectric sensor E18-D80NK and so on. The system can realize walking， avoiding obstacles， voice control and other functions of biped robot.

Key words：biped robot；MCU；digital rudder；voice；avoiding obstacles