李欣雪，龍小麗，關(guān) 健

（廣東理工學(xué)院，廣東 肇慶 526000）

引言

在足類手寫機(jī)器人發(fā)展的早期，科學(xué)家們主要研究的是與人類貼近的二足機(jī)器人，以及外形類似哺乳類陸生生物的機(jī)器人，但是，結(jié)果并不理想。由于當(dāng)時的科技水平還無法模擬出肌肉的控制系統(tǒng)，而二足和四足的生物，運(yùn)動時都需要比較大的力量作為基礎(chǔ)，無法實(shí)現(xiàn)力量控制。隨后，科學(xué)家們才將目光投向了三足機(jī)器人，當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)，雖然采用三足結(jié)構(gòu)的機(jī)器人運(yùn)動速度并不快，但是通過三角步態(tài)，重心能很好地落在三只支撐足組成的三角形中，比起普通的四足機(jī)器人，更具有靈活度優(yōu)勢[1]。

在自然界中，陸地上大多數(shù)生物的手寫都是以足類運(yùn)動為主，因此，衍生出輪式、履帶式機(jī)器人，代替人類實(shí)現(xiàn)一些大型勞動力的過程，減少了人類各種勞動力的任務(wù)[2-3]。但是，隨著社會的不斷發(fā)展，社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)從之前的勞動密集型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化為科技為主的創(chuàng)新型經(jīng)濟(jì)，大型的輪式、履帶式機(jī)器人已經(jīng)無法滿足人們的要求。因此，本文設(shè)計了仿生足類智能代寫機(jī)器人。

1 手寫三角步態(tài)設(shè)計

本論文仿生手寫機(jī)器人的手寫方式主要參考了Vincross人工智能科技公司研發(fā)的HEXA機(jī)器人中提出的手寫三角步態(tài)，手寫時通常將六只腳分為兩組，每組三足呈三角形交替手動手寫，以保證重心的穩(wěn)定[4]。這種步態(tài)依靠手部的前后擺動將身軀前移，雖然為了讓重心保持在三角形內(nèi)，導(dǎo)致手部跨度小，手寫速度也不快，但是其穩(wěn)定性卻無可置疑。在下列分析中，假定左前、右中、左后為A組足，右前、左中、右后為B組足。

前進(jìn)的流程，可分解為兩個過程以及三個狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。假設(shè)A組足先動，狀態(tài)a為初始狀態(tài)，左三和右三足呈對稱形態(tài)。狀態(tài)b為A組足角度較初始狀態(tài)不變并抬起，B組足組成的重心較初始狀態(tài)滯后。狀態(tài)c為B組足角度較初始狀態(tài)不變并抬起，A組足組成的重心較初始狀態(tài)滯后。過程x為B組足落地，A組足抬起并恢復(fù)初始位置，隨后B組足以足尖為支點(diǎn)帶動身軀前移。過程y為A組足落地，B組足抬起并恢復(fù)初始位置，隨后A組以足尖為支點(diǎn)帶動身軀前移，前進(jìn)控制流程圖如圖1所示。

圖1 三角步態(tài)控制流程圖

而定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn)如下頁圖2所示，通過控制落地足相對機(jī)身的角度，從而實(shí)現(xiàn)方向的改變。定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎的流程可分解為三個狀態(tài)。從左轉(zhuǎn)彎來看，狀態(tài)a為初始狀態(tài)，狀態(tài)b時，B組足抬起，A組足角度改變，狀態(tài)c則為B組足落地，A組足恢復(fù)原始角度。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時，B組足抬起，同時A組足控制方向改變，隨后B組足落地，A組足抬起恢復(fù)角度后落地，狀態(tài)從a-b-c-a（d）進(jìn)行循環(huán)。由于轉(zhuǎn)彎的過程實(shí)際就是抬腳與落地，因此，過程不進(jìn)行具體講述。定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)圖如下頁圖3所示。

圖2 定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎流程圖

圖3 定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)圖

2 定時PWM控制

定時器輸出PWM波首先要對CCMR1：OC1M［2：0］進(jìn)行設(shè)置，PWM模式1為［110］，PWM模式2為［111］，并設(shè)置TIMx_CR1中的DIR寄存器，DIR=0為向上計數(shù)，DIR=1為向下計數(shù)。

定時器輸出PWM的過程主要是由CNT、ARR、CCRx三個寄存器控制[3]。CNT寄存器的功能為計數(shù)，儲存當(dāng)前值。ARR寄存器的功能是自動重裝載，計數(shù)值達(dá)到設(shè)定值后會歸零重新加載。CCRx寄存器的功能是捕獲或比較，這里是為了改變占空比，用到的是比較功能。

向上和向下計數(shù)、PWM模式1和模式2的區(qū)別：當(dāng)處于向上計數(shù)時，占空比的比較條件CNT的值＜CCRx的值，而向下計數(shù)時，則條件CNT的值＞CCRx的值。在PWM模式1下，條件為真，則輸出有效電平；條件為假，輸出無效電平。相反，在PWM模式2下，條件為真時，輸出無效電平，反之輸出有效電平。

因此，可以通過設(shè)定ARR的值，當(dāng)CNT計數(shù)值達(dá)到ARR的設(shè)定值時，ARR就會歸零，并自動重新裝載，達(dá)到控制PWM輸出頻率的改變。而占空比的控制則通過改變CCRx寄存器的值。當(dāng)不同的值與CNT的值進(jìn)行比較，同一周期內(nèi)輸出的有效電平和無效電平的比例也隨之改變，意味著占空比也隨之改變。

3 智能機(jī)器人總體實(shí)現(xiàn)

智能代寫機(jī)器人總體框架如圖4所示，以STM32為核心進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，結(jié)合穩(wěn)壓供電模塊[5]、藍(lán)牙通信模塊[6]、攝像頭模塊、超聲波模塊[7]、舵機(jī)模塊以及其他拓展模塊構(gòu)成。智能代寫機(jī)器人的手動手寫實(shí)際上就是舵機(jī)角度的改變，而舵機(jī)角度的改變是控制信號PWM波占空比的改變。顯示在程序里，就是對定時器進(jìn)行配置，然后根據(jù)步態(tài)不斷地改變定時器輸出PWM波的占空比。

圖4 智能代寫機(jī)器人總體框架

通過FIFO攝像頭模塊，圖像傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時序進(jìn)行過多的控制，只要讀取FIFO中的前76 800個像素（QVGA格式）就是所需要的圖片。而對于RGB565格式的像素數(shù)據(jù)，需要用16位的空間來存儲。每個PCLK周期只讀半個像素，因此需要分別讀低8位和高8位的像素數(shù)據(jù)。都被緩存在了FIFO模塊中。因此，讀數(shù)據(jù)時不需要對

藍(lán)牙通訊模塊初次使用時，最好先通過USB轉(zhuǎn)TTL模塊，將藍(lán)牙模塊HC-05與電腦連接，用串口調(diào)試軟件XCOM查詢或配置好HC-05的波特率，配對密碼、姓名等。手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)后，STM32單片機(jī)接收并發(fā)送回所接收到的數(shù)據(jù)，藍(lán)牙通訊測試圖如圖5所示。加入循環(huán)代碼后，調(diào)整占空比，實(shí)現(xiàn)如流水燈的效果，等效于PWM波占空比的改變。手寫機(jī)器人書寫字體實(shí)際效果圖如圖6所示。

圖5 藍(lán)牙通訊模塊測試圖

圖6 機(jī)器人書寫字體實(shí)際操作圖

4 結(jié)論

本次仿生智能代寫機(jī)器人設(shè)計研究主要利用超聲波模塊進(jìn)行測距避障，攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，使用藍(lán)牙對手寫機(jī)器人進(jìn)行控制和雙向通訊。采用STM32的定時器輸出占空比可變的PWM波，以驅(qū)動舵機(jī)角度的改變，實(shí)現(xiàn)了手寫機(jī)器人以三角步態(tài)的方式手動手寫。實(shí)現(xiàn)代寫機(jī)器人控制，以及結(jié)構(gòu)上和步態(tài)上的仿生，后續(xù)設(shè)計可搭載一個陀螺儀模塊，自適應(yīng)調(diào)整姿態(tài)，讓機(jī)器人看起來更加仿生。