双足步行机器人控制电路设计与实现图文精Word文件下载.docx
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A
2010年8月13日收到国家自然科学基金（60873078、
广州市科技计划项目（2009KP0008资助
第一作者简介：
盛（1978—,男,甘肃开水人,博士研究生,讲
师,研究方向：
仿人机器人。
目前越来越多的机器人出现在我们的身边。
从日本本田公司的ASIMO仿人机器人。
美国的火星登陆车到IRobot公司的家庭清洁机器人。
WoWee公司的玩具机器人，
机器人已经逐步进入到了我们的生活中。
同时越来越多的人，也开始对机器人技术感兴趣。
设计出一种机器人的通用平台，来让人们了解和学习机器人原理和技术，变得越来越重要。
著名的双足步行机器人有日本的ASIMO仿人机器人和法国的Nao仿人机器人，
但这些机器人的成本很高，作为展示和研究平台很好，但作为向大众推广的学习平台并不适合。
所以设计出一款成本低廉的双足机器人学习平台很有必要。
目前国内推广教育用的机器人控制平台主要是针对机器小车的。
对于教育用的双足机器人控制平台设计的并不多，
并主要是针对机器人的运动控制上，
在机器人的人机交互和智能控制上没有考虑。
本文设计的控制平台除了可控制机器人行走、避障、测距功能外，还能通过语音控制机器人和人进行交互，并可实现无线下载功能，方便二次开发学习，
具有一定的技术先进性。
1机器人控制电路总体结构
这种双足步行机器人（见图1通过巧妙的机械
设计，只用了分布在腿部和身体部位的两个舵机，就可以巧妙地控制机器人步行。
其中一个舵机控制机器人左右摇摆，另一个舵机控制机器人前后摇摆。
通过控制这些摇摆动作，
如先控制机器人向右摆动，此时左腿抬起；
接着控制左腿向前摆动，这样机器人就向前跨了一步。
通过一系列组合动作，机器人就能够走起来
图1双足机器人机构图
整个双足步行机器人的控制系统主要是由硬件部分和软件部分两部分组成
整体结构采用双芯片
体系结构（见图2,由Atmel公司的AVR单片机AT-mega128芯片［1］和凌阳公
司SPCE061A芯片［2］组成。
利用ATmega128丰富的外设和内部处理功能,实现虚拟机程序及机器人舵机控制程序、
红外避障程序、超声波程序。
利用凌阳公司SPCE061A芯片强大的语音处
理功能实现录音、发音及语音识别程序
整体控制电路结构图
其中,ATmega128芯片主要实现机器人行走控制、红外传感器检测、超声波检测、按钮及显示灯控制、
与电脑无线通讯、与凌阳单片机进行通信的功能。
凌阳单片机SPCE061A芯片主要实现机器人的发音、
语音识别、与Atmega128芯片通信的功能。
2主要控制硬件电路设计
整个步行机器人的具体硬件电路设计如下。
2.1行走控制电路
主要是通过控制两个舵机来实现机器人的行走。
舵机是一个位置伺服系统，只需要给舵机的控制接口一定的脉冲宽度，
就能使舵机转动到一定的位置。
ATmega128芯片有多个PWM模块,通过配置定时器输出PWM信号,产生舵机所需的脉冲,从而控制舵机的转动[3]
。
针对此步行机器人通过控制
两路舵机来实现行走。
2.2
红外传感器检测电路
红外传感器主要是为了机器人避障用,主要用到LM567实现。
LM567是一种音调解码器，内含锁相环，可以广泛用于BB机、频率监视器等各种电路中
电源
图3舵机控制电路
具体电路见图4其中R6和C4的取值使LM567的中心频率为38kHz,
此频率也是红外的发
射频率。
C2是环路滤波电容,C3是输出滤波电容。
LM741对接收到的红外信号进行放大
o
图4红外传感器检测电路
红外传感器具体工作过程：
LM567的中心频率为38kHz,为红外发射管提供
38kHz的脉冲信号,使红外发射管发出38kHz的光波；
当有障碍物时红外接收管输出38kHz频率的压值变化信号（无障碍物时输出高电平，由LM741电压放大后输入LM567,当LM567接收到38kHz频率的数据时，输出低电平,从而判断出前方的障碍物。
见图5。
2667科学技术与工程10卷
5僦㈱她
LM567
（T38kHzftK冲'
'
4族丸信号
-LM741
\肛外发題鱼］
238kHzjfcift
二丽接收管］、
3电压变化
图5红外传感器检测过程
2.3超声波传感器检测电路
超声波传感器电路主要是实现测距的功能。
主要由超声波发射电路和接
收电路两部分
组成
[4]
超声波发射电路主要由反相器7406和超声波发射换能器T构成，
单片机端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽
形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。
输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上位电阻一方面可以提高反向器7406输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。
见图6
I无kHz脉冲
-——一红外发射管
238kHz光波一〜―7
硕接收管
3电压变化LM741
图6超声波发射电路
超声波接收电路主要使用集成电路CX20106A,它是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近,可以利用它制作超声波接收电路（如图7。
实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平,具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。
具体电路见图7。
CX20106A的第5
脚的电阻决定接收的中心频率，
220k□的电阻决定了接收的中心频率为40kHz。
当CX20106A接收至U40kHz的信号时,会在第7脚产生一个低电平下降脉冲,
这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入
f3Xk山脉冲—'
4放大信号
；
匡外发阳曾
®
38kHz光液
＞両接收管
图7
超声波接收电路
当前方有障碍物时，返回的信号是一串脉冲，通过计脉冲的个数来得到障碍物的距离有多远。
2.4
凌阳SPCE061A语音电路
[2,5]
凌阳的SPCE061A是16位单片机,具有DSP功
能，
有很强的信息处理能力，最高时钟可达到49M,具备运算速度高的优势等等，
这为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。
SPCE061A单片机集成有单通道声音A/D转换器,以及2个10位D/A转换输出通道,方便语音电路的设计
SPCE061A声音A/D转换器的输入通道内置麦克风放大器并具有自动增益控制（AGC功能,使采集到的语音信号维持在最佳电平,
整个采集电路只需要在对应管脚上接3个电阻和电容就行了，
见图8
5
I35?
kH?
脉冲-
:
£
外发射管
2弼kHz光波
?
I红外接收管
3电压变化-IM741
TRSM
语音输入识别电路
3
66731期毕盛,等：
语音发音电路由双通道10位D/A输出接口外接功放和扬声器来实现。
使用
时只需要外接2个电阻、1个电容和1个三极管就行了，见图9
图9
语音发音电路
2.5其它硬件电路
电源电路，直接是通过机器人上电池来供电
的,然后利用稳压芯片LM1117—3.3和LM1117—5产生3.3V和5V电源。
ATmega128与凌阳SPCE061A的通信是通过串口1连接来实现的。
ATmega128芯片的串口0的接收端和发送端,分别接红外遥控的接收头和发射头。
直接可以和接在电脑上的红外遥控模块通信。
从而实现AT-mega128与电脑的无线通信。
3总结
整个硬件系统成本低廉，由于可以无线与电脑通信，具有良好的二次开发接口。
在此硬件基础上搭建的双足步行机器人，具有避障、测距、发音、语音识别、并和电脑具有无线通信的功能，具有好的展示效果和学习效果。
参
考文献
1
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清华大学出版社，
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8（7:
1798—1801TheHardwareDesignandRealizationBasedonaBiped
Robot
BISheng,MINHua-qing,WENGZheng-dong,CHENQiang
（SchoolofComputerScieneeandEngineering,SouthChinaUniversityof
Technology,Guangzhou510640,PR.China
[Abstract]AhardwaredesignandrealizationbasedonakindofbipedrobotwasproposedTwokindsofmicro
controlunitswereusedinthehardware,includingthecontrolcircuitofbipedgait,thecircuitofinfraredsensor,thecircuitofultrasonic,thecircuitofspeechrecognitionandthecircuitofwirelesscommunicationwithcomputer.Thebipedrobotbasedonourhardware,withscalableandnovelplatform,wasappliedinthestudentinnovativelabofscieneeandtechnologycentreinGuangdongprovince[Keywords]
bipedrobot
controlcircuit
MCU
4667科学技术与工程10卷
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