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

1、 基于此控制电路的双 足步行机器人 , 具有很好的学习扩展性和新颖性 。 关键词双足机器人控制电路单片机 中图法分类号TP2426;文献标志码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 。

2、 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

3、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

4、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图 2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

5、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 。21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 。22红外传感器检测电路红外传感器主要

6、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 路中图 3舵机控制电路具 体 电 路 见 图 4。 其 中 R 6和 C 4的 取 值 使 LM567的中心频率为 38kHz , 此频率也是红外的发射频率 。 C 2是环路滤波电容 , C 3是输出滤波电容 。 LM741对接收到的红外信号进行放大图 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

7、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卷图 5红外传感器检测过程23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

8、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

9、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 到 40kHz 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

10、。24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

11、8 图 8语音输入识别电路366731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25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 33和 LM1117 5产生 33V 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

12、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胡 汉 才 高 档 AVR 单 片 机 原 理 及 应 用 北 京 :清 华 大 学 出 版 社 ,20072张 培 仁 , 等 十 六 位 单 片 微 处 理 器 原 理 及 应 用 （凌 阳 SPCE061A 北京 :清华大学出版社 , 20053梁 磊 , 王树强

13、, 许 芹 多路 PWM 信号产生算法研究 电气电子教学学报 , 2008; 30（4 :47 494崔坤征 , 罗均 , 谢少荣 , 等 一种用于动态障碍物探测的超声波系统的研制 机电工程 , 2005; 22（6 :44 485谢黎明 , 赵军 , 杨虹 , 等 红外线人体感应控制语音系统的研究 科学技术与工程 ,2008; 8（7 :1798 1801The Hardware Design and Realization Based on a Biped RobotBI Sheng , MIN Hua-qing , WENG Zheng-dong , CHEN Qiang（School

14、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 c

15、ircuit of infrared sensor , the circuit of ultrasonic , the circuit of speech recognition and the circuit of wireless communication with computerThe biped robot based on our hardware , with scalable and novel platform , was applied in the student innovative lab of science and technology centre in Guangdong provinceKey words biped robotcontrol circuitMCU4667科 学 技 术 与 工 程 10卷