1 引言

　　仿人型機器人由于具有類人的基本外形，在實際的生活中，能夠代替人完成很多工作，因此對仿人型機器人的研究具有實用價值，各國都在投入巨大的人力物力進行研發。仿人型機器人具有多自由度的機械結構要求，因此需要對機器人的各個關節通過電機來完成轉動動作。這對于電機驅動控制提出了很高的性能要求。本文提出了一種基于STM32單片機的仿人型機器人控制系統方案，可以同時對機器人關節所需的16路舵機進行驅動控制。

　　2 硬件解決方案

　　本控制系統的硬件部分共分為5個模塊，其硬件系統模塊圖如圖1所示。

　　圖1 硬件系統模塊框圖

　　主控制器采用STM32F103xB增強型系列單片機，該系列單片機使用了高性能的ARM CortexTM-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器（128K字節的閃存和20K字節的SRAM），增強型I/O端口［2］。這些性能使得 STM32F103系列微控制器非常適合應用于小型仿人型機器人的控制系統。由于仿人型機器人的體型限定，因此我們在設計舵機控制板時采用了 STM32F103系列的小型貼片封裝型號STM32F103CBT6。以得到體積較小的舵機控制電路板，如圖2所示。

　　圖2 舵機控制板實物圖

　　圖3 舵機控制示意圖

　　為了實現對多自由度復雜結構的仿人型機器人進行動作控制，需要較多控制路數的舵機控制板。由于舵機的角度控制是采用PWM波形輸出，當單片機IO口的輸出脈沖寬度變化時，舵機舵盤角度發生改變，如圖3所示［3］，因此在舵機控制板電路設計中，充分利用了STM32單片機的IO口數量多且具有PWM輸出的技術優勢［4］。共設計了16路舵機控制口，可以保證16個機器人關節同時動作。舵機驅動IO接口分布在PCB板的兩側，便于插拔。

　　在舵機的控制中，有一個容易出現的問題就是舵機抖舵問題。這種問題一般發生在采用普通電池做為機器人系統的主電源的情況下，如采用多節AA型鎳鎘或鎳氫電池串聯組成機器人供電主電源。原因是這些電池由于容量和放電能力的局限，無法在其額定電壓下提供長時間穩定持續的大電流。在仿人型機器人的多路舵機同時工作時，采用普通電源輸出的電壓會迅速降低，從而導致舵機的供電不足，最終出現舵盤異常抖動，造成機器人在執行動作時的抖舵現象。

　　圖4 控制信號5V供電電源原理圖

　　圖5 6V舵機驅動電源原理圖

　　因此我們設計的仿人型機器人控制電路中采用了型號為格氏25C放電倍率，容量為2200mAh，額定電壓為11.1V的鋰聚合物航模電池作為主電源。分為 5V控制信號電源和6V舵機驅動電源，如圖4所示。為了保證多路舵機同時工作時所需要的大電流，利用鋰聚合物電池具有很強的持續放電能力，選用了型號為 120W 12A大功率降壓模塊［5］，將機器人的供電電源穩壓在+6V，放電電流峰值為12A，如圖5所示。利用光電耦合器隔離單片機IO口控制信號和舵機驅動信號，提高控制信號的抗干擾能力。舵機的IO口電路設計原理圖如圖6所示。這樣解決了多路舵機由于同時工作時，電源電源被拉低引起的舵盤異常抖動問題。

　　圖6 舵機IO口電路原理圖

　　舵機控制板在初始上電時，所有IO口會同時通入無序的PWM信號，造成瞬間出現巨大的電流消耗。經實驗測得舵機控制板上電時，單個IO口的峰值電流可以達到1.5A以上。因此在16個舵機同時初始上電通入PWM信號時，其總電流將達到24A以上，這就大大超出了大容量直流降壓模塊的極限供電電流，導致電源電路進入過流保護，整個舵機控制電路將無法進入正常的工作狀態。為了解決這個問題，我們在STM32單片機上電初始化時，首先只讓IO口1和2輸出PWM 信號，然后同時再讓IO口3和4輸出初始化PWM信號，以此順序最后讓IO口15和16輸出PWM信號。這樣就保證IO口初始化時，最多只有兩路PWM信號同時通入。在機器人正常動作時，同時動作的舵機數量不超過6個，即6個IO同時輸出的峰值電流為9A，低于大功率降壓模塊的最大輸出電流12A，因此整個電路在工作期間的極限電流均小于12A。最終達到了舵機控制板穩定工作的硬件要求。

　　3 軟件部分的設計

　　仿人型機器人控制系統的軟件分為兩種模式：調試模式和正常模式。

　　調試模式：機器人上電默認靜止，以響應上位機信號為主。在該模式下，上位機通過RS232串口對機器人進行在線控制，可以對單個舵機的角度進行精確調整，編排好的流程動作單次執行，流程動作的全部執行等，并顯示當前機器人對代碼解析值。調試模式的工作界面如圖7所示。

　　正常模式：機器人上電即開始執行調試完畢的全套程序動作。

　　圖7 上位機調試模式工作界面

　　為了實行軟件控制，采用了多任務模塊的定時輪換機制［6］。共建立了3個模塊任務：任務0用來解析送入該任務的軟件代碼值到PWM輸出的轉換。任務1用來調用每套動作編碼，連續的將得到的軟件值發送給任務0。任務2為串口處理任務，通過分析串口發來的數據進行模式的轉換和響應。其程序流程圖如圖8所示。

　　圖8 程序流程圖

　　4 系統調試效果

　　設計該仿人型機器人的走步步態時，主要考慮了機器人的自重為2.53Kg，身高為42cm，因此機器人的腳和手臂的舵機輸出幅度不能太大，否則會導致機器人走步時的重心偏移太大，造成機器人翻倒。因此在設計機器人的腳掌時，適當增大了與地面的接觸面積，腳掌的尺寸為8.5×15cm，同時加快了腳步移動的頻率，并在腳部增加了額外的配重，以增強機器人在走步過程中的穩定性，其走步的步態如圖9所示。該型機器人的走步步態協調一致，在2012年中國機器人大賽仿人競速比賽項目中獲得二等獎。

　　圖9 12自由度的仿人型機器人

　　走步動作正面

　　5 結束語

　　文中基于STM32微控制器的仿人型機器人控制系統，能夠靈活地控制16路大扭力舵機，通過大功率降壓電源模塊，可以得到16路舵機同時動作時所需要的直流電壓，實現了仿人型機器人的走步動作，可作為高校學生進行機器人技術創新時的參考。