郑闯

摘 要：随着科技发展，现阶段机器人在人类生产生活中已经得到广泛应用。本文介绍的是一款以16bit单片机为控制核心，17个小型直流伺服机（舵机）驱动的人形机器人的设计制作，使其能够完成预期设计的各种动作。该人形机器人已经完成制作和调试。

关键词：人形机器人；单片机；软件

中图分类号：TP242 文献标识码：A

0.引言

如今，机器人技术在军事、生产和生活领域中得到了广泛的应用。随着机械化、自动化和智能化技术的发展，许多先进的技术已应用于各类机器人中。人形机器人的出现是控制科学、传感器技术、人工智能等学科的技术进步。人形机器人的设计和发展在生活中应用前景较广，如引路机器人、点菜机器人、问询机器人等。本设计完成了一个具有17关节的机器人外形设计和零部件加工制作、电路设计和搭建和软件编程调试，最终实现了一个能够按照预先设置程序而动作的机器人。

1.外形设计

要使机器人动起来，必须借助电机的转动控制机器人的关节以某种规则转动。人形机器人整体采用1.5mm厚轻质铝板手工加工而成，如图1所示。机器人头部采用一个90°的9g舵机带动，可以实现头部的左右转动运动。其余16个舵机均采用270°的60g金属齿大扭矩舵机。每条手臂由3个舵机构成，其中一个舵机固定在胸板上，控制手臂的前后旋转运动；一个舵机控制手臂的上下运动；一个舵机控制小臂的运動。每条腿部由4个舵机组成，其中最上方舵机控制腿部左右运动；其余3个舵机控制腿部弯曲的运动。每只脚部由1个舵机组成，控制脚部左右方向的运动。除了胸板、胸板外壳、头部、脚板以外，其余所有关节连接均采用标准件完成。机械连接件均在本校内加工中心由师生共同完成。最终机器人高度为500mm，宽度270mm，臂展560mm，臂长180mm，总质量约1.5kg。

经测量，机器人重心在膝盖附近。机器人重心越低，机器人运动越加平稳。反之机器人重心约高，机器人稳定性越差。本设计电源分布在机器人胸板偏下，两块锂电池左右对称安置，避免破坏机器人的平衡性。

2.电路设计

人形机器人由舵机电源电路、单片机电源电路、单片机最小系统电路和舵机控制电路四部分组成。由于需要同时驱动17个舵机，故本设计采用2块额定电压为7.4V的轻质锂电池为机器人供电，其中头部舵机、单片机最小系统和其中7个关节舵机采用一块电池供电，另外9个关节舵机由另一块电池供电。

因为60g舵机的驱动电流较大，故采用LM29302驱动，其驱动电流可达到3A。为保证供电平衡，本设计中采用4块LM29302构成4个可调稳压电路模块，经调节后稳压输出6V（±5%）为舵机供电，每个模块控制4个舵机。如图2所示为LM29302电路图。头部舵机、单片机最小系统采用LM2940稳压输出5V控制。

机器人核心控制板采用作者本人设计PCB印制电路板，如图3所示。该PCB中需要将XS128最小系统板插入在引脚座中。核心板中包含LM2940稳压电源线路，并引出了最小系统中的80个引脚。

3.软件设计

（1）舵机控制

本设计中的舵机均为数字舵机，采用PWM信号控制。MC9S12XS128系列芯片带有7路引出的PWM输出口，其余10路PWM信号输出采用10个I/O口由软件模拟实现。调试前，先找到每个舵机的中间位置点和运动范围区间，记录角度和对应的PWM值，最终实现线性控制。每个舵机的单独控制可以近似采用y=kx+b的数学模型。

（2）动作控制

程序采用C语言编程，每个舵机关节的运动采用一个独立的函数编写完成，并建立模块化程序，通过各个模块的协调运行实现机器人的协调运动。同时程序中具有良好的可维护性和扩展性，可以满足随时加入新的动作。本设计编写了一套“舞蹈”动作和一套行走动作。

（3）单片机初始化

本设计采用MC9S12XS128型号单片机。其中包含以下初始化程序模块：PLL模块主频80MHz；PWM模块不级联输出；PIT定时中断和外部触发中断；I/O输入输出接口模块。

结论

人形机器人在今后生活中的应用前景较大，配有GPS功能、语音功能和网络化管理的人形机器人是未来人形机器人发展的趋势。但这些智能化的功能都需要以机器人稳定的行动能力为基础。经验证，本设计的机器人能够实现基本动作的展示和行走。下一步，可以在本文研究的基础上，加入如语音问询和导航功能，从而进一步提高人形机器人的智能化程度。

参考文献

[1]虞汉中，冯雪梅.人形机器人技术的发展与现状[J].机械工程师，2010（7）：3-4.

[2]冯志杰.基于单片机的人形机器人的设计与实现[J].计算机光盘软件与应用，2013（3）：185-186.

[3]许晓飞，邹建勇.人形机器人结构与动作的设计[J].电子技术设计与应用，2015（2）：55-57.