一款基于A(yíng)RM的多自由度人形教育機器人控制系統的設計

　　摘要：針對以往教育機器人自由度少、控制不靈活、教育功能弱的缺點(diǎn)，使用高集成度ARM芯片設計了一個(gè)簡(jiǎn)潔的17自由度人形機器人控制系統。規劃了機器人的軟硬件結構，設計了控制電路和驅動(dòng)系統，采用1個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生17路PWM驅動(dòng)信號。重點(diǎn)以實(shí)例講解了波形產(chǎn)生及驅動(dòng)函數的編寫(xiě)方法和技巧。設計的機器人能夠完成整套體操運動(dòng)。這種方法在多自由度機器人操控和教學(xué)中具有廣泛的借鑒意義。

　　1 系統方案設計

　　人形機器人控制系統包括機器人控制器和機器人遙控器兩部分。其中控制器以飛利浦公司的ARM7處理器為核心，包含17個(gè)舵機控制驅動(dòng)電路與接口、串口通信調試電路、遙控接口、電源等。通過(guò)串口下載和傳輸控制信息。機器人遙控器使用無(wú)線(xiàn)模塊向機器人控制器發(fā)送指令，控制機器人完成規定動(dòng)作。

　　2 硬件設計

　　人形機器人控制器主板由控制核心LPC2114、電源及檢測電路、外部晶振、JTAG調試接口、串口模塊、遙控模塊、舵機接口、LED指示燈等組成，組成框圖如圖1所示。

　　LPC2114基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有128 k字節的高速Flash存儲器，非常小的LQFP64封裝、極低的功耗、2個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、PWM輸出、46個(gè)GPIO以及多達9個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫療系統、訪(fǎng)問(wèn)控制和電子收款機(POS)等^[2]。

　　較高的功能集成度和強大的端口驅動(dòng)能力使得機器人控制器主板電路的核心部分非常簡(jiǎn)潔，基本上實(shí)現了單芯片的設計，如圖2所示為LPC2114控制器電路和4個(gè)舵機的驅動(dòng)接口電路，其余13個(gè)舵機驅類(lèi)同。

　　考慮到教育機器人的運動(dòng)平衡控制，將PCB電路板按圖3(a)所示位置布局。該布局除了處理器最小系統，以及必要的指示和控制電路外，最重要的就是17個(gè)舵機驅動(dòng)接口，這里使用彎角3排針連接，保證鏈接的緊湊和可靠。17個(gè)舵機接口分為5組，與下載接口按照左右各9個(gè)布局，其中人形機器人的頭包含1個(gè)舵機接口，負責左右運動(dòng)，左胳膊包含3個(gè)舵機接口，分控肩、肘、腕3個(gè)運動(dòng)自由度，左腿包含4個(gè)舵機接口，分控胯的左右/上下、膝蓋及腳腕4個(gè)自由度。右胳膊與右腿的分控接口和功能與機器人控制器左半部分對稱(chēng)^[3]。