一款基于ARM的多自由度人形教育機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　摘要：針對(duì)以往教育機(jī)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(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)潔的17自由度人形機(jī)器人控制系統(tǒng)。規(guī)劃了機(jī)器人的軟硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了控制電路和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用1個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生17路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。重點(diǎn)以實(shí)例講解了波形產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)函數(shù)的編寫(xiě)方法和技巧。設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠完成整套體操運(yùn)動(dòng)。這種方法在多自由度機(jī)器人操控和教學(xué)中具有廣泛的借鑒意義。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　人形機(jī)器人控制系統(tǒng)包括機(jī)器人控制器和機(jī)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(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路與接口、串口通信調(diào)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(jī)器人遙控器使用無(wú)線模塊向機(jī)器人控制器發(fā)送指令，控制機(jī)器人完成規(guī)定動(dòng)作。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　人形機(jī)器人控制器主板由控制核心LPC2114、電源及檢測(cè)電路、外部晶振、JTAG調(diào)試接口、串口模塊、遙控模塊、舵機(jī)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(jié)的高速Flash存儲(chǔ)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(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和電子收款機(jī)(POS)等^[2]。

　　較高的功能集成度和強(qiáng)大的端口驅(qū)動(dòng)能力使得機(jī)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(xiàn)了單芯片的設(shè)計(jì)，如圖2所示為LPC2114控制器電路和4個(gè)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)接口電路，其余13個(gè)舵機(jī)驅(qū)類(lèi)同。

　　考慮到教育機(jī)器人的運(yùn)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(tǒng)，以及必要的指示和控制電路外，最重要的就是17個(gè)舵機(jī)驅(qū)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(jī)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(jī)器人的頭包含1個(gè)舵機(jī)接口，負(fù)責(zé)左右運(yùn)動(dòng)，左胳膊包含3個(gè)舵機(jī)接口，分控肩、肘、腕3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，左腿包含4個(gè)舵機(jī)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(jī)器人控制器左半部分對(duì)稱(chēng)^[3]。