基于arduino的雙足狹窄足竟步機(jī)器人程序++.docx

基于arduino的雙足狹窄足竟步機(jī)器人程序摘要：隨著科技發(fā)展，機(jī)器人在越來越多的領(lǐng)域得到發(fā)展與應(yīng)用。該文通過作者參加“華北五省機(jī)器人機(jī)器人大賽”前期準(zhǔn)備，以及參賽過程中的經(jīng)驗，簡要介紹下基于開源Arduino控制板的類人機(jī)器人的驅(qū)動與控制，比賽結(jié)果表明了該方法的有效性。關(guān)鍵詞：Arduino；類人；多自由度；驅(qū)動與控制中圖分類號：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044（2016）07-0181-02對于雙足類人機(jī)器人控制的研究一直是近些年機(jī)器人研究的熱點(diǎn)問題。能否精確地執(zhí)行預(yù)設(shè)動作，是評價機(jī)器人性能的指標(biāo)之一，而本科生可接觸到的傳統(tǒng)中小型機(jī)器人上，所運(yùn)用的主控以傳統(tǒng)單片機(jī)為主，原理是利用定時器和中斷的方式來實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)的控制，在舵機(jī)數(shù)量較少時表現(xiàn)尚可，而在競賽中所用到的類人舞蹈機(jī)器人、類人競技機(jī)器人等上面，往往需要十幾個自由度甚至更多，以達(dá)到使機(jī)器人更加靈活的目的，這樣的情況下傳統(tǒng)單片機(jī)控制起來就沒有那么方便了，尤其在要求機(jī)器人進(jìn)行復(fù)雜動作，多個舵機(jī)同時驅(qū)動時，單片機(jī)不但精度難以保證，在編程方面也相當(dāng)復(fù)雜。因此本文結(jié)合作者的比賽經(jīng)驗，介紹時下較為流行的開源Arduino，來實(shí)現(xiàn)對雙足類人機(jī)器人的控制。1Arduino簡介Arduino是可編程的，使用功能強(qiáng)大的AVR微控制器，標(biāo)準(zhǔn)板擁有20個I/O引腳（Arduino的變體擁有更多的I/O引腳），并且很便宜。主Arduino使用標(biāo)準(zhǔn)的USB數(shù)據(jù)線連接到計算機(jī)，不僅提供到PC的串行連接，還包括所需的5V電源。其最大的優(yōu)勢在于它秉承開源硬件的思想，程序開發(fā)接口免費(fèi)下載，也可依需自己修改。ArduinoUNO的引腳如圖1所示：圖1ArduinoUNO控制板I/O口示意圖Arduino的硬件是高度模塊化的，在核心控制板的外圍，有開關(guān)量輸入輸出模塊、各種模擬量傳感器輸入模塊、總線類傳感器的輸入模塊，還有網(wǎng)絡(luò)通信模塊，只要在核心控制板上增加網(wǎng)絡(luò)控制模塊，就可以容易地與互聯(lián)網(wǎng)連接。Arduino還提供了自己的開發(fā)環(huán)境ArduinoIDE，支持Windows、Linux、MacOS等主流操作系統(tǒng)。Arduino系統(tǒng)是基于單片機(jī)開發(fā)的，并且大量應(yīng)用通用和標(biāo)準(zhǔn)的電子元器件，包括硬件和軟件在內(nèi)的整個設(shè)計，代碼均采用開源方式發(fā)布，因此采購的成本較低，在各種電子制作競賽、電子藝術(shù)品創(chuàng)意設(shè)計等越來越多地使用Arduino作為開發(fā)平臺。2主控的選擇在“華北五省機(jī)器人大賽”前，作者對市面上在售的控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集與對比，對控制精度及擴(kuò)展寬容度等多方面參數(shù)進(jìn)行對比，并對其他參賽隊伍所選用的主控實(shí)際測試后，選擇了ArduinoUNOR3的一個變體版Manshow-RC1，后者集成了ArduinoUNOR3及24通道的SoftServo舵機(jī)控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于：集成度更高，極大減小了主控安裝于機(jī)器人上所占用的空間，一定程度上減小了機(jī)器人的自重；擁有24路舵機(jī)控制通道，滿足了比賽中對機(jī)器人靈活度的要求；集成軟啟動功能，眾所周知，PWM類型的舵機(jī)其初始位置往往是未知的。傳統(tǒng)的啟動模式將使舵機(jī)以全速運(yùn)行到目標(biāo)位置，在很多機(jī)器人應(yīng)用中是非常忌諱的。軟啟動模式在初始位置未知的情況下可將舵機(jī)緩速運(yùn)行到目標(biāo)位置，但在短時間內(nèi)需要較大的電流（當(dāng)需要控制多個舵機(jī)時，可采用分時啟動的方式緩解）。在決定使用Arduino之前，作者也曾試驗過比較熟悉的51單片機(jī)在機(jī)器人控制上的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除了在對多個舵機(jī)的控制方面表現(xiàn)不足外，在代碼編寫方面，傳統(tǒng)單片機(jī)也不及Arduino方便，因為Arduino的編譯環(huán)境對AVR-GCC庫實(shí)現(xiàn)了二次封裝，使用者即使對C等編譯語言不是很熟悉，沒有很多單片機(jī)基礎(chǔ)，進(jìn)行簡單學(xué)習(xí)后也能很快上手，大大縮短了開發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)成本。并且由于開源的環(huán)境，可以根據(jù)自己的需求到Arduino論壇上下載已有的代碼，然后進(jìn)行修改，其中包括傳感器等模塊的庫文件及測試程序。以下為作者參賽時所用雙足類人舞蹈機(jī)器上程序的一段截?。?includeGI2C_V11.h#include#includeunsignedcharBuf61+1；GI2CV11ManShow_RC1（Buf，sizeof（Buf）；constunsignedcharback49PROGMEM=90，90，111，93，90，134，86，104，76，91，83，205，8，93，88，92，88，86，86，119，91，90，88，96，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，10，3；大括號內(nèi)的48個數(shù)字，分別對應(yīng)24個舵機(jī)的預(yù)設(shè)位置（0-180）和運(yùn)轉(zhuǎn)時的速度（1-250）。由于已經(jīng)有現(xiàn)成的庫文件可以使用，只需簡單配置寄存器即可，由此可見與傳統(tǒng)單片機(jī)相比，Arduino在開發(fā)周期上極大地縮短，并且減少了代碼占用空間，讓使用者省去了擴(kuò)展內(nèi)存的麻煩，為增加擴(kuò)展模塊帶來便利。3PWM類型的舵機(jī)控制器性能評價1）PWM類型的舵機(jī)，其PWM有效寬度并非完全一致，考慮到兼容性問題，PWM有效寬度必須可設(shè)定。2）對于標(biāo)準(zhǔn)的PWM類型舵機(jī)，PWM信號周期通常建議為20ms，但對于數(shù)字舵機(jī)，可允許更高頻率的信號輸入，當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)要求舵機(jī)具有更高的響應(yīng)速度時，可縮短PWM信號的周期。因此，PWM信號的周期可人為設(shè)定，也是很有必要的。3）有些時候我們希望所有的PWM信號同時輸出，并且信號間的耦合性控制在肉眼難以察覺的程度。4）在一些動態(tài)的應(yīng)用系統(tǒng)中，尤其是人形機(jī)器人，我們希望在任意時刻每個通道的位置和速度均可單獨(dú)控制，因為機(jī)器人的動態(tài)平衡是依靠慣性力實(shí)現(xiàn)的。5）絕大多數(shù)的舵機(jī)控制器均將舵機(jī)的動作代碼固化在EEPROM或FlashROM中，或許這樣操作起來很簡單。我們認(rèn)為，一個機(jī)器人系統(tǒng)，需要結(jié)合搭載的傳感器與智能控制算法，動態(tài)生成舵機(jī)的動作代碼。此外，關(guān)于通訊接口的簡易性、實(shí)時性和穩(wěn)定性也是非常的關(guān)鍵。6）為了更好地保護(hù)舵機(jī)，必須能夠在任意時刻停止PWM信號的輸出。在使用過程中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象：舵機(jī)毀于沖擊力，原則上，當(dāng)存在異常的沖擊力時，應(yīng)當(dāng)停止信號的輸出。例如：機(jī)器人處于跌落狀態(tài)（可由加速度傳感器檢測），倘若提前停止PWM信號的輸出，使舵機(jī)進(jìn)入惰行或制動狀態(tài)，便可避免剛性沖擊。4傳感器的使用針對不同應(yīng)用情境或比賽項目的不同，機(jī)器人可視情況加載合適的傳感器，以達(dá)到適應(yīng)外界環(huán)境和精確控制的目的。比如擂臺對抗機(jī)器人，為了防止掉下擂臺，往往加載灰度傳感器檢測擂臺邊緣的色帶；舞蹈機(jī)器人可增加加速度傳感器，用以檢測機(jī)器人的意外跌落，因為對于舵機(jī)，跌落后的意外卡死往往是致命的。5一些主流的控制方式如若沒有特殊要求的情況下，可以給機(jī)器人增設(shè)遙控，通過一組紅外傳感器來控制機(jī)器人，在遙控器上對于每個按下的按鈕都發(fā)送一個特定的紅外線編碼，可以在Arduino上使用IR接收集成電路讀取紅外線編碼，這樣使用者可以更及時的調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)。語音控制也是一種不錯的選擇，預(yù)先將一些指令錄入主控當(dāng)中，具體操作時，語音模塊對使用者的指令進(jìn)行識別，然后調(diào)動舵機(jī)或其他模塊進(jìn)行相應(yīng)動作。談到了聲控就不得不提及光控，雖然此種控制方式對環(huán)境要求較高，但倘若使用好了也會給人耳目一新的感覺，比如舞蹈機(jī)器人，結(jié)合特定舞臺燈光的指令后可以更好地進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。為了實(shí)時監(jiān)控機(jī)器人的動態(tài)參數(shù)，也可以選擇上位機(jī)控制機(jī)器人，可以自主編寫上位機(jī)軟件或網(wǎng)上下載現(xiàn)成的軟件使用。上位機(jī)控制方式分為有線和無線兩種。藍(lán)牙模塊、語音模塊以及光傳感器等在網(wǎng)上商城均有銷售，買時需注意是否與Arduino兼容。6結(jié)束語雙足類人機(jī)器人運(yùn)動靈活，因與人類相似，可以在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文對基于Arduino主控的機(jī)器人的控制進(jìn)行了簡述，結(jié)合作者的參賽經(jīng)歷，從主控的選擇、外設(shè)擴(kuò)展以及其他主流控制方式三方面給予建議。經(jīng)過驗證，Arduino在中小型機(jī)器人的設(shè)計制造上確實(shí)有很多傳統(tǒng)單片機(jī)沒有的優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)：1John-DavidWarren，JoshAdams