仿人形机器人

2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛

项目报告

题目：仿人形机器人

学校：陕西科技大学

组别：本科组

应用类别：控制系统类

平台：C ortex-M

题目：本科组控制系统类陕西科技大学仿人形机器人

摘要（中英文）

伴随着嵌入式系统的应用领域不断发展，嵌入式智能机器人系统也逐渐成为了智能机器人领域研究的一个热点。

本项目使用TI公司基于ARM的lm3s1138单片机制作的仿人形机器人。机器人可以进行简单的仿人移动，同时又有视觉识别系统可对障碍进行识别最后对运动控制演示程序进行了编译。

As the unceasingly developing of the embedded system ，the embedded intelligent robot system has becoming a hot spot in domain of the research intelligent robot gradually .

Our project uses TI companies` lm3s1138 microcontroller which based on the ARM to produced humanoid robot. This robot can do simple human-imitating move, and it has mechanized vision identification system which can distinguish barrier. At last the motion control demo program has been complied.

1.引言

机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大,正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。机器人发展到现在对机器人的“认知”要求越来越高，要求其对“认知”到得事物有一定的适应能力。伴随着机器人技术的飞速发展，机器人走进人们的日常生活，服务于家庭及各类公共场所。

嵌入式系统以其独特的优势，适应机器人对功能、可靠性、成本、功耗等的严格要求。而人形机器人又有着其特殊的地位与作用，所以我们对人形机器人的硬件设计与软件控制进行学习与初步的实践。

本项目机器人可以进行简单的仿人移动，同时又有视觉识别系统可对障碍进行识别。

由于团队能力有限，本文存有不足之处，望各位老师能够提出宝贵意见。

2.系统方案

详细说明系统设计的整体思路，用模块的形式指出系统设计的各个关键点，并指出其中使用的关键算法

本设计案例基于Crotex-M3，利用LM3S1138处理器的多应用接口，在机器人的控制平台上，完成一些简单的工作任务，由于LM3S1138在高频工作状态下的稳定性，本设计案例还涉及图像处理与物体识别的功能。

模块1：机器人的基本运动控制

机器人运动过程中的控制关系到整体的运动性能，其中对于机器人运动过程中的步态控制，在本案例的设计中是一个难题，我们针对机器人对步态稳定的高要求特性，设计适合本案例的可行方案：利用LM3S1138对时间控制的稳定特性和高精度特性，结合具体的控制思路，很容易便实现的机器人在运动过程中对步态稳定性的要求。

模块2：图像处理与物体识别

用CMOS摄像头作图像处理，因为受限于LM3S1138的主频不够高，所以采用灰度图像处理。来实现物体的识别。

模块3：传感器

机器人运动同时有3个单轴陀螺仪与一个加速度传感器时时采集机器人运动状态，从而来矫正机器人的行走步态。关于传感器的放置问题，我们将传感器放置在机器人身体偏上位置，以便采集到更加灵敏的数据。

3.系统硬件设计

1.主控板：LM3S1138为核心的主控芯片，组成的主控电路。

2.舵机：

采用SR40系列舵机，这种舵机为纯数字舵机，控制电路采用MCU方式，在输入舵机信号为0.5ms~2.5ms时，对应旋转角度为-90°~ +90°。角度完全满足机器人主要关节的灵活角度，同时又有很高的精度

3.摄像头：

采用“OV6620 单片CMOS CIF 彩色数字摄像头”做灰度图像处理。采用模拟的优势比较地明显：便宜，程序有现成的。缺点：消耗MCU资源，功耗大，取点个数少，需要做12V的供电模块（最近有队伍说把摄像头上的5V稳压芯片取下来飞飞线就可以直接用5V 供电），外围处理电路多，还要1881。

数字的优点就是避免了模拟的缺点。行场同步中断信号有现成的，而且消隐区也十分有规律。可以用示波器对比一下模拟的和数字的，数字的信号非常漂亮，非常稳定。这对于图像采集来说是十分有利的。

4.传感器：

MMA845XMMA8452Q 是一款具有 12 位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式微机械加速度传感器。这款加速度传感器具有丰富嵌入式功能，带有灵活的用户可编程选项，可以配置多达两个中断引脚。嵌入式中断功能可以节省整体功耗，解除主处理器不断轮询数据的负担。MMA8452Q 具有±2g/±4g/±8g 的用户可选量程，可以实时输出高通滤波数据和非滤波数据。该器件可被配置成利用任意组合可配置嵌入式的功能生成惯性唤醒中断信号，这就使MMA8452Q 在监控事件同时，在静止状态保持低功耗模式。

ENC-03是一种应用科氏力原理的角速度传感器，它输出一个和角速度成正比的模拟电压信号。优点1. 特别小的体积和重量2.相应速度快3.驱动电压和功耗都比较低。

各模块间关系如图:

系统软件设计

详细介绍算法设计与算法流程图（不得大量复制源代码）

算法主流程图：

图像处理模块流程图：

传感器模块：

4.系统创新

1.全身采用碳纤维板制成，比同等使用合金部件的机器人更加轻便与坚固。

5.评测与结论

1.步态稳定性：步态稳定。

2.摄像头模块由于时间紧迫没有时间进行完成。

附录

主控板

传感器模块：

机器人关节CAD图：

整机：