人形机器人是具备人类的外形特征和行动能力的智能机器人，可以采用双腿行走，通过手臂和身体的协调完成一些简单的动作，以及通过简单的语言和人类进行交流。与传统的机器人相比，人形机器人具有很大的优势，广泛应用于工业、农业、军事、医疗等领域。随着机构学、控制学、传感技术、人工智能技术的发展，人形机器人技术的发展越来越快,除了具备了人工智能外，还可以根据人类的声音、手势等从事相应动作，并具有基本的记忆和辨识能力。本文采用STM32芯片设计出了一款小型仿人机器人控制系统，应用于自主开发的小型仿人机器人，能够实现机器人的平稳行走，自主避障，开发周期短，成本低。

1 小型仿人机器人的结构简介

小型仿人机器人虚拟样机模型如图1所示。该小型仿人机器人具有10个自由度，每条腿具有3个自由度，每条胳膊具有2个自由度。该小型仿人机器人实物如图2所示，小型仿人机器人高25厘米，重350g，小型仿人机器人的10个舵机分布在机器人的各个关节，控制板安装在机器人的背后，电池装在机器人胸部之内，红外测距传感器安装在机器人的胸部前方，无线模块NRF24L01和姿态传感器随控制板安装在机器人的背后。

图1 小型仿人机器人虚拟样机

图2 小型仿人机器人实物结构  

为了给该小型仿人机器人提供足够的动力、有效的控制力矩和一定的续航能力，该小型仿人机器人各个部件选型如1表所示：

表1 小型仿人机器人部件一览表

器件名称	型号
结构材料	3mmABS板
舵机	MG90S
姿态传感器	MPU6050
控制板芯片	STM32F103 RET6
控制板电池 遥控器芯片	3.7V聚合物锂电池 STM32F103C8T6
遥控器电池	3.7V聚合物锂电池
无线模块	NRF24L01

2 小型仿人机器人控制系统设计

小型仿人机器人控制系统的硬件组成如图3所示，包括主控系统和遥控系统两大部分，它们通过遥控器通过NRF24L01发出的2.4GHZ无线信号进行通讯。

总体来说，小型仿人机器人控制系统的硬件部分主要有8个模块,包括主控芯片模块、电源模块、通讯模块、PWM多路输出模块、红外传感器模块、姿态传感器模块、SD卡模块、遥控器等，其硬件系统模块如图3所示。主控芯片模块是机器人的大脑，控制机器人的运动和处理各种数据；姿态传感器用来检测机器人的姿态，以便实现其姿态测量；SD卡模块是记录姿态数据，以便后续处理。

图3 小型仿人机器人控制系统硬件组成框图

2.1小型仿人机器人控制电路总体设计

控制系统硬件电路采用自顶向下的方式设计,总体设计图如4所示。

图4 STM32总体电路

2.2主控芯片外围电路设计

STM32作为整个控制系统的核心，具有十分重要的作用，为了保证系统稳定工作，必须设计好STM32外围电路，尽量减少或避免外界干扰[3]。主控芯片采用STM32F103RET6，封装为LQFP64，主频72MHz，具有ADC、DMA、SDIO等功能，其外围电路设计如图5。

图5主控芯片STM32外围电路

2.3供电电路设计

控制系统由放电倍率大的航模电池供电，输出3.7V电压，一路直接给舵机、红外测距传感器供电，另一路通过降压芯片AMS1117-3.3把电压降到3.3V给STM32芯片、MPU6050、NRF24L01供电。为了保障电池充电方便，本电路板采用TP4056芯片通过USB接口给电池充电，充电时7管脚输出低电平，红灯D2亮，6管脚输出高阻，绿灯D1灭；充满时7管脚输出高阻，红灯灭D2，7管脚输出低电平，绿灯D1亮。控制器的电源部分如图6所示。

图6供电电路

2.4姿态传感器电路设计

    MPU6050是INVENSENCE公司推出的一款传感器，具有低成本、低能耗和高性能的特点。该芯片首次集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计，拥有数字运动处理单元（DMP），可直接融合陀螺仪和加速度计数据。陀螺仪最大能检测±2000°/s，加速度计能最大检测±16g，最大能够承受10000g的外部冲击。MPU6050采用IIC协议与主控芯片STM32进行通讯，电路设计如下图7示。

图7 MPU6050电路

2.5无线模块NRF24L01电路设计

   本控制系统和遥控器之间采取NRF24L01模块进行通讯，NRF24L01是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括:频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置，电路图设计如图8。

图8 无线模块NRF24L01

2.6 SD卡模块电路设计

    为了便于准确分析实验数据，我们设计了机器人控制系统的存储单元，主控单元可以将采集的姿态信息、遥控信息直接存储在SD卡中。SD卡的电路设计如图9所示，采用SDIO的通讯协议，速度高达10M/S。

图9 SD卡模块电路

2.7 PCB电路设计

    完成原理图设计后，进行了双层PCB电路板的设计，实物控制器的PCB板如下图10所示。整体PCB控制板尺寸为50mm×70mm，利用四个铜柱将控制器竖直安装在小型仿人机器人的背部，PCB实物如图10。

图10 PCB板实物

2.8遥控器设计

本文设计的仿人机器人有两种运行模式，自动模式与手动模式。在自动模式下，机器人由编写的程序控制直接完成一连串预设的动作。而在手动模式下，可以通过遥控器实时控制机器人动作。因此为了实现远程操控机器人完成动作，同时设计了基于STM32F103C8T6芯片的遥控器手柄，原理图如图11。

图11 遥控器原理图

    该遥控器手柄通过NRF24L01无线模块与主控芯片进行通信，两个摇杆均可向前后左右下5个方向按动，可实现仿人机器人的前进、转弯、鞠躬和起立等动作。

3 小型仿人机器人控制软件设计

3.1 整体设计流程

小型仿人机器人通电后，各个舵机进行初始化，让机器人保持站立。通过姿态传感器MPU6050读取机器人的姿态，若姿态偏移则进行校正，使之保持站立姿势，然后机器人通过接受指令工作，软件流程框图如图12。

     

图12 软件流程框图

3.2舵机控制的插补法

仿人机器人的控制算法主要包含两种，一种是速度控制算法，另一种是多个关节的联动控制算法[4-6]。本系统采用“插补法”速度控制算法控制机器人舵机运动。

舵机本身是不能进行速度控制的，我们必须要通过软件实现，想要实现速度控制，必须要给定舵机的初始位置和终点位置，然后给定从初始位置到终点位置的时间，把时间和角度分别细化，并一一对应。这样就可以从宏观上对舵机实现速度控制。时间细分的越密集，舵机的转动也越流畅，但是受舵机自身条件的限制，不可能无限的细分下去[7]。插补法过程如下。

采用定时器中断来实现时间的细化，一个周期为 T 的时间里，定时器中断 N 次，这样时间的细化单位如式(1)所示。

“差补法”的软件设计如图13所示。

图13 差补法速度调节流程图

4 小型仿人机器人试验

完成小型仿人机器人的编程后，对机器人进行了蹲下起立、摆臂、鞠躬、摆腿、步行前进、倒地后起立、避障等试验，结果如下。

4.1 蹲下起立

    通过踝关节和膝关节舵机的协调，再配合上肩部动作，机器人做出了上下起伏的蹲下起立动作。

图14 蹲下起立图

4.2 摆腿

    将机器人头朝下放倒后，分别做出前后摆腿和左右摆腿的动作。

图15 前后摆腿图（上）和左右摆腿图（下）

4.3步行前进

    通过髋关节与膝关节舵机的协调配合，机器人以小碎步的形式稳步前进，肩关节舵机的摆动则为机器人提供平衡作用。

图16 步行前进图

4.4倒地后起立

    机器人在倒立的初始状态下，通过肩关节、肘关节、髋关节和膝关节舵机的联动，实现自行起立。

图17 倒地后起立图

4.5 红外传感器智能避障

    机器人通过红外测距传感器检测到前方有障碍物时，通过腿部舵机的配合，自动向左转绕开障碍物。

图18 智能避障图

5 结论

本文基于STM32F103芯片设计了一款通用的小型仿人机器人控制系统，该系统能够控制10自由度（最多18自由度）的小型仿人机器人。经过试验，10自由度小型仿人机器人在该控制系统的控制下，能够实现稳定行走和自主避障，能够完成各种预期动作，并能通过姿态传感器MPU6050实现机器人的姿态测量。本文还重点研究了多路舵机的联合控制方法,实现了机器人各关节协调运动。本人研究的控制系统具有很强的通用性，为后续研究提供参考与借鉴。

很强的动手能力和理论基础棒棒

很赞啊

非常好的设计方案。

不错,谢谢分享!