小型仿人机器人系统设计的方法

小型仿人机器人系统设计的方法

摘要：小型仿人机器人是近几年的研究热点，一个小小的仿人机器人中涉及了

多种学科领域例如电子工程、仿生学、信息工程、机械工程等，目前研制出与人

类相似度较高、功能相对完善的机器人一直是科学家的目标。本文主要探究仿人

机器人的设计原理以及设计方法，对一些程序进行详细分析，为以后的科技制造

提供参考意见。

关键词：小型；仿人机器人；系统设计；方法

小型仿人机器人凭借着与人类相似的外表、行为等一些外在特征以及经济化、人性化的

功能，更容易激起科技界的研究欲望，这种情况下，很容易推动我国科学技术与信息技术的

发展。

1.分析小型仿人机器人的设计理念

1.1分析仿人机器人的智能系统

从宏观方面来看，小型仿人机器人的智能系统必须拥有较高的运行速度，因为机器人在

启动的时候，视频采集系统、命令发送系统、显示系统、发音系统以及信息处理系统都得同

时运行，因此，对CPU内核的速率要求较高；小型仿人机器人做出的所有行为都是以采集的

视频信息为基础的，所以智能系统的研究重点是视频处理系统，综上所述，仿人机器人的智

能系统所具备的程序功能比较完善，需要的内存空间也比较大，因此，保障智能系统的运行

速度，能更好的推广仿人机器人的使用。

从微观方面来看，小型仿人机器人的智能系统必须具备音频、通信、摄像头、A/D、多路IO以及显示屏等设备[1]。

1.2分析智能系统的硬件设备

上文中分析了智能系统宏观方面的需求，对于控制器，常见的DSP以及单片机等系统是

不能满足其需求的，因此，可以在CPU处理器的基础上添加外围功能电路，这样既解决了运

行空间不足、运行速度较慢的缺陷，又实现了低成本的目的。

1.3分析组织层的硬件设备

本次研制的小型仿人机器人，其关节被设置成了19个自由节，在之后的使用过程中肯定会提高其关节自由度，进而更好的实现手臂功能、行走功能、俯身功能等一系列仿人运动。

综上所述，一个仿人机器人的关节自由度至少为19个。

此外，组织层还得确保小型仿人机器人运动过程中的稳定性，当组织层接收到运动信号时，

必须将信号输送给每一个关节，共同展开运动。

1.4A/D转换电路

在当前的设计过程中，由于CMOS数模转换器的高效性，可以将模拟信号同步输进八个

通道中，同时还能将信号转换成二进制模式。在这种情况下，很好的保障了小型仿人机器人

的运行效率。

2.分析控制系统的硬件

执行层硬件，其主要功能是发布信息、采集信息、控制小型仿人机器人运动、转换电源等，这也是控制系统的外围电路。发布信息时，控制系统会自动连接智能系统，借助发音器、显示器等一些机械设备，将信息输送给外界；采集信息时，智能系统中的摄像头、传感器、

电位计均是获取信息的来源；控制小型仿人机器人运动时，当每一个关节得到运动指令后，

会有控制系统协调完成，确保机器人活动过程中的稳定性；转换电源时，控制系统会将电源

输送给每一个部件，保障智能系统、组织层均能正常运行。

3.小型仿人机器人中控制系统的设计原理及组成

3.1控制系统中的软件功能框图

此次研制小型仿人机器人时，研究人员的设计理念为模块化程序设c1-思想，通过程序的

编写、翻译、检验，机器人便可开始使用。控制系统中的软件功能框图为下图1，其主要包

括摄像头、视频处理器、通信设备、语音输出设备、A/D采样设备、主程序控制器等。

图1:软件功能系统框图

3.2设计USB转串口通信设备

为了保障硬件系统中的通信流畅，选择了将USB转串口通信设备与控制板相连接，并且

在实际研制过程中，会将控制器的接口直接与主板的USB转串口通信设备连接。Linux系统里，/dev/ttyUSBI等一些类似的端口均为USB转串口通信设备的节点，这些设备的性质都为

字符。

3.3设计多媒体程序

（1）语音设计。小型仿人机器人对发音的要求较高，一般使用的播放器很难满足其声音

要求。通过不断的试验研究，发现Madplay是目前最好用的声音播放器，因其体积较小、控

制力强以及音质较好，很适合运用在小型仿人机器人中，但是在使用时，必须要将此播放器

移植在Linux内核中。

（2）视频设计。目前研制的小型仿人机器人使用的视频设备大多为CMOS摄像头。这种

摄像头最大的优点是采集信息的过程十分简便[2]。

3.4设计3A/D程序

（l）ADC设备驱动程序的编写。ADC设备驱动程序的编写通常需要使用ADCDAT寄存器、ADCTSC寄存器、ADCCON寄存器。ADCDAT寄存器相较于其他两种，功能比较简单、程序相

对复杂，通常会用它完成数值的转换与存储；ADCTSC寄存器设计的是触摸屏，编写普通的

DC设备驱动程序时，会将数据调整为默认值；ADCCON寄存器是较复杂的一种，设置内容较多、功能较复杂。

（2）在内核中配入ADC设备。在Linux系统中，ADC设备既可以是字符型又可以是杂型。此次研制小型仿人机器人时，将ADC设备设成了字符型，因此要在linux2.6.28内核中配入ADC设备，之后将相关文件重新配置，借助软件完成内核的编译，配置内核时选择 AD。

（3）A/D应用程序的编写。底层的驱动配置完成以后，就可以开始A/D应用程序的编写。最初选择ioctl（）函数在初始化过程中完成精确度的设置、通道的选择等，其次使用sizeof （）函数判断读取内容的准确率是否达到标准，若是准确率较低，可通过continue（）函数

重新开始读取，确保一切无误后，便可计算出平均值。

3.5设计开发板舵机命令调试程序

设计开发板舵机命令调试程序的主要目的就是为了控制调试舵机步态转动时的各项参数。使用小型仿人机器人时，可以在该程序的端口输入指令，这样就能监测机器人是否按照指令

在行走；除此之外，使用一种机器时，机械故障是不能避免的问题，因此可以利用开发板舵

机命令调试程序找到出现故障的原因。

3.6设计PID控制程序

PID控制器中主要利用微分、比例、积分来调整小型仿人机器人在运动过程中的稳定性。PID控制程序自从研发以后，就一直是应用较广泛的控制器之一。PID控制程序有许多优势，

例如控制过程简单、控制效果显著、程序结构简洁、技术相对完善等，这些优势也是PID控

制程序一直无法被其他控制程序所取代的原因。

4结束语

小型仿人机器人凭借着与人类相似的外表、行为等一些外在特征以及经济化、人性化的

功能，更容易激起科技界的研究欲望，这种情况下，很容易推动我国科学技术与信息技术的

发展。当前国民对小型仿人机器人的关注度越来越高，我国科研界的研制任务任重道远，为

了更好的为大家呈现功能较完善、科技价值更高的小型仿人机器人，本文针对当前在研制过

程中发现的问题，做了一系列调查研究，提出了相关注意事项以及一些建议，希望能为之后

的研制起到参考作用。

参考文献：

[1]宋宝华.Linux设各驱动开发详解（第二版）[M].北京:人民邮电出版社，2010.

[2]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社，2010.