基于stm32的人形机器人制作

摘要：
变形机器人是机器人领域中新兴起的一个研究方向，同时也是当前机器人学研究领域的一个热点和难点。

本课题参照人体骨骼结构并综合考虑运动中模块间的碰撞、结构变化步数以及车型状态等因素，为机器人设计精确构型。

基于机器人结构设计，详细探讨本项目变形机器人人车变形过程，具体展示不同构型的特点及相互之间的转换和衔接，打破变形机器人研究局限，推进本领域关键技术的突破。

本文我们主要对机电一体化产品-变形金刚机器人进行了系统设计，该变形机器人旨在满足四五岁儿童对于变形金刚机器人玩具的需求，可在战车和机器人之间变换，并且各变形处的机构变换设计巧妙，变换的多变性、趣味性和实用性都非常高，在战车和变形后机器人的外观上极为逼真、酷炫，对儿童极具吸引力。

我们首先对市场前景进行了调查和分析，之后查阅相关资料并进行分析，随后进行机器人方案设计及具体的机械结构设计，并绘制机器人总装图和关键零部件图，然后进行传感与控制方案设计，包括硬件与软件设计，试验测试，最后编制课程设计说明书。

本文对于硬件电路的连接和软件控制方面进行了详细的阐明，完成变形金刚机器人变形、行走的功能，并实现无线通讯功能。

目录
第一章方案设计 (6)
1 机械结构方案设计 (6)
2 驱动方案选择 (7)
2.1 电机的选择 (7)
3 传感器的选择 (7)
4 结构的合理性和参数的合理性 (8)
第二章动作的总体规划详细方案 (9)
1 人形态下的行走设计 (9)
2 车形态下的运动设计 (9)
3 人车转换的变形设计 (9)
第三章软件系统设计 (10)
1 软件系统总体方案 (10)
2 控制方案与流程 (11)
第四章程序 (12)
第五章项目心得 (14)
第一章方案设计
1机械结构方案设计
本次任务主要对我们的机电一体化产品-变形金刚机器人进行了系统设计，实现自动变形。

外部机械结构包括作为战车整体外观的躯壳和车顶，用于连接躯壳以及车顶的支架，与支架连接组成战车车头的两个车头灯以及引擎盖，与支架上端连接的头部，与支架中部连接的两条手臂以及与支架下端连接的两条腿，安装于二条手臂上的前轮以及安装于二条腿上的后轮。

变形机器人的设计不同于一般人形机器人的设计。

为了实现人形状态的完备功能，机器人的构型需要依照人类运动关节的构造而设计。

本项目变形机器人采用了15个舵机实现其完整的功能。

首先是变形机器人人形基本结构的设计（如图2-1）。

腿部由6个舵机来实现人形的基本功能，保证变形机器人处于人形状态下能够自由行走，并且能够实现直走、转弯、劈叉等多个功能。

手部应用了4个舵机，能够实现手部的前举、上举等功能。

另外是胸部的设计。

当变形金刚在车形态向人形态的转换过程中，用胸部支架处两个舵机将车前身的两个轮子移动至胸前部，作为人形态的胸部的一部分，再用另外两个舵机的转动通过曲柄来带动胸部滑块的移动，完成胸部的合拢，同时挡板转动覆盖住舵机。

为保证车型机器人（如图2-2、图2-3）的实现，在机器人膝关节处加装了一对直流电机并配有防滑轮作为主动轮，而在机器人的肩部加装了一对防滑轮作为从动轮，由主动轮带动从动轮实现机器人的自由前进。

同时，在变形构型设计上既要考虑在变形过程中模块间的碰撞、一次结构改变的步数以及确保模块集合可以到达必要的位置，又要精确设计车型四轮的安装位置，以及其他构型对其变形过程所造成的影响。

图2-1 机器人人形结构设计图
图2-2 机器人车型结构正面图图2-3 机器人车型结构背面图
2驱动方案选择
2.1电机的选择
机体设计的电机有两种，一种是各个关节的驱动电机，另一种是车轮的驱动电机。

对于关节的驱动电机，要求能够转动指定的角度，且能提供一定的力矩。

车轮的驱动电机要求能够连续转动，且能够减速和加速。

根据要求并考虑到成本，关节的驱动电机选择了舵机，车轮的驱动电机选择了直流电机。

电机参数
电机种类型号参数
舵机MG995 转矩13kg/cm 重量55g
直流电机J GA25-370 20rad/s 重量80g
3传感器的选择
因为涉及到人形模式下的运动，为了增加控制精度，考虑增加陀螺仪以作为辅助考虑到精度要求和成本，选择陀螺仪的型号如下
传感器参数
型号电压体积姿态测量稳定度
4结构的合理性和参数的合理性
变形机器人所有模块的运动都基于一套几何学的原理，同时，在变形构型设计上既要考虑在变形过程中模块间的碰撞、一次结构改变的步数以及确保模块集合可以到达必要的位置，又要精确设计车型四轮的安装位置，以及其他构型对其变形过程所造成的影响。

比如在设计初期，我们就遇到了这样的问题，由于两个脚板在变形过程中会发生碰撞和干涉，修改模型和零件耗费了不少时间，因此一定要注意结构的合理性及参数的合理性。

第二章动作的总体规划详细方案
1人形态下的行走设计
根据变形金刚机器人要实现直线行走、转弯的步态控制功能，最终决定髋关节配置1个自由度，即俯仰（pitch）自由度，膝关节配置 1 个俯仰自由度，踝关节配置有1个自由度，即偏转（yaw）的自由度。

每条腿各配置3个自由度，两条腿共6个自由度。

步态行走时，通过腿部姿态的调整，核心思想是“先移重心后迈脚”，完成直线行走和转弯行走。

髋关节和膝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在径向平面内的直线行走功能；踝关节的偏转自由度协调动作可实现在侧向平面内的重心转移功能；上述关节的自由度共同协调可实现机器人的静态转弯功能。

具体动作过程即，首先脚板偏转调整重心，随后通过髋关节和膝关节的转动，完成迈腿，按此思想进行调试。

腿部结构三维图如下所示。

图3-1 腿部结构三维模型
2车形态下的运动设计
为保证车型机器人的实现，在机器人膝关节处加装了一对直流电机并配有防滑轮作为主动轮，而在机器人的肩部加装了一对防滑轮作为从动轮，由主动轮带动从动轮实现机器人的自由前进。

3人车转换的变形设计
本项目机器人变形过程中，脚踝上直流电机与舵机、膝盖舵机、腰部舵机照指令旋转，促使变形机器人身体部位前倾，根据惯性，机器人身体部位向前转动落于腿部、腰部部位接触地面、腿部呈现折叠状态。

这时，变形机器人腿关节处装有的车轮便与地面接触，使其变成车型机器人的车轮，从而实现人形到车型的状态。

接着，根据指令，轿车形态的机器人开始运动。

在实现轿车形态与双足形态的转换时，利用机器人的车门即手来做定点支撑，腿部
伸直，脚板贴地，利用舵机的力度，使机器人缓缓撑起，从而得到双足的状态。

如图2-1、图2-2所示。

第三章软件系统设计
1软件系统总体方案
选用“上位机+串口+下位机”的控制系统解决方案。

上位机控制软件的主要功能是对预定的机器人动作进行规划和位置插补，再按照一定时间和次序发送给下位机，实现机器人关节位置和速度控制；下位机主要功能是接收上位机发送的位置信号，根据信号要求产生PWM 波，控制机器人各个关节舵机运动，使机器人按动作规划完成动作。

相应的，下位机主要由串口通信部分、电源、时钟部分、CPU 及接口部分、复位信号五部分组成。

当下位机接收数据时，采用中断方式进行接收，以保证通信的实时性，而下位机发送数据时，则通过调用发送函数完成发送功能。

在接收数据时，须先接收第一个字节的数据，以确定该数据帧占用的字节数，确定数据长度后，将关闭串行通信中断，采用查询方式接收数据，直至接收完该数据帧为止。

下位机数据接收中断服务程序的流程如图5-1所示。

图5-1 下位机数据接收中断服务程序流程图
2控制方案与流程
在实现轿车形态与双足形态的转换时，利用机器人的车门即手来做定点支撑，腿部伸直，脚板贴地，利用舵机的力度，使机器人缓缓撑起，从而得到双足的状态。

步态行走时，通过腿部姿态的调整，核心思想是“先移重心后迈脚”，完成直线行走和转弯行走。

髋关节和膝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在径向平面内的直线行走功能；踝关节的偏转自由度协调动作可实现在侧向平面内的重心转移功能；上述关节的自由度共同协调可实现机器人的静态转弯功能。

首先，利用舵机控制板控制腿部姿态，脚板偏转调整重心，随后通过髋关节和膝关节的转动，完成迈腿和变形，按此思想进行调试。

记录下各个舵机的参数变化，利用单片机stm32软件编程，利用无线串口模块实现无线操控。

软件流程图如下图所示。

第四章程序
部分程序如下：
单片机超时处理
单片机每隔200ms发送一次数据
单片机延时50ms返回
第五章项目心得
本次机电产品设计主要研究了变形金刚机器人，基于机器人结构设计，重点研究变形机器人人车变形的过程，参照人体骨骼结构并综合考虑运动中模块间的碰撞、结构变化步数以及车型状态等因素，为机器人设计精确构型，具体展示不同构型的特点及相互之间的转换和衔接，打破变形机器人的研究局限，推进本领域关键技术的突破，实现技术上的创新。

我们首先进行了可行性分析，方案的比较和设计，硬件和软件部分的设计，同时还进行了三维图的绘制，我们组还制作了动画的仿真，总的来说这次课程设计的任务量是比较大的。

在课设过程中大家相互讨论，方案的选择和设计的思路也最终越来越清晰。

这次课程设计对我们来说是一次挑战，之前很少参加类似的竞赛或项目，大家挤出时间，有质量的完成了课程设计，这对我们来说也是一次很好的历练。

但由于技术水平有限，本次设计仍存在一些控制上的不足，有待完善，需要进一步深入研究改进。

最后，由衷的感谢学校为我们提供的这次非常有意义的锻炼动手能力的机会，也非常感谢老师和学长们的耐心指导，我们会努力做到最好！
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。