摘要：本文对足式机器人进行控制系统的研究，包括上位机的设计以及下位机的设计.本文以ARM模式进行对机器人的控制，包括各部分的硬件的电路设计，即：最小系统，电流输入，电源模块，通讯模块，电流检测模块，led显示模块等。实验数据表明，该设计可以很好的对机器人进行控制，并且可以监控每条腿各个时间段的状态，稳定性好。
关键词：足式机器人；控制；电路；设计
0引言
目前，国家对智能化和机器人技术越来越重视，使得机器人技术的研究逐渐趋于普遍化，其应用领域也得到了很大的拓展。研究目的也从最初单纯的科学研究到现在以提高生产水平和改善生活质量。因此，社会对机器人的需求越来越大。现阶段对机器人的控制大都停在工控机的阶段，不能满足日常需求，随着很多单片机的日益成熟，加快了机器人的发展，本文通过ARM控制，提出一种控制系统模式[1-4]。
1控制系统的总体设计
本文主要采用STM32作为主芯片，通过与上位机的通信，完成对足式机器人腿部电流的处理和采集。在整个系统中，各信号灯的开关、发送模式的选择，短路过热的信号处理，皆由ARM通过控制开关来进行控制。上位机PC通过无线传输模块将机器人动作指令发送给ARM，在由ARM进行转化分配，通过3个485接口发送至机器人的18个舵机。同时，ARM通过接收姿态传感器、温度传感器等传感器获取机器人的姿态、温度等数据，经由无线传输模块再发送至上位机。
2电路设计
本文电路设计包括电源模块，通讯模块，最小系统，电流检测模块等
（1）最小系统
STM32F407ZG基于CortexM4内核，增加了FPU单元和DSP指令,片内SRAM高达192kB,工作频率高达168MHz，可以获得210MIPS的处理能力，具有低功耗、稳定、速度快等优点。STM32F4拥有更多的外设，拥有3个12位的ADC模块，高达十九个复用通道，2个12位的DAC模块，拥有112个通用IO口[5-6]。
（2）通信模块
本文采用的通讯接口采用RS232、RS485.RS232是一种全双工模式，最高速率可达20kbps。可以在20m以内进行很好的数据收发；RS485是一种半双工模式，可以在几十米甚至几千米内收发数据。本文STM32通过RS232与上位机通讯，舵机与STM32之间的通讯通过RS485。
（3）电流检测模块设计
机器人在行走过程中，腿部的耗电量是最大的，实时监测腿部电流能判定其运行状态，如果电流过大也能采取相应措施切断该段电路的继续供电，减小元件损失，延长电路板寿命，增加控制系统的可靠性。本文采用LTC6101检测放大电路，LTC6101的工作电压为20V~60V，芯片内部集成了一个输出缓冲器和一个可改变自身配置增益的电阻器，采用SOT-23的封装使得其体积非常小巧。LTC6101最大能够承受70V的输入电压，并且失调电压低至300uA，输入电流仅为170nA，响应时间非常短，只需1us就能实现快速反应。
（4）电源模块
本系统驱动舵机的供电为10~14.8V(推荐12V)，待机电流为100mA，当选择12V供电时，舵机的最大扭矩电流是5.2A。电流测试模块采用12V供电，核心芯片STM32F407ZG和TMS320F28335需要5V以及3.3V供电，RS232模块、485模块、上拉信号、信号指示灯、I2C模块需要3.3V供电。
3软件设计
（1）上位机软件设计
本控制系统通过软件MATLAB发送指令，STM32获取指令后，将指令进行解读与分配，分别发送给不同舵机驱动机器人行驶。本设计由Matlab向下位机控制板发送运行或者读取指令，主程序通过创建打开串口，由定时器中断来控制舵机运行指令的生成，并由串口发送。若需读取舵机电流、足端受力、舵机位置、红外数据以及姿态数据，由Matlab发送读取指令时，当收到了下位机发来的数据，每收到14字节便触发回调函数，并将数据处理并实时显示。
（2）下位机软件设计
主函数设计
本文中下位机主要采用模块化设计，将不同的指令进行分配，设计流程为下位机STM32通过串口DMA接收上位机PC的指令数据，经过处理判断，如果是舵机行走指令，则通过3个485接口向舵机发送数据；如果是读取指令，将数据打包通过串口DMA发送至上位机PC。
4系统测试与结果
（1）测试结果
在水平地面上铺设4米长的皮垫，每1s让机器人行走一个周期，共行走30s，取其2-3个周期的电流，结果如图1。
图1 直行-转弯-直行运动采集电流数据
5结束语
实验结果显示机器人运行状态良好，在地面上能都平稳的行走前进，每条腿所受电流也是周期性的变化。机器人在三角步态的0.4s、1.3s和2.2s处电流信号瞬间增大，这是由于机器人足端接触地面瞬间所致，通过调整，使电流立刻减小。电流的起伏是由于在三角步态下，受腿的支撑影响。实验表明，本设计可以有效的监测机器人运动过程中电流，并且为下一步的计算做基础。
参考文献
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作者简介
姓名：王超 (1995.03--) 性别男，山西省长治市人，学历：硕士，专业：机械电子工程。
论文作者:王超,高媛
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/28
标签：机器人论文; 电流论文; 舵机论文; 模块论文; 指令论文; 数据论文; 上位论文; 《电力设备》2019年第12期论文;