技术领域
[0001] 本
发明属于
机器人技术领域，具体地说，涉及一种拟人
机器人控制系统。
背景技术
[0002] 拟人形机器人，简称拟人机器人，其“拟人”的本质在于此类高级机器人具有类人的
感知、决策、行为和交互能
力，即它不仅需要具有类人的形体和外观、类人的知觉和感官功能、类人的大脑思维与控制能力，更需要具备类人的行为特征，这一特征的基本体现为类人双足运动平衡与控制能力的实现。
[0003] 与其他工业和特种
移动机器人（轮式、
履带式、多足式等）相比，拟人机器人在移动过程中与地面的
接触为双足在相对狭小空间内的一系列可选择离散
支撑点，因而拟人步行机器人具有高度的适应性与灵活性，它既能在平地上行走，也能在凹凸不平、狭窄空间、台阶和斜坡以及空间障碍等复杂非结构化环境中实现各种形式的运动和动作。
[0004] 拟人机器人是类人仿生运动与智能在形式与功能上同一的仿生机电自动化系统再创造。其发展过程中面临着许多难题：实现各种类人动作与功能的多样性；人类社会环境在空间、时间和对象上的高维性；自身机构实现在空间上的
自由度边拓扑结构特点；行走与动作控制的多输入多输出非线性、变参数、多驱动协调特性等。
[0005] 目前，拟人机器人的控制系统功能设计较为简单、功能模
块选型较为单一、系统功耗较高、扩展性不足、控制系统升级较为困难、开发成本较高，并没有体现出拟人机器人控制的灵活性和开放性，增加了拟人机器人研究和控制的复杂性。
发明内容
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出了一种结构布局合理，系统功耗低，集控制、传感、通信于一体的拟人机器人控制系统。
[0007] 本发明的技术方案是：一种拟人机器人控制系统，该控制系统为集散式控制系统，包括通过蓝牙模块实现数据无线通信的上位机和下位机、通过通信
电路连接的关节自由度
控制器，其中所述上位机主要由以SBC-FITPC2i为核心的单板电脑构成，所述下位机主要由以STM32F103RB芯片为核心的ARM7控制器构成；所述关节自由度控制器为数字
舵机。
[0008] 所述蓝牙模块与所述下位机的ARM控制器连接。
[0009] 所述上位机还包括USB
接口、串行COM口和数据
存储器。
[0010] 所述下位机还包括分别与所述ARM控制器连接的稳压电路、复位电路、
姿态传感器、LED报警灯、蜂鸣器、功能按键、无线通信控制电路、电源切换电路、USB转UART电路、
电压检测电路、JTAG和ISP下载电路、预留串口和其他标准接口。
[0011] 所述下位机还包括数字舵机电源控制电路，数字舵机通信电路和数字舵机储能电路。
[0012] 本发明的有益效果在于：本发明功能设计齐全，功能模块选型新颖实用，结构布局合理，系统功耗低，控制系统升级较容易，升级成本低，集控制、传感、通信于一体，可用于机器人系统的进一步移植和开发，减少再次开发的
费用。本控制系统不仅可以用于拟人机器人控制系统的研发，还可以作为多足机器人、仿生蛇形机器人、竞赛舞蹈机器人等多种机器人的控制平台进行开发和使用，具有很高的教学和竞赛价值。
附图说明
[0013] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0014] 图2是本发明中下位机
硬件的原理
框图；
具体实施方式
[0016] 以下结合附图和
实施例具体说明本发明。
[0017] 实施例1
[0018] 如图1和图3所示，本发明是一种基于SBC-FITPC2i的单板电脑与ARM控制器的拟人机器人控制系统，本系统由上位机和下位机组成，上位机由以SBC-FITPC2i为核心的单板电脑构成（由功能需求不同可自由选择安装连接），下位机由以STM32F103RBT为核心的ARM控制器构成，本系统中，ARM控制器为拟人
机器人关节控制器，上位机和下位机之间通过蓝牙模块实现数据的无线通信，并通过蓝牙来接收、发送信息，降低了通信的复杂性，同时也降低了成本；蓝牙模块与下位机接口处还设计了
开关电路，用户可根据需求开启
无线通信模块，这样降低了系统的功耗。下位机还连接有外部姿态传感器，并从姿态传感器实时获取机器人的姿态信息，如：三轴
角速度、三轴线
加速度、三维姿态角等，结合相应的控制
算法对机器人的姿态进行控制，更好的完成机器人运动控制指令。另外，本系统预留了其他GPIO口和标准总线接口，用户可根据需求自行配置其他类型传感器和功能模块进行机器人的研究和开发。
[0019] 如图1所示，本发明中，采用了一种新型数字舵机作为机器人关节自由度控制器，与传统拟人机器人采用
电机、减速器、光电
编码器联合作为机器人关节控制器相比，该数字舵机具有较大的
齿轮比，较高的
分辨率（0.29），强大的输出转矩，高速的通信速率，标准的半双工异步通信协议，同时舵机内置电位计，
温度传感器等一系列传感器，能够反馈舵机的
位置、温度、负载大小、输入电压等信息，下位机能够根据数字舵机实时反馈的状态信息更好地控制舵机完成机器人的运动控制。
[0020] 如图1所示，本发明中，数字舵机通信电路将UART
信号传输方式转换为半双工传输方式，利用多降法使得下位机能够在单一
节点连接控制多个数字舵机，从而实现机器人多自由度控制，具体实现如图1所示，该机器人控制系统通过数字舵机接口电路连接5组数字舵机，5组数字舵机分别代表拟人机器人的左肢（1组）、右肢（2组）、左臂（3组）、右臂（4组）、头颈（5组）的关节控制器，这5组数字舵机全部连接到同一条总线进行通信，通信协议为半双工异步通信（8位数据,1位停止,无校验）。数字舵机通信电路输出电平为TTL电平，TTL电平保证了数字舵机高速的通信速率。数字舵机通信电路附近设计了数字舵机通信防干扰电路，下位机收发的数据经过数字舵机通信防干扰电路的保护，大大提高了通信的准确性。另外，在舵机接口电路附近设计了舵机供电储能电路。由于拟人机器人关节自由度较多，在对拟人机器人进行快速复杂运动控制时，可能由于拟人机器人驱动负载过大，导致数字舵机两端压降较大，使得数字舵机工作性能不稳定，通过设计舵机储能电路，利用大容量
电解电容的放电特性，弥补数字舵机两端的压降，使得舵机工作状态趋于稳定，保证控制系统对数字舵机的控制
精度。
[0021] 如图2所示，下位机以STM32F103RBT为核心并集成了拟人机器人控制系统所必须的丰富的外围资源，包括：电压检测电路，USB转UART电路，无线通信电路，JTAG和ISP下载电路，舵机电源控制电路、报警电路，稳压电路，电源切换电路，复位电路等。下位机通过舵机通信控制电路和舵机接口电路与数字舵机相连，下位机ARM控制器将接收到的舵机控制命令和控制参数，按照舵机通讯协议的格式转换为相应的指令包由舵机通信控制电路传输到数字舵机，用于数字舵机的控制；舵机接收到指令包后会自动返回一个包含舵机错误信息的状态包，用于反馈舵机的实时状态。此外，下位机可随时发送指令查询数字舵机当前状态信息，如：位置、速度、温度、负载、输入电压等，提高了下位机对数字舵机控制的准确性和可靠性。上位机发出的机器人控制命令，经蓝牙模块的无线传输，由下位机上的蓝牙从机模块接收，通过UART2（串口2）传输至MCU（从控制器），MCU获取机器人控制命令后，结合相应的控制算法以及传感器的姿态信息对控制命令进行相应解析和处理后，由UART1（串口1）传输至舵机通信电路，经过舵机通信电路的电平转换，再传输到数字舵机通信总线，数字舵机接收到控制命令后执行相应的机器人动作。另外，上位机可以随时发送查看机器人当前运动状态，具体操作与上述过程类似。
[0022] 本发明在无线通信中采用蓝牙技术，蓝牙技术较其他无线通信方式具有功耗低，成本低，通讯可靠的特点，蓝牙模块可与带有蓝牙适配器的上位机进行
配对通信。
[0023] 本发明在程序下载方面提供两种下载方式，JTAG和ISP下载，方便用户根据资源和需求选择下载方式。
[0024] 本发明在设计上还预留了串行接口及其他标准总线接口，用户可根据需求和现有资源进行自行开发。
[0025] 虽然本发明是一种应用于拟人机器人的控制系统，但该控制系统不仅适用于拟人机器人，还可应用于多足机器人、仿生蛇形机器人、竞赛舞蹈机器人等多种机器人控制系统，二次开发容易，成本低，可移植性好。
[0026] 实施例2
[0027] 除以下区别外，其他同实施例1。
[0028] 如图2所示，本发明还设计了一个传感器接口电路，可与串口收发模式的姿态传感器进行硬件连接，下位机可以实时获取来自姿态传感器的数据信息，如：三轴角速度、三轴线加速度、三维姿态角等，根据获取的数据信息对机器人姿态进行分析，结合相应的控制算法对机器人的姿态进行控制，更好的完成机器人运动控制指令。
[0029] 实施例3
[0030] 除以下区别外，其他同实施例1。
[0031] 如图2所示，本发明还设计了一个电源切换电路。由于拟人机器人关节自由度较多，驱动负载较大，进行调试和开发时，如果仅用锂
电池供电，锂电池的电量很快就耗尽，这就需要反复拆装锂电池进行充电，不利于机器人的调试和开发。通过电源切换电路，机器人控制系统可以实现锂电池和适配器切换供电，当只接入锂电池时，由锂电池对机器人供电，拟人机器人完成一系列完整动作；当只接入适配器时，由适配器对机器人供电，拟人机器人完成一系列上位机调试及
数据处理的工作；当同时接入适配器和锂电池时，电源切换电路可自动选择适配器为控制系统供电，同时适配器可以给锂电池充电，这样用户可以根据需求选择供电方式，大大提高了控制系统的可操作性。
[0032] 实施例4
[0033] 除以下区别外，其他同实施例1。
[0034] 如图2所示，本发明还设计了电压检测电路对
电源电压进行实时监控，当检测到电源电量不足时，会触发报警信号，提醒操作者更换电源或对电源进行充电，保证机器人正常工作以免损坏。
[0035] 实施例5
[0036] 除以下区别外，其他同实施例1。
[0037] 如图2所示，本发明还设计了数字舵机电源控制电路和多种报警电路，当下位机检测到数字舵机反馈的输入电压超过设定的限制值时，由
软件控制数字舵机电源控制电路切断数字舵机的供电从而保护机器人。多种报警电路包括蜂鸣器报警、LED报警、复位电路，下位机可根据机器人出现不同程度的错误做出相应的报警处理。
[0038] 实施例6
[0039] 除以下区别外，其他同实施例1。
[0040] 如图2所示，本发明还设计了USB转UART电路，为上位机提供了一个串口，可以实现下位机与上位机之间的通信。
