基于AI技術的機器人設計

劉衛妍，龐金生，王文，張龍

基于AI技術的機器人設計

劉衛妍，龐金生，王文，張龍

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

針對減輕服務類行業繁重的勞動力和提高服務效率等問題，設計及實現了一種可以人機交互的基于AI技術的機器人。系統采用ZMP步態算法和三次多項式運動軌跡規劃等方法，通過STM32F7最小核心板、語音交互模塊和舵機驅動模塊等來控制機器人的行進動作。通過MATLAB中的Simulink可視化仿真工具實現3D仿真模型同機器人之間的協同動作。經過最終的實驗檢測后，系統可以通過語音模塊和上位機界面實現人機交互功能。

人機交互；人形機器人；3D仿真實驗平臺；MATLAB

1 系統的整體結構設計

機器人系統主要包括硬件搭建部分、機器人行進控制算法部分和人機交互部分。通過UG（Unigraphics NX）建模軟件完成機器人的零件外殼設計并通過3D打印機打印成型。通過D-H建模法對機器人運動學進行求解后，采用三次多項式軌跡規劃法和ZMP步態算法來實現機器人的運動軌跡規劃及步態行走。上位機界面通過MATLAB GUI進行設計，利用Simulink模型實現實體機器人與Simulink機器人模型的線上動態3D仿真。

機器人模型協同仿真如圖1所示。

圖1 機器人模型協同仿真

2 系統硬件設計

人形機器人的系統控制板主要包括STM32F7最小核心板、語音交互模塊、姿態采集模塊、舵機驅動電路等，以此來實現對機器人的控制。系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

2.1 微處理器最小系統

將STM32F7最小系統核心板與系統控制板相連接實現對整個系統的控制，其微處理器的主頻高達216 MHz，可以高速完成系統的運算處理。通過將電路原理圖導入至PCB圖后，根據機器人內部空間進行布局和規劃，使設計完成后的電路板剛好可以嵌入機器人體內。

2.2 語音交互

語音交互模塊主要由LD3320芯片組成，該芯片內部有高精度的模擬量和數字量轉換接口，通過與單片機控制系統相結合實現對聲音的采集和識別。

機器人根據識別到的信息做出相應的回應和執行相應的操作工作，實現語言交互功能。

2.3 舵機驅動

采用串行總線通訊的SCS15舵機作為機器人的動力機構，在位置伺服控制模式下的舵機轉動范圍為0°～200°。通過微處理器來控制舵機的角度，對每個舵機設定不同的節點ID地址，設定完成后將所有的舵機連接起來，利用ID廣播來實現對各個舵機的控制。

3 系統軟件設計

3.1 機器人3D仿真設計

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，Simulink中的機器人器件模型在UG軟件中的3D設計模型，利用Solidworks與Simulink的接口實現模型的導入。通過輸入關節角度來控制關節轉動，機器人模型根據接收到MATLAB運算后的軌跡數據和實際機器人在線調試時傳回的關節數據實現機器人的實時在線3D仿真。

3.2 基于MATLAB的上位機界面設計

通過MATLAB中的guide工具可以對Simulink仿真模型進行交互，并且可以將在MATLAB所編寫的函數進行調用。機器人的上位機界面如圖3所示，在上位機界面對串口和波特率進行配置完成后，點擊“打開串口”即可實現機器人與上位機之間的通訊，通過上位機界面控制起立、下蹲、前進和后退等動作，還可以直接對機器人各個關節的角度進行控制。

圖3 上位機界面圖

4 結束語

本次設計通過MATLAB、UG（Unigraphics NX）和STM32F7最小系統核心板等設計了一款基于AI技術的機器人。最終的實驗檢測結果表明，可以通過語言與AI機器人進行交流，可以控制機器人的前進和后退等動作。它可以幫助人類完成多種場合的服務類工作，通過制定不同的服務類型來滿足不同場合的需要，對促進人工智能的發展具有重要的意義。

［1］明廷堂，李辰.MATLAB零基礎入門教程（實例版）［M］.北京：化學工業出版社，2018．

［2］劉火良，楊森.STM32庫開發實戰指南［M］.北京：機械工業出版社，2017.

［3］唐策，趙現朝，齊臣坤.人形機器人建模與步態規劃［J］.機械制造與自動化，2012，41（4）：158-162.

［4］訾詩宇，李小斌，吳宏岐，等.一種人形機器人控制系統設計［J］.數字通信世界，2018（8）：38-69.

［5］王勇，王梨英.基于ARM的仿人形機器人的設計［J］.電子世界，2018（1）：108-109.

［6］張爽，鄔依林，葛偉亮，等.仿人服務機器人的平衡控制［J］.中山大學學報（自然科學版），2016，55（5）：14-20.

［7］史耀強，厲明勇，頓向明.雙足機器人基于ADAMS與Matlab的聯合仿真［J］.機械與電子，2008（1）：45-47.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.051

2095－6835（2019）20－0116－02

劉衛妍（1997—），女，本科在讀，研究方向為自動化（電氣技術教育方向）。

〔編輯：嚴麗琴〕