基于RC伺服馬達控制系統的步行機器人開發及應用

謝邦晉

（閩江師范高等?？茖W校機電工程系，福建 福州 350018）

由于機器人的應用逐漸廣泛，除了工業機器人，越來越多種類的機器人開始進入人類的社會，一般機器人移動的方式分為輪型、足型，使用輪型移動機器人優點是移動速度快與穩定性高，但是適應地形與跨越障礙上，還是以足型機器人較占優勢，開發像人類一樣以雙足移動的機器人，是讓機器人更加擬人化的條件之一。

為了使機器人能夠步行移動，機器人在機構上，需要有靈活的足部機構，而當機器人在步行時，由于同一時間內只有一只腳接觸地面，為了讓機器人能夠平衡，機器人的重心分配非常重要，控制機器人步態，需要控制與機構的研究，才能使機器人的步行移動更接近人類。

1970年代開始日本研究者開發出許多具有步行功能的機器人，至今幾十年來對于機器人的步行控制，世界上許多專家學者已提出相當多的論文與研究報告。機器人步行控制的研究中，在1968年由南斯拉夫學者M.Vukobratovic提出了零力矩點（ZMP）這個理念，經由零力矩點（ZMP）的計算，只要機器人的零力矩點在安全范圍以內，機器人即可保持平衡，80年代日本早稻田大學的加藤一郎實驗室便依據此理論制作了WL系列機器人，還有Honda制作的Asimo也同樣是利用零力矩點來達到機器人穩定的步行，零力矩點提出至今已50年，仍是機器人步行控制的主要方法之一。

另外有部分研究者提出以演算法來計算機器人步態，如模糊控制、類精神網絡、基因演算法等方法，上述各種控制方法都是希望能夠穩定機器人的步態，但是透過演算法控制的方法，在處理器的計算上需要發費一些時間，所以機器人移動的速度還是偏慢。

文章將以使用STM32晶片來制作伺服馬達控制板，透過控制板來控制雙足機器人的動作，雙足機器人由RC伺服馬達與結合模塊組成。

1 硬件架構

本論文設計中的硬件架構分成三部分，由RC伺服馬達控制板、機器人結構、電源供應組成如圖一所示。RC伺服馬達控制板由主控核心（MCU），伺服馬達控制電路、降壓電路所組成，機器人結構由RC伺服馬達與結合模塊組成，電源供應部分來源為鋰電池并搭配穩壓器對機器人與控制板供電。

圖1 硬件構架圖

2 主控核心

主控核心意法半導體（STMicroelectronis）公司生產的STM32F103系列增強型微控制器，該系列微控制器的特點為內核使用了Cortex-M3核心，Cortex-M3是ARM公司開發的處理器，該處理器實現了低成本、縮減接觸腳數量，并同時具有低功耗、高執行速度、先進的中斷系統響應、支持多種通訊等功能。

RC伺服馬達控制芯片的選用，依據需要選擇中等容量的STM32F103Cx系列，完整型號為STM32F103C8T6，擁有64KFlash、4組計時器、37個IO腳與LQFP48封裝形式，芯片外觀與封裝腳位如圖2所示。

3 機器人機構的架構

機器人的硬件部分，由RC伺服馬達搭配結合模塊制作成高自由度的雙足機器人，機器人的靈活度取決于該機器人自由度的多少，自由度的意思為機構上可獨立運動的數目，為了讓機器人的步行更接近人類，所以設計了12個自由度的雙足機器人機構，機器人關節為RC伺服馬達，骨架部分則由結合模塊組成，雙足機器人機構如圖3所示。

圖2 芯片外觀與封裝腳位

圖3 雙足機器人機構

4 系統軟件的架構

雙足機器人的控制方式架構圖如圖4所示，RC伺服馬達控制板由三組計時器輸出PWM脈波訊號，由此PWM訊號控制RC伺服馬達的轉動，另外配合STM32F103C8T6的系統應答計時器產生計時中斷，由此計時中斷來達到RC伺服馬達的控制。RC馬達的控制是由產生一周期20 ms的PWM訊號來控制，由PWM訊號的脈波寬度來控制馬達角度，由增加脈波寬度的方式就可以控制RC伺服馬達的速度，以RC伺服馬達從0度（0.5ms）旋轉到180度（2.5ms）為例，假設每20ms周期的增加0.1ms的寬度。脈波寬度由0.5ms增加至2.5ms，每20ms增加0.1ms的寬度，RC伺服馬達轉動時間計算公式如：

每個周期增加的脈波寬度越大，RC伺服馬達的轉動速度就越快，除了調整脈波寬度的方式以外，還可以調整周期的方式來控制速度，但要注意RC伺服馬達的規格。

圖4 控制方式構架

5 程序開發流程

控制RC伺服馬達的PWM控制訊號，由微控制器內部的3組計時器提供，機器人的動作與速度由計時器產生的周期性中斷來做控制，中斷程序內將當前PWM訊號的寬度與機器人動作信息數據進行比較，若數據大于當前PWM訊號寬度值，執行PWM訊號寬度做加運算，反之做減運算，流程圖如圖5所示。

圖5 流程圖

當機器人要執行動作時，先執行初始化，將各軸的RC伺服馬達的角度都設定為置中（脈波寬度1.5ms），此時機器人呈現站立姿態，載入機器人執行動作的數據陣列。

Intdata=｛｛2500，2000，2200，2100，2400，1900，1900，1900，1900，2000，2300，2200｝，｛1500，1500，1500，1500，1500，1500，1500，1500，1500，1500，1500，1500｝｝;

陣列中為一個第一維度為2，第二維度為12的二維陣列，第一維度代表機器人的動作數，第二維度代表12個RC伺服馬達的脈波寬度，陣列中值的大小為500～2500，500代表0.5ms的脈波寬度；1500代表1.5ms的脈波寬度，2500代表2.5ms的脈波寬度，機器人在執行動作時，微控制器中斷程序會將各軸的脈波寬度與數據陣列庫的值做比較，當發現某個RC伺服馬達的值與數據陣列比較不相符時，則對該RC馬達的脈波寬度進行加減。由周期性的中斷程序，可同時對每個RC伺服馬達的脈波寬度做調整，當RC伺服馬達達到動作所需的角度后，會維持該角度并等待其他RC伺服馬達到達設定的角度，等全部RC伺服馬達都到達設定的角度時，便會開始執行動作數據陣列的下一列。

6 實驗結果

人在步行時，可視為一種周期性的反復運動模式，依據這種周期性的運動模式，可以規劃出步行的軌跡，人走路時，雙手會自然地擺動，而且跟兩腿走動的方向相反，這種互相協調的動作，是為了保持整個身體的平衡，但是雙足機器人卻沒有這種調節平衡的動作，所以在設計雙足機器人的動作時為了使 穩定，必須要考慮到機器人重心的分配，機器人的重心在抬腳移動的同時會跟著改變，如果機器人的重心沒有調節好，那么機器人必定會跌倒，因此重心的調整對機器人的動作非常重要。

因此本次研究在機器人的動作設計上，不采用運算的方式算出機器人穩定的步伐，而是使用控制伺服馬達角度的方式，來設計機器人的動作，這種機器人的行進動作屬于靜態平衡，所以機器人的步行狀態可分為單腳支撐與雙腳支撐，當機器人以單腳支撐時，為了保持機器人的平衡，重心必須落在支撐的腳掌內，在雙腳支撐時，機器人的重心要落在雙腳之間，只要注意重心的落點，就可以讓機器人在步行時保持平衡，圖6為雙足機器人各軸的伺服馬達編號。

機器人在動作前，為了使機器人站立，會先設定機器人的直立的動作，由伺服馬達控制板對各軸送出寬度為1.5ms脈波，由于機器人在組裝上會存在一些誤差，所以還需對各軸做校正，各軸誤差的角度如表1所示：

表1 機器人各軸誤差角度

圖6 伺服馬達編號對照

7 結語

RC伺服馬達控制板的主控核心是使用STM32微處理器，其功能為輸出12通道PWM信號，可控制多顆RC伺服馬達，為了使RC伺服馬達的控制更加的穩定與迅速，12組PWM信號由STM32芯片內部3組計時器產生，最高可擴展至16通道輸出，在PWM信號寬度的控制上，開啟預先裝載功能可同時控制多組PWM信號的脈波寬度，在電源供應部分使用一種穩壓器，供應RC伺服馬達所需要的高電流，并配合系統滴答計時器來做RC伺服馬達的速度控制。若能在伺服馬達控制器上增加傳感器如：陀螺儀、加速度計、姿態感應器等各種傳感器，通過這些傳感器使控制板在控制機器人的時候，能夠對各種狀況做出應對。