仿人避障機器人設計

王黎明　李宗林　羅文　陳保平　張佳佳　趙凱悅

摘? 要：在科學探索以及救災搶險中，經常會遇到一些危險或者人類無法輕易到達的地方。因此我們設計和開發了仿人競速避障機器人來更好地為社會服務。^“我們設計的是一種基于單片機控制的自動尋跡避障機器人，該機器人以單片機為控制核心，利用傳感器對前方障礙物信息及路面信息進行采集，并將檢測信號反饋給單片機。單片機對采集到的信號予以分析判斷，及時控制機器人的轉向，實現機器人自動尋跡避障的目的”。

關鍵詞：智能化;仿人;尋跡避障;服務;創新

一、系統整體設計。機器人自動尋跡避障系統一般可劃分為信號檢測部分和控制部分，信號檢測部分包括軌道檢測、障礙物檢測以及速度檢測，控制部分包括驅動控制、制動控制和轉向控制。

1.1檢測結構的設計。我們的循跡避障機器人選擇通過紅外避障傳感器檢測以及光電傳感器識別相互協調配合，對前方是否存在障礙物進行檢測，對路線的檢測我們使用灰度傳感器，如果偏離路線則通過自身程序進行自動糾正。灰度傳感器是將紅外線發射器和接收器共同至于同一個裝置中，在裝置前方放置一塊反光板，利用光線反射原理完成光電控制作用的光電傳感器。灰度傳感器可以用來檢測地面明暗程度和顏色的變化，同時也可以探測前方是否存在物體。

1.2驅動結構的設計。我們的機器人是由11.1v鋰電池電池供電，帶動11個舵機轉動，分別帶動機器人的四肢及頭部的轉動，實現前進，轉彎，擺臂等動作。機器人的頭部和四肢分別裝用一個小型DP0037舵機由stm32開發板來控制機器人上身的動作。機器人的腿部裝有10個數字舵機，左右各五個，1，2兩個舵機控制機器人的轉向，3，4，5，6，9，10六個舵機控制機器人的提腿邁步以及重心移動。機器人的左右腳上分別裝有7，8兩個舵機，用來控制腳掌左右的1個自由度。

1.3電池和控制板的放置。考慮到機器人的穩定性，將機器人的重心盡量降低，故我們決定將電池和開發板放在機器人的軀干內，由于機器人的腳掌前部較大，所以我們將較重的電池放在機器人的腹部，較輕的開發板放在機器人的背部。

1.4整體結構的設計。我們機器人大致可以分為上半身和下半身，上半身必須有頭部，兩只手和軀干，控制板和電源則放在機器人的軀干里。下半身由雙腿和雙腳組成，由控制器控制舵機，使機器人直立行走，腳上的傳感器掃描，反饋信息至控制系統，及時調節機器人的前進方向，可以順利走完預定的路線。

二、機械結構設計。我們競速機器人，采用LD-2701數字舵機實現驅動，以仿照人的身體結構為主，并盡量還原人行走時主要的活動關節，以模仿人活動的方式來實現機器人的行走和跨越障礙的基本動作。

三、硬件設計。該機器人采用11.1V電池供電，分成三路電源，一路通過LM2596壓降模塊降壓至7.4V供給舵機，其他兩路通過L7805穩壓電源輸出穩定的5V電壓值，分別供電給單片機、傳感器，和航模小舵機，把電源分開是為了防止舵機產生的雜波干擾單片機控制的信號。

軌跡尋找識別采用尋跡避障傳感器模塊（TELESKY型）。其利用紅外光探測，可測量的距離更遠，抗干擾能力更強，采用CTRT5000，高靈敏度，性能穩定，普通照明燈基本對其無影響，它比一般的傳感器靈敏度高，體積較小，能夠有效地節省空間。

舵機選用為 LD2701數字舵機，該舵機內部采用金屬齒輪，扭力大，響應速度快，噪聲低，虛位和死區都很小，控制精度比一般的模擬舵機更高，反應速度更快，線性度更好，其可以通過發送一次信號保持舵機的角度不變，性能穩定。

光電傳感器模塊采用E18-D80NK，該漫反射式紅外光電開關感應的距離遠，檢測距離可根據要求進行調節，方便可靠，響應時間快，靈敏度比一般的避障傳感器模塊高，可檢測透明或不透明物體，受可見光干擾小。

四、系統開發與調試。該機器人以單片機為控制核心，利用傳感器對前方障礙物信息及路面信息進行采集，并將障礙物檢測信號和路面檢測信號反饋給單片機。單片機對采集到的信號予以分析判斷，及時控制驅動舵機以調整機器人的轉向，從而使機器人能夠跨越障礙物并沿著預定軌道自動行走，實現機器人自動尋跡避障的目的。

利用STM32單片機來控制避障機器人，利用紅外尋跡傳感器來確定和規劃機器人行走路線，通過主控制板輸出的PWM信號控制機器人各個部位的舵機以達到平穩行走，通過光電傳感器給機器人提供周圍環境的參數指標。例如障礙物的尺寸、形狀和位置等。我們使用的是激光測距和紅外避障協同作用減少作業環境引起的數據處理誤差，更加實時精準的做出相應的避障動作。

五、結論。機器人避障技術作為一項機器人技術的重要分支，雖然已有了多年的研究歷程，仍然是一個潛力很大的未知領域。如果要將這項技術廣泛應用于各個制造業與服務業，那么需要各路學者進行理論以上的深層次研究。此外安置各個傳感器并使用多樣算法的避障機器人才是未來的開發方向，而這個開發方向艱難重重。總之，機器人自動避障在某種程度上可以看作是機器人規劃路線功能的一種特例，它對產品的實時性和成功率的要求更高。不過，一旦解決了這一大難題，將無疑給人類帶來巨大的便利，為未來創造無限可能。

參考文獻

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