小型仿人型跑步機器人設計與研究

摘 要：隨著人工智能和機器人技術的不斷發展，仿人型機器人在各個領域展現出廣闊的應用前景。跑步作為一種常見的運動方式，對人體健康具有重要意義。本論文旨在基于樹莓派4B設計和研究一種小型仿人型跑步機器人，通過模擬人體的運動方式和步態，實現高效的跑步功能。將從機械結構設計、傳感器系統、運動控制算法以及人機交互等方面展開研究，以期為小型仿人型跑步機器人的設計和開發提供理論和技術支持。

關鍵詞：跑步機器人;樹莓派4B；傳感器系統；運動控制算法

中圖分類號：TP393" " " 文獻標識碼： A

一、引言

移動機器人的研究始于上個世紀中期。隨著傳感器系統的嵌入式系統的廣泛應用，仿人機器人比賽的舉行，跑步機器人也成為了研究熱點。小型仿人型跑步機器人在設計時，應當遵循結構緊湊、運動靈活、穩定性好、易于控制的原則。對此，我們需要深入研究人體的生理結構和運動機理，并將其融入到機器人的設計中。

二、系統設計

小型跑步機器人的系統結構主要由樹莓派4B、加速度傳感器、舵機系統組成。對于跑步機器人而言，樹莓派4B提供中心整體控制，加速度傳感器與舵機系統輔助配合，共同完成小型仿人跑步機器人的設計與開發。機器人共有2條腿，每條腿有5個舵機，機器人總共有18個舵機，即機器人每條腿上有5個自由度，全身共8個自由度。機器人剩余部位按照實際需求進行安裝。

三、硬件設計

（一）控制器設計方案

控制器系統以樹莓派4B為核心處理器，搭配WIFI模塊，使計算機與跑步機器人處于同一局域網下，在此基礎上完成行走、奔跑、跨欄等相關動作。該控制器將負責接收指令、處理數據、驅動電機等任務，以實現機器人的運動控制。

樹莓派4B：作為主控制器，處理指令、數據計算和電機驅動等功能。

加速度傳感器：用于驅動機器人的舵機系統，接收來自控制器的信號，實現機器人的運動。

舵機系統：通過主控制器進行對應的動作，實現機器人的運動。主要流程如圖1所示。

（二）系統模塊設計方案

機器人需要在WIFI模塊的控制下，根據比賽環境的不同，進行相應的跑步動作。主要有行走，跑步，爬臺階，跨欄。通過樹莓派4B控制板進行WIFI模塊、加速度傳感器等相關硬件配置，接受PC端發送的指令信息，控制舵機系統的運行，完成仿人成機器人某個具體動作的實現。系統模塊設計圖如圖2所示。

（三）攝像頭識別

機器人采用的舵機為總線式舵機，此種舵機連接方式可以看作是所有的舵機是被一組線串聯起來的[1]。利用攝像頭識別進行工作的原理：當PC端發出運行指令后，樹莓派控制攝像頭識別當前所處環境，將所處的賽道信息返還到控制器，進行機器人的下一步運動。[2]

四、軟件設計

（一）軟件結構

本次項目的研究方向主要為通過現有的知識體系對樹莓派4B芯片進行改裝，按照機器人比賽相關規則對機器人算法程序編寫和優化，對機器人進行硬件和軟件的設計以便于更好的完成比賽。使用基于樹莓派4B芯片的單片機與傳感器、舵機系統組合設計的嵌入式系統的小型仿人跑步機器人，通過WIFI模塊在同一局域網中控制機器人執行指令任務，實現大賽要求相關動作。軟件系統框架圖如圖3所示。

（二）多舵機運動控制程序

機器人利用多個舵機間的組合運動，完成機器人的指令動作，在控制機器人實現相關比賽動作的同時，控制各個舵機移動到下一指定位置，實現機器人的動作連貫性。通過相應的代碼指令以及參數設置，使得機器人相關動作更好的完成。舵機運動控制圖如圖4所示，主要代碼示意圖如圖5所示。

（三）程序流程圖

嵌入式系統一般由嵌入式硬件系統和相對應的軟件系統結合而成，硬件系統可以接受軟件系統發出的執行指令，完成相應的操作和任務，如PC端發出前進的指令后，通過WIFI模塊調動相應的舵機，機器人的腿部舵機調節轉軸角度做出類人的前行動作。程序流程圖如圖6所示。

（四）機器安全防護

在機器人的運動過程中，通過軟件算法限制機器人的最大速度，防止因速度過快導致的意外傷害。同時在電機驅動過程中，對電機的負載進行監測，防止因過載導致的設備損壞和安全事故。使用傳感器判斷機器是否摔倒，對傳感器設置初始值作為依據，在機器人倒地后可以準確判斷并站立。

五、結語

本次項目從開始到最后的完成，主要有以下的幾個問題，第一是對硬件舵機系統原理的理解，當控制信號送達舵機時，控制電路會解析信號并確定所需的輸出位置，對18個舵機進行同步控制，鏈接WIFI模塊，設置舵機初始值，配置局域網環境等。第二是在軟件方面，利用vncviewer和PyCharm軟件進行python語言編寫，將所寫代碼嵌入單片機后，使用WIFI控制機器人依靠舵機系統完成相關的指令動作，即為單片機寫入合理的程序，使機器人按照要求完成比賽。第三是在其它方向，例如機器人的材料，既要保證所使用的材料有足夠的強度作為機器人的主體框架，也要確保其穩定性可以適應多種比賽環境以及復雜的舵機動作，確保在任何情況下可以完成比賽。

參考文獻：

[1]蘇青. 多機器人路徑規劃與協同避碰研究[D].南京郵電大學，2015.

[2]盧嫚，謝磊鑫.基于OpenCV智能車牌及顏色識別[J].自動化與儀表，2023，38（08）：120-124.DOI：10.19557/j.cnki.1001-9944.2023.08.025.