模仿人的形態(tài)和行為而設(shè)計(jì)制造的機(jī)器人就是仿人機(jī)器人，一般分別或同時(shí)具有仿人的四肢和頭部。中國(guó)科技大學(xué)陳小平教授介紹，機(jī)器人一般根據(jù)不同應(yīng)用需求被設(shè)計(jì)成不同形狀，如運(yùn)用于工業(yè)的機(jī)械臂、輪椅機(jī)器人、步行機(jī)器人等。而仿人機(jī)器人研究集機(jī)械，電子，計(jì)算機(jī)，材料，傳感器，控制技術(shù)等多門(mén)科學(xué)于一體，代表著一個(gè)國(guó)家的高科技發(fā)展水平。從機(jī)器人技術(shù)和人工智能的研究現(xiàn)狀來(lái)看，要完全實(shí)現(xiàn)高智能，高靈活性的仿人機(jī)器人還有很長(zhǎng)的路要走，而且，人類對(duì)自身也沒(méi)有徹底地了解，這些都限制了仿人機(jī)器人的發(fā)展。
一、基于ARM9的嵌入式仿人機(jī)器人傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
傳感器技術(shù)是仿人機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。仿人機(jī)器人之所以能在已知或未知的環(huán)境中完成一定的作業(yè)功能，是因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)傳感器感知外部環(huán)境信息和自身狀態(tài)，獲得反饋信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。目前在仿人機(jī)器人中應(yīng)用的傳感器種類繁多，例如視覺(jué)傳感器、電子羅盤(pán)、加速度計(jì)和超聲波傳感器等都是仿人機(jī)器人中常用的傳感器。
DF-1機(jī)器人是我院自主研制的一款仿人機(jī)器人。本文首先對(duì)DF-1機(jī)器人總系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，然后根據(jù)DF-1機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)DF-1機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)，然后實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的具體工作電路，利用ARM9實(shí)現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)信息的采集，最后對(duì)傳感器系統(tǒng)的效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。
1.DF-1仿人機(jī)器人簡(jiǎn)介
DF-1機(jī)器人模仿人體外形結(jié)構(gòu)，利用舵機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人類關(guān)節(jié)的功能，如圖1所示。DF-1身長(zhǎng)45cm，共設(shè)有17個(gè)自由度，具體分配為：踝關(guān)節(jié)2×2=4個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)2×1=2個(gè)自由度，胯關(guān)節(jié)2×2=4個(gè)自由度，肩關(guān)節(jié)2×2=4個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)2×1=2個(gè)自由度，頭部1個(gè)自由度。DF-1機(jī)器人內(nèi)部采用ARM9微處理器，主要用來(lái)完成信息的融合、決策和規(guī)劃等任務(wù)。DF-1機(jī)器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有步行、做俯臥撐、上樓梯、打太極拳，這些功能的實(shí)現(xiàn)是建立在：DF-1機(jī)器人具有良好機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，通過(guò)人工調(diào)試，設(shè)定具體程序完成的。為提高機(jī)器人動(dòng)作的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)DF-1機(jī)器人的智能控制，需要對(duì)機(jī)器人配置傳感器系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠感知自身狀態(tài)和外界環(huán)境。
2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
DF-1機(jī)器人的胸腔部位安裝了三個(gè)超聲傳感器，分別用來(lái)測(cè)量機(jī)器人正前、左前和右前方向的障礙物。在該傳感器系統(tǒng)中，采用了ARM9微處理器作為信息的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和通信單元。由于超聲波傳感器存在多次反射問(wèn)題，在超聲波相對(duì)應(yīng)的位置安裝了三個(gè)紅外測(cè)距傳感器用來(lái)解決這一問(wèn)題。傳感器系統(tǒng)獲取的信息采用定長(zhǎng)字節(jié)格式通過(guò)RS232接口傳送給上位機(jī)。傳感器系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2．1加速度計(jì)傳感器
判定機(jī)器人姿態(tài)的傳感器有陀螺儀和加速度計(jì)等傳感器，由于陀螺成本較高，而DF-1機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)變化上較為緩慢，故本文采用了成本較低的加速度計(jì)來(lái)感知機(jī)器人的姿態(tài)。加速度計(jì)是物體運(yùn)動(dòng)測(cè)試中的重要元件，它的輸出與物體的加速度成比例。傳感器系統(tǒng)所采用加速度計(jì)的具體型號(hào)為AD公司生產(chǎn)的雙軸加速度計(jì)ADXL202。ADXL202具有兩種輸出，一種是從XFILT和YFILT引腳輸出模擬信號(hào)；另一種是直接從XOUT和YOUT引腳輸出經(jīng)調(diào)制后的DCM信號(hào)。在具體使用中，選用了加速度計(jì)的DCM信號(hào)輸出，這樣就可省去使用模擬信號(hào)需要引入的A／D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)難度。
2．2超聲傳感器
用來(lái)測(cè)距的傳感器主要有紅外傳感器、超聲波傳感器、激光測(cè)距儀等，為了能在測(cè)量距離的同時(shí)判斷出物體的大致形狀，應(yīng)設(shè)計(jì)成多傳感器測(cè)距系統(tǒng)。考慮到機(jī)器人的安裝空間以及成本問(wèn)題，主要選用了超聲波傳感器進(jìn)行距離的測(cè)量。
超聲波傳感器主要用來(lái)完成機(jī)器人到周圍障礙距離信息的測(cè)量，超聲波在測(cè)距過(guò)程中存在多次反射問(wèn)題，即超聲波遇到障礙物體時(shí)，沒(méi)有沿著原路返回發(fā)射接收點(diǎn)，而是經(jīng)過(guò)多次反射后才返回發(fā)射接收點(diǎn)，這樣測(cè)量到的距離信息不再真實(shí)，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)“丟失”目標(biāo)。本文選用DEVANTECH公司生產(chǎn)的SFR05。SFR05的體積小，信號(hào)穩(wěn)定，便于在機(jī)器人中安裝，而且SFR05的測(cè)量距離為1cm～4m，在最小測(cè)量距離上可認(rèn)為該傳感器不存在盲區(qū)。
2．3 紅外傳感器
為了彌補(bǔ)超聲傳感器在測(cè)距中多次反射的問(wèn)題，在超聲波相對(duì)應(yīng)的位置安裝了三個(gè)紅外測(cè)距傳感器。當(dāng)超聲波傳感器測(cè)量的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同方向上紅外傳感器測(cè)量的距離時(shí)，可以據(jù)此推斷出超聲波已經(jīng)進(jìn)行了多次反射，并用紅外傳感器測(cè)量的距離信息來(lái)取代超聲波傳感器的信息。本文使用的紅外傳感器為SHARP公司生產(chǎn)的GP2D12，可測(cè)距離為10～80cm。GP2D12加上電源就可工作，輸出電壓為0．3～2.8V。GP2D12傳感器在測(cè)量距離時(shí)受外界光強(qiáng)度、物體外表反射率及物體顏色的影響較小。
