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摘 要：在RoboCup比赛过程中，体操机器人应该体现其自身的自主性、协作性、高效性和智能性。因此在了解控制对象的基础上，提出了基于MC9S12XS128单片机的整体设计方案，设计出完整的控制策略和智能算法。通过反复调试，使体操机器人在实现比赛要求动作的条件下，保证动作的连贯性和系统的稳定性。
关键词：RoboCup；体操机器人；稳定性
中图分类号：TP242.6
机器人技术是一门结合的多门学科的综合技术，包括了计算机、控制理论、仿生学、传感器技术、人工智能、机械结构等。常见的比赛机器人除了工作环境比较复杂，动作难度较高外，还必须能够灵活处理场上形势，其次对系统的可靠性、实用性也有一定的要求。所以对比赛机器人的研究意义，就是把所学的技术和理论，与工业生产相结合，完成比赛到社会应用的转化。
本论文的研究课题来源于学校参加的2013年中国机器人大赛暨RoboCup公开赛的比赛项目，该比赛每年举行一次，很多知名院校都会参加这项赛事。而体操机器人因其具有人类外观特征、多变的外貌，又兼有技术含量等优点，也备受关注。本课题要求设计具有简单模拟人体操动作的控制系统，如完成双手俯卧撑、单手俯卧撑、倒立、侧手翻360°等，并设计自编动作，体现作品的创新性。
1 机器人控制系统的整体方案
机器人的控制系统是整个设计流程中尤为重要的环节，它将会直接影响机器人是否能够完成相应的功能。通过分析体操机器人要实现的动作，以及自由度的要求，确定它的整体框架结构并确定各关节部分的参数配置。机器人在实现自主式脱线控制的过程中，采用单片机为控制核心，完成外界信号的接收和处理，下达命令并直接控制机器人的动作。整个控制系统设计流程图见图1。
2 机器人控制系统的硬件设计
2.1 单片机的选择
课题采用MC9S12XS128单片机完成系统的流程控制，比赛要求系统只能由一个伺服控制板来完成，由于单片机本身PWM口仅有8个，因此系统采用定时器与I/O相结合的方式产生PWM信号，大大提高了单片机I/O口使用的灵活性，PTA0-PA3作为机器人上半身舵机控制的输出端口，PB0-PB3作为腿部以下行动舵机的控制端口，由于手臂部分关节较少，舵机的转角对整个系统的稳定性有着很大的影响，因此在手臂部分加入码盘对输出进行闭环控制，采用PT6、PT7对脉冲进行捕捉，预留PS3、PS2作为串行通信的端口，用于电脑上位机对舵机输出部分的进行实时监测。考虑到舵机的工作电流较大，且采用的舵机数量较多，会造成电源电压的不稳定，因此采用对单片机和舵机分开供电的方式，减小相互之间的干扰导致单片机复位等问题大大提高了系统的可靠性。电源部分采用LM2940搭建的稳压电路进行供电，具有低压差，输出电流大，电路简单等特点，使得机器人在硬件电路方面不会产生太大的重量，使得机器人本身更加灵活可靠。
2.2 舵机的选择
舵机在原理上是一种位置伺服的驱动器，整体的转动范围为180度，在要求角度不断变化仍然保持的驱动的场合应用广泛。它的控制信号是周期为20ms的脉宽调制信号，脉冲宽度范围从0.5ms至2.5ms，相对应的舵盘的角度范围为-90°至+90°，并且呈现一种线性变化。另外，舵机的内部有基准电路和比较器，通过外加信号与基准信号的比较，给出舵机运动方向和大小，从而产生角度转动的信号。当给定一脉宽时，它将会始终保持一相对应的角度，直到输入另外一个脉冲宽度信号。
经过反复比对，选择银燕EMAXE-08MD，尺寸数据为32*11.5*24mm，重量为12g，工作电压为4.8V到6.0V。在满足工作的条件下，还有体积小、重量轻、扭矩大、性价比高等优势。
2.3 材料的选择
比赛规则要求自由体操机器人外形必须是人形，而且可以明显区分机器人的手部和脚部，而且多级的数目不应多于10个，尺寸要求为250mm（长）*150mm（宽）*350mm（高），重量不能超过3kg。比赛时将机器人放在一个2米直径圆型场地内，机器人在地内，做出相应的体操表演，时间必须小于3分钟。根据比赛各方面的参数要求，为了保持机器人稳定性的要求，脚板采用钢板，不易变形，且降低了机器人整体的重心。身体部分采用铝板，既满足了对重量的要求，还易于加工。经过反复的框架设计和性能检测，最终确定机器人的尺寸分别为130mm（长）*115mm（宽）*220mm（高），重量为0.56kg，如图2。
3 机器人控制系统的软件设计及调试
为了实现机器人的控制，除了拥有强有力的硬件结构外，还必须有相应的软件系统。通过算法的编程，使机器人完成指定的动作指令。本课题以CodeWarrior为编程平台，进行所有任务的调试、仿真。整体的软件设计可分为两个阶段，其主要包括：
（1）根据比赛要求来决定体操机器人的软件；（2）算法的实现：一整套的动作可以分解成一个一个的单独的动作，而整个的表演的过程其实就是依次执行每个分解动作，然后需要根据每个动作的机械改变来编写程序。程序主要由单片机初始化和体操动作的读取、执行程序两大部分组成。在单片机初始化阶段完成锁相环初始化；初始化I/O口、外部中断T6和T7、定时器中断O、串行中断O和体操动作初始化。体操动作的读取和执行主要是分析每個动作对应的舵机控制信号的产生，因此在产生控制信号和加载体操动作是都需要定时器每隔一定的时间进行中断。
4 结束语
体操机器人的控制系统组成部分，综合运用了单片机控制、传感器、电机驱动等硬件知识，经过仿真和模拟调试，优异的可以完成比赛的要求动作，并且我们设计的机器人是所有体操机器人组体积最小、质量最轻的，在最后的自编动作中，又加入了高难度90°前倾动作，很好地展示了硬件结构的稳定性，全程耗时1分50秒。经过反复的调试，硬件结构的不断调整，最终，在此次比赛中取得了自由体操组一等奖的优异成绩。
参考文献：
[1]陈宗军.舞蹈机器人控制系统设计[J].科学之友，2013（02）：01-02.
[2]梁万杰，赵建民，朱信忠.Rocup比赛机器人集成化技术初探[J]，2008（01）：21-24.
[3]蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000.
作者简介：曹凤（1989.01-），女，山东济南人，研究生，研究方向：图像处理。
作者单位：辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁锦州 121001
关键词：RoboCup；体操机器人；稳定性
中图分类号：TP242.6
机器人技术是一门结合的多门学科的综合技术，包括了计算机、控制理论、仿生学、传感器技术、人工智能、机械结构等。常见的比赛机器人除了工作环境比较复杂，动作难度较高外，还必须能够灵活处理场上形势，其次对系统的可靠性、实用性也有一定的要求。所以对比赛机器人的研究意义，就是把所学的技术和理论，与工业生产相结合，完成比赛到社会应用的转化。
本论文的研究课题来源于学校参加的2013年中国机器人大赛暨RoboCup公开赛的比赛项目，该比赛每年举行一次，很多知名院校都会参加这项赛事。而体操机器人因其具有人类外观特征、多变的外貌，又兼有技术含量等优点，也备受关注。本课题要求设计具有简单模拟人体操动作的控制系统，如完成双手俯卧撑、单手俯卧撑、倒立、侧手翻360°等，并设计自编动作，体现作品的创新性。
1 机器人控制系统的整体方案
机器人的控制系统是整个设计流程中尤为重要的环节，它将会直接影响机器人是否能够完成相应的功能。通过分析体操机器人要实现的动作，以及自由度的要求，确定它的整体框架结构并确定各关节部分的参数配置。机器人在实现自主式脱线控制的过程中，采用单片机为控制核心，完成外界信号的接收和处理，下达命令并直接控制机器人的动作。整个控制系统设计流程图见图1。
2 机器人控制系统的硬件设计
2.1 单片机的选择
课题采用MC9S12XS128单片机完成系统的流程控制，比赛要求系统只能由一个伺服控制板来完成，由于单片机本身PWM口仅有8个，因此系统采用定时器与I/O相结合的方式产生PWM信号，大大提高了单片机I/O口使用的灵活性，PTA0-PA3作为机器人上半身舵机控制的输出端口，PB0-PB3作为腿部以下行动舵机的控制端口，由于手臂部分关节较少，舵机的转角对整个系统的稳定性有着很大的影响，因此在手臂部分加入码盘对输出进行闭环控制，采用PT6、PT7对脉冲进行捕捉，预留PS3、PS2作为串行通信的端口，用于电脑上位机对舵机输出部分的进行实时监测。考虑到舵机的工作电流较大，且采用的舵机数量较多，会造成电源电压的不稳定，因此采用对单片机和舵机分开供电的方式，减小相互之间的干扰导致单片机复位等问题大大提高了系统的可靠性。电源部分采用LM2940搭建的稳压电路进行供电，具有低压差，输出电流大，电路简单等特点，使得机器人在硬件电路方面不会产生太大的重量，使得机器人本身更加灵活可靠。
2.2 舵机的选择
舵机在原理上是一种位置伺服的驱动器，整体的转动范围为180度，在要求角度不断变化仍然保持的驱动的场合应用广泛。它的控制信号是周期为20ms的脉宽调制信号，脉冲宽度范围从0.5ms至2.5ms，相对应的舵盘的角度范围为-90°至+90°，并且呈现一种线性变化。另外，舵机的内部有基准电路和比较器，通过外加信号与基准信号的比较，给出舵机运动方向和大小，从而产生角度转动的信号。当给定一脉宽时，它将会始终保持一相对应的角度，直到输入另外一个脉冲宽度信号。
经过反复比对，选择银燕EMAXE-08MD，尺寸数据为32*11.5*24mm，重量为12g，工作电压为4.8V到6.0V。在满足工作的条件下，还有体积小、重量轻、扭矩大、性价比高等优势。
2.3 材料的选择
比赛规则要求自由体操机器人外形必须是人形，而且可以明显区分机器人的手部和脚部，而且多级的数目不应多于10个，尺寸要求为250mm（长）*150mm（宽）*350mm（高），重量不能超过3kg。比赛时将机器人放在一个2米直径圆型场地内，机器人在地内，做出相应的体操表演，时间必须小于3分钟。根据比赛各方面的参数要求，为了保持机器人稳定性的要求，脚板采用钢板，不易变形，且降低了机器人整体的重心。身体部分采用铝板，既满足了对重量的要求，还易于加工。经过反复的框架设计和性能检测，最终确定机器人的尺寸分别为130mm（长）*115mm（宽）*220mm（高），重量为0.56kg，如图2。
3 机器人控制系统的软件设计及调试
为了实现机器人的控制，除了拥有强有力的硬件结构外，还必须有相应的软件系统。通过算法的编程，使机器人完成指定的动作指令。本课题以CodeWarrior为编程平台，进行所有任务的调试、仿真。整体的软件设计可分为两个阶段，其主要包括：
（1）根据比赛要求来决定体操机器人的软件；（2）算法的实现：一整套的动作可以分解成一个一个的单独的动作，而整个的表演的过程其实就是依次执行每个分解动作，然后需要根据每个动作的机械改变来编写程序。程序主要由单片机初始化和体操动作的读取、执行程序两大部分组成。在单片机初始化阶段完成锁相环初始化；初始化I/O口、外部中断T6和T7、定时器中断O、串行中断O和体操动作初始化。体操动作的读取和执行主要是分析每個动作对应的舵机控制信号的产生，因此在产生控制信号和加载体操动作是都需要定时器每隔一定的时间进行中断。
4 结束语
体操机器人的控制系统组成部分，综合运用了单片机控制、传感器、电机驱动等硬件知识，经过仿真和模拟调试，优异的可以完成比赛的要求动作，并且我们设计的机器人是所有体操机器人组体积最小、质量最轻的，在最后的自编动作中，又加入了高难度90°前倾动作，很好地展示了硬件结构的稳定性，全程耗时1分50秒。经过反复的调试，硬件结构的不断调整，最终，在此次比赛中取得了自由体操组一等奖的优异成绩。
参考文献：
[1]陈宗军.舞蹈机器人控制系统设计[J].科学之友，2013（02）：01-02.
[2]梁万杰，赵建民，朱信忠.Rocup比赛机器人集成化技术初探[J]，2008（01）：21-24.
[3]蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000.
作者简介：曹凤（1989.01-），女，山东济南人，研究生，研究方向：图像处理。
作者单位：辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁锦州 121001