模仿人的形態(tài)和行為而設(shè)計制造的機器人就是仿人機器人，一般分別或同時具有仿人的四肢和頭部。中國科技大學陳小平教授介紹，機器人一般根據(jù)不同應(yīng)用需求被設(shè)計成不同形狀，如運用于工業(yè)的機械臂、輪椅機器人、步行機器人等。而仿人機器人研究集機械，電子，計算機，材料，傳感器，控制技術(shù)等多門科學于一體，代表著一個國家的高科技發(fā)展水平。從機器人技術(shù)和人工智能的研究現(xiàn)狀來看，要完全實現(xiàn)高智能，高靈活性的仿人機器人還有很長的路要走，而且，人類對自身也沒有徹底地了解，這些都限制了仿人機器人的發(fā)展。
一、基于ARM9的嵌入式仿人機器人傳感器系統(tǒng)設(shè)計
傳感器技術(shù)是仿人機器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。仿人機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，是因為它能夠通過傳感器感知外部環(huán)境信息和自身狀態(tài)，獲得反饋信息，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。目前在仿人機器人中應(yīng)用的傳感器種類繁多，例如視覺傳感器、電子羅盤、加速度計和超聲波傳感器等都是仿人機器人中常用的傳感器。
DF-1機器人是我院自主研制的一款仿人機器人。本文首先對DF-1機器人總系統(tǒng)進行了介紹，然后根據(jù)DF-1機器人需要實現(xiàn)的功能，設(shè)計DF-1機器人的傳感器系統(tǒng)，然后實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的具體工作電路，利用ARM9實現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)信息的采集，最后對傳感器系統(tǒng)的效果進行了試驗驗證。
1.DF-1仿人機器人簡介
DF-1機器人模仿人體外形結(jié)構(gòu)，利用舵機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)人類關(guān)節(jié)的功能，如圖1所示。DF-1身長45cm，共設(shè)有17個自由度，具體分配為：踝關(guān)節(jié)2×2=4個自由度，膝關(guān)節(jié)2×1=2個自由度，胯關(guān)節(jié)2×2=4個自由度，肩關(guān)節(jié)2×2=4個自由度，肘關(guān)節(jié)2×1=2個自由度，頭部1個自由度。DF-1機器人內(nèi)部采用ARM9微處理器，主要用來完成信息的融合、決策和規(guī)劃等任務(wù)。DF-1機器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有步行、做俯臥撐、上樓梯、打太極拳，這些功能的實現(xiàn)是建立在：DF-1機器人具有良好機械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，通過人工調(diào)試，設(shè)定具體程序完成的。為提高機器人動作的穩(wěn)定性，實現(xiàn)DF-1機器人的智能控制，需要對機器人配置傳感器系統(tǒng)，使機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
DF-1機器人的胸腔部位安裝了三個超聲傳感器，分別用來測量機器人正前、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題，在超聲波相對應(yīng)的位置安裝了三個紅外測距傳感器用來解決這一問題。傳感器系統(tǒng)獲取的信息采用定長字節(jié)格式通過RS232接口傳送給上位機。傳感器系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2．1加速度計傳感器
判定機器人姿態(tài)的傳感器有陀螺儀和加速度計等傳感器，由于陀螺成本較高，而DF-1機器人在運動變化上較為緩慢，故本文采用了成本較低的加速度計來感知機器人的姿態(tài)。加速度計是物體運動測試中的重要元件，它的輸出與物體的加速度成比例。傳感器系統(tǒng)所采用加速度計的具體型號為AD公司生產(chǎn)的雙軸加速度計ADXL202。ADXL202具有兩種輸出，一種是從XFILT和YFILT引腳輸出模擬信號；另一種是直接從XOUT和YOUT引腳輸出經(jīng)調(diào)制后的DCM信號。在具體使用中，選用了加速度計的DCM信號輸出，這樣就可省去使用模擬信號需要引入的A／D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，簡化了電路設(shè)計難度。
2．2超聲傳感器
用來測距的傳感器主要有紅外傳感器、超聲波傳感器、激光測距儀等，為了能在測量距離的同時判斷出物體的大致形狀，應(yīng)設(shè)計成多傳感器測距系統(tǒng)。考慮到機器人的安裝空間以及成本問題，主要選用了超聲波傳感器進行距離的測量。
超聲波傳感器主要用來完成機器人到周圍障礙距離信息的測量，超聲波在測距過程中存在多次反射問題，即超聲波遇到障礙物體時，沒有沿著原路返回發(fā)射接收點，而是經(jīng)過多次反射后才返回發(fā)射接收點，這樣測量到的距離信息不再真實，情況嚴重時會“丟失”目標。本文選用DEVANTECH公司生產(chǎn)的SFR05。SFR05的體積小，信號穩(wěn)定，便于在機器人中安裝，而且SFR05的測量距離為1cm～4m，在最小測量距離上可認為該傳感器不存在盲區(qū)。
2．3 紅外傳感器
為了彌補超聲傳感器在測距中多次反射的問題，在超聲波相對應(yīng)的位置安裝了三個紅外測距傳感器。當超聲波傳感器測量的距離遠遠大于同方向上紅外傳感器測量的距離時，可以據(jù)此推斷出超聲波已經(jīng)進行了多次反射，并用紅外傳感器測量的距離信息來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傳感器在測量距離時受外界光強度、物體外表反射率及物體顏色的影響較小。
