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基于双控制器与ROS平台的人形机器人系统设计

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人形机器是一种具有高度智能信息化的机器人，具有很高的工业、商业、军事价值。随着世界工业化进程的发展，单纯的工业机器人已经不能满足市场的需求，人形机器人也受到世界上各个国家科研机构的关注和重视。人形机器人的研究已经有三十多年，期间人形机器人的硬件系统架构、软件上层设计和物理结构都取得了很大的突破。目前，人形机器人的关键技术主要掌握在日本、美国、德国和英国等发达国家中，国内而言，虽然研究起步较晚，但发展迅速，也取得了很大的突破。但目前人形机器人的研究大多集中在高校和一些科研所，研究出的样机大多控制系统复杂、造价昂贵、可裁剪性低、驱动器复杂、人形机器人笨重，不利于企业投入市场。为此，本文针对目前存在的问题进行分析，得出了本课题的人形机器人系统设计方案。　　与国内外研究的机器人不同的是，本课题针对企业提出的技术要求，设计了一套软硬件可裁剪的控制方案。最终选定了高性能的PC104嵌入式工业控制板和高实时性的STM32系列单片机作为人形机器人硬件控制架构，并在此硬件架构的基础上，移植Ubuntu操作系统和部署ROS次级操作系统，构建人形机器人软件环境，为后续运行复杂的算法任务提供良好的环境。最后，人形机器人在Ubuntu和ROS软件环境下，通过收集传感器信息，得到人形机器人的状态信息，为后续功能开发提供基础。　　论文的主要内容有：　　本课题的人形机器人控制系统硬件以PC104和STM32双控制器为核心，主要模块有，双控制器系统、驱动模块、电源供电模块、图像获取模块等。各部分的内容主要有为：STM32控制器主要进行信息的收集和处理，设计与PC机器串口通信协议，把数据发送给上位机PC104；驱动模块先分析了目前驱动器的选择方案，综合考虑，使用MX-28T数字舵机作为驱动部件，该舵机可以精确的控制舵机位置输出和对舵机状态进行实时监控，还针对舵机设计了串口通信协议，保证数据准确、稳定的传输；电源模块则负责给整个人形机器人系统提供动力；为考虑开发的便利性和快速性，图像获取模块选择免驱的USB摄像头，获取人形机器人周围的图像信息，再结合OpenCV实现非特定人脸跟踪。软件系统上，人形机器人软件系统采用Ubuntu系统加ROS次级操作系统。论文详细阐述了Ubuntu系统在PC104上的移植过程和ROS系统的部署过程，还利用面向对象的方法，对底层硬件进行抽象，构建了人形机器人的软件框架，最后在ROS系统上建立人形机器人的仿真模型，为算法研究提供模型。　　通过对人形机器人的整机调试，实验结果表明系统的软硬件各项功能模块运行正常，设计的通信协议可靠，舵机作为驱动部件也满足了设计的要求。为此，本文提出的人形机器人双控制和ROS平台的软硬件系统设计方案，具有设计周期短、开发维护方便、软硬件具有高度可裁剪性、性价比高的特点。对企业在人形机器人软硬件系统设计方案上具有实际的应用价值和一定的指导意义。

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