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两足对战机器人设计实做
MCU创意设计与应用系列(16)

【作者: 廖凱彬...等】2009年06月09日 星期二

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犹记儿时的无敌铁金刚,倘若那时候能够拥有一台随心所欲的机器人,简直不可思议。但随着科技爆炸的时代,已经不是梦想,细腻的动作与高科技的内涵更是推陈出新。不同于深锁在工厂内默默从事生产的工业机器人,智能机器人正逐渐以平价、多功能、百变的造型进入你我的生活,与人们密切互动。


近年来市面上出现多款人形两足机器人,共同的特色都是除了基本的移动外,还可以做到很多高难度的动作,例如翻筋斗、倒地后爬起甚至拉单杠等等,但是我们发现到这一类型的机器人除了可以拿来表演以外似乎是没有其他娱乐用途,另外目前市面上的人形机器人单价过高,很难有发展空间,因此决定自己开发低成本且娱乐性质高并具有互动性质的娱乐型对战二足机器人。图一为对战的基本构想图。


《图一 对战构想图》
《图一 对战构想图》

此对战游戏是以无线传输的方式透过计算机发送控制讯号,控制机器人来进行互相对打的目的,并透过机器人身上的小型摄影机将影像传回计算机,玩家可以透过摄影机观看周围环境,使得游戏更有临场感,比其他一般在屏幕显示之电动玩具更具吸引力,不仅如此也提升了人与人之间的互动性。


工作原理

RC伺服机

机器人最主要的驱动来源为RC伺服马达机,如何控制RC伺服马达成为最重要的目标。RC 马达的控制原理是利用PWM 的方式控制马达在一固定范围内转动,当马达转动到PWM 讯号所给定的位置时,马达就会锁定停在该处固定不动,直到PWM 讯号改变马达才会转动停在其他的位置。


PWM的周期为20ms(50Hz),脉波宽度调变为0.5ms~2.5ms。举例说明,假设RC服务器的转动角度为0°~180°,而RC服务器脉波宽度调变的范围为0.5ms~2.5ms。因此设0.5ms脉波宽度时,马达转动到的位置为0°;那当脉波宽度为2.5ms 时,马达转动到的位置就为180°。所以当脉波宽度为1.5ms时,马达转动到的位置就为90°,其驱动示意图如图二所示。


《图二 RC马达频率宽度与角度示意图》
《图二 RC马达频率宽度与角度示意图》

中文语音模块

本模块是采用SD178A为核心,该芯片是一款能将输入中文文字及英文字母转换成语音输出的单一芯片处理器,其应用非常广泛,例如电子书、全球定位导航系统等各种掌上型、行动式通讯产品的语音输出。内建30bytes数据缓冲器,输入的中文Big5码或ASCII码经由输入接脚接收暂存于该缓冲器,并会自动将缓冲器内的数据实时的转换成高质量语音输出,及清除已转换完成的数据,以便输入文字能持续不断的送入缓冲器内。其电路方块图如图三所示。


SD178A可以直接和其他的微处理器做连接,如图四所示。/RDY、/SCLK和SDI这三条线为处理核心与主控器(用户所用的处理器)间沟通的串行传输接口。


图五则是SD178A与主控制器间沟通的时序图。当/RDY为LOW的时候,表示正处于准备接收数据的状态,当/SCLK的信号由HIGH变LOW的瞬间(负缘),这时候则会读取目前SDI上的状态一次。



《图三 SD178方块图》
《图三 SD178方块图》
《图四 连接SD178A和主控器》
《图四 连接SD178A和主控器》
《图五 串行输出时序图》
《图五 串行输出时序图》

无线模块

本系统中使用无线RF模块作为机器人与PC间的通讯平台(如图六),而这稳定的无线通信模块,由GMSK调变的NRF905模块所架构成,433MHz/868MHz/915MHz的3段通讯频段可供选择外,低工作电压、消耗功率小的特性也是我们所选择的关键,抗干扰能力强及最远的通讯范围为300公尺,更是作为本系统通讯平台的最佳无线通信模块。使用AT89C2051单芯片作为处理模块通讯的核心,由SPI串行传输方式进行收发数据的传递,而处理机器人核心部份的HT46RU25单芯片使用UART串行传输与坚控计算机沟通,如此本系统即可做到稳定的无线通信传输。


《图六 无线RF通讯模块》
《图六 无线RF通讯模块》

系统架构

机器人主体架构


本组所制作的对战机器人基本上是由16颗RC马达组成。双脚部份,左右脚各为5个自由度;双手部份,左右手各为3个自由度(一个自由度代表一颗RC马达)。组合完成后的机器人整体高度预估大约为30cm左右,另外,会在机器人身体正面ㄥ模块ㄨ高度两只ㄡㄨㄤ 设置一块光敏电阻电路模块,目的用来作受攻击之攻击目标。


另外,对战机器人的相关控制电路与电池设置于机器人身体内部,左右手装设攻击用的雷射装置,与防守用的盾牌。如图七所示


《图七 机器人实体图》
《图七 机器人实体图》

对战机器人身上所设置的微控制器为机器人主要的控制核心,用来控制对战机器人所有的行为。以下对于整个架构做简单的说明


  • ●机器人电路控制部份,由微控器作为机器人电路板的主要核心,微控器可以控制对战机器人周边电路,其中包括无线接收模块、光敏电阻路模块、RC马达控制电路、语音IC、雷射等。


  • ●为了使机器人拥有充裕的电力,使用5颗镍镉电池。


  • ●机器人主体上的通讯模块(无线模块),能够接收从计算机RS232的传输接口经由通讯模块所发出来的讯号,进而完成指令的传达,达成各项需要动作。


  • ●RC马达的控制电路,藉由微控制器发送脉波讯号来控制马达的转动角度,进而控制机器人本身的各项动作。


  • ●光敏电阻电路为攻击目标,当被雷射击中后会产生讯号通知微控制器。


  • ●雷射枪的部分则由微控制器控制是否要发射雷射攻击。


  • ●语音IC则是,当光敏电阻被雷射击中或进行攻击时会由主核心通知语音IC执行发音的动作。



《图八 对战机器人主要系统架构图》
《图八 对战机器人主要系统架构图》

图八为系统架构图,HT46RU24为主要控制器(MASTER),控制所有机器人之功能与行为,另外,HT46R24(Slave)主要功能用来产生控制RC伺服马达之脉波讯号,是控制机器人所有运动轨迹的核心,主核心模块(master)与RC伺服马达控制电路(slave)之间的沟通是利用芯片中的I2C功能,由主核心传送数据至slave后,slave收到数据并判断对应动作为何,之后产生PWM讯号控制机器人完成所应完成之动作。


控制架构

以为PC基础,控制对战机器人执行对战,如图九所示,由PC屏幕上设计的接口,藉由鼠标来控制,传输方法为计算机将欲发送的讯号经由RS232传输接口,再透过无线收发模块处理后再将讯号发送出去;在PC控制接口上可实时观看我方对战机器人的生命值,并有按键作为机器人的动作控制,进而构成完整的对战系统。针对此系统之通讯方式如图十所示


《图九 PC接口与机器人通讯架构图》
《图九 PC接口与机器人通讯架构图》
《图十 系统通讯方式》
《图十 系统通讯方式》

机器人的控制方式为PC遥控,包含无线控制命令传输的功能,由PC屏幕上设计的接口,藉由鼠标或键盘的控制来取代无线遥控器。


对战机器人的操作方式其实很简单,只要单击按键机器人就会依照所按下的按键动作,就跟控制遥控玩具是一样的,不同的是遥控玩具是以遥控器控制,我们是使用pc接口控制并有影像回传的功能。


《图十一 pc控制接口》
《图十一 pc控制接口》

A:影像显示窗口


B:机器人血量表


C:机器人行走方向控制键


D:机器人攻击方向控制键、攻击键、防守键。


机器人之行为

机器人攻击

日本机器人格斗比赛是以冲撞近身格斗的方式进行攻击,此种攻击方式会因为过度的冲撞造成机器人机身的故障与损坏,久而久之机器人的机体会容易产生故障或损伤。我们所设计的对战机器人游戏,与日本机器人格斗比赛不同的地方在于,我们的攻击方式是使用雷射当成攻击武器(雷射枪),属于远距离的攻击方式,其优点是比较不会因冲撞而产生机体的故障或损伤,雷射武器是使用市面上的雷射笔,再搭配一个pnp晶体管当作雷射武器的开关,以微控制器所送出的讯号来控制是否发动攻击;是,雷射枪发射;否,雷射枪关闭。


被攻击后所产生之反应:

当游戏开始后被攻击者击中也是就被对方以红外线照射到己方身上的光敏电阻时,PC接口的生命值与机器人身上的LED灯会各暗一颗,并且对战机器人自己会发出提示声音提醒操作者已经被对方攻击到,同时机器人会自动将盾牌举起保护自己避免2次伤害。


当PC接口的生命值为0或机器人身上LED灯全灭时,代表机器人已经阵亡,游戏也因此结束;而游戏结束时输的一方则发出「游戏结束,我挂了」来代表败北。


当中我们利用光敏电阻的原理制作标靶,当光敏电阻受到攻击时(亮度变化)电阻值会改变,因电阻值的改变所影响到的电压,经过比较器来判断的输出电位的高低变化,再将高低变化回传给微控制器,让微控制器判断是否有被击中,若是,则发出讯号通知语音IC发出被击中的声音,同时产生相对应的行为反应,并且主控制器会将剩余血量,透过无线模块送出讯号给计算机接口,显示目前生命值为何。


防守行为

由于对战机器人,有攻击就有防守的必要,因此在机器人的左手加装盾牌,来防止被敌方攻击到自己身上的光敏电阻。但是考虑到如果一直持续防守状态,此对战游戏将会形成和局的状态,因为攻击不到机器人身上的目标(光敏电阻模块),为了避免此类的情形发生,防守状态只能持续3秒(暂定),达到3秒后盾牌会自动放下,才可进行下一次防守。


实验结果

针对两足步行机器人系统,其中比较困难的部分是足部之运动轨迹之规划,如何在各种运动模式下,步行机器人能够稳定的完成动作,首先先作单脚独立之动作,因为人在走路时,以单脚着地之时间最多,如何使用单脚就能保持身体之平衡,也是最为基本之动作,步行机器人举起右脚,使用左右脚维持身体平衡,步行机器人举起左脚,使用右脚维持身体平衡,在此实验中步行机器人皆能维持身体平衡,而不至于跌倒,所以此种运动轨迹是可以接受的。


机器人前进后退

机器人行走方式是先将重心移到右脚,之后将左脚抬起往前跨一小步,再将重心移至左脚,当右脚抬起来后将右脚缩回前面,然后将动作回复至最初的站立姿势,这样看似简单的一小步却必须花费许多时间去完成,因为每一个马达的角度都要小心的规划,直到走起来顺畅且稳定才算是成功,整个行走的过程最难的地方就在于要将重心从后脚移至前脚这一个步骤,当后脚抬起来时重心其实没有在左脚脚板中心上,而是有点偏往后脚的方向,因此机器人在走这一小步时(后脚抬起时)会特别的不稳定。后退的动作只要将前进的动作反向就可以达到。机器人前进之实验结果,其前进之线性度相当地好,至于步行机器人之后退运动,则是前进运动之相反方向。


机器人原地左右转

步行机器人之右转和左转运动,其中要驱动足部之旋转马达,使其能够产生左右转弯之运动。至于步行机器人之右转运动,则是左转运动之相反方向。


未来展望

步行机器人之右转和左转运动,其中要驱动足部之旋转马达,使其能够产生左右转弯之运动。至于步行机器人之右转运动,则是左转运动之相反方向。


  • 未来将着重于对战机器人的步伐设计与灵活度的改善,希望此类型的机器人也可以与日本玩家自行制作的一样在行走时可以流畅灵活,也会尝试增加自由度,使其之后能够完成很多高难度的动作。至于其他传感器的加入也是其中一项重点,例如增加加速规或电子罗盘等等,除此之外对战的方式将以下面几点为目标:


  • ●机器人将以群体控制,做群体对战为主要导向。


  • ●机器人具有自动寻找目标并且攻击的人工智能。达到了以上两个阶段性目标后,将会开始着手于战略的部份,机器人的整体惯性导向,著名兵法的战略应用等,将机器人对抗推向更高的规格、更广的视野。




●将机器人之间及操控平台与机器人之间的传输稳定性提升,以利于往后群组机器人的相关研究。


参考数据:

  • ---本设计作品组员包括云林科技大学电机工程系之廖凯彬、戴鹏栩、钟承运、陈泽浚等,指导老师为苏国岚---


  • [1] NORDIC Semiconductor, ”Single chip 433/868/915 MHz Transceiver nRF905 Data Sheet”, http://www.nordicsemi.no/ 。


  • http://www.sounding.com.tw/front/bin/ptdetail.phtml?Category=164350&Part=SD17 8A。


  • [3] Ht46xx 微控制器理论与实务宝典。


  • [4] RC马达控制方法


  • http://www.playrobot.com/menu05_c1_stamp_howto_servo.htm


  • [5] 微计算机感测实验装置 KL-600 实验手册


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