２０１１年第３期 福建 电脑 １０１ 人形机器人避障模块研究与设计 吴毅君 ，陈健先 ，郑捷 ，郑之 ｆ １．福建交通职业技术学院福建福州３５０００７ ２．福建师范大学数学与计算机科学学院福建福州３５０１０８） 【摘要】：人形机器人是机器人研究的重要分支之一，它是一门综合性很强的学科，代表着一个国家 科技的发展水平。对人形机器人的研究有着深远的意义。本文是基于北京森汉科技公司ＳＨＲ一８Ｓ人形机器 人的研究与设计，介绍了机器人传感器技术，并利用光电传感器让机器人能够智能避开障碍物，初步让人 形机器人有了一些智能的行为，为以后的进一步研究奠定基础。 【关键词】：人形机器人；光电传感器；避障 １．绪论 面，机器人的感知就是机器人传感技术。 １．１引言 考虑到本设计只需要检测简单障碍物．环境相对 人形机器人是机器人研究中的重要分支．它涉及 理想。为了方便使用以及操作，我们选择的障碍物表面 到机器人制造中的各个领域．如自主行为控制、人工智 较为平整，反光率高，因此，我们选用了漫反射型光电 能、动态管理、机械设计等，在一定程度上代表着机器 传感器…森汉黑白巡线传感器。 人研究的尖端水平，与其它机器人（工业机器人、蛇形 机器人、轮式移动机器人等）相比，具有三个基本特征： （１）能在人们所处的现实环境中工作；（２）能使用人们 所用的工具；（３）具有人的形状【１】。此外。还有摄像处理、 语音处理以及一系列传感器信号的处理．可见，人形机 器人对各项技术领域提出了更高的要求。 １．２机器人与传感器 机器人传感器是２０世纪７０年始发展起来的 一图１黑自巡线传感器 黑白巡线传感器是利用红外线反射的原理．根据 类专ｆ－ＩＮ于机器人技术方面的新型传感器。一般机 器人有类似人脑功能的思维子系统，类似于眼睛、皮 反射的强度来判定前方障碍的有无。由于使用的是红 肤、耳等功能的感觉子系统，类似于手脚功能的运动子 外线．所以抗干扰能力很强。这样做更加确保了机器人 系统。机器人能够通过传感器判断和控制行走、触觉、 的稳定性。在外部接５Ｖ的电压．导通后发光二极管发 视觉、听觉、味觉等ｆ２１。常见的传感器有力传感器、陀螺 出红色光，当调节滑动变阻器的阻值可以改变发光二 仪、视觉传感器、触觉传感器、加速度传感器、光电传感 极管光的强弱从而可以改变检测物体的远近．在距离 ４］ 器等 人形机器人可以通过安装大量传感器来实现感 适中的时候测量精度很高ｔ知外界．提高智能化。本设计基于北京森汉公司出厂的 ＳＨＲ一８Ｓ人形机器人，将用到光电传感器．它通过发射 和接受红外光来判断前面是否有障碍物 ２．人形机器人避障传感器选择 现代信息技术的三大基础是信息的拾取、传输和 处理技术，也就是传感技术、通信技术和计算机技术． 他们分别构成了信息技术系统的感官、神经和大脑【３１ 对于人形机器人来说．传感器技术是实现其智能化的 必备技术。早期的机器人技术以简单自动机械为基础， 随着近年来技术的迅速发展．已经逐步转变为现代的 信息技术与传统机械技术相结合的现代机器人技术 现代机器人主要有感知、决策和执行三部分组成，机器 人的感知是机器人区别于其他自动化机器最主要的方 卜巾… Ｌ 。’……＿＿一 图２三角测量原理图 ． 其工作基于三角测量原理。红外发射器按照一定 角度发射红外光束，当遇到物体后，反射回来，如图２ １０２ 福 建 电脑 ２０１１年第３期 所示．发射回来的光束被ＣＣＤ检测器检测到以后．等 少人机交互界面．为了方便调试．我编写了串口输出子 到Ｌ值。根据几何关系。只要知道发射角度ａ。偏移距 程序，将实验中采样到的值．通过串１２１，显示到ＰＣ上。 离Ｌ，中心距Ｘ。以及滤镜的焦距ｆ．就可以得到传感器 障碍物分别选择：光滑的墙壁，不同颜色的书本， 与物体的距离Ｄ了。传感器将得到的电压值传给单片 玻璃。弯成弧形的书本。设定机器人的行走方向。ＰＣ串 机，经过Ａ／Ｉ）转换，如果结果为０，说明前方有障碍物， 口软件收到的值为ＯｘＯ１５ｅ．在机器人靠近障碍物是， 不为０．则说明前方还没有检测到障碍物 ＰＣ串Ｅｌ软件指示收到的值变成０．然后机器人就停止 ３、机器人避障模块实现 行走．执行左平移。除了墙壁不可以绕过去（机器人一 ３．１设计目标 直左平移），机器人均能避开其余障碍物。可见，光电传 前面我们对人形机器人和所用的传感器进行介绍 感器抗干扰能力还是比较强的．绕开障碍物之后，ＰＣ 之后，就可以在人形机器人上装上传感器．实现机器人 串口软件收到的值又变成了０）【１５ｅ 的智能行为 使用了光电传感器实现机器人能绕开途 上所遇到的各种障碍物 ３．２系统结构 图３系统结构图 ３．３避障模块模块设计 整体设计思路是：系统在设定行走方向后，调用行 走子程序，每走一步．采样一次光电传感器的值。如果 遇到障碍物。则作出相应的调整。 为了获取足够的环境信息和建立有效的环境模 型．本来应该采用多个传感器来建立机器人的感知系 统，但是由于实验条件所限，以及考虑到本设计只是对 人形机器人避障的初步研究．我们只用了一个光电传 感器，只感应机器人正前方的障碍物，虽然如此，还是 可以满足简单环境下的避障需求。 ３．４程序实现以及其流程图： 此模块只有在行走状态下才被调用。 １．走一步，选通光电传感器模拟通道口，通过ＡＤＣ 采集光电传感器当前的值．为了减小误差．采样了５Ｏ 次，取平均值，用变量ｉｎｆ＿ｒａｎｇｅ保存。 ２．判断ｉｎｆ ｒａｎｇｅ是否为０．为０的话先终止当前 的步伐．然后执行左平移子程序，绕开障碍物，执行右 平移子程序．回到刚才的线路上，并且迈出半步，回到 终止步伐前的状态．继续往前走。 主要的函数名称列举如下： ｖｏｉｄ ｉｎｉｔｉａ ｉａｌｎｆ． ．ｒａｎｇｅ（ｖｏｉｄ ） ／／ 传感器初始化ｖｏｉｄ ｓｔａｒｔ ｉｎｆ ｒａｎｇｅ（ｖｏｉｄ１ ／／启动传感器 ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｇｅｔ＿ｉｎｆ＿ｒａｎｇｅ＿ｖａｌｕｅ（ｖｏｉｄ１／／获得当前值 ａｒｏｕｎｄ ｂｌｏｃｋ０ ／／绕开障碍物 ３．程序流程图（如图４） ３．５模块功能调试 为了检验模块的功能和性能是否满足要求．对模 块进行了试验．试验地面是平整的。由于人形机器人缺 图４避障模块流程图 经过简单的测验．得到了预想的效果，机器人在设 定方向后．能够自主绕开障碍物，并沿着原先的方向继 续前进。但是对于较复杂的环境。比如多个障碍物放一 起．由于传感器本身是属于初级的传感器，而且只使用 了单传感器．机器人还是没办法绕过。由于本设计主要 是在做机器人的初级研究．因此，这个模块的测试效果 还是能满足要求的 ４．结束语 本设计是基于北京森汉公司出厂的ＳＨＲ一８Ｓ人形 机器人的研究与设计．实现人形机器人自动避障功能。 经过不断的研究与调试．初步实现了原有的目标。但由 于客观条件和时间所限．存在一定的误差。比如障碍物 高度低于传感器所在位置。则检测不到。所以，本设计 还存在一定的改进空间．比如，采用更高级的传感器， 以减小外界干扰所带来的误差：可以装多个传感器，同 时进行信息处理．这样使得机器人更能了解自身目前 的状态．更加智能。 参考文献： 【１】棍田秀司编著；管贻生译．仿人机器人【Ｍ】．北京：清华大学出 版社。２００７． 【２】高国富，谢少荣，罗均．机器人传感器及其应用［Ｍ】．北京：化 学工业出版社，２００５，１—２． ［３］张洪润，张亚凡，邓洪敏．传感器原理及应用［Ｍ】．北京：清华 大学出版社，２００８，１． ［４】黑白巡线传感器手册Ｖ１。０．北京森汉科技有限公司［Ｆａ３／ ＯＬ１，２０１０，２
