Ｉ ． 筮 …………………………． 基于ＳＴＭ３２的六罨平凡貉人削Ｔ隹 西安工业大学电信学院华瑾 曹 凯 【摘要】基于仿生原理，以ｓＴＭ３２为控制器的核心，制作动作灵活，结构简单的六足机器人，并且完成了直线、转弯步态的规划和控制。实验表明成功控制实现三足步态 进行直线行走功能。文中详细介绍了该“蜘蛛 的结构组成、行走原理、步态规划算法与控制系统设计。 【关键词】六足机器人；仿生；步态规划；固定步态 机器人技术是融合了机械、电子、传感 器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉 及到当今许多前沿领域的技术 Ｊ。轮式车辆在 平地公路运输中有着无可替代的用途，在沙地 和泥泞的地面履带车辆被广泛应用，足式步行 机合适于山地和复杂多障碍地面的移动 。由 另一种是摆动状态，是指肢体离开地面，向前 盘、电机驱动、蓝牙串口模块等也分配了相应 进方向摆动，动物的行走就是由每条腿的这两 的ＳＴＭ３２的ＩＯ口和内部定时器等资源。 种状态交替进行完成的。 ３．实验结果 ２．１．Ｉ摆动状态 ３．１直线行走 摆腿的第一个动作为Ｌｌ抬起腿，转动一定 机器人的末端轨迹规划数据是以三足步态 角度向前进方向跨出一定步长ｓ；当Ｌｌ缓慢落 获得的，对机器人控制直线行走实验如图６所 于多足步行机器人足端点与地面的接触面积小 下变为支撑腿时，Ｌ２（此时状态为支撑状态） 示。实验数据显示机器人前进１００ｃｍ，耗时， 的特点，使机器人能够在足端点可达工作范围 向前进方向的反方向移动步长为ｓ的支撑推动 平均速度，规划的速度为，实际速度比规划速 内自由调整步行姿态，因而能灵活的选择机械 动作。 度略小，这是由于地面较滑，且机器人的机械 腿的落脚点，能灵活的越过障碍物和小沟壑， ２．１．２支撑状态 结构存在空隙，每步实际前进距离低于规划值 使多足步行机器人具有很高的避障、越障能 当Ｌ１落下为支撑状态，Ｌ２暂时移动完ｓ步 所致。前进１００ｃｍ后在横向的偏移小于５ｃｍ，说 力 。 长后仍然为支撑状态，此时两足均为支撑状 明其直线行走性能良好。 １．仿生行走原理 态，这段重叠时间成为过渡时间，之后Ｌ２抬腿 ３．２定点转弯 六足机器人作为一个系统，它的运动关 重复Ｌ１的行走过程，而ＬＩ￣ＩＪ重复Ｌ２从支撑，推 机器人的定点转弯同样属于固定步态。机 节、机械足以及机身构成了机器人的整体，六 动机身前进到变为摆动腿的过程：摆动足和支 器人每步转角的大小与规划值存在一定误差， 条机械足与机身通过舵机相连，机械腿的布局 撑足有一个共同支撑六足机器人的时间段，这 这主要是由两方面的原因造成的，一是由于机 是模仿昆虫腿部布局围绕机身形成不完全对称 就是步态中的过渡时间。 械加工与装配的误差，关节存在回程空隙，使 的圆形布局。 ２．２控制实现 得腿部运动精度降低。二是标定时的零点与程 本文设计控制六足机器人躯干纵向长 关节的调试及步态的控制都直接影响着 序零点之间存在误差，导致实际运动情况与预 １５０ｒａｍ，宽１３０ｒａｍ，站立时高１６０ｒａｍ，共有六条 机器人运动时的灵活性与准确性，因此准确 期有误差，同时机械的空隙的存在也影响标定 腿，每条腿由三个自由度实现躯干的灵活攀 高效的控制关节运动也是实现步态控制的重要 的精度。 爬。第一个自由度，由驱动关节带动腿部转节 部分，甚至是核心部分。机器人主控芯片选 ４．结论 前后摆动；第二个自由度，由驱动关节带动 用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６，它基于专为要求高性能、 （１）针对已设计的六足仿生机器人的机 腿部股节上下摆动；第三个自由度，由驱动 低成本、低功耗的嵌入式，其时钟频率达到 械本体设计了控制系统，采用ＳＴＭ３２实现了对 关节带动腿部胫节上下摆动。为了增加整个 ７２ＭＨｚ，是同类产品中性能最高的产品，以１６ “蜘蛛”机器人上１８个舵机的并行控制。该控 躯干的支撑稳定性，六条腿呈环绕式分布在 位产品的价格得到比１６位产品大幅提升的性 制系统构架为不同步态控制策略的实现提供了 躯干周围。舵机选用ＴＲ２ｌ３型号，可以提供达 能。 可靠的硬件基础。 １３Ｋｇ・ｃｍ的扭矩。 考虑到机器人的舵机有ｌ８个，需要控制 （２）进行了机器人的固定步态行走实验， ２．步态规划和控制实现 系统输出ｌ８路互相独立的ＰＷＭ信号，而单个微 实验结果表明步态规划算法的有效性。 ２．１步态规划 处理器无法提供这么多路ＰｗＭ输出。如果用ＩＯ 在自然界中，可以观察到很多种的步行动 引脚通过软件实现多路ＰＷＭ输出，则导致算法 参考文献 物中的行走步态。为了描述步态，我们将步行 复杂度上升，增加了编程的工作量，且会使每 【１］韩建海，赵书尚，张国跃，王宝增，基－］：ＰＩＥ单片机的六 动物的腿部行走分为两种状态 Ｊ，一种是支撑 路舵机的转角范围受到限制，因此采用舵机控 足机器人制作Ⅱ】．机器人技术与应用，２００３，６ｉ２９．３２． 状态，是指肢体接触地面，支撑身体的状态； 制器作为ＰＷＭ发生器。而姿态传感器、光电码 翻陈学东，孙翊，贾文川等．多足步行机器人运动规划与控 ＨＡＮｌ Ｆ Ｅ Ｓ Ｔ ｛ 。■ｔａｍｂｄａ表达式 自ｌＥＩａｒｎｂ 裹达武Ｄｅ Ｃｏｎｓｏｌｅ．ＷｒｉｔｅＬｉｎｅ（Ｓｏｍｅ（（ｙ，ｚ）＝＞ｙ＋ｚ，７，３，２））： ．ｃＩａ铝ｐｕｂｌｃ ａｕｔｏａｎ ｓｅａｌｅｄ ｅｘｔｅｎｄ￣［ｍ ｏｒ＿ ｙｓｔ蛳．Ｈｕ Ｉｃ ｃＤ ０ａｔｅ Ｃｏｎｓｏｌｅ．ＷｒｉｔｅＬｉｎｅ（Ｓｏｍｅ（（ｙ，ｚ）＝＞ｙ－ｚ，７，３，２））： 一．ｃｔｏｒ：ｖｏ 曲ｊｅｃＥ ｎ￣ＮｅｍＤ Ｃｏｎｓｏｌｅ．Ｒｅａｄ ０： ［ ０ｎ ：囊Ｅｎｄｌｎｖｏｋｅ：Ｗ１ｔ３２（ｃｌ￣ｓ【ｍ ０ｒ ｂ ｙ 帅．ＩＡ５ｙｎｃＲ∞ ｝ 曩ｒｎ∞ｋ： 科 ’ ） 女ｌＥｌａｍｂｄａ表达武ｐｒｏｍ），ａｍ ．ｄａｓｓ ｐｒＩｖ ｅ ａｕｔｏ ａ咕Ｉ ｂｅＦｏｒｅｆｉｅｋ￣ｍｉｔ ｐｕｂｌｉｃ ｄｅｌｅｇａｔｅ ｉｎｔ Ｄｅｌｋ（ｉｎｔ ｘ，ｉｎｔ ｙ）：／／定义委托 每Ｃｓ￥《＞９—ｃａｃｈｅｄ＾ｒ ｙ而叫；Ｈｅｔｈ曲ｅ ａｔｅ２：ｐｒｉｖａｔｅ￣ｔａｔｉｃ ’ｋ＇￣ｂｄａ裹达武’．ＤｅｌＡ 母Ｃ５５＜＞９—ｃａｃｈｅｄ＾ｍｎｙ呲 曲协。ｄ Ｉｅ口如３：ｐ￣ｉｖａｔｅ姗ｋ ｃｌａｓｓ＇ａｌｎ，ｂｄ￣表达 将上面的代码编译后获得他的ＩＬ语言如图２所示。 ■ｃ ：ｖｏｉｄＯ 对比图ｌ和图２，我们不难发现，图２只是将图ｌ中自己命名的方法改 黼＜Ｍａｉｎ岫—９： ３２（ｈｔ３２ ｉｒ￣３２） 觜 ＞ｂ—ｌ ｍ嘲 成了系统命名的方法，这就说明了ｌａｍｂｄａ是通过委托来实现的，ｌａｍｂｄａ 鞠Ｍ ：ｖｏ￣Ｉｎｏ［］） 其实就是语言定义的一个运算符，在ＣＩＲ（公共语言运行时）中，会被编 镰￣ｏｒｎｅ：ｉｒ￣３２（ｃａｌｓｓ ｍｂｄａ衰达式．Ｄｅ ， ３ ３２， ３２） 译成一个委托来实现。 图２ 总之，利用委托，可以传递一组能在不同位置调用的方法或者说函 Ｌａｍｂｄａ可以引用“外部变量”，这些变量位于在其中定义Ｌａｍｂｄａ 数。这些方法不是立即调用的，而是在完成编码后才知道在哪里调用。 的封闭方法或类型的范围内。将会存储通过这种方法捕获的变量以供在 而ｌｍａｂｄａ表达式使我们不必显式的定义一个包含委托的方法，这使我们 Ｌａｍｂｄａ表达式中使用，即使变量将以其他方式超出范围或被作为垃圾 在编写代码时，有很大的灵活行。 回收。必须明确地分配外部变量，然后才能在Ｌａｍｂｄａ表达式中使用该 变量。下面将使用委托的代码用ｌａｍｂｄａ重新写出来，如下： 参考文献 ｃｌａｓｓ Ｐｒｏｇｒａｍ ［１】韩志强．对ｃ 委托内部机制的探析珊ｌ赤峰学院学报（自然科学版），２０１０，１０． ｛ 【２】战非．ｃ＃３．０中ＬＡＭＢＤＡ表达式树的构建Ｕ】．西安航空技术高等专科学校学 ｐｕｂｌｉｃ ｓｔａｔｉｃ ｉｎｔ Ｓｏｍｅ（ＤｅｌＡ Ｄｅｌｓｏｍｅ，ｉｎｔ ｘ，ｉｎｔ Ｙ，ｉｎｔ ｚ） 报，２０１０，５． ｛ ［３］ｈｔｔｐ：／／ｍｓｄｎ．ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ．ｃｏｍ／ｌｉｂｒａｒｙ． ｒｅｔｕｒｎ ｘ％Ｄｅｌｓｏｍｅ（Ｙ ｚ）； ） 作者简介：侯鹏（１９８２一），男，学士，工程师，现供职于中共吉林省委党校，研 ｓｔａｔｉｃ ｖｏｉｄ Ｍａｉｎ（ｓｔｒｉｎｇ［］ａｒｇＳ） 究方向：计算机应用。 一１１０一电早世｜ＩＩ …………………………． 鲤发展．． Ｉ 基于演播室中传统灯光与ＬＥＤ灯光的特点比较 山东广播电视科技开发公司 汪锋 【摘要】ＬＥＤ作为一种优质高效的照明光源，为人们的生活提供了诸多便利，为现代社会提供更加优良、环保的照明环境和高效、节能的照明品质。由于ＬＥＤ灯和传统的 灯光有着不同的特点，二者的的发光原理也存在着很大差异。那么，究３￣ＬＥＤ灯和传统的灯光有哪些特点呢？对此，本文基于演播室中的传统灯光和ＬＥＤ灯光的特点进行 了详细比较。 、 【关键词】ＬＥＤ灯；传统灯光；演播室；特点 随着科技的快速进步，ＬＥＤ灯得到了广泛 应用，不仅为社会提供了更加优质且环保的照 明环境，同时还具有节能的效果，逐渐替代了 传统灯光照明，这一点在广播电视领域应用尤 为显著。在演播室中，传统的灯光和ＬＥＤ灯光 有着不同的特点，同时也有着各自的优势。而 本文针对传统灯光和ＬＥＤ灯光的特点进行相关 分析，说明了ＬＥＤ灯光在演播室中得到广泛应 用的原因。所以，分析演播室中传统灯光与 ＬＥＤ灯光的特点具有重要的现实意义。 ＬＥＤ灯的简要概况 ＬＥＤ灯是一种新型的半导体照明节能灯 具，具节能环保、寿命长、发光效率高、光色 纯正等优势，成为众所行业必不可少的设备之 这一点在广播影视领域的应用最为广泛， 对演播室的发展产生了重要影响。究其缘由， 这主要是因为ＬＥＤ灯具的能量转换效率十分 高，不需要使用任何调光器就可以达到电视照 明的效果。就拿功率型自光ＬＥＤ产品来说，其 光效已远远比普通照明白炽灯高很多，可达１５ 流明／瓦，而９Ｏ流明／瓦的合节能荧光灯要高出 卤钨灯９０％的节能。所以，节能减排对于可持 续发展的社会来说，具有重要的实际意义。 随着科技快速发展， ＬＥＤ灯的价格也逐渐 降低，这也使得ＬＥＤ灯的使用越来越广泛。尤 其是对于广播电视业来说，更是一场空前的革 命。像常常用在广播影视领域的卤钨灯、气体 放电灯等都具有使用期短，光效低且耗电量较 大等特点，而ＬＥＤ灯则恰恰相反，正好弥补了 传统照明灯具的缺点，不仅能够起到节能的效 果，同时也满足了人们的生活需求，推动了社 会可持续化发展的道路。 二、在实际应用中。传统灯具和ＬＥＤ灯用 电量的用电比较 若以８Ｏ平方米的演播室为例，在应用传统 灯具和ＬＥＤ灯的用电量对比，具体见表１和表２ 一表４ ＬＥＤ演播室灯的使用数量、功率以及通信类业务 ＬＥＤ演播室灯具Ｊ数量 功率（ｋｗ） １００ＷＬＥＤ聚光灯１ ２４ ２．４ ＩＯＯＷＬＥＤ柔光灯ｌ ２６ ２．６ 合计 ５Ｏ Ｉ５ 通信类业务 ＶｏＩＰ 视频通信 及时消息 、一。由表ｌ和表２，表３和表４就可以看出，在演 播室中，传统演播室用电量的是ＬＥＤ灯的用电 量５倍左右，甚至更多，所以，ＬＥＤ灯是一种比 较好的节能环保灯具，受到众多领域的广泛应 用。 三、 ＬＥＢＲＴ￣传统演播室的调光原理分析 （一）Ｌ印灯的调光原理分析 通常情况下，ＬＥＤ灯采用脉宽调制的方式 进行调光，它在采用脉宽调制式调光的过程 中，会相应改变数字脉冲的占空比，进而对 ＬＥＤ灯的亮度进行有效调节和控制，这就是为 什么ＬＥＤ灯的演播室不必设置调光硅箱的重要 原因。 但是，对于高端应用的ＬＥＤ驱动器来说， 它主要采用固定频率工作模式的脉宽调制，才 能有效实现调光的作用。在脉宽调制的过程 中，ＬＥＤ正向电流就会在０～１０ｏ％之间，以减小 占空比进行进行调节亮度。但脉宽调制进行调 光的方式，它的调光信号的频率有一个限制， 必须使其大于１００赫兹， 否则就会产生闪烁或 抖动。 所示。 表１传统演播宣灯具的使用数量和功率 所以，高端照明系统的调光频率范围在几 万赫兹，这就是为了更好的避免产生噪声和辐 射，给人们的生活带来不便。一旦调光频率过 高，调光范围就会大大缩小，使系统的最大亮 度受到严重影响。 （二）传统演播室的调光原理分析 般情况下，传统的热光源灯可通过改 变可控硅的导通角，同时利用相位控制法进而 调节光的亮度，所以，这就要求传统的演播室 需要配备调光立柜。又加之可控硅在调光过程 中，会产生大量的高次谐波，而这种波会对其 他设备有一定的干扰，为了防止这种情况出 现，演播室就需要配有专门的灯光调光室。 由于可控硅具有开、关特性的特性，这就 决定了它的导通和关断功能，但这种功能需要 借助一定的条件才能实现。详情见表５所示。 一小时，可控硅就会处于关断状态。所以，如果 改变相位，就可以将可控硅导通角的大小进行 相应的改变。通常情况下，导通角越大，其电 路所输出的电压就会越高，那么，灯就越亮。 因此，可控硅调光法是是一种比较成熟的调光 控制方法。对一些大功率照明调光控制应用场 合来说，它拥有独特的优势。 四、ＬＥＤ灯的应用对于传统演播室的安全 性能分析 ＬＥＤ灯的应用对于传统演播室的安全性能 主要体现在两方面的内容，一是主要是体现在 灯具本身安全性能高，且在使用过程中，故障 率较低。 般ＬＥＤ灯的寿命可达ｌ万小时以上，可 以确保演播室的正常运行，进而保证节目的顺 利播出 由于ＬＥＤ灯的灯体表面的温度要比普 通热光源灯的表面温要低，在使用过程中，不 会出现炸泡的危险，可以有效保证相关工作人 员的人身安全。 另外一点主要是为相关工作人员提供良好 且舒适的生活环境。通常情况下，在工作过程 中，ｌｋｗ卤钨灯会产生８１０Ｗ的红外辐射，久而 久之，就会对相关工作人员造成一定危害，影 响其健康，但ＬＥＤ灯却恰恰相反，几乎没有红 外辐射产生，为相关工作人员提供良好且舒适 的生活环境，有效避免因红外辐射带给长期在 广播电视业相关工作人员的困扰。 五、结语 除了上述所讲的内容之ＳＦ，ＬＥＤ灯的使用 不仅能够确保演播室灯光的顺利运行，确保其 安全性，同时还能够使相关工作人员的工作环 境得到有效改善。但长远的眼光来说，尽管在 演播室初期，投入的资金会比较大，但后期可 以节省更多的费用，比如维修费等，进而大大 降低了运营成本。 一所以，ＬＥＤ灯的应角应得到大力推广使 用，同时也要将演播室的应用范围得到有效推 广。但对于大中型的演播室来说，ＬＥＤ灯还需 要进一步创新研发出更好的产品，满足现代数 字演播室的需求，有效推动可持续发展的道 路。 参考文献 ［１田高峰．１］ＬＥＤ灯具的应用对传统演播室的影响Ⅱ］．现代 电视技术，２０１３Ｃ／）：９６—１００． 表２ ＬＥＤ演播室灯具的使用数量和功率 表５可控硅的导通和关断条件条件 若以２５０平方米的演播室为例，分别应用 传统灯具和ＬＥＤ灯的装灯容量比，详情见表３和 表４所示。 表３传统演播室灯的使用数量、功率以及通信类业务 Ｉ从燕聒捌再巷：． 嚣 鼍慧亳流 奔歃一和｛ ２］马库斯．路德维希．ＬＥＤ灯县在电影和电视演播室中 Ｉ奠持釉 嚣器簇季嚣嚣 两者瞌－苇 ｉ ｆ的应用与前景（概要）Ⅱ】．演艺科技２０１１（６）：７２． 』ｎｅ 张新 ：磊嚣毫釜蒋霎嚣嚣 任一＊件即可ｉ 【３】杨光．ＬＥＤ灯的结构特点及应用Ｕ】．灯与照明，２０１２ 由于可控硅相控调光主要原理就是利用相 （３）：２７－３２． 位控制法，进而实现调光的作用。如果可控硅 ［４］杨君蔚，王家平．基于传统演播室的互联网功能扩展 属于普通的反向阻断型，当可控硅加上正向阳’ Ⅱ】．电视工程，２０１２（３）：５０－５６． 极电压的过程中，正向栅极也就相应的控制电 压，这样就可以使可控硅处于导通状态。在可 控硅导通的过程中，如果将栅极控制电压撤去 后，一旦可控硅阳极电流比其自身的维持电流 【４】李文政．六足仿生机器人步态规划与控制系统研究 嘲．硕士学位论文：山东大学，２０１１． ［５］王新杰，李培根，陈学东等．四足步行机器人动力学模 制 武汉：华中科技大学出版社会，２ＯＯ６，６（第１版）：４－１０． 型及脚力分配的研究Ｕ］．华中科技大学学报：自然科学 版，２００５，３３（１２）：１２２１． ［３］武磊．基于三自由度并联腿的仿生六足机器人的设计 工学硕士学位论文：燕山大学，２０１２，１２． ．电争ｔＩ｜再一１１１—