论文提交日期：2013 年 4 月
学号： 201057307003 分类号：TN911
硕士学位论文
智能双足机器人设计
研究生姓名：于正坤
指导教师：陈瑞平
学科门类：理学
专业名称：物理电子学
论文提交日期：2013 年 4 月
I
摘要
机器人技术是电子、机械、人工智能等各个领域新技术的结晶，人形机器人的研究作为机器人学的一个分支，无疑对机器人研究的技术和思想提出了更高的要求。它所应该具有的活动能力对力学和机械学提出了挑战，它对控制的高度灵活的要求使现代控制理论找到了真正的用武之地，双足步行机器人具有仿人的外形和步行方式、广泛的社会应用前景和多学科的融合等特点，是机器人研究中的一个热门领域。
本文使用了ARM Cortex-M3核心的STM32系列处理器作为控制器设计了一款17自由度的智能双足机器人。机器人高度约40CM（站立时腿部是弯折状态），宽度为23CM，含17个自由度。其中，头部1个自由度，手臂4个自由度，肩部2个自由度，胯部2个自由度，腿部6个自由度，脚部2个自由度。本机器人使用了大扭力金属齿轮舵机MG995。本设计实现了双足机器人的停止、前进、转弯、后退、下蹲等动作。机器人行为控制方式有无线控制及先进的语音识别控制技术。本设计机器人配置了语音功能，通过与语音识别模块相结合，可以实现人与机器人的简单沟通。无线遥控采用自制的遥控器通过NRF2401射频模块与机器人装配的NRF2401模块进行双向通讯，实现了对机器人行为的远程控制。语音识别技术采用了语音识别模块，可以识别多条语音指令，可以在现场对机器人进行语音指令控制。本设计应用了先进的机器人控制理论，可以实现对机器人各个动作的精准控制。
本设计尤其适合作为教学机器人和商场展示机器人，并且通过改造，加上相应传感器，该设计机器人可以应用于其他的场合。
关键词：双足机器人；STM32处理器；17自由度；语音识别；无线遥控；控制理论；
II
Abstract
Robot technology is electronic, mechanical, artificial intelligence and other fields of new techniques, the humanoid robot research robots as a branch of the study, no doubt on the robot technology and ideas put forward higher requirements. It should have the ability to mechanics and mechanics presents a challenge, its control highly flexible requirements of the modern control theory to find the real play, biped walking robot has a humanoid shape and walk way, extensive social applications and multidisciplinary integration and so on, is in robot research a hot area.
This paper uses the ARM Cortex-M3 core of STM32 series processor as the controller design of a 17 DOF intelligent biped robot. Robot height is about 40CM (standing when the leg is bent state ), width is 23CM, with 17 degrees of freedom. Among them, the head 1 degrees of freedom, arm with 4 degrees of freedom, the 2 degrees of freedom, the 2 degrees of freedom, the leg in 6 degrees of freedom, the foot 2 degrees of freedom. The robot uses a large torque metal gear steering gear MG995. The design and implementation of a biped robot to stop, forward, back, turn, squat movements. Robot behavior control wireless control and advanced speech recognition control technique. The design of robot equipped with voice function, with the speech recognition module combination, can realize the simple communication of human and robot. Wireless remote control using remote control through NRF2401 RF module and assembly robot NRF2401 module for two-way communication, to achieve remote control robot behavior. Speech recognition technology uses a voice recognition module, can identify a plurality of voice command, can be in the field of robot voice command control. Design and application of the advanced control theory, can realize the accurate control of the robot each action.
The design is particularly suitable as a teaching robot and shopping malls display robot, and through the transformation, coupled with the corresponding sensor, the design of the robot can be used in other occasions.
Key words: Biped robot; The STM32 processor; 17 degrees of freedom; Speech recognition;
Wireless remote control; Control theory;
III
目录
第1章绪论 (1)
1. 1机器人的发展历史 (1)
1. 2双足机器人研究背景 (2)
1.3国内外的研究概况及发展趋势 (3)
1.4 课题研究的主要内容 (4)
第2章系统整体方案设计 (5)
2.1系统功能要求 (5)
2.2系统设计预期目标 (5)
2.3系统方案设计概述 (5)
2.4本章小结 (6)
第3章机器人步态规划理论 (7)
3.1 机器人步态规划 (7)
3.1.1 步态规划的基本原则 (7)
3.1.2 步态规划的具体方法 (8)
3.2 本章总结 (11)
第4章系统的硬件电路研究与设计 (12)
4.1 STM32系列高性能处理器 (12)
4.1.1 STM32系列单片机简介 (12)
4.1.2 STM32系列单片机性能参数 (12)
4.1.3 STM32F103RBT6外围电路 (14)
4.2 MG995舵机 (15)
4.2.1 MG995电机参数 (15)
4.2.2 MG995技术参数 (15)
4.2.3 MG995控制方式 (16)
4.3 A VR单片机开发 (17)
4.3.1 A VR单片机简介 (17)
4.3.2 A VR单片机性能参数 (17)
4.3.3 ATmega16外围电路 (18)
4.4 NRF2401射频模块 (19)
4.4.1 NRF2401简介 (19)
4.4.2 NRF2401性能参数 (19)
4.4.3 NRF2401电路原理图 (19)
4.5 LD3320语音识别模块 (20)
4.5.1 LD3320简介 (20)
IV
4.5.2 LD3320模块接口电路 (22)
4.6 LCD液晶显示模块 (23)
4.6.1 FYLCD1602A模块概述 (23)
4.6.2 FYLCD1602A主要参数 (23)
4.6.3 FYLCD1602A引脚说明 (23)
4.7 电源电路设计 (24)
4.7.1 遥控器端电源电路设计 (24)
4.7.2 机器人端电源电路设计 (25)
4.8 本章小结 (25)
第5章系统软件设计 (26)
5.1 遥控器部分软件设计 (26)
5.1.1 nRF2401模块软件驱动设计 (26)
5.1.2 语音识别模块软件驱动设计 (27)
5.1.3 按键输入驱动设计 (28)
5.1.4 LCD1602A驱动设计 (29)
5.1.5 A VR单片机开发方式简介 (30)
5.1.6 遥控器部分程序流程图 (30)
5.2 机器人部分软件设计 (31)
5.2.1 舵机驱动设计 (32)
5.2.2 STM32单片机开发简介 (32)
5.3 机器人端程序流程图 (33)
5.4 本章总结 (34)
第6章系统整体调试 (35)
6.1 机械部分调试 (35)
6.2 硬件部分调试 (35)
6.3 软件部分调试 (36)
6.3.1 遥控器端主控板软件调试 (36)
6.3.2 机器人端主控板软件调试 (36)
6.4 本章小结 (37)
第7章总结与展望 (38)
7.1 总结 (38)
7.2 展望 (38)
感谢......................................................................错误!未定义书签。参考文献.. (40)
V
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第1章绪论
机器人技术是一种高新技术，它综合计算机、控制理论、结构学、人工智能、信息和传感技术、仿生学等多个学科的知识，有着日益广泛的应用领域，很多国家都将其列入了高新技术发展计划。
双足可行走机器人更是近年来研究比较活跃的领域，人的双肢直立步行是生物进化的重大成果，也是难度极高的步行动作，是其他生物步行性能不等比拟的。双足可行走机器人主要研究方向就是利用智能控制和机械配合相结合的方式达到仿人行走的功能，它的研究推动了仿生学、人工智能、传动控制等多个学科的结合发展；另外，双足机器人的研究有一个重大的可利用空间就是，可以很好的了解人类行走机理，为下肢瘫痪人提供更加合理完美的假肢。
1. 1机器人的发展历史
“机器人”是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器人，以便能够代替人进行各种工作。尽管直到三十多年前，“机器人”才作为专有名词加以引用，然而机器人的概念在人类的想象中却已经存在三千年了。早在我国西周时代(公元前1066年一前771年)，就流传有关巧匠堰师献给周穆王一个歌舞机器人的故事。作为第一批自动化动物之一的能够飞翔的木鸟是在公元前400年至350年间制成的。公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。在公元前2世纪出现的书籍中，描写过一个具有类似机器人角色的机械化剧院，这些角色能够在宫廷仪式上进行舞蹈和列队表演。我国东汉时期(公元25-220年)，张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。
人类历史进入近代之后，出现了第一次工业和科学革命。随着各种自动机器、动力机和动力系统的问世，机器人开始由幻想时期转入自动机械时期，许多机械式控制的机器人，主要是各种精巧的机器人玩具和工艺品，应运而生。公元 1768-1744年间，瑞士钟表匠德罗斯父子三人，实际制造出三个像真人一样大小的机器人—写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。它们是由凸轮控制和弹簧驱动的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和
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历史博物馆内。同时，还有德国梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龙戈雷姆”，日本物理学家细川半藏设计的各种自动机械图形，法国杰夸特设计的机械式可编程序织造机等。1893年，加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”，是以蒸汽机为动力的。这些机器人工艺品，标志着人类在机器人从梦想到现实这一漫长道路上，前进了一大步。
进入二十世纪之后，机器人已躁动于人类社会和经济的母胎之中，人们含有几分不安的期待着它的诞生。他们不知道即将问世的机器人将是个宠儿，还是个怪物。1920年，捷克剧作家卡雷卡?凯培克(Karel Capek)在他的梦想情节剧《罗萨姆的万能机器人》(R.U.R.)中，第一次提出了“机器人”这个名词。各国对机器人的译法，几乎都从斯洛伐克语“robot”音译为“罗伯特”(如英语robot，日语，俄语，德语:robot等)，只有中国译为“机器人”。1950年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说《我是机器人》中，提出了有名的“机器人三守则”：
(1)机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观
(2)机器人必须绝对服从人类，除非这种服从有害于人类。
(3)机器人必须保护自己不受伤害，除非为了保护人类或者人类命令它这样做。
1. 2双足机器人研究背景
机器人技术是电子、机械、人工智能、仿生学等各个领域新技术的结晶，人形机器人的研究作为机器人学的一个分支，无疑对机器人研究的技术和思想提出了更高的要求。它所应该具有的活动能力对力学和机械学提出了挑战；它对控制的高度灵活的要求使现代控制理论找到了真正的用武之地；它所要具有的智能对人工智能提出了一个高难度的课题，同时也是对神经学和仿生学的研究成果一次大检验。所以人形机器人的研究是高科技各种成果的综合。
人形机器人的研究起源于人的好奇性和一种自我挑战的心理，人们总想制造出一种跟自己差不多的机器，它可以忠实地供人驱使，为人干活，成为人的终身保姆。目前的机器人技术和人的这些梦想相比，可能还要一段很长的路要走。但是我们可以看到现在己经有各种样式的双足机器人问世，它们可以行走和顺利拐弯，也可以做一做“小动作”。但是如果这种机器人具有很好的控制性能，还有小巧玲珑的体形，再加上必要的人工智能和学习能力，
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则它的应用不仅仅在科研上，它可以进入家庭和服务业，进而代替现在的机器宠物，使这种“机器人保姆”进入市场。还可以在工业上代替从事一些复杂且没有规律的手工劳动，在科学探测活动中从事高危险系数或者人无法完成的作业。
总之，双足机器人有着巨大的应用前景和发展潜力。
1.3国内外的研究概况及发展趋势
国外的双足机器人研究早在80年代就已经形成了热潮，并且提出了很多非常系统的建模及控制的理论和方法。我国在这方面的研究则比较零星，很多研究集中在机器人的步态控制上，完整的动力学建模还较少涉及，这有待我们的进一步努力。
在双足机器人的建模研究中，国外许多论文针对不同的自由度提出许多值得借鉴的思想和方法。从70年代发展起来的多体动力学的发展简化了多体系统的建模方法，使所建立起的模型更适合于计算机编程计算和实时控制，有很多工业机器人都是用这种方法建模，这种方法的缺点是力学模型的建立和控制模型的建立是分开的，所以在把力学模型转化为控制模型时存在相当的难度，由于双足机器人对控制系统的高要求，所以用这种方法对其进行建模的论文很少。到了80年代，很多学者都注意了这个问题，于是发展一批适用于双足机器人的建模方法，M.Cotsaftis等人在1989年提出一种直接非线性解藕法(DirectNonlinear Decoupling Method DNDM)，这种方法的思想是用经过修正的Lagrange方程建立动力学方程并在其上做适当的变换从而得到解藕的控制方程。P. Sardain等人在1998年的一篇论文中建立一个12个自由度((7个连杆)’的机器人的动力学模型时，提出了用优化的有关理论来建立模型的方法，这种方法主要是针对步态的优化，然后把所建立的优化方程直接用计算机进行仿真计算，从而得到机器人的特性参数。随着这些方法的发展，双足机器人的模型也越来越复杂，从简单单自由度被动式机器人到拥有多达17个自由度的主动式机器人都已经问世，其中后者基本上可以完成走、转向、小跑等动作。在控制系统的设计上也发展了很多有特色的方法，计算法—由力学方程得到控制方程，这种方法要求详细知道系统的结构参数，否则不能有很好的效果，它经常和PD控制法、Pm控制法结合在一起使用;鲁棒性控制法—其控制系统参数有高度的低敏感性、抗干扰性。当无法确切知
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道系统的结构参数时，这种方法可以有相当的准确性和稳定性。自适应控制法—这种方法在机器人的关节和脚上加上一些传感器，根据传感器的数据调整关节和脚上的力和力矩以达到实时控制。
国内的研究中比较系统的建模理论很少，但在步态研究和控制研究却也不冷，并且很有创新，如张克等人提出的用小波神经网络来控制双足机器人的步态，还有柳洪义等人在机器人脚触地所带来的冲击进行较为详细的研究。
总之，现在的双足机器人正在和人工智能、计算机、新材料等高技术领域相结合。随着机构和控制复杂度的提高，其建模方法除了理论上的不断完善之外，也越来越依靠许多很有名的多体系统计算与仿真软件，如Adams, Matlab和Ansys：其控制系统正朝着自治的方向发展，为制造更加人性化和智能化的机器人打下坚实的基础。
1.4 课题研究的主要内容
本文详细阐述了一款17自由度双足机器人控制设计与实现，并深入分析和研究了系统的关键问题。全文共分6章来阐述，主要章节以及内容安排如下：
第一章绪论：介绍了双足机器人的发展历史、研究背景以及发展趋势.最后给出了本论文的研究内容及工作安排。
第二章系统整体方案设计：介绍了系统的功能要求以及设计的指标，对系统方案的设计进行了概述。
第三章机器人步态规划理论：介绍了双足机器人步态规划的方法。
第四章系统的硬件电路设计：介绍了本论文设计中所用到的各种芯片以及模块的详细信息，并给出了典型应用电路。
第五章系统软件设计：介绍了本论文设计中的各个模块的软件设计要点及相应的流程图。
第六章系统调试：介绍了系统调试的方法以及遇到的问题并给出了相应的解决方法。
第七章总结与展望：对本论文进行了总结，同时，对于本论文设计的延伸，本人提出了几点见解。
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第2章系统整体方案设计
2.1系统功能要求
本文应实现双足机器人的硬件电路设计以及软件设计。本次设计主要完成以下功能：
17个舵机协调控制功能
利用单片机产生多路不同脉宽的PWM波，实现同时控制多路舵机的运作。产生PWM波的方法是利用单片机自带的定时器/计数器以及分时控制的思想。
2. 舵机调速
常用舵机的控制时基为20ms，这个速度是舵机速度的最大值，如果想让机器人能协调地做各种动作，必须对舵机进行调速。本论文设计应用相应算法，实现了对舵机的调速功能。
3. 遥控远程控制
本论文设计利用了自制遥控器与机器人之间采用了RF射频双向通讯，实现了对机器人动作的远程控制。
4. 语音识别功能
本论文设计采用了先进的语音识别模块，实现了简单的人机语音交流，利用语音对机器人的动作进行控制。
2.2系统设计预期目标
1. 灵活，准确，协调的控制舵机，实现双足机器人的前进、后退、转弯、下蹲等动作。
2. 利用自制遥控器对机器人的动作进行远程控制。
3. 利用语音识别功能对机器人的动作进行控制。
2.3系统方案设计概述
根据系统功能，本论文设计主要分了三大功能模块：控制17路舵机以实现机器人的各种动作、自制遥控器利用RF射频通讯实现与机器人的双向通讯、语音识别功能。
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本论文设计中机器人部分控制板采用了高性能Cortex-M3核心的STM32系列单片机，利用单片机定时器输出引脚产生多路PWM信号驱动17路舵机，并结合机器人控制理论，实现对机器人各种动作的精准控制。同时，利用NRF2401射频模块实现与自制遥控器的双向通讯。
自制遥控器控制板采用了高性能AVR系列单片机作为控制器，完成了按键获取、语音识别以及射频收发等功能。
本论文设计系统整体框图如图2-1所示。
图2-1 控制器整体方案框图
2.4本章小结
本章主要概述了本论文的设计，依次介绍了本论文设计的系统功能要求，预期目标，最后给出了系统的整体设计方案。
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第3章机器人步态规划理论
3.1 机器人步态规划
在双足机器人研究中的非常重要的一项工作是步态规划，机器人步态规划的好坏与否会直接影响到机器人行走的稳定性、驱动力矩的大小及姿态的美观性等多个方面。同时，它也直接影响到机器人运动状态的控制方法及其实现的难易程度。
3.1.1 步态规划的基本原则
规划双足机器人步态的工作既可以在直角坐标系内，也可以在关节空间内进行，无论在哪种空间，都会有很多不同方法来规划。事实上，许多规划方法在两种空间内是通用的。
在直角坐标空间内对运动轨迹进行规划，优点是直观和实用，我们会得到一条可控也可以预知的路径，我们会很清楚地看到机器人末端执行器的运动轨迹；缺点是计算复杂不易规划，而且，我们很难确保会不存在奇异点。显然，对于给定的向直线方向运动的“径”，就必须放到直角坐标空间内进行规划，这样才能生成直线。而如果不要求双足机器人跟踪指定的“径”，那么，在关节空间内进行轨迹规划会更容易计算。实际上，在关节空间进行轨迹规划所有可用的方法，也都可用于直角坐标空间。其最根本的差别是，在直角坐标内进行轨迹规划，要反复求解逆运动学方程以计算关节的角度。而对于关节空间的轨迹规划，规划结果生成的值也就是关节量。在直角坐标空间的轨迹规划，其函数生成值是双足机器人的末端执行器的位姿，要得到这些数据，必须通过对“逆运动学方程”进行求解才能转化为关节量。
对双足步行机器人进行步态规划，是指双足机器人在行走过程中，机器人的各组成部分的运动轨迹。比如说，机器人的脚掌何时抬起、在摆动过程中机器人的整个脚掌在空中的轨迹、脚掌何时落地等。而进行步态规划的关键之处就在于，步态规划的轨迹必须满足零力矩点（ZMP）稳定条件。这里需要解决的问题主要如下:
1. 保证双足机器人与环境或者与自身不发生干涉,这会导致无法实现预定轨迹。
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2. 要保证双足机器人运动的稳定性。双足机器人的稳定性问题一直以来都是困扰其发展的重要难点，正因为有各个关节间的藕合作用，所以会很难设计出非常理想的ZMP轨迹。当前使用的步态规划方法主要有以下几种:
A.基于实验的规划方法
基于实验的规划方法是基于力学的相似原理，其基本过程如下:找一个人来模仿双足机器人行走，对此人的行走过程进行正向和侧向录像，再对这些录像进行分析，由此得到此人在步行过程中，各个关节的角度与时间的函数，最后根据“力学相似原理”把这些函数推广至双足机器人的步行过程中的关节变化上。
B.基于能量原理的规划方法
基于能量原理的规划方法依据一个生物学上的假设:人经过百万年的进化，所用的行走方式消耗能量是最低的，并且还能保证步行的稳定性。要是双足机器人也能满足这个假设，则行走方式将与人行走方式一样或接近。根据“能耗最小原则”会建立一个变分方程，利用这个方程，最终会得到双足机器人的轨迹方程。
C.基于力学稳定性的规划方法
基于力学稳定性的规划方法，指的是在双足机器人行走时，机器人的“ZMP”点要落在某个特定的区域范围，这样才能保证双足步行机器人的稳定行走。能实现的方法有两种:
a. 通过计算出理想的“ZMP”轨迹，推导出机器人的各个关节运动的函数来实现理想行走。
b. 大致规划出机器人的双足和躯干的运动轨迹，再进行“ZMP”计算，从中选取稳定性最好的结果来作为机器人步行的控制方程。
后一种方法相比前一种方法可以较快地得到步态规划的结果。所以本文采用了第二种方法，再结合了三次样条插值法和双足机器人的逆运动学步态规划，进行了机器人步态规划的参数化设计。
3.1.2 步态规划的具体方法
合理的步态设计是双足机器人实现行走的关键。在计算各关节的运动轨迹之前，首先要建立双足机器人所在的空间坐标系。
坐标系的 x轴面向的是机器人的正面, y轴是由机器人的右侧指向左
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侧,z轴竖直朝上，原点则位于双足机器人的后脚在完全落地时，其踝关节在水平面上的垂直投影。当双足机器人沿直线往前方走时，因为只考虑前方运动，此时机器人的双脚与腰部在侧方向，也就是 y轴上的位置是固定不变的。为什么这么说呢？因为设定的条件是双足机器人在水平面上行走，并且脚面抬起高度为0，因此z轴的位置保持不变。所以，这里仅仅讨论的是双足机器人在 x平面内的运动轨迹。双足机器人所在的空间坐标系如图3-1所示。
图3-1机器人的空间坐标系
完整的双足机器人步行过程一般包括三个阶段：
(1) 起步阶段: 这个阶段是由起始的双腿立正静止状态，变化到行走状态，其中一条腿向前方跨出了半步的距离，而髋部的速度也由零上升到恒定值；
(2) 整步阶段：两条腿交替向前迈出一步的距离，此时髋部的速率保持不变；
(3) 落步阶段：后腿向前方迈出半步，落在与另一条腿平行的位置，髋部的速度减少到零，从而恢复到双腿平行静止的状态。
这里主要讨论是整步的轨迹计算。向前运动的规划步骤为：
(1) 给定步速和步长；
(2) 设定初始参数，来计算髋关节与踝关节的运动轨迹；
(3) 依据髋关节与踝关节轨迹计算膝关节轨迹；
(4) 计算 ZMP 轨迹；
(5) 改变参数值，再返回第2步；
(6) 从中选取具有最大的稳定性的运动轨迹。
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步态规划的流程图如图3-2所示。
图3-2 双足机器人的步态规划流程图
控制双足机器人行走的关键是：根据髋关节与踝关节的运动轨迹来确定膝关节运动的轨迹。当脚面抬起高度为0时，膝关节运动的轨迹由步幅来唯一确定，由步幅、步速可唯一确定髋关节运动的轨迹，步态周期图如图3-3所示。
图3-3 步态周期图
既然“双支撑”和“单支撑”是一个交替的过程，双腿支撑必须有一定时间用来保证ZMP 点从后脚移动到前脚，这里，我们取“双支撑”的间隔为20%的周期。
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从图3-3可以看出，一个完整的步态周期里，包括了两个单支撑和两个双支撑时间段，其中单支撑占80%个周期，而双支撑占20%个周期。对于单腿来说，整个步态周期里就只有一个摆动周期，占40%的周期，而支撑周期由两个双支撑和一个单支撑组成，占60%的周期。
论文设计中根据双足机器人自身的结构特点，行走时采用了“平行步态”的方法。当双足机器人采用这种方式的步态行走时，双脚的落地痕迹是互相平行的，所以说，要实现这种步态行走，对机器人的其自由度要求较少，但对平衡提出了很高的要求。
3.2 本章总结
本章详细介绍了双足步行机器人的步态规划的重要性，同时介绍了步态规划的原则及方法。在直角坐标系中，确定了步态规划的具体步骤，进而得出步态规划的流程图，最后给出了双足机器人步行的步态周期。
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第4章系统的硬件电路研究与设计
本论文设计使用了STM32系列单片机、MG995舵机、AVR系列单片机、NRF2401射频模块、语音识别模块、LCD液晶等几种芯片或模块。本章就以上几种芯片或模块进行一一介绍。
4.1 STM32系列高性能处理器
4.1.1 STM32系列单片机简介
STM32系列32位闪存控制器使用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核，该内核专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。Cortex-M3在系统结构上的增强，让STM32受益无穷；Thumb-2指令集带来了更高的指令效率和更强的性能；通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断事件的相应比以往更迅速；所有这些又都融入了业界领先的功耗水准。
STM32系列处理器按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。
4.1.2 STM32系列单片机性能参数
ARM公司的高性能Cortex-M3内核
1.25DMips/MHz,而ARM7TDMI只有0.95DMips/MHz
一流的外设
1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O 翻转速度
低功耗
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在72MHz时消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2μA
最大的集成度
复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等
简单的结构和易用的工具
STM32F10x重要参数
a)2V-3.6V供电
b)容忍5V的I/O管脚
c)优异的安全时钟模式
d)带唤醒功能的低功耗模式
e)内部RC振荡器
f)内嵌复位电路
g)工作温度范围：-40°C至+85°C或105°C
STM32F101性能特点
36MHz CPU 多达16K字节SRAM 1x12位ADC温度传感器
STM32F103性能特点
特点
1. 内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。
2. 存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。
3. 时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40 kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz的晶振。
4. 低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。
5. 调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。
6. DMA：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和USART。
7. 2个12位的us级的A/D转换器（16通道）：A/D测量范围：0-3.6 V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。
8. 2通道12位D/A转换器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独
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有。
9. 最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。
10. 最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。
11. 最多多达13个通信接口：2个IIC接口（SMBus/PMBus）。5个USART 接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。3个SPI接口（18 Mbit/s），两个和IIS复用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。
12. ECOPACK封装：STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封装形式。
4.1.3 STM32F103RBT6外围电路
本论文设计应用了一款STM32F103RBT6单片机作为机器人端主控芯片。STM32F103RBT6是一款基于CORTEX—M3内核的高性能、低功耗、低成本的微处理器，在引脚封装和软件方面同其他STM32系列处理器是兼容的。STM32F103RBT6最大时钟频率达到72 MHz，能够做复杂的高端运算。同时它内嵌20K RAM,128KB FLASH程序存储器。STM32F103RBT6拥有丰富的外设，USB、ADC、5个16位定时器、IIC、2路USART、2路SPI等串行接口以及最大翻转率18 MHz的GPIO，它还拥有7路DMA控制器。正因为该处理器性能如此的强大，而机器人端对17路舵机的控制精度要求非常高，本论文设计中采用了STM32F103RBT6作为机器人端控制器。
本控制器主要负责完成17路舵机驱动、射频通讯以及工作状态指示等功能。本论文设计中采用了8M外部晶体振荡器，经芯片内部PLL倍频之后达到72M，作为单片机的时钟。单片机带JTAG端口，可以实现程序在线调试以及程序烧写。单片机内部集成上电复位电路及掉电检测电路此处外接一个阻值为10K的电阻上拉至VCC即可实现可靠复位。具体电路如下图4-1：
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烟台大学硕士学位论文
图4-1 STM32F103RBT6最小系统
4.2 MG995舵机
MG995是辉盛公司生产的扭矩达13KG全金属齿轮结构舵机，广泛车、船、飞机模型上，同时也非常适用于机器人关节驱动。
4.2.1 MG995电机参数
1.空心杯电机
2.金属齿轮结构
3.双滚珠轴承
4.连接线长度30厘米
4.2.2 MG995技术参数
1. 工作速度：无负载速度0.17秒/60度(4.8V)0.13秒/60度(6.0V)
2. 工作电压：
3.0V-7.2V
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