人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)與動(dòng)作的設(shè)計(jì)

許曉飛 鄒建勇北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

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人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)與動(dòng)作的設(shè)計(jì)

許曉飛 鄒建勇
北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

摘要：文章主要是介紹兩種人形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括博創(chuàng)公司的架構(gòu)組件和自己定制的架構(gòu)組件。按照人形機(jī)器人的架構(gòu)特點(diǎn)組建兩種人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)，并根據(jù)特定任務(wù)的驅(qū)使實(shí)現(xiàn)相應(yīng)典型動(dòng)作的設(shè)計(jì)。分別采用arduino控制器和博創(chuàng)MultiFlex2高級(jí)版控制器設(shè)計(jì)的人形機(jī)器人，完成了連貫動(dòng)作任務(wù)最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，成功參加機(jī)器人特定動(dòng)作挑戰(zhàn)賽。

關(guān)鍵字：人形機(jī)器人 結(jié)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)的需要，類(lèi)似人類(lèi)雙足或腿的機(jī)器人比其他形式的機(jī)器人更適合人類(lèi)制造的路況，如人行道樓梯和電梯等；而一些直接服務(wù)于人類(lèi)的機(jī)器人，擁有人形外觀會(huì)使用戶(hù)體驗(yàn)比較好。因此本文提出分別采用arduino和博創(chuàng)MultiFlex2高級(jí)版為控制器的兩種不同類(lèi)型的機(jī)器人。

1　系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)

1.1人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的人形機(jī)器人按人體三段式對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)布局，即頭部、軀干和腿部。頭部可以裝載各種儀器、設(shè)備，如攝像頭，可以識(shí)別物體特征；軀干是采用控制或固定控制器的結(jié)構(gòu)，保證機(jī)器人的重心平衡。腿部才用輪式或雙足式架構(gòu)，雙足可以擁有更多的自由度，用來(lái)更好地模擬人類(lèi)行走。

1.2 人形機(jī)器人的動(dòng)作設(shè)計(jì)

人形機(jī)器人動(dòng)作的設(shè)計(jì)一般要經(jīng)過(guò)任務(wù)需求、初步設(shè)計(jì)、制作調(diào)試、優(yōu)化設(shè)計(jì)四個(gè)階段，如鳴鑼機(jī)器人的第一項(xiàng)動(dòng)作是上臺(tái)自我介紹，然后根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)動(dòng)作，接著進(jìn)行下載調(diào)試，最后根據(jù)調(diào)試結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。如圖l所示的是完成上臺(tái)自我介紹任務(wù)動(dòng)作的設(shè)計(jì)程序圖。人形機(jī)器人的動(dòng)作設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的，它具有很大的主觀性、不確定性，而且隨著自由度的增多，各個(gè)關(guān)節(jié)之間的相互影響程度也會(huì)越來(lái)越大，動(dòng)作設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的工作量就會(huì)大量增加，如16自由度和8自由度機(jī)器人相比，設(shè)計(jì)動(dòng)作時(shí)就要同時(shí)考慮16個(gè)關(guān)節(jié)，這16個(gè)關(guān)節(jié)之間往往有很多相互關(guān)聯(lián)的動(dòng)作，在確定其角度、位置等參數(shù)時(shí)較8自由度人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)，問(wèn)題復(fù)雜度幾何倍數(shù)遞增，而我們所研究的機(jī)器人的自由度一般都在16個(gè)以上，沒(méi)有科學(xué)有效的方法，動(dòng)作設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)幾乎是不可能完成的。

2　人形機(jī)器人的方案實(shí)現(xiàn)

2.1 基于arduino控制器

方案一：主要分三個(gè)部分：主控制器、主控制器的從控制器、從機(jī)控制器程序。以三機(jī)器人為例，前兩者是在一號(hào)機(jī)器人上，后者是在二號(hào)和三號(hào)機(jī)器人上各有一個(gè)。一號(hào)機(jī)器人上的主控制器負(fù)責(zé)處理從藍(lán)牙接收到的數(shù)據(jù)，并控制機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；主控制器的從控制器是把接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙轉(zhuǎn)發(fā)給另外兩個(gè)從機(jī)控制器（一號(hào)機(jī)部分兩個(gè)控制器采用的是SPI進(jìn)行通信）。從機(jī)控制器和主控制器的功能基本相同。

方案二：控制器無(wú)主從之分，所有控制器都可以當(dāng)作主控制器也可以當(dāng)作從控制器。原理是在每個(gè)控制器設(shè)計(jì)時(shí)，都放置兩個(gè)藍(lán)牙，一個(gè)負(fù)責(zé)接收，另一個(gè)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)從接收藍(lán)牙取得指令信號(hào)，然后控制機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作；轉(zhuǎn)發(fā)藍(lán)牙負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。這樣一條指令數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)控制多個(gè)機(jī)器人了。

2.2 基于博創(chuàng)MultiFlex2高級(jí)版控制器

基于博創(chuàng)MultiFlex2高級(jí)版控制器的人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)是完成指定的技術(shù)動(dòng)作。在一個(gè)規(guī)定的臺(tái)子上，從一定角度的斜坡沖上臺(tái)子，在臺(tái)子上利用攝像頭找到綠色柱子所在的麥克風(fēng)，到達(dá)后播放自我介紹；然后找到在臺(tái)子中央的白色柱子，到達(dá)后用手將柱子上的繡球拿下來(lái)，扔到場(chǎng)外；回到中央再把白色柱子推到場(chǎng)外；尋找黃色銅鑼位置，到達(dá)后用手敲擊銅鑼三次；尋找舞臺(tái)中央，到達(dá)中央“武”字的紅的區(qū)域，進(jìn)行武術(shù)動(dòng)作表演，最后向裁判致謝，尋找擂臺(tái)邊下臺(tái)。程序是基于NonhSt圖形編程環(huán)境進(jìn)行模塊化的編程。

3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文中實(shí)現(xiàn)的兩種機(jī)器人完成了預(yù)定的動(dòng)作任務(wù)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文所研制的兩種人形機(jī)器人，基本完成了預(yù)定動(dòng)作的設(shè)計(jì)，但不足是動(dòng)作靈活反應(yīng)較慢，系統(tǒng)的魯棒性有待提高；對(duì)于鳴鑼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還有待提高，使其更加接近人形。在以后人形機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基本思路和實(shí)現(xiàn)方法中可以增加虛擬仿真法和動(dòng)作示教法，從而使人形機(jī)器人有更加廣闊研究的空間，可以使得機(jī)器人的動(dòng)作更具有柔性，更加接近人的動(dòng)作。

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