仿人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

宋天宇，楊杰，束元，黃升，邵逸君，李明路，顏栓保，孫永康，李賀，司洋洋

仿人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

宋天宇，楊杰，束元，黃升，邵逸君，李明路，顏栓保，孫永康，李賀，司洋洋

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 創(chuàng)新學(xué)院，江蘇 南京 210031）

設(shè)計(jì)了一種16自由度仿人形機(jī)器人。機(jī)器人由16個(gè)舵機(jī)完成16個(gè)自由度的靈活運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)和比例與人體近似。主控電路包括ATMEL微處理器、穩(wěn)壓模塊、串口模塊、藍(lán)牙通訊模塊等，具有上位機(jī)、無線藍(lán)牙手柄和手機(jī)APP等控制方式。通過上位機(jī)軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作編程，可以實(shí)現(xiàn)行走、舞蹈、格斗等動(dòng)作。

仿人形機(jī)器人；舵機(jī)；自由度；在線調(diào)試

1 引言

仿人形機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域中最接近人的行為的一種機(jī)器人。在一些對(duì)未知環(huán)境的探測(cè)、反恐防爆、軍事偵察等復(fù)雜性和危險(xiǎn)性較高的工作環(huán)境中，能夠使用仿人形機(jī)器人代替人去完成某些危險(xiǎn)工作，大大提高了人的安全性。因此，用機(jī)器人來代替人完成這些工作有了實(shí)際需求，對(duì)仿人形機(jī)器人展開研究具有重要意義。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)人形機(jī)器人流暢完成各種動(dòng)作的需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)16自由度的機(jī)器人，其中腿部5個(gè)自由度，手臂3個(gè)自由度，各自由度由舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)。通過合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將各舵機(jī)很好地組合起來，構(gòu)成一個(gè)人形架構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件系統(tǒng)三大部分組成。通過合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確立人形機(jī)器人的整體構(gòu)架。系統(tǒng)硬件電路由主控核心模塊、電源管理模塊、藍(lán)牙及串口通訊模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)基于上位機(jī)軟件Motion Creator EDIT設(shè)計(jì)機(jī)器人動(dòng)作對(duì)應(yīng)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和角度支持在線調(diào)試。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按圖1所示舵機(jī)位置，使用各種連接件將舵機(jī)組合為一個(gè)整體架構(gòu)，形成人形結(jié)構(gòu)。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用ATMEL公司8位高性能單片機(jī)為控制核心，采用RS232通信協(xié)議，通過串行口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以外接藍(lán)牙模塊。系統(tǒng)控制模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制模塊

4.2 電源管理

系統(tǒng)采用8.4 V鋰電池供電，使用AMS1117-3.3穩(wěn)壓模塊產(chǎn)生3.3 V電壓為系統(tǒng)供電。

4.3 操控模塊

機(jī)器人可以通過手柄、藍(lán)牙、手機(jī)APP操控。有線模式通過USB，無線模式使用藍(lán)牙4.0協(xié)議。

4.4 舵機(jī)

系統(tǒng)舵機(jī)選用Dynamixel系列AX-12機(jī)器人舵機(jī)。AX-12操控電壓為9～12 V，最大工作電流為900 mA，采用半雙工異步串口通訊。AX-12有兩種工作模式：①舵機(jī)模式。可以在300°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)定位。②輪式模式。可以360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度。位置和速度可設(shè)為1 024等分控制，最小控制角為0.29°。

5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用上位機(jī)調(diào)試軟件Motion Creator EDIT，界面如圖3所示。

圖3 EDIT界面

Motion Creator EDIT支持可視化編程，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)角度的調(diào)整，顯示每個(gè)舵機(jī)的角度及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。編輯動(dòng)作時(shí)，可以設(shè)定舵機(jī)的移動(dòng)速度（Period）、頻率（Resolution）、延遲時(shí)間（Delay），確保動(dòng)作協(xié)調(diào)穩(wěn)定。Motion Creator EDIT還含有編輯動(dòng)作所需要的一些基本功能，并可以通過串口監(jiān)視器顯示編輯動(dòng)作時(shí)所出現(xiàn)的問題。

6 系統(tǒng)測(cè)試

將編輯好的動(dòng)作下載到主控板后啟動(dòng)機(jī)器人，通過手柄測(cè)試設(shè)計(jì)好的動(dòng)作。本次測(cè)試的基本動(dòng)作為直立、向前行走、向后退和左右移動(dòng)。在測(cè)試過程中，出現(xiàn)動(dòng)作不協(xié)調(diào)情況，包括行走時(shí)左右擺動(dòng)幅度過大、行走時(shí)前傾或后仰、行走時(shí)無法走直線。前兩種情況主要是由于機(jī)器人行走時(shí)身體四個(gè)方向傾斜角度太大，只需要降低偏移角度，并綜合考慮每個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)步態(tài)、重心的上下變化影響即可。最后一種情況主要是由于左右腿上的舵機(jī)性能有細(xì)微的差別，導(dǎo)致兩邊不完全對(duì)稱，可通過細(xì)微校正腳踝、膝關(guān)節(jié)角度解決。

7 結(jié)論

本16自由度仿人形機(jī)器人具有人形基本結(jié)構(gòu)，以ATMEL公司8位高性能單片機(jī)為控制核心，采用AMS1117-3.3穩(wěn)壓模塊為系統(tǒng)供電，選用Dynamixel系列AX-12機(jī)器人舵機(jī)，并通過上位機(jī)調(diào)試軟件Motion Creator EDIT進(jìn)行機(jī)器人動(dòng)作編程調(diào)試，通過手柄藍(lán)牙控制機(jī)器人完成指定動(dòng)作。經(jīng)過調(diào)試，機(jī)器人能協(xié)調(diào)、穩(wěn)定地完成基本動(dòng)作，并且可以實(shí)現(xiàn)將多個(gè)動(dòng)作打包，由機(jī)器人按順序完成所有動(dòng)作，形成一套完整動(dòng)作。

［1］劉進(jìn)長(zhǎng)，辛建成.機(jī)器人世界［M］.鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

［2］熊雕，劉玉良，歐陽浩敏.類人機(jī)器人全能運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性研究［J］.浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，33（5）：437-441.

［3］許曉飛，鄒建勇.人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)與動(dòng)作的設(shè)計(jì)［J］.數(shù)碼世界，2016（5）：55-57.

［4］劉靜，趙亮光，譚民.腿式機(jī)器人的研究綜述［J］.機(jī)器人，2006，28（1）：81-88.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.030

2095－6835（2019）13－0074－02

宋天宇（1997—），男，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制。

楊杰（1974—），男，碩士，教授，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)、信號(hào)處理。

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201813106012Y）；安徽省高等學(xué)校質(zhì)量工程項(xiàng)目（重大教學(xué)研究項(xiàng)目）（編號(hào)：2016jyxm1124）

〔編輯：王霞〕