仿人機器人的機械結構設計與控制系統構建

羅慶生，陳胤霏2，劉星棟，朱 琛

(1.北京理工大學 機電學院，北京 100081; 2.廣東省潮陽實驗學校，廣東 汕頭 515100)

0 引言

對于小型仿人機器人來說，機械結構是其骨架與基礎，控制系統則是其核心與靈魂。要想設計出一款形象靚麗、結構緊湊、功能出色、性能穩定的小型仿人機器人，開展其機械結構的優化設計和控制系統的合理構建是極為關鍵的[1-2]。這兩項工作在一定程度上相輔相成，共同決定著小型仿人機器人研制水平的高低與成敗，需要投入極大的精力才能做好。筆者為開展青少年機器人教育，特地研制了一種具有19個自由度的新型仿人機器人，在研制過程中，著力解決了機器人的機械結構設計與控制系統構建問題。

1 小型仿人機器人的機械結構設計

1.1 機器人結構設計需考慮的問題

小型仿人機器人結構設計的合理與否、優化與否、適用與否直接決定著其整體性能，在其機械結構設計過程中應主要考慮“機器人自由度的分配、驅動器的選型、機器人實體結構的設計、機器人主體制作材料的選擇以及機器人整體裝配的工藝性”等問題。此外，在機器人結構設計過程中還需要滿足以下幾個要求：

1)可靠性:機器人結構設計必須滿足可靠性要求，可靠的結構是機器人發揮功能的基石；

2)穩定性:機器人結構設計必須滿足穩定性要求，穩定的結構是機器人實現運動的前提；

3)方便性:機器人結構設計必須滿足方便性要求，在組裝機器人時方便與否是判斷機器人結構設計水平高低的判據之一；

4)維護性:機器人結構設計必須滿足維護性要求，在使用機器人時維護性能的好壞也是判斷機器人結構設計水平高低的判據之一；

5)經濟性:機器人結構設計必須滿足經濟性要求，經濟性不好的機器人是沒有市場前景的，因而經濟性優劣與否亦是判斷機器人結構設計水平高低的判據之一。

1.2 機器人自由度分配

小型仿人機器人是根據人體形態來設計的，設有頭部、軀干和四肢，其運動依靠關節的多自由度協調控制來實現，能夠雙足行走、手足配合運動并可以執行一定的任務，因此其自由度分配極為重要[3]。對于人體而言，頭部有頸關節，軀干有腰關節，四肢有肩關節、腕關節、手指、髖關節、膝關節、踝關節和腳趾等[4]。由于人體自由度數量眾多，運動機制十分復雜，所以無法完全將人體構造模式移植到仿人機器人上。本設計采用關節簡化的方法進行機器人的自由度分配，即：頸部采用一個自由度，以實現機器人頭部的轉向；手部采用三個自由度，分別是肩關節處的一個自由度、肘關節處的一個自由度和腕關節處的一個自由度，這三個自由度可以幫助機器人手臂實現旋轉、彎曲和平伸等動作；腿部采用六個自由度，分別是髖關節處的三個自由度、膝關節處的一個自由度、踝關節處的二個自由度，它們幫助機器人腿部實現基本的步態行走功能。表1展示了機器人自由度的分配情況。

表1 小型仿人機器人自由度分配

機器人各自由度之間的連接形式分為串行連接和并行連接。串行連接具有體積小、運動空間大的特點，用于頸關節、肘關節和膝關節處較為適宜；并行連接雖然空間體積大，但運動靈活、承載力較大，用于機器人肩關節、髖關節和踝關節處較為合理。妥善確定機器人的自由度分配及其連接形式以后，即可繪制出如圖1所示的自由度結構分布示意圖。

圖1 自由度結構分布示意圖

1.3 機器人驅動器選擇

經過選型分析，筆者采用韓國Robotics公司生產的數字舵機AX-12A作為小型仿人機器人的關節驅動器。該舵機具有體積小、扭矩大、精度高等優點，同時它是一款總線數字舵機。與其他舵機相比主要優勢在于：舵機之間采用總線連接方式，布線簡單方便，提高了系統的可靠性；該舵機還有自我保護機制，可以防止由于輸入電壓過高、控制指令錯誤或輸出力矩過大等原因導致舵機損壞；此外，該舵機可以進行自動校準，具有反饋機制，能夠提高控制精度。

1.4 機器人實體結構設計

小型仿人機器人的實體結構設計包括手部結構設計、軀干結構設計以及腿部結構設計。根據規劃，筆者將設計一款高度約為360 mm的仿人機器人，參考人體比例和其他典型仿人機器人的主體尺寸，可規劃機器人各關節之間的尺寸如表2所示。

表2 機器人結構尺寸一覽表

在機器人實體結構設計中，三維建模軟件采用了Solidworks，二維工程圖紙繪制軟件則采用了CAXA，以下依次介紹各部分的結構設計情況。

1.4.1 手部結構設計

首先，根據機器人自由度分配情況構造如圖2(a)所示的手部關節自由度模型；其次，根據選定舵機AX-12A的結構和尺寸，設計各關節處驅動舵機之間的連接件，如圖2(b)所示；最后，在Solidworks軟件中將設計好的各個零件和舵機進行裝配，得到機器人手部結構三維情況如圖2(c)所示。

圖2 手部結構設計三維模型圖

手部基本結構設計完成后，為方便后續研究中的運動學分析，可提取出手部結構關鍵尺寸。如圖3所示，x為肩部關節和肘關節的軸心距離，y為肘關節和腕關節的軸心距離，根據優化模型，可確定各個關節關鍵尺寸數據如表3所示。

圖3 手部結構關鍵尺寸

關鍵尺寸類型標號數值肩部關節和肘關節的軸心距離x25.5mm肘關節和腕關節的軸心距離y68mm

1.4.2 軀干結構設計

首先，根據機器人自由度分配情況構造如圖4(a)所示的軀干關節自由度模型；其次，根據選定舵機AX-12A的結構和尺寸，設計各關節處驅動舵機之間的連接件，如圖4(b)所示；最后，在Solidworks軟件中將設計好的各個零件和舵機進行裝配，得到機器人軀干結構三維情況如圖4(c)所示。

圖4 軀干結構設計三維模型圖

軀干基本結構設計完成后，為方便后續研究中的運動學分析，可提取出軀干結構關鍵尺寸。如圖5所示，x為左右肩部關節的軸心距離，y為肩關節和髖關節的軸心距離，根據軀干優化模型，可確定各個關節關鍵尺寸數據如表4所示。

圖5 軀干結構關鍵尺寸

關鍵尺寸類型標號數值左右肩部關節的軸心距離x107mm肩關節和髖關節的軸心距離y81mm

1.4.3 腿部結構設計

首先，根據機器人自由度分配情況構造如圖6(a)所示的腿部關節自由度模型；其次，根據選定舵機AX-12A的結構和尺寸，設計各關節處驅動舵機之間的連接件，如圖6(b)所示；最后，在Solidworks軟件中將設計好的各個零件和舵機進行裝配，得到機器人腿部結構三維情況如圖6(c)所示。

圖6 腿部結構設計三維模型圖

腿部基本結構設計完成后，為方便后續研究中的運動學分析，可提取出腿部結構關鍵尺寸。如圖7所示，x為左右髖關節的軸心距離，y為髖關節末端和髖關節的軸心距離，z為膝關節和髖關節的軸心距離，p為膝關節和踝關節的軸心距離，q為踝關節和腳底的軸心距離，根據腿部優化模型，可確定各個關節關鍵尺寸數據如表5所示。

圖7 腳部結構關鍵尺寸

關鍵尺寸類型標號數值左右髖關節的軸心距離x74mm髖關節末端和髖關節的軸心距離y25mm膝關節和髖關節的軸心距離z82.04mm膝關節和踝關節的軸心距離p76.87mm踝關節和腳底的軸心距離q25mm

1.4.4 整體結構設計

將上述的手部結構、軀干結構以及腿部結構組裝起來得到機器人整體，其自由度模型如圖8(a)所示，整體模型如圖8(b)所示，搭建完成的實體機器人則如圖8(c)所示。

圖8 仿人機器人整體結構設計模型圖

2 小型仿人機器人的控制系統構建

2.1 基于STM32單片機控制器的分析與設計

在小型仿人機器人的控制系統中，下位機控制是重中之重，而下位機控制器是其前沿的硬件設備，一個性能穩定、功能齊全、開發上限高的控制器，對于整個機器人系統極為重要。

2.2 ROBOTIS控制器分析

ROBOTIS PREMIUM(百變金剛機器人)使用的CM-5控制器也是Dynamixel AX-12A舵機的專用控制器[5-6]，可控制30個AX-12舵機。它的6個按鈕中有5個用于選擇功能，1個用于重啟。CM-530和CM-510差不多，本文使用CM-510控制器，將其拆開，可見內部PCB分為正反兩面，本文定義開關所在的為PCB的正面。PCB正面主要為可操控模塊：1個電源插孔、一個開關、6個微動開關、5組Dynamixel AX-12A舵機插孔、4組排針、1個上位機連接口、一個連接電池組接口、1個蜂鳴器、7個貼片LED、3個保護電容、1個電機驅動芯片。CM-510控制器PCB正面如圖9所示。

圖9 PCB正面視圖 圖10 PCB反面視圖

PCB反面是PCB的核心部分，CM-510控制器使用的是Atmel ATMEGA2561芯片，此外還有兩個芯片，一個是MAX202C，另一個是74HC126D(四象三態緩沖器)。MAX202C板上IC之間的連接可通過5V/3.3 V電平表示狀態1、通過0V電平表示狀態0, RS232接口是通過正負12 V分別表示1或0的狀態，該芯片起電平轉換作用，與之相連的一個接口是ROBOTIS公司的專用串口數據線接口；74HC126D芯片上的三態輸出由使能輸出端來控制，使能端有效與無效分別控制輸出處于正常邏輯狀態和高阻狀態，起著保護USART_TX的作用，電感則起防止電流突變的作用[7]。快速熔斷保險絲配合保險絲座，能夠有效保護控制器，防止MCU燒毀。此外，還有WTE SS14芯片來防止舵機接口正負極反接，目的是保護控制器不被損壞。CM-510控制器PCB反面如圖10所示。

2.3 控制器方案選擇

筆者在構建小型仿人機器人的控制系統時，放棄使用Atmel公司的8位微控制器芯片，而選用ST公司的STM32F1系列32位微控制器芯片[8]，目的是增強機器人控制器的處理能力，提升機器人系統的開發上限。設計中選用STM32F1系列中的兩種芯片作為控制器MCU，一種是STM32F103ZET6，另一種是STM32F103C8T6。兩種芯片的區別在于封裝，由于STM32F103C8T6的管腳數少，僅用于第一版測試階段PCB，因此本設計僅討論STM32F103ZET6(后文簡稱STM32)。

STM32芯片與Atmel芯片相比，優勢在于其內核使用的是ARM32位的CortexTM-M3 CPU，工作頻率最高為72 MHz，當存儲器處于零等待周期訪問時，訪問速度可達1.25DMips/MHz[9]，具有512 K字節的閃存存儲器，并且擁有144個管腳，其中112個多功能雙向I/O端口都可以映像到16個外部中斷，并幾乎都支持5 V信號，以及13個通信接口(如USART、I2C、SPI等)，這些使機器人具有很高的開發上限。

2.4 基于STM32的控制器設計

STM32外圍電路主要包括時鐘、復位、啟動和各個電源和參考引腳去耦電容的配置。STM32使用8 MHz晶振，過內部分頻器、倍頻器處理后獲得72 MHz內部時鐘。STM32的復位電路需要用0.1 μf電容接地以實現上電復位功能，外圍電容設計時則要求在每對Vdd和Vss之間就近配置0.1 μf。晶振兩端需要按照設計規范要求配置22 μf電容[10]。為了方便調試，筆者還特地加上了JTAG/SWD調試接口。本文所設計的小型仿人機器人控制系統相關的硬件和軟件均在閃存儲存器中運行，因此啟動配置需將BOOT0接地，具體形式如圖11所示。

引腳BOOT1BOOT0啟動位置啟動模式X0主閃存被映射到啟動地址主FLASH01系統存儲器被映射到啟動地址系統儲存器11內部 SRAM 被映射到啟動地址內部SRAM

圖11 芯片啟動配置情況圖

將SD卡進行拓展，以便用來儲存圖片、音樂、動作組等。除了MCU外圍電路，還有與上位機通信使用的串口通信電路，因為下位機的邏輯電平為5 V/3.3 V，與PC端電平不匹配，因此需要進行電平匹配。以往主流的設計方式是使用MAX3232芯片作為核心，將邏輯電平轉換為±10 V，再配以9針串口與PC端相連。然而現在一般的電腦，尤其是筆記本電腦早已取消了9針串口，因此本文選擇使用CH340芯片設計串口轉USB電路。

無線傳輸模塊NRF2401通過SPI接口和MCU相連，其對應接口PCB設計如圖12所示。

圖12 無線模塊電路圖

至此，小型仿人機器人控制系統及其主體電路的設計與構建工作即告完成。

3 實驗結果與分析

系統主界面是用戶打開軟件的初始界面，便于用戶選擇功能模式。本文設計的機器人軟件系統包括三個功能模式：機器人的虛擬組裝、三維可視化編程控制以及機器人在智能家居里面的運用(在此只介紹機器人的虛擬組裝)。除了三個模式切換按鈕控件，還有一個界面預覽模型切換功能，即切換主頁面中機器人2D模型圖與3D模型圖。主界面的效果如圖13所示。

圖13 主界面模型預覽

3.1 機器人三維模型組裝模塊功能的實現

從主界面通過觸發“組裝”按鈕進入虛擬三維模型組裝模塊場景，首先用戶點擊界面上相應零件模型圖片，場景則加載相應模型；再點擊選中要組裝的模型，進行拖拽；拖拽到相應模型位置，發生碰撞檢測；若碰撞檢測到是正確位置，那么零件模型自動精確定位到相應位置，完成零件的安放。

3.2 機器人三維模型組裝用戶界面實現效果展示

圖14是進入三維模型組裝場景的初始界面圖：

圖14 三維模型組裝初始用戶界面

設計將界面分為兩部分：UI圖標交互部分和三維模型組裝場景部分。用白條隔開的左側是模型圖標界面和模型編輯工具欄，由于模型圖標較多，而界面大小有限，將模型圖標分為三個Widget中，分別存放機器人手部零件模型圖標、身體零件模型圖標和腿部模型圖標，并通過右下側的粉色回轉按鈕切換這些Widget，便于獲取相應模型；界面中左側上部是模型編輯工具欄，有個垃圾桶圖標按鈕，用于清空場景中的零件模型。界面右側為三維模型組裝場景部分，透明機器人是便于用戶組裝的參照和定位的背景機器人模型；右側的右下角有個白色小屋圖標按鈕用于退出該場景，返回到主界面中。整個機器人虛擬現實組裝的效果非常良好，完全實現了預期的目標。

4 結語

隨著我國機器人技術的不斷發展和機器人教育的不斷推進，加強培養掌握機器人技術、熟悉機器人應用的創新性人才變得日益重要。教育機器人作為機器人教育的主要教學載體，完善其教育功能，改進其教學體系，對機器人教育的推廣具有重大意義，也對青少年創新型人才的培養具有重大意義。本文研發了一款適用于機器人教育教學的多功能、多用途、普適性的19自由度的小型仿人機器人，主要完成了該機器人的機械結構設計與控制系統構建工作。所設計的機器人機械結構可靠性高、工藝性好、結構緊湊、樣式新穎；所構建的機器人控制系統魯棒性高、穩定性好、控制準確、反應迅速，圓滿地實現了預期的設計任務。有望通過后續軟件系統的開發提高其運動效能，真正在青少年機器人教育中發揮重要作用。