小型舞蹈雙足機器人的設計及實現

唐家雯

摘 要

小型舞蹈雙足機器人屬于較為復雜的機電一體化系統。本次設計中通過對各模塊化環節的一一解決，成功研發了一款功能齊備、動作靈活的舞蹈機器人。其具有在動作的協調性及控制技術層面的突出優勢，是目前較為先進的小型雙足機器人模式。本文就小型舞蹈雙足機器人設計的總體思路予以了闡述，并對此次研究過程的小型舞蹈雙足機器人的軟硬件設計及其達成進行了深入的分析，將為我國小型雙足機器人的設計與實現提供部分參考。

關鍵詞

雙足機器人;設計;實現

中圖分類號： TP242 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.069

近年來，我國機器人研究領域獲得了巨大的進步。這一進程不僅推動了機器人設計的發展，也在較大程度上帶動了仿生學、人工智能、計算機圖形學、通訊控制等相關領域的發展[1]。雙足步行機器人是機器人設計領域的一朵奇葩。相對于其他類型的技巧人，其具有在非結構性環境中更好地適應性，同時在規避障礙能力、能耗上的突出優勢，具有較好的市場應用和研發前景。本次研究中主要是綜合運動各學科基礎知識，以小型舞蹈雙足機器人的設計為目標，通過對其結構設計、軟硬件系統設計的不斷探索，設計出了一款具有模塊化設計、功能齊備、動作靈活的舞蹈機器人?，F就其設計的總體思路和實施路徑展開回顧性分析[2]。

1 小型舞蹈雙足機器人設計的總體思路

1.1 設計思路

就一定層面上而言，小型舞蹈雙足機器人屬于較為復雜的機電一體化系統。這一設計目標的達成需要首先確立設計的整體思路。在本次研究中將總體設計流程為五個步驟：確定主體、具體結構和尺寸設計、搭建控制電路、運動服裝設計、調試程序。

在此次設計方案的制定過程中，以設計目標與功能要求的結合、實物造型與虛擬仿真的結合，樣機制作與實務驗證的結合，動作編排與運動特征的結合。這樣的四結合在極高程度上推進了舞蹈雙足機器人的一體化研究進程。

1.2 整體結構

機械結構設計是小型舞蹈雙足機器人設計工作的基礎，也是其功能實現的平臺。本次研發的小型舞蹈雙足機器人整體結構與人體大致相似，左右對稱，比例適中，機器人有18個舵機控制包括頭部、手臂、手肘、腰部、大腿、小腿、腳踝等部分。手臂部分共有6個舵機，控制機器人的手臂擺動，手肘的內外擺動以及小臂的轉動。腰部有1個舵機，使機器人的腰部可以轉動，使機器人的功能更多樣化。腿部共有10個舵機，主要控制機器人各種各樣的步行動作。機器人的每條腿均有一個驅動髖和一個驅動膝蓋。上端未被驅動的橫杠使機器人不能橫滾、偏轉和側向運動。所有的電機都安放在身體的上部，通過電纜向各個關節供電。為使產生的力矩精確作用在關節上，并使機器人具有較強的防震能力，每個自由度都采用了串聯彈性驅動法。機器手的動作形態是由三種不同的單動作——旋轉、回轉、伸縮組合而成的。

1.3 舞蹈動作

該型雙足舞蹈機器人的舞蹈動作參考部分京劇演員的舞蹈動作，而后自行設計出機器人的舞蹈動作。動作設計包括：①上臺，敬禮，半蹲致禮;②下蹲做好準備動作;③漸漸起來，同時手臂舉過頭頂，波浪狀扭動;④旋轉走位;⑤雙腿邁開漸漸向下彎曲，同時雙手舉過頭頂、上身后仰，下腰身體呈橋狀;⑥空中翻轉;⑦側屈伸舞扇;⑧一字馬;⑨雙腿左右輪流屈伸，彎腿時同時踮起腳尖，雙手小臂與大臂成90°;⑩雙腿微曲與肩同寬，左右手臂輪流抬舉與肩平齊，同時放下的另一只手向下伸直，身體配合左右擺動等。

2 小型舞蹈雙足機器人的軟硬件設計

2.1 硬件設計

2.1.1 硬件控制系統

該小型舞蹈雙足機器人硬件系統包括：單片機I/O口設備、上位機、舵機、傳感器等，其主要器件名稱及型號（見表1）如下：

其中，Stm32f103rct6單片機具有在J-LINK在線調試、多接口、通用定時器性能高等方面的突出優勢;32路舵機控制板具有在可以同時控制24路伺服電機，32位CPU、內部集成USB通信接口，穩定性高，24路伺候電機獨立指針設計，不會產生擁擠的現象等方面的優勢，這些硬件的優選在極大程度上達成了該小型舞蹈雙足機器人在結構學、動力學等方面的設計實現提供了硬件支點。＼

2.1.2 關節設計

從運動仿生學的角度對該小型舞蹈仿生機器人腿部的自由度進行了配置，以優化關節扭矩最小條件下兩步足的結構自由度優化方案[3]。在機器人的髖部和踝部各設有自由度，可以是該小型舞蹈雙足機器人的站立能力得以提升，同時在區髖部增加一個扭轉的自由度，這樣可以進一步地一定提升機器人的行走轉向能力，而在其踝部增加一個回轉自由度可以使得機器人的腳板對地面適應能力得以提升。并根據仿生學的基本原理對該小型雙足舞蹈機器人的運動動作及舞動動作做出規劃設計。而對于舞蹈機器人而言，其相對應傳統的雙足機器人在上肢的運動自由度上有著更高的要求。手臂的擺動能力將成為機器人可以達成相關設計要求的重要保障。就仿生學的角度而言，人體的肩部可以視為前向和側向的兩個自由度及肘部的一個向內折疊的自由度，收不運動的一個自由度。而作為舞蹈機器人其頭部的動作也是十分關鍵的，因此在本次設計的過程中創新性地在頭部加上了一個自由度，以更好地配合舞蹈動作的展現，提升機器人舞蹈的魅力[4]。

2.1.3 關節動力

在此次研究中對于該小型舞蹈機器人的關節動力選擇，受限于研發資金等因素，放棄了人工肌肉方案，而選擇伺服電機。該研究中所采用的伺服電機具有速度快、扭矩大、體積小等優勢，并兼具一定的經濟性，能夠基本達成對該小型舞蹈雙足機器人的設計要求。

2.2 軟件設計

2.2.1 上位機模塊

本次研究中在單片機的基礎上增加了上位機模塊單元，以突破單片機的功能限制來達成對復雜戲劇舞蹈動作的實踐。同時，上位機模塊也較好地實現了單片機機器人設計中在人機交互層面的弊端，能夠更好地實現這一功能。該型小型雙足舞蹈機器人能夠實現上臺，敬禮，半蹲致禮、一字馬等復雜的舞蹈動作得益于這一軟件模塊的支撐。

2.2.2 通信模塊

本次研究中的通信模塊功能強大，使語音識別模塊、紅外測距模塊等模塊的接入更為便捷。通過這些設備可實現機器人在運動過程中的定位，從而實現其在程序信號下的自主舞蹈的功能。

2.2.3 運動控制模塊

對于該小型舞蹈雙足機器人而言，其能夠被大家認可并喜歡，很大程度上需有其舞蹈動作的優美、流暢多決定[5]。一方面研發者要適當地編排優美的戲劇舞蹈動作，來實現機器人功能的最優變現，另一方面應進行得設計舞蹈動作，是舞蹈編排可以成為現實。而這些功能最終要反映到對該小型雙足舞蹈機器人的舵機的調教上來。該小型舞蹈機器人的舵機調教要使得分布在機器人周身的24臺伺服電機能夠準確、快速、穩定地運轉到指定位置，同時要實現對這24臺伺服電機的協調工作。這也是實現本次研究的核心環節。在這一過程中，采用單片機本身所帶的PWM口產生波形，PWM信號精度可以達到1μs，能夠滿足該小型舞蹈雙足機器人的高精度舵機的控制要求。同時，在這一運動模式的設計中，通過串口控制32路舵機控制板上的語音識別模塊及利用單片機的復用功能ad檢測紅外測距模塊傳遞的電壓。用于完成該小型舞蹈雙足機器人的人機互動環節[6-7]。

3 小結

1）舞蹈機器人是靈活的，需要做出各種各樣的動作來增加觀賞性，為了使機器人動作流暢順利地進行，我們最終選擇了金屬鋁作為主要材料，因為鋁易于加工，而且鋁密度較小，質量又輕，不會加重機器人的承載負擔。機器人整體結構與人體大致相似，左右對稱，比例適中，機器人有18個舵機控制包括頭部、手臂、手肘、腰部、大腿、小腿、腳踝等部分。能完成的動作包括：搖頭，旋轉;單腳著地、彎腰、下蹲，手摸地、腳點地打節拍、左右扭屁股;手倒立、拍手、敬禮、俯臥撐，手肘轉動。

2）機器人身上的單片機連接紅外對管模塊，紅外對管檢測賽場上的黑白圈，防止機器人出界。兩個紅外對管，依照遮擋次序可以完成兩次人機互動。參考了網絡上部分京劇演員的舞蹈動作，自行設計出機器人的舞蹈動作。機器人腰部添加了一個舵機，使機器人靈活地轉身，能夠做出更多優美的動作。

3）該小型舞蹈雙足機器人是通過調32路舵機控制器，驅動各個關節上的舵機工作;用傳感器接收人的指令信號，輸入單片機，編程處理，輸出一系列模擬的PWM波（stm32）改變舵機工作狀態，完成人機互動操作。

參考文獻

[1]楊成陽.基于串聯彈性驅動器的上肢康復機器人設計與運動規劃[D].江蘇大學，2016：1-82.

[2]田陽.小型雙足仿人機器人的設計與研發[D].中國海洋大學，2014：1-75.

[3]王健，孫志峻.雙足仿人機器人的設計與步態分析[J].機械與電子，2014，（11）：56-59.

[4]張文佳. 繩索牽引并聯機器人的點到點軌跡規劃與動力學控制[D].中國科學技術大學，2016：1-74.

[5]崔國華，張艷偉，張英爽，等. 六自由度串并聯機械手的構型設計與運動學分析[J].農業工程學報，2014，（1）：155-159.

[6]胡存，劉敬猛，陳偉海.基于Virtools的仿生六足機器人關節舵機運動仿真[J].中國測試，2014，（3）：65-68.

[7]王曉強，王帥軍，劉建亭.基于MATLAB的IRB2400工業機器人運動學分析[J]. 機床與液壓，2014，（3）：54-57，40.