基于創新工程實踐能力培養的小型仿人機器人設計＊

王升升

（吉林工業職業技術學院，吉林 吉林 132013）

0 引言

由于受傳統教學理念、教學模式、教學方法等因素的制約, 學生自主學習能力較弱已成為制約我國高校教學質量以及人才培養質量的重要因素。很多高校正大力發展學生社團等第二課堂建設，輔助教學，激發學生自主學習和創新工程實踐能力。但是在生源質量日益下滑的情況下，高職院校第二課堂和學生社團的開展也面臨著很大的阻力，這也使第二課堂建設在促進學生自主學習和創新實踐能力的功能上大打折扣。

發展第二課堂培養學生的創新工程實踐能力，可以與教學體系和人才培養方案互補，在現有人才培養方案的學習基礎上增加個性化工程實踐培養，既能滿足學生個性化專業發展需求，又能夠給予學有余力的同學提高個人專業技術技能的機會。

小型仿人機器人是工業機器人中非常重要的一個分支，在其算法功能、仿人的機械結構、外設傳感器的識別功能等方面一定程度上代表機器人的先進程度。工科專業學生要求動手實踐能力強，對于專業的理論知識不僅要求真懂、真會，同時要求學生對所學的知識懂得其用途。小型仿人機器人是一個工科專業的交叉體，對專業中的機械結構、控制方法、電動機直流技術、控制算法等都有很深的涉及，適合作為學生創新工程能力培養的實踐項目。通過梳理工科專業現有的專業課程，結合創新創業教育的實際，開發了小型仿人機器人工程實踐項目。

1 設計思路

小型仿人機器人的設計研發過程中需要掌握和學習多學科的知識和技能，是一個綜合類的設計項目。小型仿人機器人的設計的思路是完成小型仿人機器人的機械結構設計、系統硬件設計、軟件系統設計，最終進行試驗。同時在課程的教學中把機械工程、電路、電子元件焊接、計算機語言等課程有機地結合到一起，通過學生自主預習、自主進行方案設計提出設計小型仿人機器人項目[1]。具體步驟如下：

1）自主學習小型仿人機器人所需理論知識等。

2）在教師帶領下自主進行整體機械結構設計。

3）利用自主學習的綜合知識進行硬件設計，包括硬件的選型、電路設計和調試等步驟。

4）利用自主學習的綜合知識進行軟件設計，包括舵機驅動、程序設計、上位機設計和調試等步驟。

通過學生的自主學習進行機械結構的設計，為小型機器人的動作進行自由度的分配，同時進行驅動原件的選擇。在硬件系統設計中，選擇核心的傳感器和CPU，同時進行核心電路的設計[2]。在軟件設計中使用插補法等對舵機進行軟件控制，使用編程軟件進行傳感器的驅動設置。通過以上項目讓項目組的學生人人有分工、人人有活干、人人能動手，積極培養學生的創新工程實踐能力。

2 小型仿人機器人設計

2.1 機械結構設計

小型仿人機器人的機械設計任務分為5部分： 1）機器人自由度的分配。2）機器人在運動過程中選取的驅動原件。3）設計小型仿人機器人的各機械部件，確定結構參數。4）建立完整的數學模型，進行運動學分析。5）完成機器人的組裝。具體研發思路如圖1所示。

圖1 機械結構設計內容

在進一步的設計中，進行機器人的自由度分析，自由度是仿人機器人重要的控制指標，包括機器人整體大小、驅動伺服電機的力矩、機器人的中心位置等[3]。通過確定中心位置把機器人分為上肢與下肢，分別分配自由度。仿人機器人中上肢自由度分配主要是頸、肩、肘、腕四個方面。仿人機器人下肢自由度分配主要是雙腿自由度、踝關節自由度、髖關節自由度三方面的分配。下肢自由度的分配關系到仿人機器人的行走方式。仿人機器人的動力源是驅動電機，通過不同電機的對標，選取舵機作為動力電機。舵機的優點是可以反饋位置信號，可以很好分配關節的自由度[4]。

2.2 控制系統硬件設計

在完成機械結構設計后，關鍵是控制系統的設計。控制系統是仿人機器人的大腦中樞，只有控制系統設計合理才能使仿人機器人正常運動。通過前期的機械設計，確定控制系統硬件的安裝部位，機器人的背部空間較大可以安裝較多的硬件，如主控板、姿態傳感器、通訊模塊。驅動電源電池安裝在機器人的腹腔[5]，如圖2所示。

圖2 控制系統硬件設計圖

2.3 控制系統電路設計

控制系統硬件設計后，需要各個硬件系統進行互聯，通過主控的芯片來處理傳感器傳回的各種數據并進行控制，其控制系統硬件電路設計中采用由上向下的方式進行設計，其核心電路如圖3所示。

圖3 核心電路

2.4 控制系統軟件設計

小型機器人在機械機構、硬件構成、電路設計正常工作的前提下，控制程序是決定小型機器人工作正常的關鍵。軟件系統的設計采用傳統的三層，分別為執行層、應用層、驅動層。執行層主要功能為調試、編寫動作庫，從控制器發送指令；應用層是控制器的軟件核心；驅動層主要實現小型機器人的動作和功能，控制指令轉換成電機識別的脈沖信號[6]。

舵機是小型機器人的動作控制電機，舵機的控制調速算法采用插補法，通過算法確定舵機的初始位置、運行時間及最終位置，通過調節時間及舵機的角度控制機器人的運行速度。插補算法可以分為兩種，分別是定時插補和定距插補。插補調速算法如圖4所示。

圖4 插補調速算法

由上圖可知，運行時間T1=20ms脈沖調整，進行轉換為T2=20ms，脈沖寬度增加，增加量為每次△T/n，經過n次后，舵機平穩運行，速度平滑[7]。小型仿真機器人的平穩運行需要多舵機的聯動控制，起到串聯作用的是控制軟件。主要的控制方法為分時細化，通過圖4可知運行周期為20ms，將一個周期分為8段，通過平分時間段，每一個時間段控制一個舵機。

2.5 傳感器檢測

傳感器是小型機器人的檢測元件，可以進行三軸加速度處理，其驅動核心是MPU6050芯片，可以直接處理傳感器輸出的陀螺儀和加速度計數據。在工作時其坐標系的定義如圖5所示。芯片文字垂直向上以芯片的中心為原點，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，文字垂直向上為Z軸[8]。

圖5 MPU6050檢測軸方向

3 小型仿真機器人調試

完成機器人的機械結構設計、硬件軟件設計之后，進行機器人的硬件調試。通過核心控制器與每個舵機進行連接，測試控制器的控制情況，軟件編程及其舵機的運行情況。通過測試，驗證舵機在接收到控制器的指令時，能否完成目標位置及其運動時間。舵機運動響應曲線及時間如圖6所示[9]。

圖6 舵機運動位置及時間

4 結論

小型仿人機器人的設計涉及到多學科知識與實踐，學生在實踐中能充分的融合不同學科知識，大大提高了學生的創新工程實踐能力。同時學生在機器人設計初期的調研，也大大提升了學生分析、總結問題的能力，對于現有學生創新創業具有較大的借鑒作用。