簡易人形機器人設(shè)計

趙學玲，邊授權(quán)，郝立果，趙 鵬

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學工程實訓中心，天津 300222）

人形機器人是一種具有人的外形特征和行為的機器人，它能夠代替人類完成各種作業(yè)，并可以在很多方面擴展人類的能力，提高效率。人形機器人已在服務(wù)、醫(yī)療、教育、娛樂、救災(zāi)搶險等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。美國、日本、韓國、英國等國家都在研制人形機器人方面做了大量的工作，并已取得突破性的進展[2]。我國在這方面也做了很多工作，國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學等研制出了雙足步行機器人[3]；北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京科技大學研制出了多指靈巧手[4]；中科院合肥物質(zhì)研究所研制出了智能腳等[5]。本文介紹一款低成本的小型人形機器人，該機器人能夠滿足雙足機器人的基本要求，且具備最基本的運動功能。在機械結(jié)構(gòu)方面，參照人體實際的肢體比例制作了軀干、四肢和頭，各活動關(guān)節(jié)利用舵機構(gòu)建，并設(shè)計一個舵機的驅(qū)動器，用于控制舵機以實現(xiàn)各關(guān)節(jié)動作；利用Visual Basic設(shè)計了舵機控制軟件，實現(xiàn)對機器人的運動控制。實驗表明人形機器人能夠完成規(guī)定的舞蹈動作組合。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

人形機器人整個系統(tǒng)主要由機械結(jié)構(gòu)、控制電路和上位機控制軟件3部分組成，如圖1所示。機器人的機械結(jié)構(gòu)仿照真人的肢體搭建并盡可能接近實際人體的比例，各關(guān)節(jié)的活動通過舵機實現(xiàn)；控制電路用于驅(qū)動控制每一臺舵機，模仿人的肢體動作；上位機控制軟件用于編排機器人舞蹈，計算出實現(xiàn)每一個動作相應(yīng)關(guān)節(jié)的運動角度。

操作者根據(jù)機器人要做出的舞蹈動作，將每一個關(guān)節(jié)的動作幅度和先后順序進行編排，并輸入上位機軟件中；運行軟件后，上位機將通過串行通信接口，將動作指令逐一發(fā)送到控制器；控制器中的CPU在得到指令后，將控制相應(yīng)的舵機運動并達到指定位置，舵機帶動肢體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)模仿各種肢體動作。在制作時，將舵機控制器和電池安裝于機器人本體上。

2 機器人機構(gòu)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)是機器人做出各種模仿動作的基礎(chǔ)，人體關(guān)節(jié)十分復(fù)雜，要模仿出惟妙惟肖的人體動作，機器人的關(guān)節(jié)數(shù)量及自由度就要盡可能的多[6]，但關(guān)節(jié)數(shù)量和自由度的增加會使得機器人的控制難度增加，硬件成本提高[7-9]。“舞蹈演員”在表演時，他們的雙臂和雙腿以及頭部動作會形成較好視覺效果，而手指等部位的動作一般看不清楚?？紤]以上因素，機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計本著抓大放小的原則[10]，只選用動作幅度較大、動作明顯的主要肢體和關(guān)節(jié)，并減少其自由度，對于手指、脊椎等關(guān)節(jié)則忽略不計。

2.1 機器人肢體和自由度配置

機器人的肢體結(jié)構(gòu)主要由頭、軀干、雙上肢、雙下肢共6個肢體組成，如圖2所示。機器人頭部與軀干通過頸關(guān)節(jié)連接，為簡化控制頸關(guān)節(jié)，只保留了1個左右旋轉(zhuǎn)的自由度；上肢通過肩關(guān)節(jié)與軀干連接，肩關(guān)節(jié)有2個自由度，可做出側(cè)擺臂和前后擺臂動作，大臂和小臂之間通過肘關(guān)節(jié)連接，1個彎曲自由度；下肢與軀干通過髖關(guān)節(jié)連接，具有2個自由度，可做出側(cè)抬腿和前后抬腿的動作。大腿與小腿之間由膝關(guān)節(jié)連接，可做彎曲動作；小腿與足部由踝關(guān)節(jié)連接，可做彎曲動作。機器人本體由11個關(guān)節(jié)組成，共有15個自由度。

圖2 人形機器人肢體結(jié)構(gòu)

2.2 機器人肢體的設(shè)計

由于機器人要直立行走并做出各種動作，進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要在保證機械強度的基礎(chǔ)上，盡可能減化機構(gòu)、減輕重量，所以在選擇材料上以鋁制型材為主。機器人肢體外形圖如圖3所示。圖3（a）為機器人軀干，利用鋁片制成外形輪廓，中空部分用于安裝電路和電池；圖3（b）為上、下肢基本形狀，利用鋁片制成U形，根據(jù)安裝位置的不同可對其尺寸進行調(diào)整，在作為機器人肢體同時，還可用于固定舵機。

圖3 機器人肢體外形圖

2.3 機器人肢體關(guān)節(jié)的連接

將完成后的機器人肢體按照對應(yīng)位置連接起來，機器人本體的機械結(jié)構(gòu)也就基本完成了。為了簡化機構(gòu)，采用舵機輸出軸直連的方式進行肢體的連接，舵機軸旋轉(zhuǎn)的角度對應(yīng)關(guān)節(jié)彎曲的角度。對于2個自由的肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，則采用2個舵機正交連接的方式，圖4所示為完成連接的機器人本體機構(gòu)。

圖4 機器人本體結(jié)構(gòu)

3 機器人控制電路設(shè)計

機器人控制電路的主要作用是根據(jù)編排好的舞蹈動作，控制舵機輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度，使機器人關(guān)節(jié)彎曲做出各種肢體動作?？刂齐娐返目刂茖ο笫嵌鏅C，其控制信號為50 Hz的方波，通過改變方波的占空比來控制舵機的輸出角度?？刂齐娐酚蒑CU、電源單元、通信接口和I/O擴展4個部分組成，如圖5所示。

圖5 機器人控制電路結(jié)構(gòu)

3.1 電源單元

電源單元利用6 V鋰電池作為能源，輸出6 V和5 V兩路電壓，其中6 V電壓用于舵機供電，5 V電壓用于單片機和其他芯片供電。機器人本體采用了2種舵機，頭部和肘關(guān)節(jié)處由于受力小，選用額定電流為30 mA舵機，其他12個舵機的額定電流為150 mA，如所有舵機同時達到額定電流，可產(chǎn)生1 890 mA電流，所以電池選擇最大放電能力為3 A。其他芯片總電流不大于100 mA，選用7805穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓產(chǎn)生。

3.2 MCU及接口單元

系統(tǒng)MCU采用AVR系列的8位單片機ATMEGA48，單片機與PC機之間采用串行通信，利用MAX232芯片進行TTL到RS232電平的轉(zhuǎn)換，利用4個74HC595串入并出芯片實現(xiàn)I/O口擴展，可產(chǎn)生32路方波輸出，最多同時控制32個舵機。為避免控制延時過長，將4個74HC595芯片分為2組，由2組I/O口分別控制，為了減小體積，選用貼片元器件制板，電路板如圖6所示。

圖6 I/O擴展接口圖

3.3 單片機程序設(shè)計

單片機程序的主要功能是根據(jù)上位機發(fā)來的指令控制對應(yīng)的I/O口輸出不同占空比的方波，程序主要包括：通信子程序、定時子程序和I/O輸出子程序，程序流程圖如圖7所示。單片機上電后首先進行初始化，對不同關(guān)節(jié)的舵機輸出不同占空比的方波，使機器人處于直立狀態(tài)。初始化完成后進入主循環(huán)，程序循環(huán)體主要包括以下步驟：查詢串口指令—改變占空比值—定時比較—輸出刷新。

圖7 單片機程序流程圖

串口接收的指令為連續(xù)的2幀數(shù)據(jù)，每幀16個字節(jié)。為了減少單片機的程序運算量，串口數(shù)據(jù)中每一個字節(jié)代表一路輸出脈寬為0.1 ms的方波，該方波用于控制一個舵機。舵機選用的是盛輝MG599，其控制信號為周期20 ms的脈寬調(diào)制信號，其中脈沖寬度為0.5～2.5 ms，相對應(yīng)舵盤的位置為0°～180°，兩者間呈線性變化。

利用定時器產(chǎn)生0.1 ms時基的中斷，在中斷處理函數(shù)中對定時變量進行累加，在主程序的循環(huán)體中，將定時變量與脈寬值數(shù)組中的數(shù)據(jù)逐一進行比較。當變量值與數(shù)組中的某一元素相等時，此元素對應(yīng)的I/O口將輸出低電平，當定時達到20 ms時，所有I/O口輸出高電平，同時將定時變量清零。32路PWM輸出的時序如圖8所示。

圖8 PWM輸出時序圖

4 機器人控制軟件設(shè)計

機器人的舞蹈動作編排軟件利用VB程序設(shè)計，操作者根據(jù)設(shè)定的舞蹈動作，分解成每個舵機的角度變化，并將其按照動作順序輸入到界面中。為了簡化操作，本著簡單實用的原則，只設(shè)計一個界面，如圖9所示?？刂平缑嬷饕ㄍǖ涝O(shè)置、串口設(shè)置和操作設(shè)置3個部分，串口設(shè)置部分用于設(shè)置通信波特率、數(shù)據(jù)格式等通信參數(shù)，在完成串口基本設(shè)置后即可以對機器人的舞蹈動作進行編排。

圖9 上位機控制界面

根據(jù)機器人實際用到的舵機數(shù)量，選擇并激活相應(yīng)的控制通道，將舞蹈動作進行分解，通過拖動界面中的每一通道的進度條，控制相應(yīng)舵機轉(zhuǎn)動，一個分解動作中所有關(guān)節(jié)設(shè)置好后，點擊添加指令，本動作將被存入指令序列，按此方法將所有動作設(shè)置好，即完成了動作的編排。點運行指令，上位機將按照設(shè)定的間隔時間將指令序列依次發(fā)送到下位機，機器人即可實現(xiàn)舞蹈動作。

5 實驗測試

在完成了機器人的制作后，通過實驗對系統(tǒng)的功能和可靠性進行驗證，實驗主要包括單關(guān)節(jié)測試和多關(guān)節(jié)關(guān)聯(lián)調(diào)試。單關(guān)節(jié)測試的目的主要是確定其轉(zhuǎn)動角度的范圍、方向是否正確并確定初始位置，利用上位機控制界面，通過改變每個通道的值，觀察相應(yīng)關(guān)節(jié)的運動，確定其初始位置，通道1～15與各關(guān)節(jié)自由度的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

通過對單獨關(guān)節(jié)的測試，證明本系統(tǒng)單獨關(guān)節(jié)可以模仿人肢體的基本運動，而模仿人體動作需要多個關(guān)節(jié)關(guān)聯(lián)運動，在完成了單獨關(guān)節(jié)動作的測試后，還應(yīng)進行多關(guān)節(jié)關(guān)聯(lián)動作的測試。以簡單下蹲動作為例，需要髖、膝、踝關(guān)節(jié)配合動作，以保證其重心位置不會偏移而摔倒，通過不斷調(diào)整相關(guān)關(guān)節(jié)的放置角度和速度及前后關(guān)系，最終使其能夠平衡地完成下蹲動作。

表1 機器人靜止時各關(guān)節(jié)初始位置

6 結(jié)束語

本文介紹了一種人形機器人的設(shè)計，按照人體比例設(shè)計了機器人的結(jié)構(gòu)，利用15個舵機實現(xiàn)各個關(guān)節(jié)的動作，組成了具有15個自由度的人形機器人，并設(shè)計了一個集成舵機控制器，通過與上位機通信的方式協(xié)調(diào)控制多路舵機。通過對人形機器人進行各項測試，驗證了設(shè)計的合理性，通過大量的實驗最終實現(xiàn)了完整的舞蹈動作。

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