一種仿人型體操機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

韓瑞瑞 王少坤

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 陜西省咸陽(yáng)市 712100）

隨著現(xiàn)代化、智能化的快速發(fā)展，智能機(jī)器人不斷走向人們的視野中。并日益應(yīng)用于餐飲服務(wù)、醫(yī)療康復(fù)、汽車與船舶等行業(yè)人機(jī)協(xié)作場(chǎng)合，幫助人類完成復(fù)雜繁瑣的重復(fù)性工作。然而隨著人們?cè)谖镔|(zhì)生活的日益滿足，對(duì)精神層面的生活要求也越來(lái)越高，所以?shī)蕵?lè)性的體操機(jī)器人、舞蹈機(jī)器人、籃球機(jī)器人等應(yīng)運(yùn)而生。體操機(jī)器人是一種用于2020 中國(guó)機(jī)器人大賽工程競(jìng)技類項(xiàng)目中的比賽機(jī)器人，該機(jī)器人要完成走步、前滾翻、后滾翻、單手俯臥撐、雙手俯臥撐、左右側(cè)手翻、倒立、倒立劈叉等競(jìng)賽動(dòng)作，裁判將依據(jù)機(jī)器人外形的類人程度和動(dòng)作的完成情況來(lái)評(píng)定成績(jī)[1]。為了完成所有規(guī)定動(dòng)作并提高動(dòng)作的連貫性，對(duì)體操機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，同時(shí)這些設(shè)計(jì)和實(shí)踐對(duì)類人型機(jī)器人研究和探索具有非常重要的參考價(jià)值。

1 體操機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)要求和元器件選型

根據(jù)比賽發(fā)布的規(guī)則中要求的動(dòng)作要求，以不多于14 個(gè)舵機(jī)為前提，對(duì)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。要求體操機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)必須是具有垂直轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并滿足靜態(tài)時(shí)機(jī)器人腿部的水平向自由度中兩個(gè)相鄰關(guān)節(jié)最大展開角度不小于120°的規(guī)則要求。機(jī)器人整體必須有明顯的頭、手臂、軀干和雙足等部分，與人體的結(jié)構(gòu)比例相協(xié)調(diào)，機(jī)器人腰部以下要大于總高度的一半。體操機(jī)器人硬件系統(tǒng)分為三大部分：舵機(jī)，舵機(jī)控制器，連接結(jié)構(gòu)件（包括舵機(jī)連接件、手部結(jié)構(gòu)件、足部結(jié)構(gòu)件）等。其中舵機(jī)選用RDS3115 舵機(jī)，其具有扭力大、連接方便等特點(diǎn)，是專用于機(jī)器人的數(shù)字舵機(jī)，如圖1 所示；舵機(jī)控制器采用基于STM32 的16 路舵機(jī)控制板，并外加Arduino Nano 作為上位機(jī)進(jìn)行控制，可以方便后期擴(kuò)展功能。舵機(jī)連接件采用輕質(zhì)鋁合金材料，加強(qiáng)了機(jī)械本身的硬度，減輕了機(jī)器人質(zhì)量[2]。如圖2 所示。

圖1：RDS3115 舵機(jī)

圖2：16 路舵機(jī)控制版

1.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則要求，體操機(jī)器人的14 個(gè)舵機(jī)配置應(yīng)該綜合考慮機(jī)器人整體尺寸和伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩， 確定機(jī)器人的中心位置為腰部，以腰部為分界線，從上肢、下肢兩個(gè)角度進(jìn)行舵機(jī)分配。人體上肢主要包括頸部、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，以及其他較小的關(guān)節(jié)，為契合機(jī)器人研制目標(biāo)，不再對(duì)如此數(shù)量龐大的自由度逐個(gè)還原，僅保留三個(gè)重要部分：頸部、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)。將肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為上下擺動(dòng)，所以雙臂分別設(shè)計(jì)為兩個(gè)水平的自由度共4 個(gè)舵機(jī)[3]。為了便于手臂的連接，頸部設(shè)計(jì)為兩個(gè)舵機(jī)，上肢共設(shè)計(jì)六個(gè)舵機(jī)。手部結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)為一個(gè)梯形狀手掌，方便動(dòng)作及支撐。

下肢舵機(jī)的舵機(jī)分配要考慮機(jī)器人的行走功能。機(jī)構(gòu)包括腿部和足部，腿部由大腿和小腿組成，連接軀干和大腿的關(guān)節(jié)稱為髖關(guān)節(jié)；連接大腿和小腿的關(guān)節(jié)稱為膝關(guān)節(jié)；連接小腿和足的關(guān)節(jié)稱為踝關(guān)節(jié)[4]。比賽規(guī)則里的準(zhǔn)備動(dòng)作里有機(jī)器人的行走項(xiàng)目，所以腿部結(jié)構(gòu)采用8 個(gè)舵機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，每條腿是4 個(gè)舵機(jī)，分別為偏移重心舵機(jī)（踝關(guān)節(jié)舵機(jī)）、膝關(guān)節(jié)舵機(jī)以及髖關(guān)節(jié)（胯部舵機(jī)），其中膝關(guān)節(jié)且有兩個(gè)舵機(jī)采用無(wú)機(jī)構(gòu)件連接方式進(jìn)行組裝，從而使它的整體身高長(zhǎng)度縮短，降低重心。足部結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)是采用傳統(tǒng)的正方形方案，受力更加均勻的，而且相比于競(jìng)速機(jī)器人常用的長(zhǎng)方形板子或者弧形腳底板，正方形的板子面積小更有利于體操機(jī)器人完成前滾翻和后滾翻動(dòng)作，在側(cè)面滾翻時(shí)也會(huì)提供機(jī)器人較大的助力。第一代和第二代機(jī)器人實(shí)物圖如圖3 和圖4 所示。

圖3：第一代機(jī)器人實(shí)物圖

圖4：第二代機(jī)器人實(shí)物圖

圖5：做側(cè)翻分解動(dòng)作流程圖

2 機(jī)器人設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 腿部結(jié)構(gòu)改進(jìn)

經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)上述方案設(shè)計(jì)出的體操機(jī)器人有以下缺點(diǎn)：

（1）腿部的無(wú)機(jī)構(gòu)件連接方式不僅可靠性和便捷性差，且使機(jī)器人結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱，其重心不在機(jī)器人的對(duì)稱軸上，導(dǎo)致步伐調(diào)試復(fù)雜，步長(zhǎng)較短，且在完成劈叉站立動(dòng)作時(shí)容易出現(xiàn)重心前傾現(xiàn)象。

（2）腳部偏移重心舵機(jī)與膝關(guān)節(jié)舵機(jī)整體協(xié)調(diào)度腳底，使機(jī)器人行走不平穩(wěn)。

所以其腿部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與否決定了機(jī)器人能否順利行走。要使機(jī)器人平穩(wěn)的行走，首先要設(shè)計(jì)好機(jī)械結(jié)構(gòu)其精確尺寸，還要把握住其各個(gè)關(guān)節(jié)的整體協(xié)調(diào)度。體操機(jī)器人的腿部以及腳步結(jié)構(gòu)都要圍繞著能讓機(jī)器人更快，更穩(wěn)的行走。機(jī)器人需要有嚴(yán)格的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并保證機(jī)器人的重心盡可能的低[5]。故我們優(yōu)化為圖6 所示結(jié)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)、胯關(guān)節(jié)舵機(jī)背靠背連接構(gòu)成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，既提高了舵機(jī)連接的穩(wěn)定度，穩(wěn)定了重心，又簡(jiǎn)化了后期動(dòng)作調(diào)試，能夠通過(guò)對(duì)稱調(diào)節(jié)完成腿部角度的變化，順利完成劈叉站立動(dòng)作，其步長(zhǎng)也明顯增加。

2.2 手掌結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)體操機(jī)器人要完成動(dòng)作的特殊性，手部結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵一環(huán)。在完成側(cè)翻和倒立動(dòng)作時(shí)，我們的手臂會(huì)成為主要的受力對(duì)象和支撐對(duì)象，所以必須要有足夠的硬度和合理的機(jī)械設(shè)計(jì)從而助力機(jī)器人完美完成動(dòng)作。原梯形式手臂為木質(zhì)結(jié)構(gòu)且與舵機(jī)是通過(guò)簡(jiǎn)單的膠布纏繞連接，如果受力過(guò)大容易折斷。因此吸取比賽的經(jīng)驗(yàn)和其他優(yōu)秀的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人的手臂進(jìn)行了創(chuàng)新和升級(jí)改造?；诖耍覀兏鼡Q手部結(jié)構(gòu)件為通過(guò)機(jī)械連接的鋁合金U 型手臂。如圖6 所示。改進(jìn)后的創(chuàng)新型手臂有使得機(jī)器人在完成比賽動(dòng)作時(shí)更加流暢。下面以側(cè)翻為例說(shuō)明其優(yōu)勢(shì)。體操機(jī)器人的每一個(gè)動(dòng)作都可以進(jìn)行細(xì)分，將一個(gè)連續(xù)的動(dòng)作分為幾個(gè)關(guān)鍵的姿勢(shì)，從而分步完成[6]。將左側(cè)翻動(dòng)作分為幾個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作，分解流程圖如圖5 所示。

改進(jìn)后的手臂前后兩個(gè)支撐面，這樣在側(cè)翻的第二步驟抬起左臂，再抬起右腿時(shí)前面弧形支撐面可以給一個(gè)支撐力，使機(jī)器人平穩(wěn)的與地面接觸，受力平衡。接著在左手傾斜時(shí)重心左移步驟時(shí)又時(shí)可以用自帶的傾斜手臂給機(jī)器人右上方傾斜的力使其快速平穩(wěn)的翻過(guò)。

3 舵機(jī)控制器優(yōu)化

在硬件電路板方面的改進(jìn)是采用自主設(shè)計(jì)的全新型16 路舵機(jī)控制器。相比之前的舵機(jī)控制器，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)16 個(gè)舵機(jī)的控制，還集成了傳感器輸入接口，便于連接多種數(shù)字化傳感器，不再需要Arduino Nano 的配合。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制，除了擁有強(qiáng)有力的硬件結(jié)構(gòu)外，還必須有相應(yīng)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行配合。需要通過(guò)算法的編程，使機(jī)器人完成指定的動(dòng)作指令[7]。故通過(guò)自主設(shè)計(jì)的編程平臺(tái)，簡(jiǎn)單易上手，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)RDS3115 舵機(jī)動(dòng)作的實(shí)時(shí)控制和調(diào)整。結(jié)構(gòu)的改變也引起了動(dòng)作設(shè)計(jì)的改變，第二代機(jī)器人建立的動(dòng)作庫(kù)和程序代碼也與第一代機(jī)器人的完全不同。舵機(jī)控制板如圖6 所示，舵機(jī)控制板PCB 圖如圖7 所示。

圖6：舵機(jī)控制板

圖7：舵機(jī)控制板PCB 圖

4 機(jī)器人調(diào)試與結(jié)論

仿人形的體操動(dòng)作不僅考驗(yàn)機(jī)體自身質(zhì)量的大小和舵機(jī)性能的優(yōu)劣，更加考驗(yàn)機(jī)體自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及手臂部分和下肢部分的比例關(guān)系是否協(xié)調(diào)。所以綜合運(yùn)用了單片機(jī)控制、舵機(jī)控制、機(jī)械設(shè)計(jì)等知識(shí)，對(duì)機(jī)器人經(jīng)過(guò)多次的設(shè)計(jì)改進(jìn)和反復(fù)的調(diào)試之后，使得體操機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上更加的對(duì)稱，行走步態(tài)更加平穩(wěn)，舵機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)更加協(xié)調(diào)，可以優(yōu)異的完成比賽的要求動(dòng)作，并且在自創(chuàng)動(dòng)作的設(shè)計(jì)中又加入了高難度180°劈叉弓腰動(dòng)作，很好地展示了硬件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并取得不錯(cuò)的比賽成績(jī)。

體操機(jī)器人相比于其他工業(yè)機(jī)器人，因?yàn)榫哂腥犴樞?、多變性、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)，所以可以更好的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、環(huán)境和人之間的共融。因此隨著科技的更加發(fā)展，在軟硬件技術(shù)的結(jié)合之下，體操機(jī)器人將會(huì)有更好的發(fā)展前景。