人形機器人結構與動作的設計

許曉飛 鄒建勇北京信息科技大學自動化學院

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人形機器人結構與動作的設計

許曉飛 鄒建勇
北京信息科技大學自動化學院

摘要：文章主要是介紹兩種人形機器人的結構設計平臺，包括博創(chuàng)公司的架構組件和自己定制的架構組件。按照人形機器人的架構特點組建兩種人形機器人結構，并根據(jù)特定任務的驅使實現(xiàn)相應典型動作的設計。分別采用arduino控制器和博創(chuàng)MultiFlex2高級版控制器設計的人形機器人，完成了連貫動作任務最優(yōu)運動規(guī)劃，成功參加機器人特定動作挑戰(zhàn)賽。

關鍵字：人形機器人 結構 運動規(guī)劃

隨著社會的發(fā)展，人類的需要，類似人類雙足或腿的機器人比其他形式的機器人更適合人類制造的路況，如人行道樓梯和電梯等；而一些直接服務于人類的機器人，擁有人形外觀會使用戶體驗比較好。因此本文提出分別采用arduino和博創(chuàng)MultiFlex2高級版為控制器的兩種不同類型的機器人。

1　系統(tǒng)構成設計

1.1人形機器人結構設計

本文的人形機器人按人體三段式對稱結構布局，即頭部、軀干和腿部。頭部可以裝載各種儀器、設備，如攝像頭，可以識別物體特征；軀干是采用控制或固定控制器的結構，保證機器人的重心平衡。腿部才用輪式或雙足式架構，雙足可以擁有更多的自由度，用來更好地模擬人類行走。

1.2 人形機器人的動作設計

人形機器人動作的設計一般要經(jīng)過任務需求、初步設計、制作調試、優(yōu)化設計四個階段，如鳴鑼機器人的第一項動作是上臺自我介紹，然后根據(jù)任務設計動作，接著進行下載調試，最后根據(jù)調試結果進行優(yōu)化。如圖l所示的是完成上臺自我介紹任務動作的設計程序圖。人形機器人的動作設計與實現(xiàn)的過程是相當復雜的，它具有很大的主觀性、不確定性，而且隨著自由度的增多，各個關節(jié)之間的相互影響程度也會越來越大，動作設計和實現(xiàn)的工作量就會大量增加，如16自由度和8自由度機器人相比，設計動作時就要同時考慮16個關節(jié)，這16個關節(jié)之間往往有很多相互關聯(lián)的動作，在確定其角度、位置等參數(shù)時較8自由度人形機器人的設計，問題復雜度幾何倍數(shù)遞增，而我們所研究的機器人的自由度一般都在16個以上，沒有科學有效的方法，動作設計與實現(xiàn)幾乎是不可能完成的。

2　人形機器人的方案實現(xiàn)

2.1 基于arduino控制器

方案一：主要分三個部分：主控制器、主控制器的從控制器、從機控制器程序。以三機器人為例，前兩者是在一號機器人上，后者是在二號和三號機器人上各有一個。一號機器人上的主控制器負責處理從藍牙接收到的數(shù)據(jù)，并控制機器人執(zhí)行相應的動作；主控制器的從控制器是把接收到的數(shù)據(jù)通過藍牙轉發(fā)給另外兩個從機控制器（一號機部分兩個控制器采用的是SPI進行通信）。從機控制器和主控制器的功能基本相同。

方案二：控制器無主從之分，所有控制器都可以當作主控制器也可以當作從控制器。原理是在每個控制器設計時，都放置兩個藍牙，一個負責接收，另一個負責轉發(fā)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)從接收藍牙取得指令信號，然后控制機器人進行動作；轉發(fā)藍牙負責把數(shù)據(jù)轉發(fā)出去。這樣一條指令數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)控制多個機器人了。

2.2 基于博創(chuàng)MultiFlex2高級版控制器

基于博創(chuàng)MultiFlex2高級版控制器的人形機器人的設計目標是完成指定的技術動作。在一個規(guī)定的臺子上，從一定角度的斜坡沖上臺子，在臺子上利用攝像頭找到綠色柱子所在的麥克風，到達后播放自我介紹；然后找到在臺子中央的白色柱子，到達后用手將柱子上的繡球拿下來，扔到場外；回到中央再把白色柱子推到場外；尋找黃色銅鑼位置，到達后用手敲擊銅鑼三次；尋找舞臺中央，到達中央“武”字的紅的區(qū)域，進行武術動作表演，最后向裁判致謝，尋找擂臺邊下臺。程序是基于NonhSt圖形編程環(huán)境進行模塊化的編程。

3　系統(tǒng)實現(xiàn)

本文中實現(xiàn)的兩種機器人完成了預定的動作任務。

4　結束語

本文所研制的兩種人形機器人，基本完成了預定動作的設計，但不足是動作靈活反應較慢，系統(tǒng)的魯棒性有待提高；對于鳴鑼機器人的結構設計還有待提高，使其更加接近人形。在以后人形機器人動作設計與實現(xiàn)的基本思路和實現(xiàn)方法中可以增加虛擬仿真法和動作示教法，從而使人形機器人有更加廣闊研究的空間，可以使得機器人的動作更具有柔性，更加接近人的動作。

參考文獻

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