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(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,北京 100081; 2.中央民族大學(xué)附中,北京 100081)

0 引言

小型仿人雙足機(jī)器人的研發(fā)過程既涉及對(duì)各學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的掌握與學(xué)習(xí)，又涉及對(duì)多領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的綜合與應(yīng)用。本文的目標(biāo)是研發(fā)一款小型仿人雙足機(jī)器人，要求機(jī)器人具有模塊化構(gòu)型、拼插式安裝、多元化編程、結(jié)構(gòu)精煉、功能齊備、運(yùn)動(dòng)靈活、控制簡(jiǎn)單、成本低廉、易于制作等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，需將理論研究、性能分析、功能設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作、組裝調(diào)試、動(dòng)作編程等環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，完成機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具體工作如圖1所示。

圖1 小型仿人雙足機(jī)器人開發(fā)任務(wù)圖

1 研究的策咯與內(nèi)容

1.1 研究思路

從本質(zhì)上看，小型仿人雙足機(jī)器人屬于比較復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，要完成其研發(fā)工作，首要要完成其總體設(shè)計(jì)方案。在總體方案的引導(dǎo)下，再進(jìn)行具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，本文的研究思路是貫徹“四個(gè)結(jié)合”，即設(shè)計(jì)目標(biāo)與功能要求相結(jié)合，實(shí)體造型與虛擬仿真相結(jié)合，樣機(jī)制作與實(shí)物驗(yàn)證相結(jié)合，動(dòng)作編排與運(yùn)動(dòng)特性相結(jié)合。

1.2 研究?jī)?nèi)容

小型仿人雙足機(jī)器人的研發(fā)過程是機(jī)械、電子、控制、仿生等多學(xué)科知識(shí)綜合使用的過程。因此，此次研發(fā)也將圍繞機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)三部分內(nèi)容開展，具體研究?jī)?nèi)容見圖2。

圖2 小型仿人雙足機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)器人研制工作的基礎(chǔ)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要完成以下工作：一是根據(jù)仿生學(xué)目標(biāo)進(jìn)行自由度分配；二是依據(jù)研發(fā)任務(wù)選擇驅(qū)動(dòng)元件；三是使用solidworks軟件進(jìn)行機(jī)器人結(jié)構(gòu)實(shí)體造型設(shè)計(jì)；四是建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；五是完成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)組裝。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)器人研制工作的關(guān)鍵。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要完成以下工作：一是選擇核心器件(CPU、傳感器)；二是使用PCB設(shè)計(jì)軟件Altium Designer進(jìn)行核心電路設(shè)計(jì)(MUC外圍電路、電源電路、傳感器檢測(cè)電路、無(wú)線模塊電路、遙控器電路)；三是通過實(shí)體PCB加工機(jī)器人電路；四是調(diào)試機(jī)器人硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)器人研制工作的核心。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要完成以下工作：一是通過“插補(bǔ)法”、“分時(shí)細(xì)分”進(jìn)行機(jī)器人關(guān)節(jié)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制；二是使用IAR等嵌入式編程軟件進(jìn)行傳感器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)；三是進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)；四是進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)試工作。

在此基礎(chǔ)之上，需要通過機(jī)器人實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證機(jī)器人的研發(fā)成果。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)主要包括仿真實(shí)驗(yàn)與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，以此驗(yàn)證機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的合理性與可行性。

2 小型仿人雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)思路

小型仿人雙足機(jī)器人的擬人特征與行走特性決定了其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程存在的矛盾：一是仿生學(xué)特征與機(jī)械設(shè)計(jì)難度之間的矛盾，要以人體結(jié)構(gòu)為藍(lán)圖，進(jìn)行機(jī)器人身體比例分配、自由度分配、重量分配，并使得其盡可能仿人化，這本身就會(huì)帶來(lái)若干矛盾；二是機(jī)器人性能盡可能卓越的要求與結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)化之間的矛盾，因?yàn)槿藗兺ǔ?huì)要求在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人性能的前提下要最大限度的優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)，保證其設(shè)計(jì)合理、比例協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊；三是機(jī)器人成本與魯棒性之間的矛盾，在控制機(jī)器人成本的前提性，要求研發(fā)的小型仿人機(jī)器人具有較好的魯棒性。

結(jié)合機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)的矛盾與要求，以圖3所示內(nèi)容為依托，提出小型仿人雙足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的具體任務(wù)：第一，完成機(jī)器人自由度的分析與配比；第二，根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)扭矩選取驅(qū)動(dòng)元件；第三，以人體比例為藍(lán)圖，設(shè)計(jì)機(jī)器人各部位的機(jī)械結(jié)構(gòu)，確定各關(guān)鍵距離，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)；第四，建立機(jī)器人數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；第五，完成機(jī)器人板件的加工與裝配。在此，機(jī)器人的自由度分配和器件選型是基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是核心，數(shù)學(xué)模型建立和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是關(guān)鍵。

圖3 小型仿人雙足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.2 機(jī)器人自由度分析與配比

小型仿人雙足機(jī)器人自由度數(shù)量的選擇是在兩個(gè)極端之間尋求平衡。自由度數(shù)量與機(jī)器人仿人性、控制精確程度成正比，與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化程度、研發(fā)生產(chǎn)成本成反比。只有保證各自由度的協(xié)調(diào)配合才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的基本功能。因此，約束小型仿人雙足機(jī)器人自由度分配的要點(diǎn)如下：一是保證結(jié)構(gòu)緊湊，控制機(jī)器人體積大??；二是保證成本低廉，避免自由度過多造成的高成本與陡增的控制難度；三是保證機(jī)器人基本功能的實(shí)現(xiàn)，盡量實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化；四是保證機(jī)器人直立行走和完成各類運(yùn)動(dòng)的能力。

經(jīng)過綜合分析，確定該小型仿人雙足機(jī)器人為10自由度配置。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，自由度分配從上肢、下肢兩個(gè)角度進(jìn)行闡述。機(jī)器人上肢自由度配置：人體上肢主要包括頸關(guān)節(jié)、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)[1]，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，僅保留兩個(gè)重要關(guān)節(jié)：肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)。將肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為前后擺動(dòng)，將肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為里外擺臂，上肢共設(shè)計(jì)4個(gè)自由度。機(jī)器人下肢自由度配置：下肢的自由度分配將影響機(jī)器人行走功能[2]，一旦下肢自由度配置不合理，便可能出現(xiàn)無(wú)法行走或穩(wěn)定性較差的現(xiàn)象。類比于機(jī)器人上肢自由度的分配，機(jī)器人下肢自由度的分配也不能照抄人體結(jié)構(gòu)，應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)要求，簡(jiǎn)化分配[3]。因此，下肢共設(shè)計(jì)6自由度，每條腿分配3個(gè)自由度，其中踝關(guān)節(jié)2個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)1個(gè)自由度[4]。

該機(jī)器人各自由度之間可串行連接或并行連接[5]，兩種連接方式的比較[6]如表1所示。

表1 自由度連接方式對(duì)比

綜合分析并系統(tǒng)考慮后，該機(jī)器人設(shè)計(jì)采用串行連接方式，其10個(gè)自由度分配如圖4所示。

圖4 小型仿人雙足機(jī)器人自由度分配圖

小型仿人雙足機(jī)器人具體自由度分配方案見表2。

表2 小型仿人雙足機(jī)器人自由度分配表

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

驅(qū)動(dòng)元件作為機(jī)器人的動(dòng)力源是其運(yùn)動(dòng)功能的基礎(chǔ)[6]。直流伺服電機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)是三種常見的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)元件，這三種驅(qū)動(dòng)元件各具特色，下文將進(jìn)行簡(jiǎn)要對(duì)比，以篩選出適合本次機(jī)器人研制的驅(qū)動(dòng)元件[7]。三種驅(qū)動(dòng)元件對(duì)比結(jié)果可見表3[8]。

表3 驅(qū)動(dòng)元件對(duì)比表

經(jīng)過詳盡分析與仔細(xì)對(duì)比，最終選用舵機(jī)作為此次機(jī)器人研制的動(dòng)力元件。舵機(jī)通常由控制電路、電機(jī)、減速齒輪等多個(gè)零件組成[9]?？刂菩盘?hào)通過舵機(jī)信號(hào)調(diào)制芯片產(chǎn)生直流偏置電壓，以舵機(jī)基準(zhǔn)電路提供的基準(zhǔn)信號(hào)為參考，產(chǎn)生電壓差，決定舵機(jī)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。舵機(jī)一般都有最大旋轉(zhuǎn)角度，即只能在該角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)360°的轉(zhuǎn)動(dòng)。區(qū)別于普通直流電機(jī)，舵機(jī)可以反饋位置信號(hào)，通?？稍跈C(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中使用[10]。普通舵機(jī)分解如圖5所示。

圖5 普通舵機(jī)分解圖

根據(jù)控制方式的不同，舵機(jī)分為模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)。數(shù)字舵機(jī)和模擬舵機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上基本一致，不同之處表現(xiàn)在控制電路、控制方式、控制效果上，具體對(duì)比見表4。

表4 模擬舵機(jī)與數(shù)字舵機(jī)的差異

綜上所述，在對(duì)控制精度沒有特殊要求的情況下，該機(jī)器人可采用模擬舵機(jī)，本處采用模擬舵機(jī)SG90作為機(jī)器人關(guān)節(jié)。圖6為模擬舵機(jī)SG90外觀圖。

圖6 SG90舵機(jī)外觀圖 圖7 SG90舵機(jī)模型圖

SG90舵機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表5所示。

經(jīng)過分析計(jì)算，舵機(jī)SG90符合該小型仿人雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要?，F(xiàn)使用Solidworks對(duì)SG90舵機(jī)進(jìn)行三維建模，仿真模型圖如圖7所示。

表5 SG90舵機(jī)技術(shù)參數(shù)一覽表

如前分析，小型仿人雙足機(jī)器人采用串聯(lián)方式模擬人類關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其踝關(guān)節(jié)采用十字軸的設(shè)計(jì)方法，即在一個(gè)位置實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)，以此簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、節(jié)省工件。同時(shí)，為提升中小學(xué)生動(dòng)手能力，該機(jī)器人擬采用拼插方式進(jìn)行組裝。

2.4 機(jī)器人上肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先使用三維實(shí)體造型軟件Solidworks設(shè)計(jì)該機(jī)器人的肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。綜合考慮關(guān)節(jié)舵機(jī)與板材加工工藝，設(shè)計(jì)與關(guān)節(jié)舵機(jī)匹配且可以順利完成加工任務(wù)的結(jié)構(gòu)件。最后，安裝電機(jī)和結(jié)構(gòu)件，并進(jìn)行干涉分析和強(qiáng)度校核。該機(jī)器人肘關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)模型如圖8所示，肩關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)模型如圖9所示。

圖8 機(jī)器人肘關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)模型圖 圖9 機(jī)器人肩關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)模型圖

完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以后，根據(jù)自由度模型調(diào)整并優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)，確定關(guān)鍵尺寸。關(guān)鍵尺寸標(biāo)示見圖10。

圖10 關(guān)鍵尺寸標(biāo)示圖

機(jī)器人上肢各關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 機(jī)器人上肢結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸一覽表

2.5 機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用Solidworks設(shè)計(jì)機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)對(duì)象包含膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，將膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍限制在鈍角以內(nèi)，以穩(wěn)定機(jī)器人行走時(shí)的重心位置。綜合考慮關(guān)節(jié)舵機(jī)與板材加工工藝，設(shè)計(jì)與關(guān)節(jié)舵機(jī)匹配且可以順利加工完成的結(jié)構(gòu)件。圖11所示為機(jī)器人踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型圖，圖12所示為機(jī)器人髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型圖。

圖11 踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)模型圖 圖12 髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)模型圖

完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，根據(jù)自由度模型調(diào)整并優(yōu)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，確定關(guān)鍵尺寸，其關(guān)鍵尺寸標(biāo)示見圖10，各關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸一覽表

2.6 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將2.4節(jié)與2.5節(jié)中設(shè)計(jì)好的機(jī)器人上肢和下肢連接，安裝舵機(jī)，進(jìn)行干涉分析和強(qiáng)度校核，最終完成機(jī)器人身體結(jié)構(gòu)仿真(如圖13所示)。

圖13 小型仿人雙足機(jī)器人整體設(shè)計(jì)造型圖 圖14 小型仿人雙足機(jī)器人組裝實(shí)體樣機(jī)

在該機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，為減輕機(jī)器人重量，實(shí)現(xiàn)順利安裝，對(duì)部分構(gòu)件進(jìn)行了鏤空設(shè)計(jì)。按照人體結(jié)構(gòu)比例，使機(jī)器人各部位的運(yùn)動(dòng)能夠協(xié)調(diào)一致，最終確定機(jī)器人的身高為221 mm，重量為348 g。

2.7 機(jī)器人的加工制作

為減輕小型仿人雙足機(jī)器人的整體重量，其零件材料采用ABS工程塑料制作。首先在AutoCAD中將三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)為可用于激光切割加工的二維圖紙，便于采用激光切割機(jī)加工。采用經(jīng)激光切割獲得的板材進(jìn)行組裝后所得機(jī)器人樣機(jī)如圖14所示。

3 小型仿人雙足機(jī)器人舞蹈動(dòng)作的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文通過對(duì)所構(gòu)建的小型仿人雙足機(jī)器人進(jìn)行軟件編程，設(shè)計(jì)了一個(gè)專用于該機(jī)器人的“舞蹈”程序，以實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人的舞蹈動(dòng)作。在相關(guān)過程中，通過分層的軟件架構(gòu)方法，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)層、應(yīng)用層和執(zhí)行層，使機(jī)器人軟件系統(tǒng)的各個(gè)部分分工明確，且使小型機(jī)器人在跳舞過程中能夠保持各部位的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證機(jī)器人重心穩(wěn)定，不會(huì)摔倒，最終實(shí)現(xiàn)了小型仿人雙足機(jī)器人的各種“舞蹈”動(dòng)作。

在對(duì)機(jī)器人動(dòng)作控制的程序設(shè)計(jì)中，需要解決兩方面問題：一是要解決機(jī)器人身體各關(guān)節(jié)在執(zhí)行動(dòng)作時(shí)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)問題，二是要解決機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中因重心不穩(wěn)而摔倒的問題[11]。本文希望通過編程設(shè)計(jì)來(lái)同時(shí)解決這兩個(gè)問題。為此，首先要對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)舵機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人身體各部分的協(xié)同運(yùn)動(dòng)(舵機(jī)是由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過發(fā)送信號(hào)，指定輸出旋轉(zhuǎn)角度控制機(jī)器人的動(dòng)作幅度與方向)，其次是在機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)中，通過控制其動(dòng)作“速率”保證機(jī)器人在動(dòng)作執(zhí)行過程中不會(huì)摔倒。

3.1 基本思路

通過系統(tǒng)分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法，得到舵機(jī)從一個(gè)角度運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)角度的最佳時(shí)間。通過“定時(shí)插補(bǔ)”調(diào)速算法實(shí)現(xiàn)對(duì)小型仿人雙足機(jī)器人舵機(jī)速率的控制；再通過“分時(shí)細(xì)分”控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各部位的聯(lián)動(dòng)控制；最后通過軟件系統(tǒng)的編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人的“舞蹈”動(dòng)作。

其次，早期的區(qū)塊鏈應(yīng)用記錄的是源于母體的數(shù)字貨幣，區(qū)塊鏈自產(chǎn)自銷的是原生虛擬資產(chǎn)。這是一個(gè)封閉的數(shù)字價(jià)值世界，不需要與物理世界打交道就可以運(yùn)轉(zhuǎn)，匿名也是完全可行的。但到了區(qū)塊鏈的2.0時(shí)代（具備智能合約和平臺(tái)化等），區(qū)塊鏈上記錄和交易的不再來(lái)自區(qū)塊鏈，而是來(lái)自物理世界的股權(quán)、版權(quán)和產(chǎn)權(quán)等。如果區(qū)塊鏈上所映射的是匿名資產(chǎn)，從法律意義上就是無(wú)效合同。

3.2 設(shè)計(jì)過程

第一步，通過實(shí)驗(yàn)得到該機(jī)器人信號(hào)發(fā)出后的等待時(shí)間。該機(jī)器人身體各部分的運(yùn)動(dòng)是通過有序控制舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，機(jī)器人手腳的運(yùn)動(dòng)就是控制機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)以一定角速度從一個(gè)角度A轉(zhuǎn)動(dòng)到另一個(gè)角度B的過程，如舵機(jī)要保持該位置，需一直發(fā)送相應(yīng)的PWM波。假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度需要消耗的時(shí)間為ΔT，而CPU發(fā)出運(yùn)動(dòng)到某角度B的PWM信號(hào)后，需要等待一定的時(shí)間，記為Tw。理論上，當(dāng)Tw≥ΔT時(shí)，舵機(jī)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置；當(dāng)Tw<ΔT時(shí)，舵機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置；當(dāng)Tw=ΔT時(shí)，舵機(jī)運(yùn)動(dòng)最快，系統(tǒng)動(dòng)作最連貫。而本次使用的機(jī)器人有10個(gè)舵機(jī)，并且10個(gè)舵機(jī)的負(fù)載存在差異，需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，得到舵機(jī)的Tw數(shù)據(jù)(見表8)，進(jìn)而對(duì)軟件程序的可行性進(jìn)行分析。

表8 舵機(jī)Tw數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)表格一覽表

第二步，通過“定時(shí)插補(bǔ)”調(diào)速算法實(shí)現(xiàn)對(duì)該機(jī)器人舵機(jī)速率的控制。小型仿人雙足機(jī)器人的舵機(jī)本身是不能控制自己的速度的，對(duì)舵機(jī)速度進(jìn)行控制是通過軟件編程，給定其初始位置、最終位置以及時(shí)間，然后進(jìn)一步通過細(xì)化時(shí)間和角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。舵機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中的流暢性和時(shí)間細(xì)分的程度緊密相關(guān)，但是受到自身性能的影響與限制，又不能對(duì)舵機(jī)的時(shí)間進(jìn)行無(wú)限細(xì)分，因此需要通過調(diào)速算法，找到舵機(jī)運(yùn)行的流暢度和性能的平衡點(diǎn)。對(duì)此，本文采用“定時(shí)插補(bǔ)”調(diào)速方法，在程序設(shè)計(jì)中使用定時(shí)器中斷來(lái)對(duì)時(shí)間進(jìn)行細(xì)化。假設(shè)，在時(shí)間T內(nèi)使用定時(shí)器進(jìn)行了N次中斷，則每一次中斷的時(shí)間dt為：

(1)

設(shè)初始位置角度為ω0，目標(biāo)位置角度為ωn，ω0變化到ωn角度差為dp，所需時(shí)間為Ten，細(xì)化后每進(jìn)行一次變化的角度為dp0，細(xì)化的次數(shù)n，則：

dp=ωn-ω0

(2)

(3)

(4)

每進(jìn)行一個(gè)時(shí)間周期，角度變化dp0，并且設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器m，每當(dāng)角度變化一次dp0，則進(jìn)行m+1，當(dāng)m=n時(shí)，舵機(jī)變化到指定位置。針對(duì)舵機(jī)速率的控制算法，本文給出的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖15所示。

圖15 小型仿人雙足機(jī)器人算法實(shí)現(xiàn)流程圖

第三步，要實(shí)現(xiàn)小型仿人雙足機(jī)器人的舞蹈運(yùn)動(dòng)功能，就需要對(duì)機(jī)器人的所有舵機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。在此處，本文采用“分時(shí)細(xì)分”控制算法，具體做法是將舵機(jī)PWM周期分為8個(gè)小段，每個(gè)時(shí)間小段里分別控制一個(gè)舵機(jī)，因此，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)定時(shí)器來(lái)控制8個(gè)相關(guān)舵機(jī)，2個(gè)定時(shí)器就能夠控制16個(gè)舵機(jī)，而本次使用的小型仿人雙足機(jī)器人擁有10個(gè)舵機(jī)，因而使用2個(gè)定時(shí)器就能夠滿足分時(shí)控制需求。針對(duì)多個(gè)舵機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制算法，將機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖分為3部分，即主程序、2.5 ms中斷程序和10 μs終端程序，分別如圖16所示。

圖16 小型仿人雙足機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

圖17 小型仿人雙足機(jī)器人軟件執(zhí)行流程圖

需要注意的是，串口通信需要先掃描出可以使用的串口[12]，在此我們使用的是“try-catch”語(yǔ)句對(duì)串口進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)能夠使用的串口時(shí)便將該串口返回給主程序。舵機(jī)的控制程序主要由上述兩個(gè)算法組成?；谏鲜鏊惴ㄅc程序的小型仿人雙足機(jī)器人舞蹈動(dòng)作編排界面如圖18所示。

圖18 小型仿人雙足機(jī)器人舞蹈動(dòng)作編排界面截圖

基于上述思想與方法完成程序編排和動(dòng)作展示的小型仿人雙足機(jī)器人舞蹈動(dòng)作(部分片段)則如圖19所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目取得了以下成績(jī)：

1)解決了小型仿人雙足機(jī)器人各部位聯(lián)動(dòng)控制的問題，保證了機(jī)器人在舞蹈過程中的流暢性與精確性。

圖19 小型仿人雙足機(jī)器人舞蹈動(dòng)作(部分片段)

2)通過對(duì)小型仿人雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速率和動(dòng)作幅度的控制，確保了該機(jī)器人在舞蹈過程中的穩(wěn)定性與魯棒性。

3)實(shí)現(xiàn)了小型仿人雙足機(jī)器人比較復(fù)雜的“舞蹈”動(dòng)作，發(fā)揮了機(jī)器人的部分教育、示范、引導(dǎo)功能，使得像我們一樣對(duì)機(jī)器人技術(shù)充滿興趣的青少年學(xué)生能通過對(duì)機(jī)器人的程序控制和動(dòng)作編排，了解并掌握機(jī)器人的控制技術(shù)，為將來(lái)的騰飛奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)。