小型舞蹈雙足機器人的設(shè)計及實現(xiàn)

唐家雯

摘 要

小型舞蹈雙足機器人屬于較為復雜的機電一體化系統(tǒng)。本次設(shè)計中通過對各模塊化環(huán)節(jié)的一一解決，成功研發(fā)了一款功能齊備、動作靈活的舞蹈機器人。其具有在動作的協(xié)調(diào)性及控制技術(shù)層面的突出優(yōu)勢，是目前較為先進的小型雙足機器人模式。本文就小型舞蹈雙足機器人設(shè)計的總體思路予以了闡述，并對此次研究過程的小型舞蹈雙足機器人的軟硬件設(shè)計及其達成進行了深入的分析，將為我國小型雙足機器人的設(shè)計與實現(xiàn)提供部分參考。

關(guān)鍵詞

雙足機器人;設(shè)計;實現(xiàn)

中圖分類號： TP242 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.069

近年來，我國機器人研究領(lǐng)域獲得了巨大的進步。這一進程不僅推動了機器人設(shè)計的發(fā)展，也在較大程度上帶動了仿生學、人工智能、計算機圖形學、通訊控制等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展[1]。雙足步行機器人是機器人設(shè)計領(lǐng)域的一朵奇葩。相對于其他類型的技巧人，其具有在非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中更好地適應(yīng)性，同時在規(guī)避障礙能力、能耗上的突出優(yōu)勢，具有較好的市場應(yīng)用和研發(fā)前景。本次研究中主要是綜合運動各學科基礎(chǔ)知識，以小型舞蹈雙足機器人的設(shè)計為目標，通過對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計的不斷探索，設(shè)計出了一款具有模塊化設(shè)計、功能齊備、動作靈活的舞蹈機器人?，F(xiàn)就其設(shè)計的總體思路和實施路徑展開回顧性分析[2]。

1 小型舞蹈雙足機器人設(shè)計的總體思路

1.1 設(shè)計思路

就一定層面上而言，小型舞蹈雙足機器人屬于較為復雜的機電一體化系統(tǒng)。這一設(shè)計目標的達成需要首先確立設(shè)計的整體思路。在本次研究中將總體設(shè)計流程為五個步驟：確定主體、具體結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計、搭建控制電路、運動服裝設(shè)計、調(diào)試程序。

在此次設(shè)計方案的制定過程中，以設(shè)計目標與功能要求的結(jié)合、實物造型與虛擬仿真的結(jié)合，樣機制作與實務(wù)驗證的結(jié)合，動作編排與運動特征的結(jié)合。這樣的四結(jié)合在極高程度上推進了舞蹈雙足機器人的一體化研究進程。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是小型舞蹈雙足機器人設(shè)計工作的基礎(chǔ)，也是其功能實現(xiàn)的平臺。本次研發(fā)的小型舞蹈雙足機器人整體結(jié)構(gòu)與人體大致相似，左右對稱，比例適中，機器人有18個舵機控制包括頭部、手臂、手肘、腰部、大腿、小腿、腳踝等部分。手臂部分共有6個舵機，控制機器人的手臂擺動，手肘的內(nèi)外擺動以及小臂的轉(zhuǎn)動。腰部有1個舵機，使機器人的腰部可以轉(zhuǎn)動，使機器人的功能更多樣化。腿部共有10個舵機，主要控制機器人各種各樣的步行動作。機器人的每條腿均有一個驅(qū)動髖和一個驅(qū)動膝蓋。上端未被驅(qū)動的橫杠使機器人不能橫滾、偏轉(zhuǎn)和側(cè)向運動。所有的電機都安放在身體的上部，通過電纜向各個關(guān)節(jié)供電。為使產(chǎn)生的力矩精確作用在關(guān)節(jié)上，并使機器人具有較強的防震能力，每個自由度都采用了串聯(lián)彈性驅(qū)動法。機器手的動作形態(tài)是由三種不同的單動作——旋轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)、伸縮組合而成的。

1.3 舞蹈動作

該型雙足舞蹈機器人的舞蹈動作參考部分京劇演員的舞蹈動作，而后自行設(shè)計出機器人的舞蹈動作。動作設(shè)計包括：①上臺，敬禮，半蹲致禮;②下蹲做好準備動作;③漸漸起來，同時手臂舉過頭頂，波浪狀扭動;④旋轉(zhuǎn)走位;⑤雙腿邁開漸漸向下彎曲，同時雙手舉過頭頂、上身后仰，下腰身體呈橋狀;⑥空中翻轉(zhuǎn);⑦側(cè)屈伸舞扇;⑧一字馬;⑨雙腿左右輪流屈伸，彎腿時同時踮起腳尖，雙手小臂與大臂成90°;⑩雙腿微曲與肩同寬，左右手臂輪流抬舉與肩平齊，同時放下的另一只手向下伸直，身體配合左右擺動等。

2 小型舞蹈雙足機器人的軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 硬件控制系統(tǒng)

該小型舞蹈雙足機器人硬件系統(tǒng)包括：單片機I/O口設(shè)備、上位機、舵機、傳感器等，其主要器件名稱及型號（見表1）如下：

其中，Stm32f103rct6單片機具有在J-LINK在線調(diào)試、多接口、通用定時器性能高等方面的突出優(yōu)勢;32路舵機控制板具有在可以同時控制24路伺服電機，32位CPU、內(nèi)部集成USB通信接口，穩(wěn)定性高，24路伺候電機獨立指針設(shè)計，不會產(chǎn)生擁擠的現(xiàn)象等方面的優(yōu)勢，這些硬件的優(yōu)選在極大程度上達成了該小型舞蹈雙足機器人在結(jié)構(gòu)學、動力學等方面的設(shè)計實現(xiàn)提供了硬件支點。＼

2.1.2 關(guān)節(jié)設(shè)計

從運動仿生學的角度對該小型舞蹈仿生機器人腿部的自由度進行了配置，以優(yōu)化關(guān)節(jié)扭矩最小條件下兩步足的結(jié)構(gòu)自由度優(yōu)化方案[3]。在機器人的髖部和踝部各設(shè)有自由度，可以是該小型舞蹈雙足機器人的站立能力得以提升，同時在區(qū)髖部增加一個扭轉(zhuǎn)的自由度，這樣可以進一步地一定提升機器人的行走轉(zhuǎn)向能力，而在其踝部增加一個回轉(zhuǎn)自由度可以使得機器人的腳板對地面適應(yīng)能力得以提升。并根據(jù)仿生學的基本原理對該小型雙足舞蹈機器人的運動動作及舞動動作做出規(guī)劃設(shè)計。而對于舞蹈機器人而言，其相對應(yīng)傳統(tǒng)的雙足機器人在上肢的運動自由度上有著更高的要求。手臂的擺動能力將成為機器人可以達成相關(guān)設(shè)計要求的重要保障。就仿生學的角度而言，人體的肩部可以視為前向和側(cè)向的兩個自由度及肘部的一個向內(nèi)折疊的自由度，收不運動的一個自由度。而作為舞蹈機器人其頭部的動作也是十分關(guān)鍵的，因此在本次設(shè)計的過程中創(chuàng)新性地在頭部加上了一個自由度，以更好地配合舞蹈動作的展現(xiàn)，提升機器人舞蹈的魅力[4]。

2.1.3 關(guān)節(jié)動力

在此次研究中對于該小型舞蹈機器人的關(guān)節(jié)動力選擇，受限于研發(fā)資金等因素，放棄了人工肌肉方案，而選擇伺服電機。該研究中所采用的伺服電機具有速度快、扭矩大、體積小等優(yōu)勢，并兼具一定的經(jīng)濟性，能夠基本達成對該小型舞蹈雙足機器人的設(shè)計要求。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 上位機模塊

本次研究中在單片機的基礎(chǔ)上增加了上位機模塊單元，以突破單片機的功能限制來達成對復雜戲劇舞蹈動作的實踐。同時，上位機模塊也較好地實現(xiàn)了單片機機器人設(shè)計中在人機交互層面的弊端，能夠更好地實現(xiàn)這一功能。該型小型雙足舞蹈機器人能夠?qū)崿F(xiàn)上臺，敬禮，半蹲致禮、一字馬等復雜的舞蹈動作得益于這一軟件模塊的支撐。

2.2.2 通信模塊

本次研究中的通信模塊功能強大，使語音識別模塊、紅外測距模塊等模塊的接入更為便捷。通過這些設(shè)備可實現(xiàn)機器人在運動過程中的定位，從而實現(xiàn)其在程序信號下的自主舞蹈的功能。

2.2.3 運動控制模塊

對于該小型舞蹈雙足機器人而言，其能夠被大家認可并喜歡，很大程度上需有其舞蹈動作的優(yōu)美、流暢多決定[5]。一方面研發(fā)者要適當?shù)鼐幣艃?yōu)美的戲劇舞蹈動作，來實現(xiàn)機器人功能的最優(yōu)變現(xiàn)，另一方面應(yīng)進行得設(shè)計舞蹈動作，是舞蹈編排可以成為現(xiàn)實。而這些功能最終要反映到對該小型雙足舞蹈機器人的舵機的調(diào)教上來。該小型舞蹈機器人的舵機調(diào)教要使得分布在機器人周身的24臺伺服電機能夠準確、快速、穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)到指定位置，同時要實現(xiàn)對這24臺伺服電機的協(xié)調(diào)工作。這也是實現(xiàn)本次研究的核心環(huán)節(jié)。在這一過程中，采用單片機本身所帶的PWM口產(chǎn)生波形，PWM信號精度可以達到1μs，能夠滿足該小型舞蹈雙足機器人的高精度舵機的控制要求。同時，在這一運動模式的設(shè)計中，通過串口控制32路舵機控制板上的語音識別模塊及利用單片機的復用功能ad檢測紅外測距模塊傳遞的電壓。用于完成該小型舞蹈雙足機器人的人機互動環(huán)節(jié)[6-7]。

3 小結(jié)

1）舞蹈機器人是靈活的，需要做出各種各樣的動作來增加觀賞性，為了使機器人動作流暢順利地進行，我們最終選擇了金屬鋁作為主要材料，因為鋁易于加工，而且鋁密度較小，質(zhì)量又輕，不會加重機器人的承載負擔。機器人整體結(jié)構(gòu)與人體大致相似，左右對稱，比例適中，機器人有18個舵機控制包括頭部、手臂、手肘、腰部、大腿、小腿、腳踝等部分。能完成的動作包括：搖頭，旋轉(zhuǎn);單腳著地、彎腰、下蹲，手摸地、腳點地打節(jié)拍、左右扭屁股;手倒立、拍手、敬禮、俯臥撐，手肘轉(zhuǎn)動。

2）機器人身上的單片機連接紅外對管模塊，紅外對管檢測賽場上的黑白圈，防止機器人出界。兩個紅外對管，依照遮擋次序可以完成兩次人機互動。參考了網(wǎng)絡(luò)上部分京劇演員的舞蹈動作，自行設(shè)計出機器人的舞蹈動作。機器人腰部添加了一個舵機，使機器人靈活地轉(zhuǎn)身，能夠做出更多優(yōu)美的動作。

3）該小型舞蹈雙足機器人是通過調(diào)32路舵機控制器，驅(qū)動各個關(guān)節(jié)上的舵機工作;用傳感器接收人的指令信號，輸入單片機，編程處理，輸出一系列模擬的PWM波（stm32）改變舵機工作狀態(tài)，完成人機互動操作。

參考文獻

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[3]王健，孫志峻.雙足仿人機器人的設(shè)計與步態(tài)分析[J].機械與電子，2014，（11）：56-59.

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