仿人機器人的機械結(jié)構(gòu)設計與控制系統(tǒng)構(gòu)建

羅慶生，陳胤霏2，劉星棟，朱 琛

(1.北京理工大學 機電學院，北京 100081; 2.廣東省潮陽實驗學校，廣東 汕頭 515100)

0 引言

對于小型仿人機器人來說，機械結(jié)構(gòu)是其骨架與基礎，控制系統(tǒng)則是其核心與靈魂。要想設計出一款形象靚麗、結(jié)構(gòu)緊湊、功能出色、性能穩(wěn)定的小型仿人機器人，開展其機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計和控制系統(tǒng)的合理構(gòu)建是極為關鍵的[1-2]。這兩項工作在一定程度上相輔相成，共同決定著小型仿人機器人研制水平的高低與成敗，需要投入極大的精力才能做好。筆者為開展青少年機器人教育，特地研制了一種具有19個自由度的新型仿人機器人，在研制過程中，著力解決了機器人的機械結(jié)構(gòu)設計與控制系統(tǒng)構(gòu)建問題。

1 小型仿人機器人的機械結(jié)構(gòu)設計

1.1 機器人結(jié)構(gòu)設計需考慮的問題

小型仿人機器人結(jié)構(gòu)設計的合理與否、優(yōu)化與否、適用與否直接決定著其整體性能，在其機械結(jié)構(gòu)設計過程中應主要考慮“機器人自由度的分配、驅(qū)動器的選型、機器人實體結(jié)構(gòu)的設計、機器人主體制作材料的選擇以及機器人整體裝配的工藝性”等問題。此外，在機器人結(jié)構(gòu)設計過程中還需要滿足以下幾個要求：

1)可靠性:機器人結(jié)構(gòu)設計必須滿足可靠性要求，可靠的結(jié)構(gòu)是機器人發(fā)揮功能的基石；

2)穩(wěn)定性:機器人結(jié)構(gòu)設計必須滿足穩(wěn)定性要求，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是機器人實現(xiàn)運動的前提；

3)方便性:機器人結(jié)構(gòu)設計必須滿足方便性要求，在組裝機器人時方便與否是判斷機器人結(jié)構(gòu)設計水平高低的判據(jù)之一；

4)維護性:機器人結(jié)構(gòu)設計必須滿足維護性要求，在使用機器人時維護性能的好壞也是判斷機器人結(jié)構(gòu)設計水平高低的判據(jù)之一；

5)經(jīng)濟性:機器人結(jié)構(gòu)設計必須滿足經(jīng)濟性要求，經(jīng)濟性不好的機器人是沒有市場前景的，因而經(jīng)濟性優(yōu)劣與否亦是判斷機器人結(jié)構(gòu)設計水平高低的判據(jù)之一。

1.2 機器人自由度分配

小型仿人機器人是根據(jù)人體形態(tài)來設計的，設有頭部、軀干和四肢，其運動依靠關節(jié)的多自由度協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)，能夠雙足行走、手足配合運動并可以執(zhí)行一定的任務，因此其自由度分配極為重要[3]。對于人體而言，頭部有頸關節(jié)，軀干有腰關節(jié)，四肢有肩關節(jié)、腕關節(jié)、手指、髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)和腳趾等[4]。由于人體自由度數(shù)量眾多，運動機制十分復雜，所以無法完全將人體構(gòu)造模式移植到仿人機器人上。本設計采用關節(jié)簡化的方法進行機器人的自由度分配，即：頸部采用一個自由度，以實現(xiàn)機器人頭部的轉(zhuǎn)向；手部采用三個自由度，分別是肩關節(jié)處的一個自由度、肘關節(jié)處的一個自由度和腕關節(jié)處的一個自由度，這三個自由度可以幫助機器人手臂實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、彎曲和平伸等動作；腿部采用六個自由度，分別是髖關節(jié)處的三個自由度、膝關節(jié)處的一個自由度、踝關節(jié)處的二個自由度，它們幫助機器人腿部實現(xiàn)基本的步態(tài)行走功能。表1展示了機器人自由度的分配情況。

表1 小型仿人機器人自由度分配

機器人各自由度之間的連接形式分為串行連接和并行連接。串行連接具有體積小、運動空間大的特點，用于頸關節(jié)、肘關節(jié)和膝關節(jié)處較為適宜；并行連接雖然空間體積大，但運動靈活、承載力較大，用于機器人肩關節(jié)、髖關節(jié)和踝關節(jié)處較為合理。妥善確定機器人的自由度分配及其連接形式以后，即可繪制出如圖1所示的自由度結(jié)構(gòu)分布示意圖。

圖1 自由度結(jié)構(gòu)分布示意圖

1.3 機器人驅(qū)動器選擇

經(jīng)過選型分析，筆者采用韓國Robotics公司生產(chǎn)的數(shù)字舵機AX-12A作為小型仿人機器人的關節(jié)驅(qū)動器。該舵機具有體積小、扭矩大、精度高等優(yōu)點，同時它是一款總線數(shù)字舵機。與其他舵機相比主要優(yōu)勢在于：舵機之間采用總線連接方式，布線簡單方便，提高了系統(tǒng)的可靠性；該舵機還有自我保護機制，可以防止由于輸入電壓過高、控制指令錯誤或輸出力矩過大等原因?qū)е露鏅C損壞；此外，該舵機可以進行自動校準，具有反饋機制，能夠提高控制精度。

1.4 機器人實體結(jié)構(gòu)設計

小型仿人機器人的實體結(jié)構(gòu)設計包括手部結(jié)構(gòu)設計、軀干結(jié)構(gòu)設計以及腿部結(jié)構(gòu)設計。根據(jù)規(guī)劃，筆者將設計一款高度約為360 mm的仿人機器人，參考人體比例和其他典型仿人機器人的主體尺寸，可規(guī)劃機器人各關節(jié)之間的尺寸如表2所示。

表2 機器人結(jié)構(gòu)尺寸一覽表

在機器人實體結(jié)構(gòu)設計中，三維建模軟件采用了Solidworks，二維工程圖紙繪制軟件則采用了CAXA，以下依次介紹各部分的結(jié)構(gòu)設計情況。

1.4.1 手部結(jié)構(gòu)設計

首先，根據(jù)機器人自由度分配情況構(gòu)造如圖2(a)所示的手部關節(jié)自由度模型；其次，根據(jù)選定舵機AX-12A的結(jié)構(gòu)和尺寸，設計各關節(jié)處驅(qū)動舵機之間的連接件，如圖2(b)所示；最后，在Solidworks軟件中將設計好的各個零件和舵機進行裝配，得到機器人手部結(jié)構(gòu)三維情況如圖2(c)所示。

圖2 手部結(jié)構(gòu)設計三維模型圖

手部基本結(jié)構(gòu)設計完成后，為方便后續(xù)研究中的運動學分析，可提取出手部結(jié)構(gòu)關鍵尺寸。如圖3所示，x為肩部關節(jié)和肘關節(jié)的軸心距離，y為肘關節(jié)和腕關節(jié)的軸心距離，根據(jù)優(yōu)化模型，可確定各個關節(jié)關鍵尺寸數(shù)據(jù)如表3所示。

圖3 手部結(jié)構(gòu)關鍵尺寸

關鍵尺寸類型標號數(shù)值肩部關節(jié)和肘關節(jié)的軸心距離x25.5mm肘關節(jié)和腕關節(jié)的軸心距離y68mm

1.4.2 軀干結(jié)構(gòu)設計

首先，根據(jù)機器人自由度分配情況構(gòu)造如圖4(a)所示的軀干關節(jié)自由度模型；其次，根據(jù)選定舵機AX-12A的結(jié)構(gòu)和尺寸，設計各關節(jié)處驅(qū)動舵機之間的連接件，如圖4(b)所示；最后，在Solidworks軟件中將設計好的各個零件和舵機進行裝配，得到機器人軀干結(jié)構(gòu)三維情況如圖4(c)所示。

圖4 軀干結(jié)構(gòu)設計三維模型圖

軀干基本結(jié)構(gòu)設計完成后，為方便后續(xù)研究中的運動學分析，可提取出軀干結(jié)構(gòu)關鍵尺寸。如圖5所示，x為左右肩部關節(jié)的軸心距離，y為肩關節(jié)和髖關節(jié)的軸心距離，根據(jù)軀干優(yōu)化模型，可確定各個關節(jié)關鍵尺寸數(shù)據(jù)如表4所示。

圖5 軀干結(jié)構(gòu)關鍵尺寸

關鍵尺寸類型標號數(shù)值左右肩部關節(jié)的軸心距離x107mm肩關節(jié)和髖關節(jié)的軸心距離y81mm

1.4.3 腿部結(jié)構(gòu)設計

首先，根據(jù)機器人自由度分配情況構(gòu)造如圖6(a)所示的腿部關節(jié)自由度模型；其次，根據(jù)選定舵機AX-12A的結(jié)構(gòu)和尺寸，設計各關節(jié)處驅(qū)動舵機之間的連接件，如圖6(b)所示；最后，在Solidworks軟件中將設計好的各個零件和舵機進行裝配，得到機器人腿部結(jié)構(gòu)三維情況如圖6(c)所示。

圖6 腿部結(jié)構(gòu)設計三維模型圖

腿部基本結(jié)構(gòu)設計完成后，為方便后續(xù)研究中的運動學分析，可提取出腿部結(jié)構(gòu)關鍵尺寸。如圖7所示，x為左右髖關節(jié)的軸心距離，y為髖關節(jié)末端和髖關節(jié)的軸心距離，z為膝關節(jié)和髖關節(jié)的軸心距離，p為膝關節(jié)和踝關節(jié)的軸心距離，q為踝關節(jié)和腳底的軸心距離，根據(jù)腿部優(yōu)化模型，可確定各個關節(jié)關鍵尺寸數(shù)據(jù)如表5所示。

圖7 腳部結(jié)構(gòu)關鍵尺寸

關鍵尺寸類型標號數(shù)值左右髖關節(jié)的軸心距離x74mm髖關節(jié)末端和髖關節(jié)的軸心距離y25mm膝關節(jié)和髖關節(jié)的軸心距離z82.04mm膝關節(jié)和踝關節(jié)的軸心距離p76.87mm踝關節(jié)和腳底的軸心距離q25mm

1.4.4 整體結(jié)構(gòu)設計

將上述的手部結(jié)構(gòu)、軀干結(jié)構(gòu)以及腿部結(jié)構(gòu)組裝起來得到機器人整體，其自由度模型如圖8(a)所示，整體模型如圖8(b)所示，搭建完成的實體機器人則如圖8(c)所示。

圖8 仿人機器人整體結(jié)構(gòu)設計模型圖

2 小型仿人機器人的控制系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 基于STM32單片機控制器的分析與設計

在小型仿人機器人的控制系統(tǒng)中，下位機控制是重中之重，而下位機控制器是其前沿的硬件設備，一個性能穩(wěn)定、功能齊全、開發(fā)上限高的控制器，對于整個機器人系統(tǒng)極為重要。

2.2 ROBOTIS控制器分析

ROBOTIS PREMIUM(百變金剛機器人)使用的CM-5控制器也是Dynamixel AX-12A舵機的專用控制器[5-6]，可控制30個AX-12舵機。它的6個按鈕中有5個用于選擇功能，1個用于重啟。CM-530和CM-510差不多，本文使用CM-510控制器，將其拆開，可見內(nèi)部PCB分為正反兩面，本文定義開關所在的為PCB的正面。PCB正面主要為可操控模塊：1個電源插孔、一個開關、6個微動開關、5組Dynamixel AX-12A舵機插孔、4組排針、1個上位機連接口、一個連接電池組接口、1個蜂鳴器、7個貼片LED、3個保護電容、1個電機驅(qū)動芯片。CM-510控制器PCB正面如圖9所示。

圖9 PCB正面視圖 圖10 PCB反面視圖

PCB反面是PCB的核心部分，CM-510控制器使用的是Atmel ATMEGA2561芯片，此外還有兩個芯片，一個是MAX202C，另一個是74HC126D(四象三態(tài)緩沖器)。MAX202C板上IC之間的連接可通過5V/3.3 V電平表示狀態(tài)1、通過0V電平表示狀態(tài)0, RS232接口是通過正負12 V分別表示1或0的狀態(tài)，該芯片起電平轉(zhuǎn)換作用，與之相連的一個接口是ROBOTIS公司的專用串口數(shù)據(jù)線接口；74HC126D芯片上的三態(tài)輸出由使能輸出端來控制，使能端有效與無效分別控制輸出處于正常邏輯狀態(tài)和高阻狀態(tài)，起著保護USART_TX的作用，電感則起防止電流突變的作用[7]?？焖偃蹟啾ｋU絲配合保險絲座，能夠有效保護控制器，防止MCU燒毀。此外，還有WTE SS14芯片來防止舵機接口正負極反接，目的是保護控制器不被損壞。CM-510控制器PCB反面如圖10所示。

2.3 控制器方案選擇

筆者在構(gòu)建小型仿人機器人的控制系統(tǒng)時，放棄使用Atmel公司的8位微控制器芯片，而選用ST公司的STM32F1系列32位微控制器芯片[8]，目的是增強機器人控制器的處理能力，提升機器人系統(tǒng)的開發(fā)上限。設計中選用STM32F1系列中的兩種芯片作為控制器MCU，一種是STM32F103ZET6，另一種是STM32F103C8T6。兩種芯片的區(qū)別在于封裝，由于STM32F103C8T6的管腳數(shù)少，僅用于第一版測試階段PCB，因此本設計僅討論STM32F103ZET6(后文簡稱STM32)。

STM32芯片與Atmel芯片相比，優(yōu)勢在于其內(nèi)核使用的是ARM32位的CortexTM-M3 CPU，工作頻率最高為72 MHz，當存儲器處于零等待周期訪問時，訪問速度可達1.25DMips/MHz[9]，具有512 K字節(jié)的閃存存儲器，并且擁有144個管腳，其中112個多功能雙向I/O端口都可以映像到16個外部中斷，并幾乎都支持5 V信號，以及13個通信接口(如USART、I2C、SPI等)，這些使機器人具有很高的開發(fā)上限。

2.4 基于STM32的控制器設計

STM32外圍電路主要包括時鐘、復位、啟動和各個電源和參考引腳去耦電容的配置。STM32使用8 MHz晶振，過內(nèi)部分頻器、倍頻器處理后獲得72 MHz內(nèi)部時鐘。STM32的復位電路需要用0.1 μf電容接地以實現(xiàn)上電復位功能，外圍電容設計時則要求在每對Vdd和Vss之間就近配置0.1 μf。晶振兩端需要按照設計規(guī)范要求配置22 μf電容[10]。為了方便調(diào)試，筆者還特地加上了JTAG/SWD調(diào)試接口。本文所設計的小型仿人機器人控制系統(tǒng)相關的硬件和軟件均在閃存儲存器中運行，因此啟動配置需將BOOT0接地，具體形式如圖11所示。

引腳BOOT1BOOT0啟動位置啟動模式X0主閃存被映射到啟動地址主FLASH01系統(tǒng)存儲器被映射到啟動地址系統(tǒng)儲存器11內(nèi)部 SRAM 被映射到啟動地址內(nèi)部SRAM

圖11 芯片啟動配置情況圖

將SD卡進行拓展，以便用來儲存圖片、音樂、動作組等。除了MCU外圍電路，還有與上位機通信使用的串口通信電路，因為下位機的邏輯電平為5 V/3.3 V，與PC端電平不匹配，因此需要進行電平匹配。以往主流的設計方式是使用MAX3232芯片作為核心，將邏輯電平轉(zhuǎn)換為±10 V，再配以9針串口與PC端相連。然而現(xiàn)在一般的電腦，尤其是筆記本電腦早已取消了9針串口，因此本文選擇使用CH340芯片設計串口轉(zhuǎn)USB電路。

無線傳輸模塊NRF2401通過SPI接口和MCU相連，其對應接口PCB設計如圖12所示。

圖12 無線模塊電路圖

至此，小型仿人機器人控制系統(tǒng)及其主體電路的設計與構(gòu)建工作即告完成。

3 實驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)主界面是用戶打開軟件的初始界面，便于用戶選擇功能模式。本文設計的機器人軟件系統(tǒng)包括三個功能模式：機器人的虛擬組裝、三維可視化編程控制以及機器人在智能家居里面的運用(在此只介紹機器人的虛擬組裝)。除了三個模式切換按鈕控件，還有一個界面預覽模型切換功能，即切換主頁面中機器人2D模型圖與3D模型圖。主界面的效果如圖13所示。

圖13 主界面模型預覽

3.1 機器人三維模型組裝模塊功能的實現(xiàn)

從主界面通過觸發(fā)“組裝”按鈕進入虛擬三維模型組裝模塊場景，首先用戶點擊界面上相應零件模型圖片，場景則加載相應模型；再點擊選中要組裝的模型，進行拖拽；拖拽到相應模型位置，發(fā)生碰撞檢測；若碰撞檢測到是正確位置，那么零件模型自動精確定位到相應位置，完成零件的安放。

3.2 機器人三維模型組裝用戶界面實現(xiàn)效果展示

圖14是進入三維模型組裝場景的初始界面圖：

圖14 三維模型組裝初始用戶界面

設計將界面分為兩部分：UI圖標交互部分和三維模型組裝場景部分。用白條隔開的左側(cè)是模型圖標界面和模型編輯工具欄，由于模型圖標較多，而界面大小有限，將模型圖標分為三個Widget中，分別存放機器人手部零件模型圖標、身體零件模型圖標和腿部模型圖標，并通過右下側(cè)的粉色回轉(zhuǎn)按鈕切換這些Widget，便于獲取相應模型；界面中左側(cè)上部是模型編輯工具欄，有個垃圾桶圖標按鈕，用于清空場景中的零件模型。界面右側(cè)為三維模型組裝場景部分，透明機器人是便于用戶組裝的參照和定位的背景機器人模型；右側(cè)的右下角有個白色小屋圖標按鈕用于退出該場景，返回到主界面中。整個機器人虛擬現(xiàn)實組裝的效果非常良好，完全實現(xiàn)了預期的目標。

4 結(jié)語

隨著我國機器人技術(shù)的不斷發(fā)展和機器人教育的不斷推進，加強培養(yǎng)掌握機器人技術(shù)、熟悉機器人應用的創(chuàng)新性人才變得日益重要。教育機器人作為機器人教育的主要教學載體，完善其教育功能，改進其教學體系，對機器人教育的推廣具有重大意義，也對青少年創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有重大意義。本文研發(fā)了一款適用于機器人教育教學的多功能、多用途、普適性的19自由度的小型仿人機器人，主要完成了該機器人的機械結(jié)構(gòu)設計與控制系統(tǒng)構(gòu)建工作。所設計的機器人機械結(jié)構(gòu)可靠性高、工藝性好、結(jié)構(gòu)緊湊、樣式新穎；所構(gòu)建的機器人控制系統(tǒng)魯棒性高、穩(wěn)定性好、控制準確、反應迅速，圓滿地實現(xiàn)了預期的設計任務。有望通過后續(xù)軟件系統(tǒng)的開發(fā)提高其運動效能，真正在青少年機器人教育中發(fā)揮重要作用。