基于創(chuàng)新工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的小型仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)＊

王升升

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013）

0 引言

由于受傳統(tǒng)教學(xué)理念、教學(xué)模式、教學(xué)方法等因素的制約, 學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力較弱已成為制約我國高校教學(xué)質(zhì)量以及人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要因素。很多高校正大力發(fā)展學(xué)生社團(tuán)等第二課堂建設(shè)，輔助教學(xué)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新工程實(shí)踐能力。但是在生源質(zhì)量日益下滑的情況下，高職院校第二課堂和學(xué)生社團(tuán)的開展也面臨著很大的阻力，這也使第二課堂建設(shè)在促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐能力的功能上大打折扣。

發(fā)展第二課堂培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新工程實(shí)踐能力，可以與教學(xué)體系和人才培養(yǎng)方案互補(bǔ)，在現(xiàn)有人才培養(yǎng)方案的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上增加個(gè)性化工程實(shí)踐培養(yǎng)，既能滿足學(xué)生個(gè)性化專業(yè)發(fā)展需求，又能夠給予學(xué)有余力的同學(xué)提高個(gè)人專業(yè)技術(shù)技能的機(jī)會。

小型仿人機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人中非常重要的一個(gè)分支，在其算法功能、仿人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、外設(shè)傳感器的識別功能等方面一定程度上代表機(jī)器人的先進(jìn)程度。工科專業(yè)學(xué)生要求動手實(shí)踐能力強(qiáng)，對于專業(yè)的理論知識不僅要求真懂、真會，同時(shí)要求學(xué)生對所學(xué)的知識懂得其用途。小型仿人機(jī)器人是一個(gè)工科專業(yè)的交叉體，對專業(yè)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制方法、電動機(jī)直流技術(shù)、控制算法等都有很深的涉及，適合作為學(xué)生創(chuàng)新工程能力培養(yǎng)的實(shí)踐項(xiàng)目。通過梳理工科專業(yè)現(xiàn)有的專業(yè)課程，結(jié)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的實(shí)際，開發(fā)了小型仿人機(jī)器人工程實(shí)踐項(xiàng)目。

1 設(shè)計(jì)思路

小型仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)研發(fā)過程中需要掌握和學(xué)習(xí)多學(xué)科的知識和技能，是一個(gè)綜合類的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。小型仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)的思路是完成小型仿人機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最終進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)在課程的教學(xué)中把機(jī)械工程、電路、電子元件焊接、計(jì)算機(jī)語言等課程有機(jī)地結(jié)合到一起，通過學(xué)生自主預(yù)習(xí)、自主進(jìn)行方案設(shè)計(jì)提出設(shè)計(jì)小型仿人機(jī)器人項(xiàng)目[1]。具體步驟如下：

1）自主學(xué)習(xí)小型仿人機(jī)器人所需理論知識等。

2）在教師帶領(lǐng)下自主進(jìn)行整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3）利用自主學(xué)習(xí)的綜合知識進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，包括硬件的選型、電路設(shè)計(jì)和調(diào)試等步驟。

4）利用自主學(xué)習(xí)的綜合知識進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，包括舵機(jī)驅(qū)動、程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)設(shè)計(jì)和調(diào)試等步驟。

通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為小型機(jī)器人的動作進(jìn)行自由度的分配，同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動原件的選擇。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇核心的傳感器和CPU，同時(shí)進(jìn)行核心電路的設(shè)計(jì)[2]。在軟件設(shè)計(jì)中使用插補(bǔ)法等對舵機(jī)進(jìn)行軟件控制，使用編程軟件進(jìn)行傳感器的驅(qū)動設(shè)置。通過以上項(xiàng)目讓項(xiàng)目組的學(xué)生人人有分工、人人有活干、人人能動手，積極培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新工程實(shí)踐能力。

2 小型仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型仿人機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)任務(wù)分為5部分： 1）機(jī)器人自由度的分配。2）機(jī)器人在運(yùn)動過程中選取的驅(qū)動原件。3）設(shè)計(jì)小型仿人機(jī)器人的各機(jī)械部件，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。4）建立完整的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。5）完成機(jī)器人的組裝。具體研發(fā)思路如圖1所示。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

在進(jìn)一步的設(shè)計(jì)中，進(jìn)行機(jī)器人的自由度分析，自由度是仿人機(jī)器人重要的控制指標(biāo)，包括機(jī)器人整體大小、驅(qū)動伺服電機(jī)的力矩、機(jī)器人的中心位置等[3]。通過確定中心位置把機(jī)器人分為上肢與下肢，分別分配自由度。仿人機(jī)器人中上肢自由度分配主要是頸、肩、肘、腕四個(gè)方面。仿人機(jī)器人下肢自由度分配主要是雙腿自由度、踝關(guān)節(jié)自由度、髖關(guān)節(jié)自由度三方面的分配。下肢自由度的分配關(guān)系到仿人機(jī)器人的行走方式。仿人機(jī)器人的動力源是驅(qū)動電機(jī)，通過不同電機(jī)的對標(biāo)，選取舵機(jī)作為動力電機(jī)。舵機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以反饋位置信號，可以很好分配關(guān)節(jié)的自由度[4]。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在完成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，關(guān)鍵是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)是仿人機(jī)器人的大腦中樞，只有控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理才能使仿人機(jī)器人正常運(yùn)動。通過前期的機(jī)械設(shè)計(jì)，確定控制系統(tǒng)硬件的安裝部位，機(jī)器人的背部空間較大可以安裝較多的硬件，如主控板、姿態(tài)傳感器、通訊模塊。驅(qū)動電源電池安裝在機(jī)器人的腹腔[5]，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

2.3 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)后，需要各個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，通過主控的芯片來處理傳感器傳回的各種數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制，其控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)中采用由上向下的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其核心電路如圖3所示。

圖3 核心電路

2.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

小型機(jī)器人在機(jī)械機(jī)構(gòu)、硬件構(gòu)成、電路設(shè)計(jì)正常工作的前提下，控制程序是決定小型機(jī)器人工作正常的關(guān)鍵。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的三層，分別為執(zhí)行層、應(yīng)用層、驅(qū)動層。執(zhí)行層主要功能為調(diào)試、編寫動作庫，從控制器發(fā)送指令；應(yīng)用層是控制器的軟件核心；驅(qū)動層主要實(shí)現(xiàn)小型機(jī)器人的動作和功能，控制指令轉(zhuǎn)換成電機(jī)識別的脈沖信號[6]。

舵機(jī)是小型機(jī)器人的動作控制電機(jī)，舵機(jī)的控制調(diào)速算法采用插補(bǔ)法，通過算法確定舵機(jī)的初始位置、運(yùn)行時(shí)間及最終位置，通過調(diào)節(jié)時(shí)間及舵機(jī)的角度控制機(jī)器人的運(yùn)行速度。插補(bǔ)算法可以分為兩種，分別是定時(shí)插補(bǔ)和定距插補(bǔ)。插補(bǔ)調(diào)速算法如圖4所示。

圖4 插補(bǔ)調(diào)速算法

由上圖可知，運(yùn)行時(shí)間T1=20ms脈沖調(diào)整，進(jìn)行轉(zhuǎn)換為T2=20ms，脈沖寬度增加，增加量為每次△T/n，經(jīng)過n次后，舵機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，速度平滑[7]。小型仿真機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行需要多舵機(jī)的聯(lián)動控制，起到串聯(lián)作用的是控制軟件。主要的控制方法為分時(shí)細(xì)化，通過圖4可知運(yùn)行周期為20ms，將一個(gè)周期分為8段，通過平分時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段控制一個(gè)舵機(jī)。

2.5 傳感器檢測

傳感器是小型機(jī)器人的檢測元件，可以進(jìn)行三軸加速度處理，其驅(qū)動核心是MPU6050芯片，可以直接處理傳感器輸出的陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)。在工作時(shí)其坐標(biāo)系的定義如圖5所示。芯片文字垂直向上以芯片的中心為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，文字垂直向上為Z軸[8]。

圖5 MPU6050檢測軸方向

3 小型仿真機(jī)器人調(diào)試

完成機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件軟件設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行機(jī)器人的硬件調(diào)試。通過核心控制器與每個(gè)舵機(jī)進(jìn)行連接，測試控制器的控制情況，軟件編程及其舵機(jī)的運(yùn)行情況。通過測試，驗(yàn)證舵機(jī)在接收到控制器的指令時(shí)，能否完成目標(biāo)位置及其運(yùn)動時(shí)間。舵機(jī)運(yùn)動響應(yīng)曲線及時(shí)間如圖6所示[9]。

圖6 舵機(jī)運(yùn)動位置及時(shí)間

4 結(jié)論

小型仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)涉及到多學(xué)科知識與實(shí)踐，學(xué)生在實(shí)踐中能充分的融合不同學(xué)科知識，大大提高了學(xué)生的創(chuàng)新工程實(shí)踐能力。同時(shí)學(xué)生在機(jī)器人設(shè)計(jì)初期的調(diào)研，也大大提升了學(xué)生分析、總結(jié)問題的能力，對于現(xiàn)有學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)具有較大的借鑒作用。