簡易人形機器人設計

趙學玲，邊授權，郝立果，趙 鵬

（1.天津職業技術師范大學信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222；2.天津職業技術師范大學工程實訓中心，天津 300222）

人形機器人是一種具有人的外形特征和行為的機器人，它能夠代替人類完成各種作業，并可以在很多方面擴展人類的能力，提高效率。人形機器人已在服務、醫療、教育、娛樂、救災搶險等多個領域得到廣泛應用[1]。美國、日本、韓國、英國等國家都在研制人形機器人方面做了大量的工作，并已取得突破性的進展[2]。我國在這方面也做了很多工作，國防科技大學、哈爾濱工業大學、上海交通大學等研制出了雙足步行機器人[3]；北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、北京科技大學研制出了多指靈巧手[4]；中科院合肥物質研究所研制出了智能腳等[5]。本文介紹一款低成本的小型人形機器人，該機器人能夠滿足雙足機器人的基本要求，且具備最基本的運動功能。在機械結構方面，參照人體實際的肢體比例制作了軀干、四肢和頭，各活動關節利用舵機構建，并設計一個舵機的驅動器，用于控制舵機以實現各關節動作；利用Visual Basic設計了舵機控制軟件，實現對機器人的運動控制。實驗表明人形機器人能夠完成規定的舞蹈動作組合。

1 系統構成

人形機器人整個系統主要由機械結構、控制電路和上位機控制軟件3部分組成，如圖1所示。機器人的機械結構仿照真人的肢體搭建并盡可能接近實際人體的比例，各關節的活動通過舵機實現；控制電路用于驅動控制每一臺舵機，模仿人的肢體動作；上位機控制軟件用于編排機器人舞蹈，計算出實現每一個動作相應關節的運動角度。

操作者根據機器人要做出的舞蹈動作，將每一個關節的動作幅度和先后順序進行編排，并輸入上位機軟件中；運行軟件后，上位機將通過串行通信接口，將動作指令逐一發送到控制器；控制器中的CPU在得到指令后，將控制相應的舵機運動并達到指定位置，舵機帶動肢體關節轉動，以實現模仿各種肢體動作。在制作時，將舵機控制器和電池安裝于機器人本體上。

2 機器人機構設計

機械結構是機器人做出各種模仿動作的基礎，人體關節十分復雜，要模仿出惟妙惟肖的人體動作，機器人的關節數量及自由度就要盡可能的多[6]，但關節數量和自由度的增加會使得機器人的控制難度增加，硬件成本提高[7-9]。“舞蹈演員”在表演時，他們的雙臂和雙腿以及頭部動作會形成較好視覺效果，而手指等部位的動作一般看不清楚。考慮以上因素，機器人的機械結構設計本著抓大放小的原則[10]，只選用動作幅度較大、動作明顯的主要肢體和關節，并減少其自由度，對于手指、脊椎等關節則忽略不計。

2.1 機器人肢體和自由度配置

機器人的肢體結構主要由頭、軀干、雙上肢、雙下肢共6個肢體組成，如圖2所示。機器人頭部與軀干通過頸關節連接，為簡化控制頸關節，只保留了1個左右旋轉的自由度；上肢通過肩關節與軀干連接，肩關節有2個自由度，可做出側擺臂和前后擺臂動作，大臂和小臂之間通過肘關節連接，1個彎曲自由度；下肢與軀干通過髖關節連接，具有2個自由度，可做出側抬腿和前后抬腿的動作。大腿與小腿之間由膝關節連接，可做彎曲動作；小腿與足部由踝關節連接，可做彎曲動作。機器人本體由11個關節組成，共有15個自由度。

圖2 人形機器人肢體結構

2.2 機器人肢體的設計

由于機器人要直立行走并做出各種動作，進行機械結構設計時，要在保證機械強度的基礎上，盡可能減化機構、減輕重量，所以在選擇材料上以鋁制型材為主。機器人肢體外形圖如圖3所示。圖3（a）為機器人軀干，利用鋁片制成外形輪廓，中空部分用于安裝電路和電池；圖3（b）為上、下肢基本形狀，利用鋁片制成U形，根據安裝位置的不同可對其尺寸進行調整，在作為機器人肢體同時，還可用于固定舵機。

圖3 機器人肢體外形圖

2.3 機器人肢體關節的連接

將完成后的機器人肢體按照對應位置連接起來，機器人本體的機械結構也就基本完成了。為了簡化機構，采用舵機輸出軸直連的方式進行肢體的連接，舵機軸旋轉的角度對應關節彎曲的角度。對于2個自由的肩關節和髖關節，則采用2個舵機正交連接的方式，圖4所示為完成連接的機器人本體機構。

圖4 機器人本體結構

3 機器人控制電路設計

機器人控制電路的主要作用是根據編排好的舞蹈動作，控制舵機輸出軸的旋轉角度，使機器人關節彎曲做出各種肢體動作。控制電路的控制對象是舵機，其控制信號為50 Hz的方波，通過改變方波的占空比來控制舵機的輸出角度。控制電路由MCU、電源單元、通信接口和I/O擴展4個部分組成，如圖5所示。

圖5 機器人控制電路結構

3.1 電源單元

電源單元利用6 V鋰電池作為能源，輸出6 V和5 V兩路電壓，其中6 V電壓用于舵機供電，5 V電壓用于單片機和其他芯片供電。機器人本體采用了2種舵機，頭部和肘關節處由于受力小，選用額定電流為30 mA舵機，其他12個舵機的額定電流為150 mA，如所有舵機同時達到額定電流，可產生1 890 mA電流，所以電池選擇最大放電能力為3 A。其他芯片總電流不大于100 mA，選用7805穩壓芯片進行穩壓產生。

3.2 MCU及接口單元

系統MCU采用AVR系列的8位單片機ATMEGA48，單片機與PC機之間采用串行通信，利用MAX232芯片進行TTL到RS232電平的轉換，利用4個74HC595串入并出芯片實現I/O口擴展，可產生32路方波輸出，最多同時控制32個舵機。為避免控制延時過長，將4個74HC595芯片分為2組，由2組I/O口分別控制，為了減小體積，選用貼片元器件制板，電路板如圖6所示。

圖6 I/O擴展接口圖

3.3 單片機程序設計

單片機程序的主要功能是根據上位機發來的指令控制對應的I/O口輸出不同占空比的方波，程序主要包括：通信子程序、定時子程序和I/O輸出子程序，程序流程圖如圖7所示。單片機上電后首先進行初始化，對不同關節的舵機輸出不同占空比的方波，使機器人處于直立狀態。初始化完成后進入主循環，程序循環體主要包括以下步驟：查詢串口指令—改變占空比值—定時比較—輸出刷新。

圖7 單片機程序流程圖

串口接收的指令為連續的2幀數據，每幀16個字節。為了減少單片機的程序運算量，串口數據中每一個字節代表一路輸出脈寬為0.1 ms的方波，該方波用于控制一個舵機。舵機選用的是盛輝MG599，其控制信號為周期20 ms的脈寬調制信號，其中脈沖寬度為0.5～2.5 ms，相對應舵盤的位置為0°～180°，兩者間呈線性變化。

利用定時器產生0.1 ms時基的中斷，在中斷處理函數中對定時變量進行累加，在主程序的循環體中，將定時變量與脈寬值數組中的數據逐一進行比較。當變量值與數組中的某一元素相等時，此元素對應的I/O口將輸出低電平，當定時達到20 ms時，所有I/O口輸出高電平，同時將定時變量清零。32路PWM輸出的時序如圖8所示。

圖8 PWM輸出時序圖

4 機器人控制軟件設計

機器人的舞蹈動作編排軟件利用VB程序設計，操作者根據設定的舞蹈動作，分解成每個舵機的角度變化，并將其按照動作順序輸入到界面中。為了簡化操作，本著簡單實用的原則，只設計一個界面，如圖9所示。控制界面主要包括通道設置、串口設置和操作設置3個部分，串口設置部分用于設置通信波特率、數據格式等通信參數，在完成串口基本設置后即可以對機器人的舞蹈動作進行編排。

圖9 上位機控制界面

根據機器人實際用到的舵機數量，選擇并激活相應的控制通道，將舞蹈動作進行分解，通過拖動界面中的每一通道的進度條，控制相應舵機轉動，一個分解動作中所有關節設置好后，點擊添加指令，本動作將被存入指令序列，按此方法將所有動作設置好，即完成了動作的編排。點運行指令，上位機將按照設定的間隔時間將指令序列依次發送到下位機，機器人即可實現舞蹈動作。

5 實驗測試

在完成了機器人的制作后，通過實驗對系統的功能和可靠性進行驗證，實驗主要包括單關節測試和多關節關聯調試。單關節測試的目的主要是確定其轉動角度的范圍、方向是否正確并確定初始位置，利用上位機控制界面，通過改變每個通道的值，觀察相應關節的運動，確定其初始位置，通道1～15與各關節自由度的對應關系如表1所示。

通過對單獨關節的測試，證明本系統單獨關節可以模仿人肢體的基本運動，而模仿人體動作需要多個關節關聯運動，在完成了單獨關節動作的測試后，還應進行多關節關聯動作的測試。以簡單下蹲動作為例，需要髖、膝、踝關節配合動作，以保證其重心位置不會偏移而摔倒，通過不斷調整相關關節的放置角度和速度及前后關系，最終使其能夠平衡地完成下蹲動作。

表1 機器人靜止時各關節初始位置

6 結束語

本文介紹了一種人形機器人的設計，按照人體比例設計了機器人的結構，利用15個舵機實現各個關節的動作，組成了具有15個自由度的人形機器人，并設計了一個集成舵機控制器，通過與上位機通信的方式協調控制多路舵機。通過對人形機器人進行各項測試，驗證了設計的合理性，通過大量的實驗最終實現了完整的舞蹈動作。

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