基于3D打印技術的雙足機器人創新實驗平臺

楊　亮, 韓清濤, 李文生, 陳詹超, 楊偉鈞

(1. 電子科技大學中山學院 計算機學院, 廣東 中山　528402； 2. 東莞理工學院 電子工程學院,廣東 東莞　523000； 3. 廣州城市職業學院 機電工程系, 廣東 廣州　510405)

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基于3D打印技術的雙足機器人創新實驗平臺

楊亮1, 韓清濤2, 李文生1, 陳詹超1, 楊偉鈞3

(1. 電子科技大學中山學院 計算機學院, 廣東 中山528402； 2. 東莞理工學院 電子工程學院,廣東 東莞523000； 3. 廣州城市職業學院 機電工程系, 廣東 廣州510405)

設計了基于3D打印技術的雙足機器人創新實驗平臺。該平臺由雙足機器人本體和上位機控制系統組成,其中機器人本體的機械結構采用3D打印技術制作而成,擁有17個自由度,具有成本低、便于批量制造的優點；硬件控制電路采用主從式雙CPU結構,具有魯棒性好、可擴展性強的優點；上位機控制系統采用具有良好跨平臺性能的Qt+OpenCV+Matlab設計框架,能夠完成遠程控制、圖像識別、步行、舞蹈等功能。

雙足機器人； 創新實驗平臺； 3D打印； 控制系統

雙足機器人[1-2]是當今機器人領域最熱門和前沿的研究課題之一,是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度、多變量、強耦合和變結構的復雜動力學系統[3],涉及仿生學、材料學、機械學、電子學、人工智能等諸多學科。由于雙足機器人具有類人的外形,對環境具有更好的適應性與靈活性,能更好地融入人們的生活,因而具有重要的理論研究價值和良好的應用前景。

本文提出了一種基于3D打印技術[4-6]的雙足機器人創新實驗平臺的建設方案,采用主從式雙CPU設計架構,具有成本低、精度高、控制效果好的優點。該雙足機器人具有獨立行走、視覺識別、舞蹈等功能。

1　總體設計方案

為實現雙足機器人步行、動作控制、未知空間探測等功能,雙足機器人創新實驗平臺由上位機控制軟件、雙足機器人本體兩部分組成,系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1　雙足機器人創新實驗平臺總體設計框圖

為降低成本、減輕重量、縮短制造周期,雙足機器人的機械結構部分除必要的舵機、攝像頭、控制板、鋰電池、螺絲釘外,其他部分均采用3D打印技術制作。3D打印技術“設計即生產”“設計即產品”快速成型的優點為機器人批量制造創造了條件[4],也為后續外形改造、功能擴展提供了便利。

雙足機器人創新實驗平臺采用雙CPU的主從式設計。主控板采用ARM Cortex-A7芯片,上面運行Linux嵌入式操作系統,用于實現WiFi網絡接入、指令接收、圖像采集等功能,相當于機器人的大腦；從控板為舵機驅動板,基于Atmega16單片機通過PWM波實現17路舵機的實時驅動控制。主控板與從控板之間通過UART接口進行通信,主從式雙CPU設計能將控制與驅動相分離,有利于提高雙足機器人系統的魯棒性及可擴展性。例如,當要增加3G上網功能時,只需在主控板上插入USB接口的3G上網卡,并在Linux操作系統上安裝驅動程序、完成相關配置即可,具有操作簡單、可擴展性強的優點。

2　雙足機器人機械結構及硬件設計方案

2.1機械結構設計

該雙足機器人高51 cm,重2.3 kg,擁有17個自由度,其中踝關節4個,膝關節2個、髖關節4個,肩關節4個、肘關節2個,最后一個自由度用于頭部(攝像頭)的轉動。機械結構部分主要由舵機、3D打印連接件、螺絲釘組成。機器人外形和機械結構如圖2所示。

圖2　機器人外形和機械結構

機器人的舵機相當于機器人的“肌肉”,每個舵機提供一個自由度,因此,整個機械結構的設計圍繞著舵機進行,通過3D打印連接件將舵機連接在一起,最后完成雙足機器人的組裝。

2.2硬件方案設計

考慮到對機器人尺寸的限制,主控板采用樹莓派2代開發板,該開發板只有信用卡大小,擁有主頻為900 MHz的BCM2836 CPU、1 GB SDRAM、4個USB 2.0接口、3.5 mm音頻輸出等多個外部接口,運行嵌入式Linux操作系統；主控板安裝有USB無線網卡、USB攝像頭、USB麥克風等外部設備,能夠實現WiFi網絡接入、圖像采集等功能。

從控板采用AVR Atmega16單片機,主要用于舵機的驅動控制。由于Atmega16僅有四通道PWM,不足以實現對17路舵機的實時控制,故本方案采用分時復用技術,通過軟中斷實現普通I/O口的17路PWM波輸出,比傳統使用分立元件或內部PWM單元產生PWM波的方式成本更低、控制更方便。此外,主控板與從控板通過UART接口進行通信,從控板在接收到控制指令后控制舵機完成指定動作。

3　雙足機器人控制系統設計

3.1系統控制框圖

為達到更好的控制效果,本系統采用雙閉環控制結構。運行在地面工作站的上位機控制軟件可通過攝像頭實時采集機器人的位置信息,在識別到機器人與目標物體距離等信息后,經由步態規劃模塊生成各關節角的運動軌跡,并把控制指令發送給機器人完成指定動作。系統控制框圖如圖3所示。

圖3　系統控制框圖

機器人在步行或完成指定舞蹈動作的過程中,由于存在外部干擾,因此各關節實際角度qr不可避免會存在誤差,但只要使各關節較好地跟蹤規劃好的角度,即能實現指定的動作。本系統采用PD控制器[7]實現關節角度控制。

(1)

(2)

由PD控制算法得到第i+1采樣時刻關節角的驅動力矩為

(3)

其中,kp、kd分別為PD控制器的比例和微分系數。

3.2上位機控制軟件設計

整個應用程序包含5個功能模塊,分別是用戶界面模塊、圖像識別模塊、步態規劃模塊、Matlab算法仿真模塊和網絡控制模塊。

圖像識別模塊基于OpenCV[8]實現,主要完成機器人及目標位置的識別,并將經識別的位置信息傳遞給步態規劃模塊。

步態規劃模塊主要負責對期望動作進行分析,并據此最終規劃出機器人各關節角度的時間序列,將各關節角度的時間序列通過網絡控制模塊發送給機器人的主控板,再經由機器人的舵機驅動板控制舵機完成指定動作。

Matlab算法仿真模塊主要完成步態規劃模塊中涉及到的正運動學計算、逆運動學計算、動力學計算及步態優化計算。考慮到實驗教學實際,同時也為了降低耦合性,Matlab算法仿真模塊以lib庫提供給步態規劃模塊調用。

用戶界面模塊主要負責完成人機交互,實現相關軟件的配置及控制指令的下發。

上位機軟件模塊圖如圖4所示。

圖4　上位機軟件模塊圖

為提高軟件的可移植性,上位機軟件采用具有良好跨平臺特性的“Qt+OpenCV+Mablab”框架作為開發平臺。Qt[9-10]是一個C++圖形用戶應用程序框架,主要用于界面的開發；OpenCV是一個基于BSD[11]許可發行的跨平臺計算機視覺庫。兩者均支持包括Linux、Windows、Embedded Linux、Window Phone在內的多種操作系統。由于Qt與OpenCV屬于不同的開發平臺,為解決在Qt軟件中調用OpenCV提供的API的問題,需要先下載OpenCV離線資源庫,并在Qt的.pro工程文件中增加OpenCV中相關lib庫的路徑,在使用時包含相關的.h頭文件即可。

目前,該上位機控制軟件能夠完成目標識別、步態規劃,夾取指定目標物體等功能,控制軟件界面如圖5所示。

圖5　上位機控制軟件界面

雙足機器人創新實驗涉及網絡通信、嵌入式開發、圖像識別等諸多教學內容,學生可通過AutoCAD[12]等軟件自行設計模型,對機器人外形進行改造,或編寫自己的控制程序、實現自己的創意作品。例如,我校計算機學院12級嵌入式專業的學生基于本平臺開發了基于多機器人協同控制的舞蹈演示系統,能夠使用手機遠程控制主機器人,主機器人主動與從機器人建立通信,協同完成指定的舞蹈動作。該作品獲得2015年泛珠三角大學生計算機作品賽全場唯一金獎及最佳實用價值獎,該作品如圖6所示。

圖6　多機器人舞蹈作品展示

4　結語

雙足機器人擁有人形的外表,涉及計算機、電子、自動化、機械等諸多學科,且具有一定的趣味性,是絕佳的創新實驗平臺。本文提出的雙足機器人創新實驗平臺設計方案利用3D打印技術“設計即生產”的優點，快速制作機器人的機械結構,采用Qt+OpenCV+Matlab作為開發平臺,具有移植性好的優點。采用本方案研制的雙足機器人創新實驗平臺目前已應用于本校學科競賽及“嵌入式軟件開發”等課程的綜合課程實訓中。試用結果表明,本方案研制的雙足機器人創新實驗平臺激發了學生的創造力與學習熱情,為開展大學生創新實驗提供了有益思路。

References)

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[4] 楊亮,傅瑜,鄧春健,等.基于嵌入式平臺3D打印機研制[J].實驗技術與管理,2015,32(12):89-92.

[5] 成思源,周小東,楊雪榮,等.基于數字化逆向建模的3D打印實驗教學[J].實驗技術與管理,2015,32(1):30-33.

[6] 張龍.3D打印過程的計算機仿真研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2014.

[7] 付根平.仿人機器人的步態規劃和步行控制研究[D]. 廣州:廣東工業大學,2013.

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[9] 楊亮,鄧春健,宋喜佳.一種基于嵌入式平臺屏幕內容分享系統的設計與實現[J].液晶與顯示,2014,29(6):933-938.

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[11] 關軍.合理使用BSD許可的版權規則[J].中國版權,2013(6):35-38.

[12] 李海林.基于AutoCAD軟件三維建模與3D打印應用[J].塑料制造,2015(10):75-79.

Innovative experimental platform of biped robot based on 3D print technology

Yang Liang1, Han Qingtao2, Li Wensheng1, Chen Zhanchao1, Yang Weijun3

(1. School of Computer Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Zhongshan Institute,Zhongshan 528402,China; 2.School of Electronic Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan 523000,China; 3.Department of Electromechanical Engineering,Guangzhou City Polytechnic,Guangzhou 510405 ,China)

An innovative experimental platform of biped robot based on 3D print technology is proposed. This platform consists of the mechanical body of biped robot and the upper-computer control system. Specially, the biped robot has 17 degrees of freedom and the mechanical body is made by using 3D print technology,which has the advantages of low cost and easy mass production. To enhance the robustness and scalability,the master-slave CPUs control scheme is adopted. Moreover,the “Qt+OpenCV+Matlab” framework is employed to achieve the remote control, the image recognition,walk,dance and other functions.

biped robot; innovative experimental platform; 3D printing; control system

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.033

2016-03-04修改日期：2016-05-16

廣東省教育科學研究項目(2015GXJK178)；廣東省創新強校工程項目(計算機科學與技術應用型人才培養示范專業)；廣東省教學質量與教學改革項目(嵌入式系統及物聯網技術課程教學團隊)；廣州市教育科學“十二五”規劃課題(2013A202)；電子科技大學中山學院質量工程項目(ZYGX201601)；廣東大學生科技創新培育專項項目(pdjh2016b0912)

楊亮(1980—),男,江西婺源,碩士,講師,主要研究方向為智能機器人系統與技術

韓清濤(1965—),男,黑龍江哈爾濱,碩士，副教授,研究方向為工業自動化和智能控制.

E-mail：qtaohan@qq.com

TP242

A

1002-4956(2016)9-0130-04