一種仿人型體操機器人的結構設計與優化

韓瑞瑞 王少坤

（西北農林科技大學水利與建筑工程學院 陜西省咸陽市 712100）

隨著現代化、智能化的快速發展，智能機器人不斷走向人們的視野中。并日益應用于餐飲服務、醫療康復、汽車與船舶等行業人機協作場合，幫助人類完成復雜繁瑣的重復性工作。然而隨著人們在物質生活的日益滿足，對精神層面的生活要求也越來越高，所以娛樂性的體操機器人、舞蹈機器人、籃球機器人等應運而生。體操機器人是一種用于2020 中國機器人大賽工程競技類項目中的比賽機器人，該機器人要完成走步、前滾翻、后滾翻、單手俯臥撐、雙手俯臥撐、左右側手翻、倒立、倒立劈叉等競賽動作，裁判將依據機器人外形的類人程度和動作的完成情況來評定成績[1]。為了完成所有規定動作并提高動作的連貫性，對體操機器人結構設計提出了更高的要求，同時這些設計和實踐對類人型機器人研究和探索具有非常重要的參考價值。

1 體操機器人整體設計

1.1 整體結構要求和元器件選型

根據比賽發布的規則中要求的動作要求，以不多于14 個舵機為前提，對機器人整體結構進行設計。要求體操機器人腿部結構必須是具有垂直轉動自由度，并滿足靜態時機器人腿部的水平向自由度中兩個相鄰關節最大展開角度不小于120°的規則要求。機器人整體必須有明顯的頭、手臂、軀干和雙足等部分，與人體的結構比例相協調，機器人腰部以下要大于總高度的一半。體操機器人硬件系統分為三大部分：舵機，舵機控制器，連接結構件（包括舵機連接件、手部結構件、足部結構件）等。其中舵機選用RDS3115 舵機，其具有扭力大、連接方便等特點，是專用于機器人的數字舵機，如圖1 所示；舵機控制器采用基于STM32 的16 路舵機控制板，并外加Arduino Nano 作為上位機進行控制，可以方便后期擴展功能。舵機連接件采用輕質鋁合金材料，加強了機械本身的硬度，減輕了機器人質量[2]。如圖2 所示。

圖1：RDS3115 舵機

圖2：16 路舵機控制版

1.2 機器人結構設計

根據競賽規則要求，體操機器人的14 個舵機配置應該綜合考慮機器人整體尺寸和伺服電機的驅動力矩， 確定機器人的中心位置為腰部，以腰部為分界線，從上肢、下肢兩個角度進行舵機分配。人體上肢主要包括頸部、肩關節、肘關節和腕關節，以及其他較小的關節，為契合機器人研制目標，不再對如此數量龐大的自由度逐個還原，僅保留三個重要部分：頸部、肩關節和肘關節。將肩關節和肘關節的運動簡化為上下擺動，所以雙臂分別設計為兩個水平的自由度共4 個舵機[3]。為了便于手臂的連接，頸部設計為兩個舵機，上肢共設計六個舵機。手部結構件設計為一個梯形狀手掌，方便動作及支撐。

下肢舵機的舵機分配要考慮機器人的行走功能。機構包括腿部和足部，腿部由大腿和小腿組成，連接軀干和大腿的關節稱為髖關節；連接大腿和小腿的關節稱為膝關節；連接小腿和足的關節稱為踝關節[4]。比賽規則里的準備動作里有機器人的行走項目，所以腿部結構采用8 個舵機進行設計，每條腿是4 個舵機，分別為偏移重心舵機（踝關節舵機）、膝關節舵機以及髖關節（胯部舵機），其中膝關節且有兩個舵機采用無機構件連接方式進行組裝，從而使它的整體身高長度縮短，降低重心。足部結構件的設計是采用傳統的正方形方案，受力更加均勻的，而且相比于競速機器人常用的長方形板子或者弧形腳底板，正方形的板子面積小更有利于體操機器人完成前滾翻和后滾翻動作，在側面滾翻時也會提供機器人較大的助力。第一代和第二代機器人實物圖如圖3 和圖4 所示。

圖3：第一代機器人實物圖

圖4：第二代機器人實物圖

圖5：做側翻分解動作流程圖

2 機器人設計優化

2.1 腿部結構改進

經實踐發現上述方案設計出的體操機器人有以下缺點：

（1）腿部的無機構件連接方式不僅可靠性和便捷性差，且使機器人結構不完全對稱，其重心不在機器人的對稱軸上，導致步伐調試復雜，步長較短，且在完成劈叉站立動作時容易出現重心前傾現象。

（2）腳部偏移重心舵機與膝關節舵機整體協調度腳底，使機器人行走不平穩。

所以其腿部結構的優化與否決定了機器人能否順利行走。要使機器人平穩的行走，首先要設計好機械結構其精確尺寸，還要把握住其各個關節的整體協調度。體操機器人的腿部以及腳步結構都要圍繞著能讓機器人更快，更穩的行走。機器人需要有嚴格的對稱結構，并保證機器人的重心盡可能的低[5]。故我們優化為圖6 所示結構，膝關節、胯關節舵機背靠背連接構成對稱結構，既提高了舵機連接的穩定度，穩定了重心，又簡化了后期動作調試，能夠通過對稱調節完成腿部角度的變化，順利完成劈叉站立動作，其步長也明顯增加。

2.2 手掌結構改進

根據體操機器人要完成動作的特殊性，手部結構件的設計也是關鍵一環。在完成側翻和倒立動作時，我們的手臂會成為主要的受力對象和支撐對象，所以必須要有足夠的硬度和合理的機械設計從而助力機器人完美完成動作。原梯形式手臂為木質結構且與舵機是通過簡單的膠布纏繞連接，如果受力過大容易折斷。因此吸取比賽的經驗和其他優秀的機器人的結構，對機器人的手臂進行了創新和升級改造?；诖?，我們更換手部結構件為通過機械連接的鋁合金U 型手臂。如圖6 所示。改進后的創新型手臂有使得機器人在完成比賽動作時更加流暢。下面以側翻為例說明其優勢。體操機器人的每一個動作都可以進行細分，將一個連續的動作分為幾個關鍵的姿勢，從而分步完成[6]。將左側翻動作分為幾個關鍵動作，分解流程圖如圖5 所示。

改進后的手臂前后兩個支撐面，這樣在側翻的第二步驟抬起左臂，再抬起右腿時前面弧形支撐面可以給一個支撐力，使機器人平穩的與地面接觸，受力平衡。接著在左手傾斜時重心左移步驟時又時可以用自帶的傾斜手臂給機器人右上方傾斜的力使其快速平穩的翻過。

3 舵機控制器優化

在硬件電路板方面的改進是采用自主設計的全新型16 路舵機控制器。相比之前的舵機控制器，不僅可以實現對16 個舵機的控制，還集成了傳感器輸入接口，便于連接多種數字化傳感器，不再需要Arduino Nano 的配合。為了實現機器人的控制，除了擁有強有力的硬件結構外，還必須有相應的軟件系統進行配合。需要通過算法的編程，使機器人完成指定的動作指令[7]。故通過自主設計的編程平臺，簡單易上手，可以實現對RDS3115 舵機動作的實時控制和調整。結構的改變也引起了動作設計的改變，第二代機器人建立的動作庫和程序代碼也與第一代機器人的完全不同。舵機控制板如圖6 所示，舵機控制板PCB 圖如圖7 所示。

圖6：舵機控制板

圖7：舵機控制板PCB 圖

4 機器人調試與結論

仿人形的體操動作不僅考驗機體自身質量的大小和舵機性能的優劣，更加考驗機體自身的結構設計以及手臂部分和下肢部分的比例關系是否協調。所以綜合運用了單片機控制、舵機控制、機械設計等知識，對機器人經過多次的設計改進和反復的調試之后，使得體操機器人在結構上更加的對稱，行走步態更加平穩，舵機之間的運動更加協調，可以優異的完成比賽的要求動作，并且在自創動作的設計中又加入了高難度180°劈叉弓腰動作，很好地展示了硬件結構的穩定性，并取得不錯的比賽成績。

體操機器人相比于其他工業機器人，因為具有柔順性、多變性、非結構化環境適應性好的優點，所以可以更好的實現機器人、環境和人之間的共融。因此隨著科技的更加發展，在軟硬件技術的結合之下，體操機器人將會有更好的發展前景。