小型舞蹈双足机器人的设计及实现
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摘 要
小型舞蹈双足机器人属于较为复杂的机电一体化系统。本次设计中通过对各模块化环节的一一解决，成功研发了一款功能齐备、动作灵活的舞蹈机器人。其具有在动作的协调性及控制技术层面的突出优势，是目前较为先进的小型双足机器人模式。本文就小型舞蹈双足机器人设计的总体思路予以了阐述，并对此次研究过程的小型舞蹈双足机器人的软硬件设计及其达成进行了深入的分析，将为我国小型双足机器人的设计与实现提供部分参考。
关键词
双足机器人;设计;实现
中图分类号： TP242 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.069
近年来，我国机器人研究领域获得了巨大的进步。这一进程不仅推动了机器人设计的发展，也在较大程度上带动了仿生学、人工智能、計算机图形学、通讯控制等相关领域的发展[1]。双足步行机器人是机器人设计领域的一朵奇葩。相对于其他类型的技巧人，其具有在非结构性环境中更好地适应性，同时在规避障碍能力、能耗上的突出优势，具有较好的市场应用和研发前景。本次研究中主要是综合运动各学科基础知识，以小型舞蹈双足机器人的设计为目标，通过对其结构设计、软硬件系统设计的不断探索，设计出了一款具有模块化设计、功能齐备、动作灵活的舞蹈机器人。现就其设计的总体思路和实施路径展开回顾性分析[2]。
1 小型舞蹈双足机器人设计的总体思路
1.1 设计思路
就一定层面上而言，小型舞蹈双足机器人属于较为复杂的机电一体化系统。这一设计目标的达成需要首先确立设计的整体思路。在本次研究中将总体设计流程为五个步骤：确定主体、具体结构和尺寸设计、搭建控制电路、运动服装设计、调试程序。
在此次设计方案的制定过程中，以设计目标与功能要求的结合、实物造型与虚拟仿真的结合，样机制作与实务验证的结合，动作编排与运动特征的结合。这样的四结合在极高程度上推进了舞蹈双足机器人的一体化研究进程。
1.2 整体结构
机械结构设计是小型舞蹈双足机器人设计工作的基础，也是其功能实现的平台。本次研发的小型舞蹈双足机器人整体结构与人体大致相似，左右对称，比例适中，机器人有18个舵机控制包括头部、手臂、手肘、腰部、大腿、小腿、脚踝等部分。手臂部分共有6个舵机，控制机器人的手臂摆动，手肘的内外摆动以及小臂的转动。腰部有1个舵机，使机器人的腰部可以转动，使机器人的功能更多样化。腿部共有10个舵机，主要控制机器人各种各样的步行动作。机器人的每条腿均有一个驱动髋和一个驱动膝盖。上端未被驱动的横杠使机器人不能横滚、偏转和侧向运动。所有的电机都安放在身体的上部，通过电缆向各个关节供电。为使产生的力矩精确作用在关节上，并使机器人具有较强的防震能力，每个自由度都采用了串联弹性驱动法。机器手的动作形态是由三种不同的单动作——旋转、回转、伸缩组合而成的。
1.3 舞蹈动作
该型双足舞蹈机器人的舞蹈动作参考部分京剧演员的舞蹈动作，而后自行设计出机器人的舞蹈动作。动作设计包括：①上台，敬礼，半蹲致礼;②下蹲做好准备动作;③渐渐起来，同时手臂举过头顶，波浪状扭动;④旋转走位;⑤双腿迈开渐渐向下弯曲，同时双手举过头顶、上身后仰，下腰身体呈桥状;⑥空中翻转;⑦侧屈伸舞扇;⑧一字马;⑨双腿左右轮流屈伸，弯腿时同时踮起脚尖，双手小臂与大臂成90°;⑩双腿微曲与肩同宽，左右手臂轮流抬举与肩平齐，同时放下的另一只手向下伸直，身体配合左右摆动等。
2 小型舞蹈双足机器人的软硬件设计
2.1 硬件设计
2.1.1 硬件控制系统
该小型舞蹈双足机器人硬件系统包括：单片机I/O口设备、上位机、舵机、传感器等，其主要器件名称及型号（见表1）如下：
其中，Stm32f103rct6单片机具有在J-LINK在线调试、多接口、通用定时器性能高等方面的突出优势;32路舵机控制板具有在可以同时控制24路伺服电机，32位CPU、内部集成USB通信接口，稳定性高，24路伺候电机独立指针设计，不会产生拥挤的现象等方面的优势，这些硬件的优选在极大程度上达成了该小型舞蹈双足机器人在结构学、动力学等方面的设计实现提供了硬件支点。＼
2.1.2 关节设计
从运动仿生学的角度对该小型舞蹈仿生机器人腿部的自由度进行了配置，以优化关节扭矩最小条件下两步足的结构自由度优化方案[3]。在机器人的髋部和踝部各设有自由度，可以是该小型舞蹈双足机器人的站立能力得以提升，同时在区髋部增加一个扭转的自由度，这样可以进一步地一定提升机器人的行走转向能力，而在其踝部增加一个回转自由度可以使得机器人的脚板对地面适应能力得以提升。并根据仿生学的基本原理对该小型双足舞蹈机器人的运动动作及舞动动作做出规划设计。而对于舞蹈机器人而言，其相对应传统的双足机器人在上肢的运动自由度上有着更高的要求。手臂的摆动能力将成为机器人可以达成相关设计要求的重要保障。就仿生学的角度而言，人体的肩部可以视为前向和侧向的两个自由度及肘部的一个向内折叠的自由度，收不运动的一个自由度。而作为舞蹈机器人其头部的动作也是十分关键的，因此在本次设计的过程中创新性地在头部加上了一个自由度，以更好地配合舞蹈动作的展现，提升机器人舞蹈的魅力[4]。
2.1.3 关节动力
在此次研究中对于该小型舞蹈机器人的关节动力选择，受限于研发资金等因素，放弃了人工肌肉方案，而选择伺服电机。该研究中所采用的伺服电机具有速度快、扭矩大、体积小等优势，并兼具一定的经济性，能够基本达成对该小型舞蹈双足机器人的设计要求。
2.2 软件设计 2.2.1 上位机模块
本次研究中在單片机的基础上增加了上位机模块单元，以突破单片机的功能限制来达成对复杂戏剧舞蹈动作的实践。同时，上位机模块也较好地实现了单片机机器人设计中在人机交互层面的弊端，能够更好地实现这一功能。该型小型双足舞蹈机器人能够实现上台，敬礼，半蹲致礼、一字马等复杂的舞蹈动作得益于这一软件模块的支撑。
2.2.2 通信模块
本次研究中的通信模块功能强大，使语音识别模块、红外测距模块等模块的接入更为便捷。通过这些设备可实现机器人在运动过程中的定位，从而实现其在程序信号下的自主舞蹈的功能。
2.2.3 运动控制模块
对于该小型舞蹈双足机器人而言，其能够被大家认可并喜欢，很大程度上需有其舞蹈动作的优美、流畅多决定[5]。一方面研发者要适当地编排优美的戏剧舞蹈动作，来实现机器人功能的最优变现，另一方面应进行得设计舞蹈动作，是舞蹈编排可以成为现实。而这些功能最终要反映到对该小型双足舞蹈机器人的舵机的调教上来。该小型舞蹈机器人的舵机调教要使得分布在机器人周身的24台伺服电机能够准确、快速、稳定地运转到指定位置，同时要实现对这24台伺服电机的协调工作。这也是实现本次研究的核心环节。在这一过程中，采用单片机本身所带的PWM口产生波形，PWM信号精度可以达到1μs，能够满足该小型舞蹈双足机器人的高精度舵机的控制要求。同时，在这一运动模式的设计中，通过串口控制32路舵机控制板上的语音识别模块及利用单片机的复用功能ad检测红外测距模块传递的电压。用于完成该小型舞蹈双足机器人的人机互动环节[6-7]。
3 小结
1）舞蹈机器人是灵活的，需要做出各种各样的动作来增加观赏性，为了使机器人动作流畅顺利地进行，我们最终选择了金属铝作为主要材料，因为铝易于加工，而且铝密度较小，质量又轻，不会加重机器人的承载负担。机器人整体结构与人体大致相似，左右对称，比例适中，机器人有18个舵机控制包括头部、手臂、手肘、腰部、大腿、小腿、脚踝等部分。能完成的动作包括：摇头，旋转;单脚着地、弯腰、下蹲，手摸地、脚点地打节拍、左右扭屁股;手倒立、拍手、敬礼、俯卧撑，手肘转动。
2）机器人身上的单片机连接红外对管模块，红外对管检测赛场上的黑白圈，防止机器人出界。两个红外对管，依照遮挡次序可以完成两次人机互动。参考了网络上部分京剧演员的舞蹈动作，自行设计出机器人的舞蹈动作。机器人腰部添加了一个舵机，使机器人灵活地转身，能够做出更多优美的动作。
3）该小型舞蹈双足机器人是通过调32路舵机控制器，驱动各个关节上的舵机工作;用传感器接收人的指令信号，输入单片机，编程处理，输出一系列模拟的PWM波（stm32）改变舵机工作状态，完成人机互动操作。
参考文献
[1]杨成阳.基于串联弹性驱动器的上肢康复机器人设计与运动规划[D].江苏大学，2016：1-82.
[2]田阳.小型双足仿人机器人的设计与研发[D].中国海洋大学，2014：1-75.
[3]王健，孙志峻.双足仿人机器人的设计与步态分析[J].机械与电子，2014，（11）：56-59.
[4]张文佳. 绳索牵引并联机器人的点到点轨迹规划与动力学控制[D].中国科学技术大学，2016：1-74.
[5]崔国华，张艳伟，张英爽，等. 六自由度串并联机械手的构型设计与运动学分析[J].农业工程学报，2014，（1）：155-159.
[6]胡存，刘敬猛，陈伟海.基于Virtools的仿生六足机器人关节舵机运动仿真[J].中国测试，2014，（3）：65-68.
[7]王晓强，王帅军，刘建亭.基于MATLAB的IRB2400工业机器人运动学分析[J]. 机床与液压，2014，（3）：54-57，40.
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