楊　亮, 韓清濤, 李文生, 陳詹超, 楊偉鈞

(1. 電子科技大學(xué)中山學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 廣東 中山　528402； 2. 東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院,廣東 東莞　523000； 3. 廣州城市職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系, 廣東 廣州　510405)

?

基于3D打印技術(shù)的雙足機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)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(xué)中山學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 廣東 中山528402； 2. 東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院,廣東 東莞523000； 3. 廣州城市職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系, 廣東 廣州510405)

設(shè)計(jì)了基于3D打印技術(shù)的雙足機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺由雙足機(jī)器人本體和上位機(jī)控制系統(tǒng)組成,其中機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用3D打印技術(shù)制作而成,擁有17個(gè)自由度,具有成本低、便于批量制造的優(yōu)點(diǎn)；硬件控制電路采用主從式雙CPU結(jié)構(gòu),具有魯棒性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；上位機(jī)控制系統(tǒng)采用具有良好跨平臺性能的Qt+OpenCV+Matlab設(shè)計(jì)框架,能夠完成遠(yuǎn)程控制、圖像識別、步行、舞蹈等功能。

雙足機(jī)器人； 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺； 3D打?。?控制系統(tǒng)

雙足機(jī)器人[1-2]是當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)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(qiáng)耦合和變結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)[3],涉及仿生學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、人工智能等諸多學(xué)科。由于雙足機(jī)器人具有類人的外形,對環(huán)境具有更好的適應(yīng)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(jià)值和良好的應(yīng)用前景。

本文提出了一種基于3D打印技術(shù)[4-6]的雙足機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)方案,采用主從式雙CPU設(shè)計(jì)架構(gòu),具有成本低、精度高、控制效果好的優(yōu)點(diǎn)。該雙足機(jī)器人具有獨(dú)立行走、視覺識別、舞蹈等功能。

1　總體設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人步行、動(dòng)作控制、未知空間探測等功能,雙足機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺由上位機(jī)控制軟件、雙足機(jī)器人本體兩部分組成,系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　雙足機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺總體設(shè)計(jì)框圖

為降低成本、減輕重量、縮短制造周期,雙足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分除必要的舵機(jī)、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(shù)制作。3D打印技術(shù)“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”“設(shè)計(jì)即產(chǎn)品”快速成型的優(yōu)點(diǎn)為機(jī)器人批量制造創(chuàng)造了條件[4],也為后續(xù)外形改造、功能擴(kuò)展提供了便利。

雙足機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺采用雙CPU的主從式設(shè)計(jì)。主控板采用ARM Cortex-A7芯片,上面運(yùn)行Linux嵌入式操作系統(tǒng),用于實(shí)現(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò)接入、指令接收、圖像采集等功能,相當(dāng)于機(jī)器人的大腦；從控板為舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板,基于Atmega16單片機(jī)通過PWM波實(shí)現(xiàn)17路舵機(jī)的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)控制。主控板與從控板之間通過UART接口進(jìn)行通信,主從式雙CPU設(shè)計(jì)能將控制與驅(qū)動(dòng)相分離,有利于提高雙足機(jī)器人系統(tǒng)的魯棒性及可擴(kuò)展性。例如,當(dāng)要增加3G上網(wǎng)功能時(shí),只需在主控板上插入U(xiǎn)SB接口的3G上網(wǎng)卡,并在Linux操作系統(tǒng)上安裝驅(qū)動(dòng)程序、完成相關(guān)配置即可,具有操作簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

2　雙足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)方案

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該雙足機(jī)器人高51 cm,重2.3 kg,擁有17個(gè)自由度,其中踝關(guān)節(jié)4個(gè),膝關(guān)節(jié)2個(gè)、髖關(guān)節(jié)4個(gè),肩關(guān)節(jié)4個(gè)、肘關(guān)節(jié)2個(gè),最后一個(gè)自由度用于頭部(攝像頭)的轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由舵機(jī)、3D打印連接件、螺絲釘組成。機(jī)器人外形和機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　機(jī)器人外形和機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的舵機(jī)相當(dāng)于機(jī)器人的“肌肉”,每個(gè)舵機(jī)提供一個(gè)自由度,因此,整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圍繞著舵機(jī)進(jìn)行,通過3D打印連接件將舵機(jī)連接在一起,最后完成雙足機(jī)器人的組裝。

2.2硬件方案設(shè)計(jì)

考慮到對機(jī)器人尺寸的限制,主控板采用樹莓派2代開發(fā)板,該開發(fā)板只有信用卡大小,擁有主頻為900 MHz的BCM2836 CPU、1 GB SDRAM、4個(gè)USB 2.0接口、3.5 mm音頻輸出等多個(gè)外部接口,運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)；主控板安裝有USB無線網(wǎng)卡、USB攝像頭、USB麥克風(fēng)等外部設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò)接入、圖像采集等功能。

從控板采用AVR Atmega16單片機(jī),主要用于舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。由于Atmega16僅有四通道PWM,不足以實(shí)現(xiàn)對17路舵機(jī)的實(shí)時(shí)控制,故本方案采用分時(shí)復(fù)用技術(shù),通過軟中斷實(shí)現(xiàn)普通I/O口的17路PWM波輸出,比傳統(tǒng)使用分立元件或內(nèi)部PWM單元產(chǎn)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(jìn)行通信,從控板在接收到控制指令后控制舵機(jī)完成指定動(dòng)作。

3　雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)控制框圖

為達(dá)到更好的控制效果,本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。運(yùn)行在地面工作站的上位機(jī)控制軟件可通過攝像頭實(shí)時(shí)采集機(jī)器人的位置信息,在識別到機(jī)器人與目標(biāo)物體距離等信息后,經(jīng)由步態(tài)規(guī)劃模塊生成各關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)軌跡,并把控制指令發(fā)送給機(jī)器人完成指定動(dòng)作。系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)控制框圖

機(jī)器人在步行或完成指定舞蹈動(dòng)作的過程中,由于存在外部干擾,因此各關(guān)節(jié)實(shí)際角度qr不可避免會存在誤差,但只要使各關(guān)節(jié)較好地跟蹤規(guī)劃好的角度,即能實(shí)現(xiàn)指定的動(dòng)作。本系統(tǒng)采用PD控制器[7]實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)角度控制。

(1)

(2)

由PD控制算法得到第i+1采樣時(shí)刻關(guān)節(jié)角的驅(qū)動(dòng)力矩為

(3)

其中,kp、kd分別為PD控制器的比例和微分系數(shù)。

3.2上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)應(yīng)用程序包含5個(gè)功能模塊,分別是用戶界面模塊、圖像識別模塊、步態(tài)規(guī)劃模塊、Matlab算法仿真模塊和網(wǎng)絡(luò)控制模塊。

圖像識別模塊基于OpenCV[8]實(shí)現(xiàn),主要完成機(jī)器人及目標(biāo)位置的識別,并將經(jīng)識別的位置信息傳遞給步態(tài)規(guī)劃模塊。

步態(tài)規(guī)劃模塊主要負(fù)責(zé)對期望動(dòng)作進(jìn)行分析,并據(jù)此最終規(guī)劃出機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度的時(shí)間序列,將各關(guān)節(jié)角度的時(shí)間序列通過網(wǎng)絡(luò)控制模塊發(fā)送給機(jī)器人的主控板,再經(jīng)由機(jī)器人的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制舵機(jī)完成指定動(dòng)作。

Matlab算法仿真模塊主要完成步態(tài)規(guī)劃模塊中涉及到的正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、動(dòng)力學(xué)計(jì)算及步態(tài)優(yōu)化計(jì)算?？紤]到實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際,同時(shí)也為了降低耦合性,Matlab算法仿真模塊以lib庫提供給步態(tài)規(guī)劃模塊調(diào)用。

用戶界面模塊主要負(fù)責(zé)完成人機(jī)交互,實(shí)現(xiàn)相關(guān)軟件的配置及控制指令的下發(fā)。

上位機(jī)軟件模塊圖如圖4所示。

圖4　上位機(jī)軟件模塊圖

為提高軟件的可移植性,上位機(jī)軟件采用具有良好跨平臺特性的“Qt+OpenCV+Mablab”框架作為開發(fā)平臺。Qt[9-10]是一個(gè)C++圖形用戶應(yīng)用程序框架,主要用于界面的開發(fā)；OpenCV是一個(gè)基于BSD[11]許可發(fā)行的跨平臺計(jì)算機(jī)視覺庫。兩者均支持包括Linux、Windows、Embedded Linux、Window Phone在內(nèi)的多種操作系統(tǒng)。由于Qt與OpenCV屬于不同的開發(fā)平臺,為解決在Qt軟件中調(diào)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(guān)lib庫的路徑,在使用時(shí)包含相關(guān)的.h頭文件即可。

目前,該上位機(jī)控制軟件能夠完成目標(biāo)識別、步態(tài)規(guī)劃,夾取指定目標(biāo)物體等功能,控制軟件界面如圖5所示。

圖5　上位機(jī)控制軟件界面

雙足機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)涉及網(wǎng)絡(luò)通信、嵌入式開發(fā)、圖像識別等諸多教學(xué)內(nèi)容,學(xué)生可通過AutoCAD[12]等軟件自行設(shè)計(jì)模型,對機(jī)器人外形進(jìn)行改造,或編寫自己的控制程序、實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意作品。例如,我校計(jì)算機(jī)學(xué)院12級嵌入式專業(yè)的學(xué)生基于本平臺開發(fā)了基于多機(jī)器人協(xié)同控制的舞蹈演示系統(tǒng),能夠使用手機(jī)遠(yuǎn)程控制主機(jī)器人,主機(jī)器人主動(dòng)與從機(jī)器人建立通信,協(xié)同完成指定的舞蹈動(dòng)作。該作品獲得2015年泛珠三角大學(xué)生計(jì)算機(jī)作品賽全場唯一金獎(jiǎng)及最佳實(shí)用價(jià)值獎(jiǎng),該作品如圖6所示。

圖6　多機(jī)器人舞蹈作品展示

4　結(jié)語

雙足機(jī)器人擁有人形的外表,涉及計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)化、機(jī)械等諸多學(xué)科,且具有一定的趣味性,是絕佳的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺。本文提出的雙足機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)方案利用3D打印技術(shù)“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”的優(yōu)點(diǎn)，快速制作機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu),采用Qt+OpenCV+Matlab作為開發(fā)平臺,具有移植性好的優(yōu)點(diǎn)。采用本方案研制的雙足機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺目前已應(yīng)用于本校學(xué)科競賽及“嵌入式軟件開發(fā)”等課程的綜合課程實(shí)訓(xùn)中。試用結(jié)果表明,本方案研制的雙足機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力與學(xué)習(xí)熱情,為開展大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了有益思路。

References)

[1] 鄭春龍.大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)研究與探索[J].中國大學(xué)教學(xué),2007(12):73-75.

[2] Yang L,Deng C. Yaw Moment Compensation for Humanoid Robot via Arms Swinging[J].Open Automation and Control Systems Journal,2014,6(1):1371-1377.

[3] 黃元林,付成龍,王健美,等.雙足跑步機(jī)器人控制方法研究概述[J].機(jī)器人,2009,31(4):370-377.

[4] 楊亮,傅瑜,鄧春健,等.基于嵌入式平臺3D打印機(jī)研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(12):89-92.

[5] 成思源,周小東,楊雪榮,等.基于數(shù)字化逆向建模的3D打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(1):30-33.

[6] 張龍.3D打印過程的計(jì)算機(jī)仿真研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2014.

[7] 付根平.仿人機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃和步行控制研究[D]. 廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2013.

[8] 吳曉陽.基于OpenCV的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測與跟蹤[D].杭州:浙江大學(xué),2008.

[9] 楊亮,鄧春健,宋喜佳.一種基于嵌入式平臺屏幕內(nèi)容分享系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].液晶與顯示,2014,29(6):933-938.

[10] 張春艷.基于Qt的嵌入式圖形用戶界面研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連:大連海事大學(xué),2008.

[11] 關(guān)軍.合理使用BSD許可的版權(quán)規(guī)則[J].中國版權(quán),2013(6):35-38.

[12] 李海林.基于AutoCAD軟件三維建模與3D打印應(yīng)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(xué)研究項(xiàng)目(2015GXJK178)；廣東省創(chuàng)新強(qiáng)校工程項(xiàng)目(計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)示范專業(yè))；廣東省教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革項(xiàng)目(嵌入式系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì))；廣州市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(2013A202)；電子科技大學(xué)中山學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目(ZYGX201601)；廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)項(xiàng)目(pdjh2016b0912)

楊亮(1980—),男,江西婺源,碩士,講師,主要研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人系統(tǒng)與技術(shù)

韓清濤(1965—),男,黑龍江哈爾濱,碩士，副教授,研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化和智能控制.

E-mail：qtaohan@qq.com

TP242

A

1002-4956(2016)9-0130-04