華中師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 王澤紅 彭 熙 劉思源 康程華 張桓瑜 盧書宇

1 引言

近年來，機(jī)器人作為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標(biāo)，機(jī)器人技術(shù)的研究與發(fā)展很受重視。我國的“中國制造2025”國家創(chuàng)新戰(zhàn)略就把發(fā)展機(jī)器人作為搶占技術(shù)和市場制高點(diǎn)的重要戰(zhàn)略舉措。[1]

舞蹈機(jī)器人是一種娛樂機(jī)器人，具有人類外觀特征，能伴隨音樂進(jìn)行舞蹈表演，其較強(qiáng)的觀賞性和娛樂功能使其具有很大的研究與市場開發(fā)價值。舞蹈機(jī)器人同一般機(jī)器人，由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動裝置和傳感系統(tǒng)等組成。本次設(shè)計(jì)采用Arduino單片機(jī)作為舞蹈機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)的核心，使用19個LDX-227舵機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動和一個微伺服電機(jī)控制器作為舵機(jī)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)對伺服舵機(jī)的分時控制，以達(dá)到控制機(jī)器人完成各種動作的目的。為機(jī)器人設(shè)計(jì)紅外測距系統(tǒng)，通過紅外測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。并根據(jù)需求繪制舞蹈機(jī)器人零部件圖紙，通過3D打印技術(shù)制造出機(jī)器人整體零部件。

2 總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)與開發(fā)一款舞蹈機(jī)器人，首先需要對其總體進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，確定該款機(jī)器人的功能，基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置。

該款舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)目的為從藝術(shù)性與觀賞性出發(fā)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人舞蹈表演和人機(jī)交互功能。我們提出以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）機(jī)器人為雙足類人結(jié)構(gòu)，具有19個自由度。自由度分配為：一個1自由度的頸部，一雙4自由度的手部，一雙5自由度的腿部。這款機(jī)器人需可完成大部分普通舞蹈動作，以及轉(zhuǎn)動手腕的特殊舞蹈動作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人舞蹈表演功能。

（2）根據(jù)系統(tǒng)的工作要求設(shè)計(jì)控制電路，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)自由度協(xié)調(diào)控制,并使機(jī)器人具有穩(wěn)定系統(tǒng)性能。

（3）為機(jī)器人設(shè)計(jì)紅外測距系統(tǒng)，根據(jù)人距離機(jī)器人遠(yuǎn)近做出不同交互動作，使其具備人機(jī)交互功能。

（4）利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)舞蹈機(jī)器人外觀部件，最大程度滿足觀賞性和娛樂性的要求。

（5）設(shè)計(jì)一套契合機(jī)器人設(shè)計(jì)主題的舞蹈動作，并編寫對應(yīng)Arduino程序。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分為機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分。

2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

經(jīng)過分析，要實(shí)現(xiàn)預(yù)期舞蹈動作，本款舞蹈機(jī)器人應(yīng)設(shè)計(jì)為雙足類人結(jié)構(gòu)，具有19個自由度。圖1為舞蹈機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖。所有自由度由伺服舵機(jī)分別單獨(dú)控制，其中自由度分配如圖1所示。

圖1 舞蹈機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖

（1）頸部：一個1自由度?？蓪?shí)現(xiàn)頭部的來回轉(zhuǎn)動。

（2）肩部：兩個自由度。可實(shí)現(xiàn)肩部前后擺動和左右擺動。

（3）肘部：一個自由度?？蓪?shí)現(xiàn)手臂的旋轉(zhuǎn)。該關(guān)節(jié)通常設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)手臂曲伸，但考慮到手臂重量和特殊舞蹈動作設(shè)計(jì)需求，我們做出了滿足需求的修改。

（4）手腕：一個自由度?？煽刂剖植块_合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人用手部夾取東西的功能。

（5）跨部：兩個自由度?？蓪?shí)現(xiàn)跨部開合和大腿前后抬放動作。

（6）膝部：一個自由度。實(shí)現(xiàn)膝部曲伸動作。

（7）腳腕：兩個自由度。實(shí)現(xiàn)腳板抬放和里側(cè)外側(cè)動作。

2.1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所涉及的舞蹈機(jī)器人系統(tǒng)，主要組成部分為：Arduino M0單片機(jī)、傳感器拓展板、32路伺服舵機(jī)控制器、GP2D12紅外測距傳感器、伺服舵機(jī)、電源。其硬件系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

（1）Arduino M0：我們選擇Arduino M0作為機(jī)器人控制主板。Arduino將開源硬件與開源軟件相結(jié)合，是一塊基于開放原始碼的USB接口Simple I/O接口板[2]。Arduino的電路板是硬件開源的，而配套上位機(jī)是軟件開源的，我們可以容易的找到相應(yīng)的電路圖紙、軟件代碼和庫文件，十分便于我們在其上進(jìn)行自主設(shè)計(jì)并開發(fā)。Arduino可以脫離電腦獨(dú)立運(yùn)行，可以搭配各種傳感器使用，能滿足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

圖2 舞蹈機(jī)器人硬件系統(tǒng)組成框圖

一套4分鐘左右的流暢美觀的舞蹈，通常需要350步以上的機(jī)器人動作，對應(yīng)的代碼相對較大，單片機(jī)需要有足夠大的內(nèi)存存儲空間來存儲程序。Arduino M0是UNO的增強(qiáng)版，具有較大的內(nèi)存，更符合我們的需求。

表1所示為Aduino M0和Arduino UNO的參數(shù)對比：

表1 Arduino M0和UNO參數(shù)對比

（1）傳感器拓展板：Arduino Sensor Shield V5.0傳感器擴(kuò)展板將Arduino控制器的全部數(shù)字與模擬接口以舵機(jī)線序形式擴(kuò)展出來，十分便于我們連接單片機(jī)與需要的傳感器。

（2）功能選擇開關(guān)：開關(guān)一端連接數(shù)字接口作為輸入端，另一端連接單片機(jī)穩(wěn)定輸出3.3v電壓的正極。用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人舞蹈表演或人機(jī)交互的功能選擇。

（3）微伺服電機(jī)控制器：由于Arduino M0上只有14個PWM引腳，不能滿足我們設(shè)計(jì)需求，因此我們選用了Arduino 32路伺服舵機(jī)控制器作為微伺服電機(jī)控制器。其具有控制指令精簡，控制轉(zhuǎn)角精度高，波特率可以實(shí)時更改，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。通過Arduino M0單片機(jī)給控制器傳遞控制指令信號，可實(shí)現(xiàn)對多路伺服舵機(jī)的分時控制。

（4）紅外測距傳感器：GP2D12紅外線測距傳感器輸出為模擬值，其電壓值與被測物距離值成反比。大約為距離10cm輸出2.55V，距離80cm輸出0.42V。使用Arduino的模擬量采樣命令analogRead()獲得模擬量數(shù)據(jù)。

圖3 模擬信號與測量距離對應(yīng)表

圖3所示為GP2D12紅外測距傳感器模擬信號與測量距離對應(yīng)表。analogRead()命令采樣的數(shù)據(jù)范圍由0到1023，對應(yīng)的電壓范圍由0到5v，每單位數(shù)據(jù)代表0.0049v，讀取的有效數(shù)據(jù)由86(0.42v)到520(2.548v)。另外這個關(guān)系式里的距離為參考距離，實(shí)際距離值需另外減去0.42cm。對應(yīng)圖4曲線有實(shí)際距離與采樣數(shù)據(jù)之間的關(guān)系式為：

實(shí)際距離=2547.8/(( float)采樣數(shù)據(jù)*0.49-10.41)-0.42

（1）伺服舵機(jī)：舵機(jī)是一種位置的伺服驅(qū)動器，具有閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)電結(jié)構(gòu)，由小型直流電機(jī)、變速齒輪組、可調(diào)電位器、控制板等部件組成[3]。由于可以方便地控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，在舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。伺服舵機(jī)接收控制器發(fā)出的脈寬調(diào)制(PWM)信號，獲得直流偏置電壓。舵機(jī)內(nèi)部的基準(zhǔn)電路產(chǎn)生周期為20ms，脈寬為1.5ms的基準(zhǔn)信號。將直流偏置電壓與電位器的電壓比較得到的電壓差輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片根據(jù)電壓差的正負(fù)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。[4]

本設(shè)計(jì)選用的舵機(jī)為深圳樂幻索爾科技公司的270o數(shù)字雙軸舵機(jī)。該款舵機(jī)利用PWM脈寬型調(diào)節(jié)角度，周期20ms，占空比0.5ms～2.5ms的脈寬電平對應(yīng)舵機(jī)0°～270°角度范圍，且成線性關(guān)系。數(shù)字舵機(jī)具有發(fā)送一次PWM信號就能鎖定角度不變，控制精度高、響應(yīng)速度快、線性度好的優(yōu)點(diǎn)，270o的舵機(jī)能實(shí)現(xiàn)舞蹈機(jī)器人大部分舞蹈動作。

（2）電源：電源模塊主要用來給系統(tǒng)中控制板和伺服舵機(jī)分別供電，使其不會發(fā)生相互干擾。系統(tǒng)電路各部分所需電壓不盡相同，Arduino M0工作電壓為3.3v，紅外測距傳感器工作電壓為5v，控制板控制端工作電壓為+7v～+12v，而LDX-227舵機(jī)工作電壓為+6v～+8.4v?；谙到y(tǒng)需求，機(jī)器人電源模塊與硬件系統(tǒng)各模塊接線如圖4所示。

圖4 舞蹈機(jī)器人硬件系統(tǒng)接線圖

2.2 程序設(shè)計(jì)方案

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)上的控制程序主要包括一個主程序和多個實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的子程序。Arduino代碼兼容C/C++語言，程序采用C語言按模塊化編程思想進(jìn)行編寫。機(jī)器人舞蹈動作、機(jī)器人不同的交互動作、功能選擇判斷、紅外測距數(shù)據(jù)處理均在子函數(shù)中完成，主函數(shù)負(fù)責(zé)對子函數(shù)的調(diào)用。圖5所示為主程序結(jié)構(gòu)框圖：

圖5 主程序框圖

圖6 舞蹈機(jī)器人等軸測圖

在程序編寫完成后，我們用Arduino官方推出的標(biāo)準(zhǔn)編譯環(huán)境——Arduino IDE進(jìn)行代碼的編譯于燒錄。

2.3 3D打印方案

在機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，我們充分考慮機(jī)器人的美觀性和穩(wěn)定性，同時考慮到機(jī)器人本體重量不能過重，否則舵機(jī)功率消耗太大，帶來舵機(jī)過度損耗和系統(tǒng)供電困難的難題。在便于零部件設(shè)計(jì)、測試、修改的前提下，我們采用3D打印技術(shù)進(jìn)行機(jī)器人整體零部件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3D打印技術(shù)，即增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)是通過CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加制造制造方法。[5]3D打印過程分為三維設(shè)計(jì)、切片處理、修改打磨步驟。

基于舞蹈機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能需求，我們用CAD和3ds Max繪制出機(jī)器人整體零部件圖紙。圖6所示為舞蹈機(jī)器人整體三維模型等軸測圖。

機(jī)器人零部件三維模型設(shè)計(jì)中，零部件尺寸要與選用的LDX-227伺服舵機(jī)尺寸適合，在機(jī)器人頭部、軀干、四肢外，要有能安裝Arduino單片機(jī)和傳感器拓展板、微伺服電機(jī)控制器以及電源的空間。零部件厚度應(yīng)在保證機(jī)器人穩(wěn)定性的前提下考慮美觀性。經(jīng)過反復(fù)打印測試和修改，我們最終設(shè)計(jì)出一款美觀、穩(wěn)定的機(jī)器人圖紙。

其中，為滿足舞蹈表演主題，機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)參考了孫悟空形象，手部設(shè)計(jì)為可開合夾取物體的形狀，使機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)、甩金箍棒等特殊舞蹈動作。

3 測試結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了功能測試。測試方法為：

（1）設(shè)計(jì)一套測試動作，動作中包含前進(jìn)、后退、側(cè)移、蹲下起立、單腳站立、夾取物體、揮舞物體等動作。將編寫好的程序燒錄入主控板，將機(jī)器人放于2m*2m的木板上運(yùn)行，測試機(jī)器人執(zhí)行動作的穩(wěn)定性。

（2）運(yùn)行紅外測距部分代碼，障礙物距離機(jī)器人15——25cm處，26——35cm處，40cm以外，機(jī)器人分別做出相應(yīng)的交互動作，測試人機(jī)交互功能。

經(jīng)過測試，機(jī)器人能穩(wěn)定流暢地進(jìn)行舞蹈表演，但由于機(jī)器人重心偏高，肘部不能曲伸等因素，無法實(shí)現(xiàn)翻滾、倒立一類的難度動作。紅外測距部分則能較準(zhǔn)確地識別障礙物的距離并作出相應(yīng)動作?？傮w而言，測試結(jié)果比較理想。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款外形美觀、性能穩(wěn)定的小型舞蹈機(jī)器人。機(jī)器人共19個自由度，能進(jìn)行舞蹈表演，能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。此外本系統(tǒng)具有舞蹈機(jī)器人研究的拓展空間，能在本系統(tǒng)上模擬、研究多傳感器在舞蹈機(jī)器人上的應(yīng)用，研究機(jī)器人運(yùn)動規(guī)律，為智能機(jī)器人的研究提供了一個可靠的平臺。在機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們花費(fèi)大量精力不斷修改完善對每個零部件的設(shè)計(jì)，最終完成兩臺穩(wěn)定美觀的3D打印的完整機(jī)器人。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們試用和比較了幾款A(yù)rduino主板，最后選擇了Arduino M0作為舞蹈機(jī)器人的主控板，在設(shè)計(jì)與研究的過程中，由于Arduino主板PWM引腳數(shù)的少于設(shè)計(jì)所需的自由度數(shù)，我們增加了32路伺服舵機(jī)控制板來滿足對分時控制多個伺服舵機(jī)的需求。

[1]余東華,胡亞男,呂逸楠.新工業(yè)革命背景下“中國制造2025”的技術(shù)創(chuàng)新路徑和產(chǎn)業(yè)選擇研究[J].天津社會科學(xué),2015(4).

[2]蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012(16).

[3]胡小江,董飛垚,雷虎民,等.基于虛擬儀器的舵機(jī)半實(shí)物仿真系統(tǒng)研究[J].測控技術(shù),2011(1).

[4]蔡睿妍.基于Arduino的舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識與技術(shù),2012(15).

[5]盧秉恒,李滌塵.增材制造(3D打印)技術(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動化,2013(04).