类人型舞蹈机器人“创客”一号设计.pdf

总第1 5 7 期 2 0 1 6 年第5 期 机械管理开发 M E C H A N I C A LM A N A G E M E N TA N D T o t a l1 5 7 N o 5 加1 6 机槭分析籀设计 D O I ：1 0 1 6 5 2 5 ，j c n k i 蚰1 4 一1 1 3 4 ，t h 2 0 1 6 0 5 0 9 类人型舞蹈机器人“创客 一号设计 乔 栋，吕贝贝，贾焦予 ( 山西大同大学，山西大同0 3 7 0 0 9 ) 摘要：通过对类人型舞蹈机器人“创客”一号总体设计、机械系统设计、执行机构设计、控制系统设计、舞蹈设计和语 音模块等几方面进行分析，根据人体仿生学原理确定其比例尺寸，舞蹈机器人的功能及动作要求确定其自由度配置， 并选择合适的材料和驱动元件，进行精细的外观设计，实现了简单人体舞蹈的基本动作。 关键词：类人型舞蹈机器人“创客”一号设计 中图分类号：丁P 2 4 2 文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 7 7 3 2 0 1 6 ) 0 5 一o Q 2 8 0 3 引言 机器人技术已广泛应用于人类社会生活的各个 领域，并给人类传统的生产模式带来革命性的变化， 并影响着人们的生活“ 。传统意义上的机器人主要 从事代替人类体力劳动的活动，应用于工业生活之 中。类人型舞蹈机器人是娱乐机器人的一种，把机器 人的应用领域从物质领域扩大到精神领域。 本文设计的“创客”一号，具有简单人体功能、模 拟舞蹈动作的类人型机器人，使用1 8 个R D s 3 1 0 9 双轴舵机作为关节驱动，舵机的驱动利用舵机控制 板，并放在机器人背部充当身躯，控制实现各种动 作。为使双腿能够负载起手臂和身躯，其关节采用8 个R D s 31 0 9 双轴舵机。利用舵机调试程序对舞蹈机 器入的每个动作进行编排、采样，最后将一个个动作 连贯起来编译下载，最终实现类人型舞蹈机器人“创 客”一号的设计。 1 “创客”一号总体设计 1 1 组成部分 类人型舞蹈机器人“创客”一号主要由执行系 统、驱动系统及控制系统组成 2 。 执行系统：“创客”一号实现各种舞蹈动作所必 须的机械部件，包括头部、手臂、腰部及腿部等结构。 驱动系统：舵机驱动。“创客”一号以人为模型， 利用舵机将各组成部分连接，再通过“装”有各种程 序的芯片进行舵机控制。其中芯片相当于人的大脑， 收稿日期：2 0 1 6 一0 4 一0 1 第一作者简介：乔栋( 1 9 8 1 一) 男，山西大同人，研究生，工程力 学专业，现就职于山西大同大学。 舵机充当人的关节，且舵机是“创客”一号主要的动 力装置，能够精确控制机器人的位置角度，是一种微 型伺服马达，控制信号是宽度可调的方波脉冲信号， 很方便和模拟系统进行接口。 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统 按照规定的要求进行工作，主要由跟舵机相配套的 舵机控制板组成，可以精确、灵敏的控制舵机的运动 幅度和速度。 1 2 设计部分 1 2 1 设计要求 为充分利用并发挥机器人的特点和优点，本文 进行类人型舞蹈机器人“创客”一号的设计，将机器 人的应用领域扩展至精神领域。选择新颖、节奏感强 的音乐，并将机器入的动作与音乐合拍，动作精细美 观是舞蹈的宗旨。 1 2 2 总体方案拟定 类人型舞蹈机器人“创客”一号的主要功能是完 成优美的舞蹈表演。该功能实现的基础是机械结构设 计和动作控制驱动。根据设计内容和需求确定类人型 舞蹈机器人“创客”一号，利用舵机驱动和舵机控制板 控制来实现舞蹈动作表演，根据动作制定相配套的音 乐。在本次设计中，应用了许多独立设计完成的机械 结构，比如一种类人型机器人腰部转动装置。 1 2 3 综合特性参数 类人型舞蹈机器人“创客”一号的综合特性参数 是说明规格和性能的具体指标，主要技术参数如下： 1 ) 体型特征：类人。身体类型：高强度铝镁合金， 关键结构采用1 2 m m 和1 5 m m 钣金、工业塑料。 2 ) 自由度：共计1 8 自由度。 万方数据 2 0 1 6 年第5 期乔栋，等：类人型舞蹈机器人“创客”一号设计 3 ) 语音系统：语音识别模块。 2 “创客”一号机械系统设计 2 1 运动系统分析 类人型舞蹈机器人“创客”一号的运动，可从其 自由度、机械结构类型和运动空间三方面来讨论 引。 1 ) 自由度。自由度是表示动作灵活程度的参数， 根据机器人操作位置时独立运动参数的数目进行确 定，该数目越多则自由度越高，表示机器人动作越灵 活。本文设计的“创客”一号自由度为1 8 ，可以前进后 退，左右侧行，左右转弯和前后摆动手臂。通过语音识 别技术，可以对“创客”一号进行简单的语音控制，通 过发出语音命令，控制“创客”一号的舞蹈动作。 2 ) 机械结构类型。“创客”一号以人为模型，最基 本的方案即为模仿人类的形体。在此基础上，本文使 用了一些独特的机械设计结构，如一种类人型机器 人腰部转动装置。 3 ) 运动空间。关于“创客”一号的运动空间，首先 考虑的是其进行正常活动表演时各个身体部位空间 活动的最大范围，是“创客”一号的主要技术参数。 2 2 运动过程分析 “创客”一号各组成部分是通过关节进行连接 的，则机器人的各种动作，需要各关节的精确运行来 实现。“创客”一号各个关节连接部位的合理性是设 计成败的关键。 3 “创客”一号执行机构设计 3 1 手臂杌构的设计 手臂机构是机器人的重要组成部分，由于机器 人的很多动作是由手臂完成，所以手臂机构的自由 度很多。由于设计方案没有点头动作，所以头部机构 相对简单，在此和手臂一起设计，只要一个电机来完 成头部动作即可。 3 2 腰部转动机构的设计 机器人的腰部机构用于实现机器人左右转身的 动作。类入型舞蹈机器人“创客”一号的腰部转动装 置由下横梁、稳定转轴、上横梁、双轴舵机及其支架、 弹簧上支撑架、弹簧、弹簧下支撑架等装置组成。下 横梁用于连接机器人腿部结构，上横梁用于连接机 器人腰部以上部分。同时，该结构在机器人腰部转动 过程中起到了很大的作用，使得机器人腰部转动更 为平稳的同时提供了幅度保障。 3 3 腿部机构设计 “创客”一号腿部结构的设计思路是，作为类人 型机器人的腿部，其行走运动结构的设计前提是必 须采用双腿直立行走模式。由于前后启动喷性不一 样，会导致机器人进行腿部动作时的不平衡，特别是 对“创客”一号来说，其重心较高，更难控制。考虑到 其需要支撑整个机器人的重量，承重较大的部分，选 择进行加固处理，增加一道连接。 3 4 动力装置选择 在动力装置的选择方面，“创客”一号采用了舵 机驱动和舵机控制器相结合的方式。舵机是一种具 有闭环控制系统的机电结构，同时是位置伺服的驱 动器，主要组成部分有：小型直流电机、变速齿轮组、 可调电位器、控制板等。舵机具有方便控制旋转角度 的特点，而广泛应用于要求角度不断变化的控制系 统中。 3 4 1 舵机选择 选择R D s 31 0 9 双轴舵机，是一款为机器人专门 设计的数字舵机，扭矩1 5k g ，运行噪音低、平稳且线 性度高，可控角度范围1 8 0 。，断电可3 6 0 。旋转，特 别适合机器人的各关节活动。全套金属齿轮，间隙 小，性能优越。支架采用2m m 硬质铝合金冲压成型， 预留多种安装孑L 位，可灵活进行各种连接形状扩展。 其性能参数如表l 所示。 表1 舵机性能参数 质量培 6 0工作电压厂v 5 7 2 尺寸 工作电流缅A 1 0 0 ( m m m m I m ) 4 0 2 0 4 0 5 速度( s 6 0 0 一)0 1 6 ( 7 2V )线长c m 3 2 堵转扭矩， 17 ( 7 2 V ) 类型数码双轴 ( k g c r ) 3 4 2 舵机控制器选择 选择A r d u i n 0 2 4 路舵机控制板，通过它可以使 用电脑软件控制机器人，或者控制舵机。在同时控制 2 4 个舵机的同时，可以保证稳定性并提高精度。 技术规格：舵机和控制板均独立供电，其电源相 互分离；同时控制2 4 路( 舵机速度可调) ；由U s B 或 者串口( 1 T I L ) 通讯输入；由P w M ( 精度0 5 斗s ) 信号 输出；波特率范围为96 0 0 1 2 80 0 0H z ；P c B 尺寸为 5 lm m 4 3 5m m ；安装孑L 间距为4 2m m 3 5 5m m ； 存储空间采用板载5 1 2K 存储芯片。 4 “创客”一号控制系统 4 1 控制系统特点及要求 “创客”一号具有多达1 8 个自由度，每个自由度 包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多 万方数据 机械管理开发 j 删b 1 2 6 c o m 第3 l 卷 变量控制系统。该控制系统，由舵机控制板和计算机 来实现。控制系统的功能是控制“创客”一号的行动 和舞蹈动作来满足设计的需求。在进行舞蹈表演时， “创客”一号的动作与音乐合拍，动作精细美观是舞 蹈的宗旨。 4 2 控制系统设计方案 A r d u i n o 具有高度模块化的硬件系统，具有1 4 通道的数字输入输出，其中包括P W M 输出通道6 个、1 0 位A D C 模拟输入输出通道6 个，电源电压 主要为5V 和3 3V 。开关量输入输出模块、各种模 拟量传感器输入模块、总线类传感器的输入模块，以 及网络通信模块等分布在核心控制板的外围，为实 现互联网连接，只需在核心控制板上增加网络控制 模块即可。机器人运动时，舵机转动，此时电流较大， 应采用外部电源来避免A r d u i n o 上的芯片因过流保 护发热而损坏。连接原理如图1 所示。 图1舵机控制板驱动舵机原理图 5 “创客”一号舞蹈设计和语音模块 5 1 舞蹈设计 舞蹈机器人设计的最终目标是在舞台上表演， 所以应该细致观察演员的动作行为，并结合机械结 构特点，来设计适合机器人的舞蹈动作。本文设计的 “创客”一号是通过控制各个关节的舵机转动速度和 角度来实现舞蹈的步调、节奏和动作幅度的 4 。“创 客”一号设计时主要通过控制电机滑块来观察各关 节位置的准确度，若位置准确，则将此动作数据添加 到数据库模块的动作表中，重复上面的步骤进行下 一动作的调试，如此反复直至编排好所有的动作，完 成舞蹈动作部分制作。将上面所得动作数据表下载 到舵机控制板中，由舵机控制板来控制各个关节，按 顺序执行动作表中的各个动作。同时控制音乐播放 器播放舞蹈音乐，实现舞蹈机器人在音乐声中翩翩 起舞。 5 2 语音模块编辑 在此次类人型舞蹈机器人“创客”一号的语音系 统的设计中，选择语音识别模块进行简单的人机互 动，如图2 所示，具体参数见表2 。 图2 语音模块实物图 表2 语音模块参数 供电 规格I O 口输出通信方式单片机参数 电压 型号为 4 3 m m 2 9 7m m5V高电平3 3 V串口通信S T C l l L 0 8 X E n a s h ( 8 k ) 6 结论 传统意义上的机器人主要从事代替人类的体力 劳动，应用在工业生活之中，而本文设计的类人型舞 蹈机器人“创客”一号所代表的是机器人娱乐项目的 开发，是把机器人的应用领域从物质领域扩大到精 神领域。类人型舞蹈机器人“创客”一号的设计，主要 完成以下任务： 1 ) 在类人型、舞蹈机器人这两个前提下，进行设 计研发，从而设计出“创客”一号。 2 ) 本次设计详细的对类人型舞蹈机器人“创客” 一号的手臂、腰部及腿部结构进行了优化设计，对这 些机构的设计采用了计算机辅助设计。 3 ) 本次设计由于时间有限，只是从基础上人手， 许多结构和程序停留在初步设计阶段，有待进一步 完善、优化。 参考文献 1 蔡自兴机器人学 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 0 2 周远清，张自兴，许万雍，等智能机器人系统 M 北京：清华大 学出版社，1 9 8 8 3 吴振彪机电综合设计指导 M 北京：人民大学出版社，2 0 0 0 4 吴宗泽，罗圣国机械设计课程设计手册 M 北京：高等教育出 版社，2 0 0 2 ( 编辑：王慧芳