基于3D打印技术的双足机器人创新实验平台

杨　亮, 韩清涛, 李文生, 陈詹超, 杨伟钧

(1. 电子科技大学中山学院 计算机学院, 广东 中山　528402； 2. 东莞理工学院 电子工程学院,广东 东莞　523000； 3. 广州城市职业学院 机电工程系, 广东 广州　510405)



基于3D打印技术的双足机器人创新实验平台

杨亮1, 韩清涛2, 李文生1, 陈詹超1, 杨伟钧3

(1. 电子科技大学中山学院 计算机学院, 广东 中山528402； 2. 东莞理工学院 电子工程学院,广东 东莞523000； 3. 广州城市职业学院 机电工程系, 广东 广州510405)

设计了基于3D打印技术的双足机器人创新实验平台。该平台由双足机器人本体和上位机控制系统组成,其中机器人本体的机械结构采用3D打印技术制作而成,拥有17个自由度,具有成本低、便于批量制造的优点；硬件控制电路采用主从式双CPU结构,具有鲁棒性好、可扩展性强的优点；上位机控制系统采用具有良好跨平台性能的Qt+OpenCV+Matlab设计框架,能够完成远程控制、图像识别、步行、舞蹈等功能。

双足机器人； 创新实验平台； 3D打印； 控制系统

双足机器人[1-2]是当今机器人领域最热门和前沿的研究课题之一,是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度、多变量、强耦合和变结构的复杂动力学系统[3],涉及仿生学、材料学、机械学、电子学、人工智能等诸多学科。由于双足机器人具有类人的外形,对环境具有更好的适应性与灵活性,能更好地融入人们的生活,因而具有重要的理论研究价值和良好的应用前景。

本文提出了一种基于3D打印技术[4-6]的双足机器人创新实验平台的建设方案,采用主从式双CPU设计架构,具有成本低、精度高、控制效果好的优点。该双足机器人具有独立行走、视觉识别、舞蹈等功能。

1　总体设计方案

为实现双足机器人步行、动作控制、未知空间探测等功能,双足机器人创新实验平台由上位机控制软件、双足机器人本体两部分组成,系统总体设计框图如图1所示。

图1　双足机器人创新实验平台总体设计框图

为降低成本、减轻重量、缩短制造周期,双足机器人的机械结构部分除必要的舵机、摄像头、控制板、锂电池、螺丝钉外,其他部分均采用3D打印技术制作。3D打印技术“设计即生产”“设计即产品”快速成型的优点为机器人批量制造创造了条件[4],也为后续外形改造、功能扩展提供了便利。

双足机器人创新实验平台采用双CPU的主从式设计。主控板采用ARM Cortex-A7芯片,上面运行Linux嵌入式操作系统,用于实现WiFi网络接入、指令接收、图像采集等功能,相当于机器人的大脑；从控板为舵机驱动板,基于Atmega16单片机通过PWM波实现17路舵机的实时驱动控制。主控板与从控板之间通过UART接口进行通信,主从式双CPU设计能将控制与驱动相分离,有利于提高双足机器人系统的鲁棒性及可扩展性。例如,当要增加3G上网功能时,只需在主控板上插入USB接口的3G上网卡,并在Linux操作系统上安装驱动程序、完成相关配置即可,具有操作简单、可扩展性强的优点。

2　双足机器人机械结构及硬件设计方案

2.1机械结构设计

该双足机器人高51 cm,重2.3 kg,拥有17个自由度,其中踝关节4个,膝关节2个、髋关节4个,肩关节4个、肘关节2个,最后一个自由度用于头部(摄像头)的转动。机械结构部分主要由舵机、3D打印连接件、螺丝钉组成。机器人外形和机械结构如图2所示。

图2　机器人外形和机械结构

机器人的舵机相当于机器人的“肌肉”,每个舵机提供一个自由度,因此,整个机械结构的设计围绕着舵机进行,通过3D打印连接件将舵机连接在一起,最后完成双足机器人的组装。

2.2硬件方案设计

考虑到对机器人尺寸的限制,主控板采用树莓派2代开发板,该开发板只有信用卡大小,拥有主频为900 MHz的BCM2836 CPU、1 GB SDRAM、4个USB 2.0接口、3.5 mm音频输出等多个外部接口,运行嵌入式Linux操作系统；主控板安装有USB无线网卡、USB摄像头、USB麦克风等外部设备,能够实现WiFi网络接入、图像采集等功能。

从控板采用AVR Atmega16单片机,主要用于舵机的驱动控制。由于Atmega16仅有四通道PWM,不足以实现对17路舵机的实时控制,故本方案采用分时复用技术,通过软中断实现普通I/O口的17路PWM波输出,比传统使用分立元件或内部PWM单元产生PWM波的方式成本更低、控制更方便。此外,主控板与从控板通过UART接口进行通信,从控板在接收到控制指令后控制舵机完成指定动作。

3　双足机器人控制系统设计

3.1系统控制框图

为达到更好的控制效果,本系统采用双闭环控制结构。运行在地面工作站的上位机控制软件可通过摄像头实时采集机器人的位置信息,在识别到机器人与目标物体距离等信息后,经由步态规划模块生成各关节角的运动轨迹,并把控制指令发送给机器人完成指定动作。系统控制框图如图3所示。

图3　系统控制框图

机器人在步行或完成指定舞蹈动作的过程中,由于存在外部干扰,因此各关节实际角度qr不可避免会存在误差,但只要使各关节较好地跟踪规划好的角度,即能实现指定的动作。本系统采用PD控制器[7]实现关节角度控制。

(1)

(2)

由PD控制算法得到第i+1采样时刻关节角的驱动力矩为

(3)

其中,kp、kd分别为PD控制器的比例和微分系数。

3.2上位机控制软件设计

整个应用程序包含5个功能模块,分别是用户界面模块、图像识别模块、步态规划模块、Matlab算法仿真模块和网络控制模块。

图像识别模块基于OpenCV[8]实现,主要完成机器人及目标位置的识别,并将经识别的位置信息传递给步态规划模块。

步态规划模块主要负责对期望动作进行分析,并据此最终规划出机器人各关节角度的时间序列,将各关节角度的时间序列通过网络控制模块发送给机器人的主控板,再经由机器人的舵机驱动板控制舵机完成指定动作。

Matlab算法仿真模块主要完成步态规划模块中涉及到的正运动学计算、逆运动学计算、动力学计算及步态优化计算。考虑到实验教学实际,同时也为了降低耦合性,Matlab算法仿真模块以lib库提供给步态规划模块调用。

用户界面模块主要负责完成人机交互,实现相关软件的配置及控制指令的下发。

上位机软件模块图如图4所示。

图4　上位机软件模块图

为提高软件的可移植性,上位机软件采用具有良好跨平台特性的“Qt+OpenCV+Mablab”框架作为开发平台。Qt[9-10]是一个C++图形用户应用程序框架,主要用于界面的开发；OpenCV是一个基于BSD[11]许可发行的跨平台计算机视觉库。两者均支持包括Linux、Windows、Embedded Linux、Window Phone在内的多种操作系统。由于Qt与OpenCV属于不同的开发平台,为解决在Qt软件中调用OpenCV提供的API的问题,需要先下载OpenCV离线资源库,并在Qt的.pro工程文件中增加OpenCV中相关lib库的路径,在使用时包含相关的.h头文件即可。

目前,该上位机控制软件能够完成目标识别、步态规划,夹取指定目标物体等功能,控制软件界面如图5所示。

图5　上位机控制软件界面

双足机器人创新实验涉及网络通信、嵌入式开发、图像识别等诸多教学内容,学生可通过AutoCAD[12]等软件自行设计模型,对机器人外形进行改造,或编写自己的控制程序、实现自己的创意作品。例如,我校计算机学院12级嵌入式专业的学生基于本平台开发了基于多机器人协同控制的舞蹈演示系统,能够使用手机远程控制主机器人,主机器人主动与从机器人建立通信,协同完成指定的舞蹈动作。该作品获得2015年泛珠三角大学生计算机作品赛全场唯一金奖及最佳实用价值奖,该作品如图6所示。

图6　多机器人舞蹈作品展示

4　结语

双足机器人拥有人形的外表,涉及计算机、电子、自动化、机械等诸多学科,且具有一定的趣味性,是绝佳的创新实验平台。本文提出的双足机器人创新实验平台设计方案利用3D打印技术“设计即生产”的优点，快速制作机器人的机械结构,采用Qt+OpenCV+Matlab作为开发平台,具有移植性好的优点。采用本方案研制的双足机器人创新实验平台目前已应用于本校学科竞赛及“嵌入式软件开发”等课程的综合课程实训中。试用结果表明,本方案研制的双足机器人创新实验平台激发了学生的创造力与学习热情,为开展大学生创新实验提供了有益思路。

References)

[1] 郑春龙.大学生创新实践能力培养研究与探索[J].中国大学教学,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] 黄元林,付成龙,王健美,等.双足跑步机器人控制方法研究概述[J].机器人,2009,31(4):370-377.

[4] 杨亮,傅瑜,邓春健,等.基于嵌入式平台3D打印机研制[J].实验技术与管理,2015,32(12):89-92.

[5] 成思源,周小东,杨雪荣,等.基于数字化逆向建模的3D打印实验教学[J].实验技术与管理,2015,32(1):30-33.

[6] 张龙.3D打印过程的计算机仿真研究[D].兰州:兰州理工大学,2014.

[7] 付根平.仿人机器人的步态规划和步行控制研究[D]. 广州:广东工业大学,2013.

[8] 吴晓阳.基于OpenCV的运动目标检测与跟踪[D].杭州:浙江大学,2008.

[9] 杨亮,邓春健,宋喜佳.一种基于嵌入式平台屏幕内容分享系统的设计与实现[J].液晶与显示,2014,29(6):933-938.

[10] 张春艳.基于Qt的嵌入式图形用户界面研究与实现[D].大连:大连海事大学,2008.

[11] 关军.合理使用BSD许可的版权规则[J].中国版权,2013(6):35-38.

[12] 李海林.基于AutoCAD软件三维建模与3D打印应用[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

广东省教育科学研究项目(2015GXJK178)；广东省创新强校工程项目(计算机科学与技术应用型人才培养示范专业)；广东省教学质量与教学改革项目(嵌入式系统及物联网技术课程教学团队)；广州市教育科学“十二五”规划课题(2013A202)；电子科技大学中山学院质量工程项目(ZYGX201601)；广东大学生科技创新培育专项项目(pdjh2016b0912)

杨亮(1980—),男,江西婺源,硕士,讲师,主要研究方向为智能机器人系统与技术

韩清涛(1965—),男,黑龙江哈尔滨,硕士，副教授,研究方向为工业自动化和智能控制.

E-mail：qtaohan@qq.com

TP242

A

1002-4956(2016)9-0130-04