人形机器人结构与动作的设计

许晓飞 邹建勇北京信息科技大学自动化学院



人形机器人结构与动作的设计

许晓飞 邹建勇
北京信息科技大学自动化学院

摘要：文章主要是介绍两种人形机器人的结构设计平台，包括博创公司的架构组件和自己定制的架构组件。按照人形机器人的架构特点组建两种人形机器人结构，并根据特定任务的驱使实现相应典型动作的设计。分别采用arduino控制器和博创MultiFlex2高级版控制器设计的人形机器人，完成了连贯动作任务最优运动规划，成功参加机器人特定动作挑战赛。

关键字：人形机器人 结构 运动规划

随着社会的发展，人类的需要，类似人类双足或腿的机器人比其他形式的机器人更适合人类制造的路况，如人行道楼梯和电梯等；而一些直接服务于人类的机器人，拥有人形外观会使用户体验比较好。因此本文提出分别采用arduino和博创MultiFlex2高级版为控制器的两种不同类型的机器人。

1　系统构成设计

1.1人形机器人结构设计

本文的人形机器人按人体三段式对称结构布局，即头部、躯干和腿部。头部可以装载各种仪器、设备，如摄像头，可以识别物体特征；躯干是采用控制或固定控制器的结构，保证机器人的重心平衡。腿部才用轮式或双足式架构，双足可以拥有更多的自由度，用来更好地模拟人类行走。

1.2 人形机器人的动作设计

人形机器人动作的设计一般要经过任务需求、初步设计、制作调试、优化设计四个阶段，如鸣锣机器人的第一项动作是上台自我介绍，然后根据任务设计动作，接着进行下载调试，最后根据调试结果进行优化。如图l所示的是完成上台自我介绍任务动作的设计程序图。人形机器人的动作设计与实现的过程是相当复杂的，它具有很大的主观性、不确定性，而且随着自由度的增多，各个关节之间的相互影响程度也会越来越大，动作设计和实现的工作量就会大量增加，如16自由度和8自由度机器人相比，设计动作时就要同时考虑16个关节，这16个关节之间往往有很多相互关联的动作，在确定其角度、位置等参数时较8自由度人形机器人的设计，问题复杂度几何倍数递增，而我们所研究的机器人的自由度一般都在16个以上，没有科学有效的方法，动作设计与实现几乎是不可能完成的。

2　人形机器人的方案实现

2.1 基于arduino控制器

方案一：主要分三个部分：主控制器、主控制器的从控制器、从机控制器程序。以三机器人为例，前两者是在一号机器人上，后者是在二号和三号机器人上各有一个。一号机器人上的主控制器负责处理从蓝牙接收到的数据，并控制机器人执行相应的动作；主控制器的从控制器是把接收到的数据通过蓝牙转发给另外两个从机控制器（一号机部分两个控制器采用的是SPI进行通信）。从机控制器和主控制器的功能基本相同。

方案二：控制器无主从之分，所有控制器都可以当作主控制器也可以当作从控制器。原理是在每个控制器设计时，都放置两个蓝牙，一个负责接收，另一个负责转发数据。系统从接收蓝牙取得指令信号，然后控制机器人进行动作；转发蓝牙负责把数据转发出去。这样一条指令数据就可以实现控制多个机器人了。

2.2 基于博创MultiFlex2高级版控制器

基于博创MultiFlex2高级版控制器的人形机器人的设计目标是完成指定的技术动作。在一个规定的台子上，从一定角度的斜坡冲上台子，在台子上利用摄像头找到绿色柱子所在的麦克风，到达后播放自我介绍；然后找到在台子中央的白色柱子，到达后用手将柱子上的绣球拿下来，扔到场外；回到中央再把白色柱子推到场外；寻找黄色铜锣位置，到达后用手敲击铜锣三次；寻找舞台中央，到达中央“武”字的红的区域，进行武术动作表演，最后向裁判致谢，寻找擂台边下台。程序是基于NonhSt图形编程环境进行模块化的编程。

3　系统实现

本文中实现的两种机器人完成了预定的动作任务。

4　结束语

本文所研制的两种人形机器人，基本完成了预定动作的设计，但不足是动作灵活反应较慢，系统的鲁棒性有待提高；对于鸣锣机器人的结构设计还有待提高，使其更加接近人形。在以后人形机器人动作设计与实现的基本思路和实现方法中可以增加虚拟仿真法和动作示教法，从而使人形机器人有更加广阔研究的空间，可以使得机器人的动作更具有柔性，更加接近人的动作。

参考文献

［1］王剑，许晓飞．仿生机器蛇的设计［J］．电子技术，2014（6）：64—67。

［2］郑睿，廖胜凯．冰上芭蕾舞蹈机器人的实现［J］．电子世界，2004（7）：37—40．

［3］王挺，王越超，赵忆文．多机构复合智能移动机器人的研制［J］．机器人，2004，26（4）：289—294．

［4］段星光，黄强，李科杰．小型轮履腿复合机器人设计及运动特性分析［J］．机械工程学报，2005（8）．