仿人形机器人的设计与实现＊

宋天宇，杨杰，束元，黄升，邵逸君，李明路，颜栓保，孙永康，李贺，司洋洋

仿人形机器人的设计与实现＊

宋天宇，杨杰，束元，黄升，邵逸君，李明路，颜栓保，孙永康，李贺，司洋洋

（南京铁道职业技术学院 创新学院，江苏 南京 210031）

设计了一种16自由度仿人形机器人。机器人由16个舵机完成16个自由度的灵活运转，结构和比例与人体近似。主控电路包括ATMEL微处理器、稳压模块、串口模块、蓝牙通讯模块等，具有上位机、无线蓝牙手柄和手机APP等控制方式。通过上位机软件对机器人进行动作编程，可以实现行走、舞蹈、格斗等动作。

仿人形机器人；舵机；自由度；在线调试

1 引言

仿人形机器人是机器人研究领域中最接近人的行为的一种机器人。在一些对未知环境的探测、反恐防爆、军事侦察等复杂性和危险性较高的工作环境中，能够使用仿人形机器人代替人去完成某些危险工作，大大提高了人的安全性。因此，用机器人来代替人完成这些工作有了实际需求，对仿人形机器人展开研究具有重要意义。

2 系统整体设计

根据人形机器人流畅完成各种动作的需要，设计了一个16自由度的机器人，其中腿部5个自由度，手臂3个自由度，各自由度由舵机来实现。通过合理的机械结构设计将各舵机很好地组合起来，构成一个人形架构，机械结构如图1所示。

图1 机械结构

系统由机械结构、硬件电路和软件系统三大部分组成。通过合理的机械结构设计，确立人形机器人的整体构架。系统硬件电路由主控核心模块、电源管理模块、蓝牙及串口通讯模块等构成。系统基于上位机软件Motion Creator EDIT设计机器人动作对应舵机的旋转方向和角度支持在线调试。

3 机械结构设计

按图1所示舵机位置，使用各种连接件将舵机组合为一个整体架构，形成人形结构。

4 硬件设计

4.1 控制系统

控制系统采用ATMEL公司8位高性能单片机为控制核心，采用RS232通信协议，通过串行口与上位机进行数据通信，可以外接蓝牙模块。系统控制模块如图2所示。

图2 系统控制模块

4.2 电源管理

系统采用8.4 V锂电池供电，使用AMS1117-3.3稳压模块产生3.3 V电压为系统供电。

4.3 操控模块

机器人可以通过手柄、蓝牙、手机APP操控。有线模式通过USB，无线模式使用蓝牙4.0协议。

4.4 舵机

系统舵机选用Dynamixel系列AX-12机器人舵机。AX-12操控电压为9～12 V，最大工作电流为900 mA，采用半双工异步串口通讯。AX-12有两种工作模式：①舵机模式。可以在300°范围内旋转定位。②轮式模式。可以360°连续转动，并控制转动方向和速度。位置和速度可设为1 024等分控制，最小控制角为0.29°。

5 软件设计

系统软件采用上位机调试软件Motion Creator EDIT，界面如图3所示。

图3 EDIT界面

Motion Creator EDIT支持可视化编程，可以实现单个舵机运动角度的调整，显示每个舵机的角度及旋转状态。编辑动作时，可以设定舵机的移动速度（Period）、频率（Resolution）、延迟时间（Delay），确保动作协调稳定。Motion Creator EDIT还含有编辑动作所需要的一些基本功能，并可以通过串口监视器显示编辑动作时所出现的问题。

6 系统测试

将编辑好的动作下载到主控板后启动机器人，通过手柄测试设计好的动作。本次测试的基本动作为直立、向前行走、向后退和左右移动。在测试过程中，出现动作不协调情况，包括行走时左右摆动幅度过大、行走时前倾或后仰、行走时无法走直线。前两种情况主要是由于机器人行走时身体四个方向倾斜角度太大，只需要降低偏移角度，并综合考虑每个关节对步态、重心的上下变化影响即可。最后一种情况主要是由于左右腿上的舵机性能有细微的差别，导致两边不完全对称，可通过细微校正脚踝、膝关节角度解决。

7 结论

本16自由度仿人形机器人具有人形基本结构，以ATMEL公司8位高性能单片机为控制核心，采用AMS1117-3.3稳压模块为系统供电，选用Dynamixel系列AX-12机器人舵机，并通过上位机调试软件Motion Creator EDIT进行机器人动作编程调试，通过手柄蓝牙控制机器人完成指定动作。经过调试，机器人能协调、稳定地完成基本动作，并且可以实现将多个动作打包，由机器人按顺序完成所有动作，形成一套完整动作。

［1］刘进长，辛建成.机器人世界［M］.郑州：河南科学技术出版社，2000.

［2］熊雕，刘玉良，欧阳浩敏.类人机器人全能运动的稳定性研究［J］.浙江海洋学院学报（自然科学版），2014，33（5）：437-441.

［3］许晓飞，邹建勇.人形机器人结构与动作的设计［J］.数码世界，2016（5）：55-57.

［4］刘静，赵亮光，谭民.腿式机器人的研究综述［J］.机器人，2006，28（1）：81-88.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.030

2095－6835（2019）13－0074－02

宋天宇（1997—），男，研究方向为自动控制。

杨杰（1974—），男，硕士，教授，研究方向为测控技术、信号处理。

江苏省大学生创新计划项目（编号：201813106012Y）；安徽省高等学校质量工程项目（重大教学研究项目）（编号：2016jyxm1124）

〔编辑：王霞〕