漂亮的眼睛
要求摘要
小型舞蹈双足机器人是比较复杂的机电一体化系统。 在此次设计中，通过逐一解决各个模块化环节，成功开发出了功能齐全、动作灵活的舞蹈机器人。 在动作协调性和控制技术方面具有突出优势，是目前比较先进的小型双足机器人模型。 本文阐述了小型舞蹈双足机器人设计的总体思路，并对本次研究过程中小型舞蹈双足机器人的软硬件设计及其实现进行了深入分析，为我国小型双足机器人的设计与实现提供部分参考。
关键词
双脚行走机器人； 设计； 实现
中图分类编号： TP242文献识别码： a
doi:10.19694/j.cn ki.ISSN 2095-2457.2020.09.069
近年来，我国机器人研究领域取得了很大进步。 该过程不仅推动了机器人设计的发展，而且极大地带动了仿生学、人工智能、计算机图形学、通信控制等相关领域的发展[1]。 双足机器人是机器人设计领域的奇妙一环。 相对于其他类型的技巧人员，在非结构性环境中具有更好的适应性，同时在避障能力、能耗方面具有突出优势，具有良好的市场应用和研发前景。 本次研究主要综合运动各学科基础知识，以设计小型舞蹈双足机器人为目标，通过对其结构设计、软硬件系统设计的不断探索，设计出模块化设计、功能齐全、动作灵活的舞蹈机器人。 现就其设计总体思路和实施路径展开回顾性分析[2]。
1小型舞蹈双足机器人设计的总体思路
1.1设计思路
在一定程度上，小型舞蹈双足机器人是比较复杂的机电一体化系统。 要实现这个设计目标，首先需要确立设计的总体思路。 本次研究将总体设计流程分为五个步骤。 是主体决策、具体结构和尺寸设计、控制电路搭建、运动服装设计、程序调试。
在这次设计方案的制定过程中，将设计目标与功能要求相结合，实物造型与虚拟仿真相结合，原型制作与实务验证相结合，动作编排与运动特征相结合。 这种四结合极大地推动了舞蹈双足机器人的一体化研究。
1.2整体结构
机械结构设计是小型舞蹈双足机器人设计工作的基础，也是其功能实现的平台。 此次研制的小型舞蹈双足机器人整体结构与人体基本相似，左右对称，比例适中。 机器人有18个舵机，控制头部、手臂、肘、腰、大腿、小腿、脚踝等部分。 手臂部分共有6个舵机，控制机器人手臂摆动、肘内外摆动及手臂旋转。 腰部有一个舵机，可以旋转机器人的腰部，使机器人的功能更加多样化。 腿部共有10个舵机，主要控制机器人的各种步行动作。 机器人的每条腿都有驱动髋和驱动膝。 上端未被驱动的横杆，使机器人无法横向滚动、横向倾斜、横向移动。 所有电机都设置在身体的顶部，通过电缆为各关节供电。 为了使产生的力矩正确地作用于关节，使机器人具有较强的隔振能力，各自由度采用串联弹性驱动法。 机器手的动作形态是3种不同的单动作——的旋转、旋转、伸缩的组合。
1.3舞蹈动作
这种双足舞蹈机器人的舞蹈动作借鉴了部分京剧演员的舞蹈动作，自行设计了机器人的舞蹈动作。 动作设计包括：上台，敬礼，半蹲行礼； 蹲下准备动作逐渐起床，同时抬起手臂，波浪式扭转； 旋转位移； 迈步逐渐向下弯曲，双手举于头上、上、后仰卧，坐下后身体如桥； 空中翻转； 侧屈伸舞扇； 一字马； 双脚左右交替屈伸，屈腿同时抬高脚尖，双手手臂和手臂成90； 双脚稍微弯曲，与肩同宽，左右手臂交替抬起，与肩对齐，同时放下的另一只手向下伸出，身体左右对齐等。
2小型舞蹈双足步行机器人的软硬件设计
2.1硬件设计
2.1.1硬件控制系统
该小型舞蹈双足机器人硬件系统包括单片机I/O端口设备、上位机、舵机、传感器等，其主要器件名称和型号(见表1 ) :
其中，Stm32f103rct6单片机在J-LINK在线调试、多接口、通用定时器性能等方面具有突出优势； 32路舵机控制板具有可同时控制24路伺服电机、32位CPU、内部集成USB通信接口、稳定性高、24路伺服电机独立指针设计，不会出现拥挤现象等优点，这些硬件
2.1.2关节设计
从运动仿生角度配置这种小型舞蹈仿生腿的自由度，优化关节力矩最小条件下两条腿结构自由度优化方案[3]。 在机器人的髋部和脚踝分别设有自由度，在提高该小型舞蹈双足步行机器人的站位能力的同时，通过在区域髋部增加扭转的自由度，机器人的步行转向能力进一步提高一定，在脚踝增加旋转自由度，由此，机器人脚板的地面根据仿生学的基本原理，对这个小型双足机器人的运动动作和舞蹈动作进行了修订。 对于舞蹈机器人来说，与之相对应的传统双足机器人对上肢运动自由度有更高的要求。 手臂摆动能力是机器人达到相关设计要求的重要保障。 仿生学上，人体肩膀可视为前侧和侧方两个自由度，肘内折叠一个自由度，动或不动一个自由度。 作为舞蹈机器人，头部的动作也很重要，所以这次
设计的过程中创新性地在头部加上了一个自由度，以更好地配合舞蹈动作的展现，提升机器人舞蹈的魅力[4]。2.1.3 关节动力
在此次研究中对于该小型舞蹈机器人的关节动力选择，受限于研发资金等因素，放弃了人工肌肉方案，而选择伺服电机。该研究中所采用的伺服电机具有速度快、扭矩大、体积小等优势，并兼具一定的经济性，能够基本达成对该小型舞蹈双足机器人的设计要求。
2.2 软件设计
2.2.1 上位机模块
本次研究中在單片机的基础上增加了上位机模块单元，以突破单片机的功能限制来达成对复杂戏剧舞蹈动作的实践。同时，上位机模块也较好地实现了单片机机器人设计中在人机交互层面的弊端，能够更好地实现这一功能。该型小型双足舞蹈机器人能够实现上台，敬礼，半蹲致礼、一字马等复杂的舞蹈动作得益于这一软件模块的支撑。
2.2.2 通信模块
本次研究中的通信模块功能强大，使语音识别模块、红外测距模块等模块的接入更为便捷。通过这些设备可实现机器人在运动过程中的定位，从而实现其在程序信号下的自主舞蹈的功能。
2.2.3 运动控制模块
对于该小型舞蹈双足机器人而言，其能够被大家认可并喜欢，很大程度上需有其舞蹈动作的优美、流畅多决定[5]。一方面研发者要适当地编排优美的戏剧舞蹈动作，来实现机器人功能的最优变现，另一方面应进行得设计舞蹈动作，是舞蹈编排可以成为现实。而这些功能最终要反映到对该小型双足舞蹈机器人的舵机的调教上来。该小型舞蹈机器人的舵机调教要使得分布在机器人周身的24台伺服电机能够准确、快速、稳定地运转到指定位置，同时要实现对这24台伺服电机的协调工作。这也是实现本次研究的核心环节。在这一过程中，采用单片机本身所带的PWM口产生波形，PWM信号精度可以达到1μs，能够满足该小型舞蹈双足机器人的高精度舵机的控制要求。同时，在这一运动模式的设计中，通过串口控制32路舵机控制板上的语音识别模块及利用单片机的复用功能ad检测红外测距模块传递的电压。用于完成该小型舞蹈双足机器人的人机互动环节[6-7]。
3 小结
1)舞蹈机器人是灵活的，需要做出各种各样的动作来增加观赏性，为了使机器人动作流畅顺利地进行，我们最终选择了金属铝作为主要材料，因为铝易于加工，而且铝密度较小，质量又轻，不会加重机器人的承载负担。机器人整体结构与人体大致相似，左右对称，比例适中，机器人有18个舵机控制包括头部、手臂、手肘、腰部、大腿、小腿、脚踝等部分。能完成的动作包括：摇头，旋转;单脚着地、弯腰、下蹲，手摸地、脚点地打节拍、左右扭屁股;手倒立、拍手、敬礼、俯卧撑，手肘转动。
2)机器人身上的单片机连接红外对管模块，红外对管检测赛场上的黑白圈，防止机器人出界。两个红外对管，依照遮挡次序可以完成两次人机互动。参考了网络上部分京剧演员的舞蹈动作，自行设计出机器人的舞蹈动作。机器人腰部添加了一个舵机，使机器人灵活地转身，能够做出更多优美的动作。
3)该小型舞蹈双足机器人是通过调32路舵机控制器，驱动各个关节上的舵机工作;用传感器接收人的指令信号，输入单片机，编程处理，输出一系列模拟的PWM波(stm32)改变舵机工作状态，完成人机互动操作。
参考文献
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[7]fzdhb，能干的小丸子，lmddc.基于MATLAB的IRB2400工业机器人运动学分析[J]. 机床与液压，2014，(3)：54-57，40.