26自由度仿人机器人

第２期（总第１４７期）２００８年４月机械工程与自动化ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴｌ０ＮＮｏ．２Ａｐｒ．文章编号：１６７２—６４１３（２００８）０２—０１３０—０２２６自由度仿人机器人的设计与控制冯威，陈工（北京科技大学机械：ｙ－程学院，北京１０００８３）摘要：设计了一个具有２６个自由度的仿人机器人．该仿人机器人具有与真实人物极为相似的外观形象，通过ＰＩＣｌ６Ｆ８７７芯片对多台舵机和直流电机进行协调控制．完成眼睛、眉头、嘴角等面部表情动作和手臂、腰部等行为动作。

通过该系统能够为人工智能、行为控制、人工心理等研究提供一个高效综合的试验和演示平台。

关键词：仿人机器人，舵机控制；单片机中图分类号：ＴＰ２４２．６文献标识码：Ａ０引言，机器人这个词语人们并不陌生，我国科学家对机器人的定义如下：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。

随着科学技术的发展，机器人的应用领域也在不断拓宽，逐渐由制造业向非制造业和服务行业发展，具有人类的外形特征、可以模仿人类行为能力的仿人机器人已经出现，因此该领域集成了人工智能、人机工程学、电子技术、机械以及计算机等多学科知识及多项高新技术。

仿人机器人代表了机器人的尖端技术。

１机构设计针对仿人机器人的设计要求，从仿人外形、仿人运动功能实现及机器人整体结构出发，在考虑机构的运动学、动力学和控制系统、驱动系统要求的前提下进行了仿人机器人的机械机构设计。

该仿人机器人高约１．６５ｍ，重量不超过６５ｋｇ，共有２６个自由度。

１．１电机选型仿人机器人机构设计中关节轴系的设计必须结构紧凑，传动精度和效率高，并保证提供必要的输出力矩和输出速度，以满足机构动作的速度和承载能力的要求。

本次设计选用了两种型号的舵机（ＨＧｌ４一Ｍ和ＭＩＣＲ０２ＢＢＭＧ）和一种直流电机（额定功率２０Ｗ；电机自带减速箱的减速比１００：１；连续转矩２６．１ｍＮ·ｍ）。

１．２仿人机器人的外形设计仿人机器人的硬件平台设计已完成，仿人机器人外形及其内部机械结构见图１。

图１仿人机器人外形及其内部机械结构１．３表情机器头的结构设计表情机器头的制作大致可分成４个步骤：①三维机械结构的设计，本设计采用了ＣＡＸＡ实体２００６进行三维图设计；②机械结构的加工及装配，为了保证重量和强度的要求，大部分零件采用硬铝（Ｉ。

Ｙ１２）材料；③玻璃钢外壳及眼球、眼睑的安装固定；④硅胶外皮的制作安装，面部表情动作的制作安装，头发、睫毛、眉毛制作安装，眼球上色及脸部的化妆。

表情机器头的制作过程见图２，仿人机器人头部的具体自由度及选用电机见表１。

１．４腰部的机械结构设计腰部运动主要有２个自由度，一个是弯腰，一个是转腰，弯腰的运动范围是０。

～３０。

，转腰的运动范围是±４５。

，腰部自由度的实现都是由直流电机驱动。

腰收稿日期；２００７．０９．２０Ｉ修回日期：２００７—１２—１５作者简介，冯威（１９８０一），男，北京人，硕士研究生·研究方向：仿人机器人的行为控制研究。

　万方数据２００８年第２期冯威，等：２６自由度仿人机嚣人的设计与控制·１３１·部零件主要有轴承座、轴承、轴、支架和板组成，材料主要选用Ｑ２３５或４５钢。

图２表情机器头的制作过程裘１机器人头部的具体自由度及选用电机部位运动机能自由度选用电机／数量眼球上下及左右转动４ＭＩＣＲＯ２ＢＢＭＧ／４台眼睑闭合、张开２ＭＩＣＲＯ２ＢＢＭＧ／２台眉头挑眉、皱眉２ＨＧｌ４一Ｍ／２台嘴角左右嘴角的拉动２ＭＩＣＲＯ２ＢＢＭＧ／２台下颚张嘴、闭嘴ｌＨＧｌ４一Ｍ／１台颈部摇头、转头２ＨＧｌ４一Ｍ／２台嘴唇说话时的嘴唇微动ｌＨＧｌ４一Ｍ／ｌ台１．５手臂的机械结构设计本手臂的设计完全是按照人体的比例和自由度配置进行设计的，总共设计有１０个自由度，每只手臂各有５个自由度，分别是肩部向前抬手臂（舵机１驱动）、大臂转动（舵机２驱动）、肩部侧向抬手臂（舵机３驱动）、肘部弯曲（舵机４驱动）、小臂转动（舵机５驱动）。

每只手臂忽略了２个腕部的自由度。

手臂共由１０个舵机驱动，舵机全部选用ＨＧｌ４一Ｍ，舵机的扭矩为１．３２Ｎ·Ｉｌｌ，经计算满足手臂运动到各个位置的最大扭矩。

考虑减轻手臂的重量，零件所选材料均为硬铝。

该手臂的设计可以完成类似人手臂的各种动作姿势，仿人机器人手臂的动作和姿态见图３。

机驱动和运动控制等工作。

下位机的控制又分成舵机控制和直流电机控制两大部分。

一部分是手臂及头部的舵机控制系统，舵机的控制系统主要包括机器人的控制核心——ＰＩＣｌ６Ｆ８７７单片机、数据存储模块、通信模块以及其它的硬件控制模块；另一部分是实现转腰、弯腰的直流电机控制系统。

图４机电系统的结构图３上位机软件的控制所谓上位机的控制系统，就是用ＰＣ机发出程序，完成对整个仿人机器人的引导和控制。

我们设计的ＰＣ端的软件必须具备如下功能：语音识别、机器人仿真、数据生成、数据通信和机器人初态补偿。

仿人机器人上位机控制软件由北京科技大学机器人研究课题小组独立开发，其作用是产生仿人机器人的动作数据，并对机器人的运动数据进行传输和编辑。

双击执行图标后，就会出现程序的主界面，见图５。

图３仿人机器人手臂的动作和姿势２仿人机器人机电系统的设计与实现仿人机器人的控制平台即机电系统是本文研究的硬件基础，整个机电系统采用了上、下位机结构，机电系统的结构见图４。

上位机实际上是一台可进行计算控制的ＰＣ机，主要优点是速度快，各种外部接口设备多，存储空间大。

上位机主要负责运算量大、计算复杂的图像处理、语音识别和语音合成工作。

下位机图５机器人调试上位机程序主界面采用性价比高的ＰＩＣｌ６Ｆ８７７单片机电路板，上位机和控制软件的主界面可以分为几个区域模块，有菜下位机通过ＲＳ－－２３２串口或者无线模块进行连接和单控制模块、速度控制模块、同步选择控制模块、舵通信。

下位机主要负责传感器信息接收及初级处理、电（下转第１３４页）　万方数据·１３４·机械工程岛自动化２００８年第２期参考变献：［１］ＳｅｎｄｏｈＭ，ＩｓｈｉｙａｍａＫ，ＡｒａｉＫ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｇｎｅｔｉｃａｃｔｕａｔｏｒｆｏｒｉｎｃａｐｓｕｌｅｅｎｄｏｓｃｏｐｅ［Ｊ］．１髓ＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＭａｇｎｅｔｉｃｓ，２００３，３９（５）：３２３２－３２３４．［２］ＭＡＮＧＥＮＥＶ，ＫｌＮＧＳｌＥＹＤＡ，ＱＵＩＮＮＲＤ，ｅｔａｌ。

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Ｔｈｕｓｉｔｉｓｆａｖｏｒａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｍｉｃｒｏ－ｒｏｂｏｔｗｈｉｃｈｍｏｖｅｓｕｓｐｅｎｄｅｄｌｙａｎｄｑｕｉｃｋｌｙｉｎｔｈｅｈｕｍａｎｂｏｄｙ’Ｓｌｕｍｅｎａｎｄｂｌｏｏｄｖｅｓｓｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｄｉｃａｌｍｉｃｒｏ—ｒｏｂｏｔ；ａｘｉａｉｔｈｒｕｓｔｆｏｒｃｅ；ｍｉｎｉｍａｌｍｕｃｕｓｆｉｌｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓ—｛—－Ｈ■－—●—Ｈ●Ｈ＿●——■——＋－书＿—｝——●－·—÷—－●—－—●—ｈ■—·－÷——｛·——－ＨＨ÷——●－－—｝——＋—’■ｈ＿—｝—－■·－—÷——｛—－－ｗ＿＿ｐ——｝——｛－－■－·—｝ｑｈｏｍ＿■■—－●——｛－·—｝“－《－＿■———－－—■—－●－＿＿卜－－｝——｛－——｝＿Ｈ＿＊－ｑ－—－●－—｛·－却（Ｉ－接帮１３１页）规微渊控剖模块、数据发送控制模块、运动数据慰示模块戳及功藐控镄模块等。

袁蘩荸控裁模块孛有一个餐始位鬣设定的菜单，其中３个子菜单对应这个仿人机器人初始化位置控制的３个选项。

通过设置初始化位置这个子菜荸，就胃羧设嚣俦大税嚣入上电盖酶视婕化位鬣。

点击浏览按钮后，就可以把瑟加载的仿人机器人豹避动数据读取出来。

４缝论２６自由度仿人机器人的整体设计、安装和调试工作已缝成功完成，并且该机器入耳前已在天津科技馆静橇嚣入与撬械展区震览。

遥过上、下位棍我弱霹以实现对机器人的面部表情动作和行为动作的控制，机器人接受我们发送的各种数据完成相应动作或表情，数据已经编辑成数据库并且不断扩充和延伸。