蔣 鑠

（北京理工大學(xué)自動(dòng)化系，北京，100081）

0 引言

機(jī)器人既擁有人為可操控系統(tǒng)的產(chǎn)品化技術(shù)，同時(shí)也擁有可自動(dòng)調(diào)節(jié)控制動(dòng)作的重要功能，仿人機(jī)器人的誕生使得人與機(jī)器人的距離被逐漸拉近。對(duì)機(jī)器人舞蹈動(dòng)作的研究重點(diǎn)在于對(duì)其本體特征的研究，本文在對(duì)多自由度舵機(jī)控制的人形機(jī)器人研究過程中，如何對(duì)舵機(jī)角度進(jìn)行合理調(diào)制，如何規(guī)劃音樂與機(jī)器人的相互配合，以及如何更快速地對(duì)雙人舞蹈機(jī)器人的中心對(duì)稱路徑進(jìn)行規(guī)劃，成為本課題研究的重中之重。

1 Alpha 1S機(jī)器人平臺(tái)介紹

1.1 Alpha 1S機(jī)器人介紹

本文選用優(yōu)必選Alpha 1S仿人形舞蹈機(jī)器人作為設(shè)計(jì)和研究對(duì)象，如圖1所示。該機(jī)器人由堅(jiān)硬的外殼、16自由度舵機(jī)以及電池驅(qū)動(dòng)盒構(gòu)成，重量1.63kg，工作電壓直流電 6.8V。筆者將寫好的程序通過數(shù)據(jù)線燒錄到機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)盒中，并進(jìn)行掉電及回讀操作，即可讓機(jī)器人處于完成動(dòng)作的預(yù)備狀態(tài)。燒錄的過程通過USB數(shù)據(jù)線將機(jī)器人驅(qū)動(dòng)盒與電腦連接，從而進(jìn)行拷貝燒錄；利用Alpha機(jī)器人特有的掉電/回讀功能，可以將機(jī)器人每個(gè)舵機(jī)的角度進(jìn)行精確定位，從而使機(jī)器人呈現(xiàn)出更加穩(wěn)定的狀態(tài)。

硬件方面，Alpha 1S機(jī)器人主要由16自由度伺服電機(jī)和控制器構(gòu)成。伺服電機(jī)通過操作對(duì)應(yīng)的伺服舵機(jī)，可以控制機(jī)器人相應(yīng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角和速度；控制器放置在機(jī)器人胸腔中，其操作按鈕安裝在機(jī)器人背部。控制器是Alpha系列機(jī)器人的大腦，可以同時(shí)控制機(jī)器人所有關(guān)節(jié)，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)保持協(xié)調(diào)一致，集成32位CPU與A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊是機(jī)器人接口芯片的重要部分。Alpha 1S機(jī)器人的核心舵機(jī)內(nèi)置MCU系統(tǒng)，包含伺服控制、傳感反饋系統(tǒng)以及直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，加上其自主改進(jìn)的PID算法，使機(jī)器人具有舵機(jī)扭矩大、體積小、控制精度高等特點(diǎn)。

Alpha 1S機(jī)器人的大腦來自意法半導(dǎo)體型號(hào)為STM32-F103RDT6的MCU，集成32位ARMCortex-M3CPU，計(jì)算能力達(dá)到1.2DMIPS/MHz，工作頻率范圍為15～72MHz，內(nèi)含DMA控制器（12通道），A/D轉(zhuǎn)換器（12位），以及51個(gè)I/O接口，可加強(qiáng)系統(tǒng)的運(yùn)算處理速度。

圖1 Alpha 1S機(jī)器人

1.2 可視化圖形化編程軟件

針對(duì)Alpha 1S仿人形機(jī)器人，筆者采取與其相匹配的可視化圖形化編程軟件Alpha Robot1s_QT對(duì)機(jī)器人整個(gè)表演過程中的舞蹈動(dòng)作進(jìn)行編程，其編程軟件界面如圖2所示。該軟件是優(yōu)必選公司為Alpha 1S機(jī)器人推出的PC電腦端軟件，可與Windows10、Windows7 等64位系統(tǒng)兼容，同時(shí)還可在與其相匹配的手機(jī)安卓或IOS系統(tǒng)的客戶端App輔助使用。當(dāng)用戶在PC端完成機(jī)器人程序的基本調(diào)試后，Alpha 1S機(jī)器人便可以自動(dòng)運(yùn)行表演動(dòng)作。在Wi-Fi環(huán)境下，用戶可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，相比原始的機(jī)器人控制方式，這種遠(yuǎn)程操控方式使用戶的視角更加清晰。

該軟件基本界面分為模板區(qū)、進(jìn)度控制區(qū)、動(dòng)作幀區(qū)、3D視圖區(qū)、舵機(jī)調(diào)整區(qū)與機(jī)器人掉電/回讀區(qū)域。不同區(qū)域?qū)?yīng)不同的功能，除第一編輯界面以外，在動(dòng)作庫中可查看不同用戶上傳的動(dòng)作并進(jìn)行參考；同步界面中可以實(shí)現(xiàn)PC端與手機(jī)客戶端的文件共享。用戶通過新建后綴名為“aesx”的文件，可將機(jī)器人整個(gè)表演過程中的動(dòng)作畫面進(jìn)行保存，用戶便可隨時(shí)實(shí)時(shí)查看機(jī)器人表演動(dòng)作的歷史記錄。

圖2 Alpha 1S機(jī)器人操作平臺(tái)

1.3 音頻編輯軟件

Alpha 1S機(jī)器人的音頻編輯采用無瑕音頻變調(diào)變速器v1.6，該軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)音樂中音軌的編輯，對(duì)整體頻率的壓縮和釋放、調(diào)式的升降以及音質(zhì)的保存均具有非常顯著的效果，其配合PC端口可視化編程軟件中的時(shí)序序列可以精確地對(duì)每一幀進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，再加上音樂的配合，使得機(jī)器人舞蹈更加優(yōu)美、舒緩、流暢。如圖3所示，筆者在對(duì)Alpha 1S機(jī)器人進(jìn)行音頻編輯時(shí)，首先打開音頻文件，然后設(shè)置參數(shù)，試聽后即可導(dǎo)出最終音頻文件。

圖3 Alpha 1S機(jī)器人音頻編輯軟件界面

2 Alpha 1S機(jī)器人舞蹈動(dòng)作設(shè)計(jì)規(guī)劃

2.1 基礎(chǔ)動(dòng)作自由度分析

Alpha 1S機(jī)器人的16自由度舵機(jī)分布示意圖如圖4所示。從圖中可以清晰地看出控制機(jī)器人手臂有2、3、5、6號(hào)舵機(jī)，控制機(jī)器人肩膀有1和4號(hào)舵機(jī)，7、8、12、13四個(gè)舵機(jī)控制機(jī)器人腰部，9、10、11、14、15、16六個(gè)舵機(jī)控制機(jī)器人兩條腿的動(dòng)作。其中1、4、7、8、12、13號(hào)舵機(jī)的角度調(diào)節(jié)具有一定的限制，1和4號(hào)舵機(jī)限制為單平面360°，7、8、12、13舵機(jī)限制單平面 150°～180°為安全區(qū)域，其他舵機(jī)均可在兩個(gè)平面甚至三個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)。

圖4 Alpha 1S機(jī)器人舵機(jī)分配示意圖

如果想要機(jī)器人實(shí)現(xiàn)最基本的站立動(dòng)作，只需將1號(hào)和4號(hào)舵機(jī)的角度調(diào)整到90°，保證手臂緊貼在其身體側(cè)平面，然后盡可能地減小2、3、5、6這四個(gè)舵機(jī)的角度，如此便可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人站立的基本動(dòng)作。需要注意的是，2、3兩個(gè)舵機(jī)或5、6兩個(gè)舵機(jī)在調(diào)節(jié)過程中始終處于關(guān)聯(lián)狀態(tài)，為了避免其打到腰部發(fā)生損壞舵機(jī)的情況，需要將2、3兩個(gè)舵機(jī)角度的差值控制在30°以內(nèi)，如此便能達(dá)到安全值。

如圖5所示，機(jī)器人每個(gè)連貫的動(dòng)作均由一個(gè)動(dòng)作組完成，一個(gè)動(dòng)作組可以包含多個(gè)基礎(chǔ)動(dòng)作和難度動(dòng)作，且每個(gè)動(dòng)作都有單獨(dú)的運(yùn)行時(shí)間，再加上機(jī)器人運(yùn)行當(dāng)前狀態(tài)的時(shí)間,即為機(jī)器人運(yùn)行的總時(shí)間。當(dāng)總時(shí)間大于或者等于運(yùn)行時(shí)間（兩者皆以ms為單位），則運(yùn)行時(shí)間應(yīng)不小于200ms，如果機(jī)器人在很短的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)動(dòng)作，會(huì)大幅損耗舵機(jī)的工作壽命。

圖5 Alpha 1S機(jī)器人動(dòng)作組編輯界面

2.2 難度動(dòng)作受力分析

圖6為Alpha 1S舞蹈機(jī)器人的建模結(jié)構(gòu)示意圖。假設(shè)Alpha 1S機(jī)器人的上半身和下半身由中樞連接器連接，根據(jù)該機(jī)器人的體表特征可將示意圖構(gòu)建為頭部、大腿部關(guān)節(jié)以及兩條小腿部關(guān)節(jié)，如果機(jī)器人做正常直立行走，其手部保持平衡狀態(tài)時(shí)可忽略不計(jì)。對(duì)于圖6所示的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，我們可建立直角坐標(biāo)系，對(duì)機(jī)器人的手臂、大小腿進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，得出手臂和腿的長度，以及其和地面的夾角，進(jìn)而得到機(jī)器人手臂和腿部的重心坐標(biāo)，這有利于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行受力分析。

圖6 Alpha 1S舞蹈機(jī)器人建模結(jié)構(gòu)

2.2.1 單腳站立

Alpha 1S機(jī)器人舵機(jī)參數(shù)：直流電壓6.5V，約0.5kg，16自由度。假設(shè)每個(gè)舵機(jī)的重量均等，當(dāng)機(jī)器人單腳站立時(shí)，我們使用PC端可視化編程軟件調(diào)節(jié)出機(jī)器人所有舵機(jī)的角度，機(jī)器人單腳站立仿真效果如圖7所示。由于我們是以機(jī)器人頭部中軸線為豎直軸，所以機(jī)器人頭部不能傾斜，將此情況做一數(shù)學(xué)簡易坐標(biāo)系，如圖8所示。

圖7 機(jī)器人單腳站立仿真

圖8 機(jī)器人單腳站立建模

圖8中，P為機(jī)器人右腳底部，也是整個(gè)力平衡中心；AB為機(jī)器人左手與右手的連線，OC為機(jī)器人的左腿，假設(shè)機(jī)器人做簡單的伸直手臂、單腳站立的動(dòng)作，以O(shè)P所在直線為縱軸，垂直O(jiān)P且經(jīng)過O的直線為橫軸構(gòu)造第二坐標(biāo)系，根據(jù)測(cè)量參數(shù)，機(jī)器人手臂長度與腿長基本一致，每個(gè)舵機(jī)300g左右，OC=20cm。根據(jù)力系平衡原理，可計(jì)算出機(jī)器人在每一個(gè)側(cè)腿狀態(tài)下其側(cè)腿角度的實(shí)際大小，經(jīng)過理論的計(jì)算可防止機(jī)器人在做出高難度動(dòng)作的過程中摔倒，手臂和側(cè)腿的力需按照中點(diǎn)豎直線到OP軸的距離計(jì)算。

2.2.2 彎腰動(dòng)作

Alpha 1S機(jī)器人彎腰動(dòng)作和單腳站立雖然所處理的象限不同，但是本質(zhì)上是相同的。機(jī)器人的彎腰動(dòng)作雖然是從三維的角度來考慮，但是實(shí)際上機(jī)器人設(shè)計(jì)的高度對(duì)稱性可從兩部分來分解，即后背電池驅(qū)動(dòng)盒和雙臂后擺，其3D仿真效果和實(shí)際數(shù)學(xué)模型如圖9、圖10所示。

圖9 機(jī)器人彎腰動(dòng)作仿真

圖10 機(jī)器人彎腰動(dòng)作建模

圖10中，G1為機(jī)器人頭部（重量與單舵機(jī)相比不可忽略），G2為電池驅(qū)動(dòng)盒側(cè)視圖，G3為手臂等效于中心線的力，其中包含一個(gè)在中心點(diǎn)上的力矩Mo。根據(jù)空間中坐標(biāo)系力的平衡，可以判斷出機(jī)器人是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，如果不滿足力系平衡方程，則需要重新調(diào)整舵機(jī)的角度并進(jìn)行再次計(jì)算，從而逐漸接近機(jī)器人的最佳穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 ZMP的使用及其影響

當(dāng)機(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，存在某一點(diǎn)使機(jī)器人所受的合力和慣性力關(guān)于該點(diǎn)的合力矩為零，這就是所謂的零力矩點(diǎn)。在對(duì)Alpha 1S機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整過程中，可以利用安裝在機(jī)器人腳部的特殊傳感器對(duì)ZMP（Zero Moment Point，零力矩點(diǎn)） 的實(shí)際位置進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)機(jī)器人做行走或者偏移運(yùn)動(dòng)時(shí)，便可采集相關(guān)力信息。ZMP是判定仿人機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的重要指標(biāo)，需要綜合機(jī)器人當(dāng)前的位置信息和速度信息，從而對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)做出判斷。顯然，ZMP在機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)是非常重要的。當(dāng)機(jī)器人即將摔倒時(shí)，需要對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)角度進(jìn)行微調(diào)。

2.4 性能提升

Alpha 1S機(jī)器人雖然在可視化編程、動(dòng)作展示等方面都展現(xiàn)出極其優(yōu)越的性能，但是在自身設(shè)計(jì)和部分功能上仍存在實(shí)質(zhì)性的問題。首先，機(jī)器人舵機(jī)與舵機(jī)之間采用裸露的包裝，在頻繁使用舵機(jī)的情況下，這會(huì)嚴(yán)重消耗舵機(jī)的使用壽命，從而對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作連貫性、柔韌性產(chǎn)生影響。其次，機(jī)器人較為笨重的機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)機(jī)器人腿部的關(guān)節(jié)造成過大壓力，嚴(yán)重的話可能會(huì)損壞機(jī)器人關(guān)節(jié)。另外，耗電量快也是該機(jī)器人的缺陷之一。為了提升其性能，可以采用高性能的太陽能電池，分裝在機(jī)器人的各個(gè)薄弱關(guān)節(jié)及頭部，這種方式一方面可以有效地對(duì)舵機(jī)連接處進(jìn)行電量補(bǔ)償，另一方面也可以節(jié)省電力，更好地利用電能來調(diào)節(jié)由于電量消耗而產(chǎn)生偏移的舵機(jī)連接處。最后，可將機(jī)身的重心下移并去掉電池盒，這樣機(jī)器人下身關(guān)節(jié)的力矩將大大減小，對(duì)機(jī)器人整體起到保護(hù)作用。

3 Alpha 1S機(jī)器人的控制系統(tǒng)

圖11為Alpha 1S智能機(jī)器人的整體控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由外部移動(dòng)控制端與內(nèi)部自動(dòng)控制端口組成，其中，外部移動(dòng)控制端用于對(duì)機(jī)器人指令的輸入控制，又分為PC 3D可視化編程軟件外部控制端以及安卓/IOS系統(tǒng)串口通信外部藍(lán)牙控制端。當(dāng)計(jì)算機(jī)將機(jī)器人控制程序的指令寫入該端口后，機(jī)器人可通過關(guān)節(jié)傳感器感知ZMP及其他信息，對(duì)機(jī)器人控制程序進(jìn)行篩選和執(zhí)行，并將命令輸入執(zhí)行系統(tǒng)，以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行進(jìn)一步控制。整個(gè)控制系統(tǒng)在內(nèi)部形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，這大大提高了機(jī)器人操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖11 Alpha 1S機(jī)器人整體控制系統(tǒng)

PC端外部控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在線調(diào)試、編輯功能，又分為在線調(diào)試模塊、下載模塊和藍(lán)牙模塊。在線調(diào)試模塊將串口數(shù)據(jù)傳送至Alpha 1S機(jī)器人的主芯片，通過“姿態(tài)編輯區(qū)”實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人舵機(jī)的單步調(diào)試和控制，理論計(jì)算出舵機(jī)的角度值并進(jìn)行調(diào)試，之后下載模塊將生成和編輯好的動(dòng)作幀組合轉(zhuǎn)化為串口數(shù)據(jù)，并下載到機(jī)器人的內(nèi)存卡進(jìn)行解析。最后，輸出即執(zhí)行模塊將Alpha 1s機(jī)器人的16個(gè)舵機(jī)進(jìn)行動(dòng)作輸出，并將上述模塊編輯好的高難度舞蹈動(dòng)作生動(dòng)地演繹出來。

Alpha 1s機(jī)器人采用了目前在機(jī)器人領(lǐng)域相當(dāng)高端的ARM控制器，內(nèi)置該控制器的Alpha機(jī)器人的具體工作流程是：首先接收信號(hào)源的控制脈沖，由電脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)齒輪將電機(jī)的速度成倍縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩等比例放大，使得電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度。然后，電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度，以達(dá)到機(jī)器人控制動(dòng)作連續(xù)輸出的效果。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)Alpha 1S機(jī)器人的硬件構(gòu)成和可視化編程軟件進(jìn)行了詳細(xì)介紹，首先對(duì)仿人機(jī)器人的基礎(chǔ)動(dòng)作及難度動(dòng)作進(jìn)行建模分析，然后配合音頻編輯軟件對(duì)機(jī)器人舞蹈動(dòng)作進(jìn)行編輯，最后完成對(duì)舞蹈機(jī)器人動(dòng)作的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，筆者將系統(tǒng)理論與用戶實(shí)際操作結(jié)合在一起，通過解析機(jī)器人內(nèi)部控制系統(tǒng)，明確了機(jī)器人的自動(dòng)控制方式。

Alpha 1S機(jī)器人雖然具有高性能，但在功能上仍存在一定的缺陷。如今，機(jī)器人的發(fā)展突飛猛進(jìn)，機(jī)器人技術(shù)廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，給傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式帶來顛覆性影響和革命性變革。人們?cè)诓粩嗵嵘龣C(jī)器人性能的同時(shí)，應(yīng)考慮到其本身的成本，這樣才能更好地促進(jìn)機(jī)器人的推廣使用。隨著機(jī)器人技術(shù)水平的進(jìn)一步發(fā)展，相信在不久的將來，機(jī)器人能夠擁有和人類一樣的情感，并將為人類社會(huì)做出更加卓越的貢獻(xiàn)。