李建勇，劉雪梅，王 澤

( 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院， 陜西 西安 710124)

0 引言

目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了很多各式各樣的家庭陪伴機(jī)器人[1]，其中大多數(shù)都是沒有手臂而是偏向兒童早教方面的機(jī)器人[2]，如360兒童機(jī)器人、公子小白、小憶機(jī)器人和阿爾法蛋智能機(jī)器人等，少數(shù)具有簡單的只能前后動(dòng)作的手臂，如打令小寶和小度機(jī)器人等，這些機(jī)器人主要靠呆萌的外表、語音和臉部表情以及簡單的動(dòng)作等來進(jìn)行交互。然而隨著獨(dú)居老人[3]和留守兒童[4]等越來越多的社會(huì)現(xiàn)象不斷加劇，造成對(duì)陪伴機(jī)器人的需求日益劇增且功能要求越來越多，特別是要求陪伴機(jī)器人不僅能夠像人一樣進(jìn)行肢體交互，甚至還能輔助人干一些家庭服務(wù)類的工作。雖然市場(chǎng)出現(xiàn)了像ASIMO[5]、HRP-4C和iCub[6]等仿人機(jī)器人，但是它們往往價(jià)格昂貴，造成大眾負(fù)擔(dān)不起而難以普及，針對(duì)這些問題，基于一款自行研制的家庭陪伴機(jī)器人，設(shè)計(jì)了一雙仿人上肢并進(jìn)行了肢體交互動(dòng)作的研究。

1 仿人上肢機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為家庭陪伴機(jī)器人設(shè)計(jì)的仿人上肢，其主要用來實(shí)現(xiàn)仿人的肢體動(dòng)作，比如打招呼、再見和握手等等，因而家庭陪伴機(jī)器人的仿人上肢采用仿真人上肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由仿人手臂和仿人機(jī)械手兩部分組成。仿人手臂要像人臂一樣靈活需要擁有7個(gè)自由度，其中肩部3個(gè)自由度、肘部1個(gè)自由度和腕部3個(gè)自由度[7]。而家庭陪伴機(jī)器人本體采用差分驅(qū)動(dòng)的輪式底盤在室內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，可與仿人手臂結(jié)合完成一些動(dòng)作。經(jīng)人手臂模仿分析，發(fā)現(xiàn)采用5個(gè)自由度(即肩部3個(gè)、肘部1個(gè)和腕部1個(gè))的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)仿人的肢體交互動(dòng)作，因而左右仿人手臂都是采用5個(gè)自由度的串聯(lián)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。仿人機(jī)械手采用仿人手外形設(shè)計(jì)，由5個(gè)手指組成，為簡化難度，設(shè)計(jì)成由1個(gè)直流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的末端執(zhí)行器，使其能夠?qū)崿F(xiàn)從握拳到手掌展開以及相反過程的一系列動(dòng)作。

仿人上肢的實(shí)物如圖1所示。左右仿人上肢圍繞機(jī)器人軀干對(duì)稱分布，結(jié)合機(jī)器人的尺寸(460.0 mm×400.0 mm×1 400.0 mm)和形狀并參照人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)參數(shù)完全相同，如表1所示。

圖1 仿人上肢的實(shí)物

表1 仿人上肢設(shè)計(jì)參數(shù)

以左臂為例，其肩部由關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3構(gòu)成以分別實(shí)現(xiàn)肩部的前屈/后伸、外展/內(nèi)收和內(nèi)旋/外旋等動(dòng)作，其肘部由關(guān)節(jié)4構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)肘部的屈伸動(dòng)作，其腕部由關(guān)節(jié)5構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)腕部的內(nèi)旋/外旋動(dòng)作。

2 正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

家庭陪伴機(jī)器人的仿人上肢要實(shí)現(xiàn)不同的肢體交互動(dòng)作，每個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度不一樣，要想實(shí)現(xiàn)精確控制，需要研究仿人上肢在空間中位姿和各關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系，以及仿人上肢與機(jī)器人本體之間的位姿關(guān)系，因而需要對(duì)其進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

2.1 D-H法建立雙肢連桿坐標(biāo)系

為了描述雙肢各連桿之間的位姿關(guān)系，使用改進(jìn)的D-H 法[8]建立雙肢的各連桿參考坐標(biāo)系。根據(jù)左右仿人上肢與機(jī)器人軀體的關(guān)聯(lián)關(guān)系，首先以過家庭陪伴機(jī)器人中心的垂線和左右2個(gè)肩關(guān)節(jié)S1的公共軸線之間的交點(diǎn)建立機(jī)器人軀體的基本坐標(biāo)系O-XYZ，然后以基本坐標(biāo)系的原點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)分別建立左手臂基本坐標(biāo)系Ol0-Xl0Yl0Zl0和右手臂基本坐標(biāo)系Or0-Xr0Yr0Zr0，最后使用D-H 法依次建立各關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系，其D-H坐標(biāo)系如圖2所示，其中關(guān)節(jié)W5坐標(biāo)系建立在末端仿人機(jī)械手的手部中心處。以左仿人上肢為例，其D-H參數(shù)表如表2所示，其中ai-1為連桿i-1的長度；αi-1為連桿i-1的扭角；di為連桿i相對(duì)于連桿i-1的偏置偏距；θi為連桿i相對(duì)于連桿i-1繞i軸的旋轉(zhuǎn)角度即關(guān)節(jié)角。以圖2中所示為初始位置，給出關(guān)節(jié)角θi的初始值(表2中括號(hào)內(nèi))以及各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍。

圖2 仿人雙肢D-H坐標(biāo)系

表2 左仿人上肢D-H參數(shù)

注：L1=270.0 mm，L2=125.0 mm,L3=160.0 mm。

2.2 正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

在獲取D-H參數(shù)表之后，首先把每個(gè)關(guān)節(jié)D-H參數(shù)代入式(1)[9]所示相鄰坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣通式：

(1)

然后將各相鄰坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣進(jìn)行連乘，可得左仿人上肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，即左仿人腕部坐標(biāo)系相對(duì)于左仿人手臂基本坐標(biāo)系的變換矩陣為

(2)

最后將所取θ1～θ5關(guān)節(jié)角代入式(3)，求解即可得到左仿人機(jī)械手在左仿人手臂Ol0坐標(biāo)系下唯一的姿態(tài)[n,o,a]和位置[p]。同理得到右仿人機(jī)械手在右仿人手臂Or0坐標(biāo)系下唯一的位姿。通過改變左右仿人上肢的每個(gè)關(guān)節(jié)角大小，即可改變左右仿人上肢在關(guān)節(jié)空間的位姿。

(3)

(4)

2.3 雙臂與軀體基本坐標(biāo)系之間變換

根據(jù)圖2中所示軀體基本坐標(biāo)系和左右仿人手臂基本坐標(biāo)系的關(guān)系，可得式(5)所示左右仿人手臂基本坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人軀體基本坐標(biāo)系的變換矩陣：

(5)

把式(3)右乘式(5)，即可得到仿人機(jī)械手在家庭陪伴機(jī)器人軀體基本坐標(biāo)系下的位姿。通過改變關(guān)節(jié)角的大小，即可控制左右仿人上肢在家庭陪伴機(jī)器人軀體基本坐標(biāo)系中的位姿來實(shí)現(xiàn)肢體交互動(dòng)作。

3 肢體交互動(dòng)作設(shè)計(jì)

家庭陪伴機(jī)器人的肢體交互動(dòng)作要通過肢體語言[10]與人交流并配合語音和眼部表情等交互方式，雖然可以通過關(guān)節(jié)空間規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)肢體交互動(dòng)作，但規(guī)劃出的運(yùn)功軌跡有時(shí)與人的肢體交互動(dòng)作差異較大，另外受到機(jī)器人軀體結(jié)構(gòu)的影響，在完成動(dòng)作時(shí)可能會(huì)與機(jī)器人軀體發(fā)生碰撞，因此不能直接采取關(guān)節(jié)空間規(guī)劃控制機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)肢體交互動(dòng)作。為了使家庭陪伴機(jī)器人做出的肢體交互動(dòng)作與人的上肢做出的肢體交互動(dòng)作盡量一致，首先測(cè)量人體做一些肢體交互動(dòng)作時(shí)與仿人上肢所對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角度，然后在表2所示的仿人上肢各關(guān)節(jié)角度范圍內(nèi)取一個(gè)合適的關(guān)節(jié)角度，最后合理安排各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)順序來實(shí)現(xiàn)肢體交互動(dòng)作。

目前主要設(shè)計(jì)了打招呼、再見、握手、宣誓、打氣、無奈、懊惱和生氣等15種常用肢體動(dòng)作。大眾見面打招呼動(dòng)作如圖3所示，左肢上臂稍抬起，在身體左側(cè)，與身體成45°到90°之間，小臂自然向上，手掌自然張開，略高于頭頂，朝向招呼人，以小臂帶動(dòng)腕稍微擺動(dòng)。

圖3 大眾見面打招呼動(dòng)作

這個(gè)動(dòng)作因人而異，有的舉左手有的舉右手，每個(gè)人同時(shí)用左(右)手做出這種動(dòng)作時(shí)位姿略有差異，但大體相同，因而每做出這種動(dòng)作進(jìn)行關(guān)節(jié)角測(cè)量時(shí)，關(guān)節(jié)角度都會(huì)不同。為便于計(jì)算，在經(jīng)過5次測(cè)量所參照人體的關(guān)節(jié)角后求平均值，取平均值的整數(shù)部分作為機(jī)器人仿人上肢關(guān)節(jié)角度的典型值，同時(shí)當(dāng)平均值接近一些常用角度時(shí)，比如30.0°、45.0°、60.0°和90.0°等，就取常用角度作為關(guān)節(jié)角度的典型值，如表3所示。另外肘關(guān)節(jié)4從零點(diǎn)位置旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)使小臂向身體方向靠攏，當(dāng)肩部前屈和外展角度小以及肘部屈曲角度大時(shí)，機(jī)器人上肢幾個(gè)關(guān)節(jié)同動(dòng)作時(shí)就會(huì)與機(jī)器人軀體發(fā)生碰撞，因此在機(jī)器人上肢做肢體交互動(dòng)作時(shí)，有些動(dòng)作需要合理安排每條上肢5個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行動(dòng)作的先后順序。

表3 左手打招呼關(guān)節(jié)角度 (°)

4 上肢融合機(jī)器人本體測(cè)試

左右仿人上肢采用鋁合金骨架和塑料外殼制作，每個(gè)自由度都是使用ZX20D串行總線舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。左右上肢各有6個(gè)舵機(jī)，按順序串接在一起，并連接串行舵機(jī)控制器，作為家庭陪伴機(jī)器人的一個(gè)功能模塊，通過USB接口與機(jī)器人主機(jī)進(jìn)行通信。由于家庭陪伴機(jī)器人基于機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)[11-12]進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)，因而把模塊設(shè)計(jì)成一個(gè)功能包融入機(jī)器人系統(tǒng)軟件，在機(jī)器人與人通過語音或視覺節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互過程中使用該功能包節(jié)點(diǎn)進(jìn)行肢體交互。仿人上肢軟硬件與機(jī)器人本體之間關(guān)系如圖4所示。

圖4 家庭陪伴機(jī)器人硬件框圖

在仿人上肢與機(jī)器人本體融合之后，首先要進(jìn)行仿人上肢各關(guān)節(jié)角的校準(zhǔn)，然后進(jìn)行肢體交互動(dòng)作的測(cè)試。

4.1 仿人上肢各關(guān)節(jié)角校準(zhǔn)

由于仿人上肢安裝過程中存在偏差，需要對(duì)其關(guān)節(jié)角進(jìn)行校準(zhǔn)。首先通過程序控制家庭陪伴機(jī)器人的仿人上肢按照設(shè)定幾組θ1～θ5測(cè)試角度進(jìn)行動(dòng)作，然后對(duì)比式(4)仿人機(jī)械手正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算的位置和實(shí)際測(cè)得位置的結(jié)果，最后對(duì)仿人上肢進(jìn)行校準(zhǔn)，使誤差控制在合理范圍內(nèi)。左臂關(guān)節(jié)角校準(zhǔn)結(jié)果如表4所示，左仿人機(jī)械手在左仿人上肢基本坐標(biāo)系中的位置與正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算位置相比，在3個(gè)坐標(biāo)軸上的位置誤差不超過±0.5 mm，對(duì)于肢體交互動(dòng)作而言，精度滿足實(shí)際的需要。

表4 左臂關(guān)節(jié)角校準(zhǔn)結(jié)果

4.2 肢體交互動(dòng)作測(cè)試

在仿人上肢軟硬件融入家庭陪伴機(jī)器人之后，使家庭陪伴機(jī)器人獨(dú)立工作，通過語音和視覺等方式與機(jī)器人交互，使機(jī)器人與人進(jìn)行交互時(shí)自動(dòng)進(jìn)行肢體交互，逐一對(duì)設(shè)計(jì)好的肢體交互動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試。機(jī)器人左上肢打招呼肢體交互動(dòng)作如圖5所示，在人語音喚醒機(jī)器人后，家庭陪伴機(jī)器人就會(huì)與人進(jìn)行打招呼的互動(dòng)，機(jī)器人眼睛變換成微笑表情以及在觸摸屏?xí)@出語音圖標(biāo)和相應(yīng)的問候語，同時(shí)會(huì)進(jìn)行打招呼的肢體交互動(dòng)作，使其左上臂向左上方向抬起很短時(shí)間后，右肘向上彎曲使小臂開始抬起，每個(gè)關(guān)節(jié)角旋轉(zhuǎn)到動(dòng)作設(shè)置的角度,如圖5a所示，同時(shí)小臂稍微前后晃動(dòng)來實(shí)現(xiàn)打招呼，如圖5b所示。對(duì)15種常用肢體交互動(dòng)作逐一測(cè)試，如圖6a和圖6b 所示左右晃動(dòng)右小臂的再見肢體交互動(dòng)作以及圖7所示的抱歉肢體交互動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作都按所設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)角旋轉(zhuǎn)角度和動(dòng)作先后順序順利完成，使家庭陪伴機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了肢體交互功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖5 左上肢打招呼肢體交互動(dòng)作

圖6 再見肢體交互動(dòng)作

圖7 抱歉肢體交互動(dòng)作

5 結(jié)束語

經(jīng)過仿人上肢融合家庭陪伴機(jī)器人測(cè)試，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的仿人上肢設(shè)計(jì)合理，正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析正確和肢體交互動(dòng)作能形象發(fā)揮肢體語言作用，使家庭陪伴機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了肢體交互功能，為后續(xù)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究和開發(fā)機(jī)器人服務(wù)工作奠定了基礎(chǔ)。