仿人机器人眼部运动准确控制与实现.pdf

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1、第32卷第12期计算机仿真2015年12月文章编号：l006—9348(2015)12—0349一05仿人机器人眼部运动准确控制与实现信继忠，柯显信，杨阳，尚宇峰(上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)摘要：在机器人眼部运动准确控制的研究中，人体的面部表情主要依赖于眼睛、眉毛、嘴和下颚，对眼部机构的研究是仿人机器人表情再现和人机交互的一个重要组成部分。用串联机构设计的眼球转动机构，无法解决眼球直径较小还要存里面放置摄像头的问题。提出采用空间RssR机构设计了8自由度眼部机构，对眼球转动机构进行运动学分析，并在ADAMs中进行运动学仿真。针对单片机控制

2、系统的控制精度低和抗丁扰能力差问题，构建了以FPGA为舵机控制器、舵机为驱动装置的控制系统。实验结果表明，改进控制系统能够使得眼部机构实现同人眼一样的运动。在保证了眼球完整性的前提下，上述机构可以实现较大范围的角度转动，具有传动精确可靠、两个眼球独立控制的特点。关键词：仿人机器人；眼部机构；运动学仿真中图分类号：11P242文献标识码：BAccurateControlandRe甜izationofH啪anoidRobotEyeMoVementXINJi—zhong，KEXian—xin，YANGYang，SHANGYu—feng(ShanghaiUnivers

3、ity，Shanghai200072，China)ABSTRACT：Humanfacialexpressionsmainlydependsontheeyes，eyebrows，mouthandjaw．ItisanimportantpaItoft}lehumaIIoidmbotfacialexpressionrepresentationandhuman—computerintemctionfordesignandresearchontheeyemechanism．IntIlepaper，wedesignedtheeyemechanismwith8degreeso

4、ffkedombyusingspatialRSSRmechanism．ThekinematicsanalysisaJldkinematicssimulation埘thADAMSwereea喇edouton￡heeyemla—tionmechanism．Becausethesinde—chipmicmcomputercontrolsystemhaslowprecisionandpooranti—inte—’er—enceability，thenewonewasconstmctedwithFPGAsenrocontroUerandservoasdrivingdev

5、ice．Theexperimentalresultsshowthattheeyemechanismcanmoveliket}lehumaneyeunderthecontmlsystem．Itcanachievea1argerrangeofrotationangleinensuringthepremiseoftheinte刚tyoftheeyebaU，andhasaccurateandreliabletransmis·sion，twoeyecontmlindependentlyf色atuI℃s．KEYWoRDS：H眦anoidrobot；Eyemechanism

6、；Kinematicssimulation1引言仿人表情机器人的研究对于实现和谐的人机交互有着十分重要的意义，是机器人领域的研究热点之一，如日本早稻田大学研制的KOBIAN—R⋯和wABIAN一2R'21，美国德雷塞尔大学研制的Hubo∞o及哈尔滨工业大学研制的具有面部表情识别与再现的头部机器人¨o。在人表达不同情感的各个器官中，眼睛是最善于传情的，人们常说“眼睛是心灵的窗户”，表明限请是人类个体在社会交往中表达和理解情绪基金项目：国家自然科学基金资助项目(61273325)收稿日期：2015一02一04修回日期：2015一03一09及思想的重要外表部位，是反

7、映人情感的重要依据Hj。由于眼球的直径只有30mm，而且还要在里面放置摄像头，为了解决这个问题，机器人的眼球转动多采用串联机构，即一个电机通过某种机构控制某个自由度运动，另一个电机带动前一个机构整体运动实现第二个自由度。这种串联机构控制简单，适用于眼部结构空间足够的场合。但对于眼球和眼睑为左右独立设计的眼部机构，串联机构就难以适用了。为此文中采用两个RSSR连杆机构的联动来设计眼球转动机构，眼睑运动机构亦是如此，完成了眼部机构的设计。舵机是仿人机器人常用的输出执行机构，可以通过PwM信号控制舵机的转动角度，并且能在指定角度保持，承受一定的外力矩。传统的PwM信

8、号是由模拟电路产生的，一349—其灵活