舞蹈機器人設計

舞蹈機器人設計【摘要】本文介紹了一款低成本的小型舞蹈機器人的設計。根據(jù)仿生學原理確定機器人的比例尺寸，根據(jù)機器人的功能要求確定其自由度配置，選擇了合適的材料和驅動元件，實現(xiàn)了一個小型的雙足舞蹈機器人。舞蹈機器人是娛樂機器人的一種，集軟件和硬件于一身，核心是控制系統(tǒng)。采用基于上下位機的控制結構，通過無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)和指令。在音樂特征識別的基礎上結合專家系統(tǒng)、模糊控制等手段，通過舞蹈動作與音樂的自動匹配、同步演示等方法，實現(xiàn)舞蹈動作與音樂協(xié)調一致。舞蹈機器人的設計一般要經(jīng)過創(chuàng)意提案、整體論證、初步設計、組裝調試、最終定型等幾個大的步驟。其中最重要的當數(shù)其中的機械設計環(huán)節(jié)，它關系到后面機器人的整體性能以及控制系統(tǒng)的設計?！娟P鍵詞】舞蹈機器人；AVR單片機；舵機引言機器人是作為現(xiàn)代高新技術的重要象征和發(fā)展結果，已經(jīng)廣泛應用于國民生產的哥哥領域，并正在給人類傳統(tǒng)的生產模式帶來革命性的變化，影響著人們生活的方方面面。機器人一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成［1］。現(xiàn)在，國際上對機器人的概念已經(jīng)逐步趨近一般，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！睓C器人產業(yè)在二十一世界將成為和汽車、電腦并駕齊驅的主干產業(yè)。從龐大的工業(yè)機器人到微觀的納米機器人，從代表尖端技術的仿人型機器人到孩子們喜愛的寵物機器人，機器人正在日益走進我們的生活，成為人類最親密的伙伴。機器人技術和產業(yè)化在全中國甚至全世界擁有一定得現(xiàn)實基礎和廣闊的市場前景。本次設計采用Atmega16L單片機作為雙足機器人控制單元的核心，具備自主決策和智能判斷的能力［2］。使用六個FutabaS3003舵機作為關節(jié)驅動和一個微機板作為舵機的驅動控制機器人完成各種動作。該舞蹈機器人雙腿關節(jié)采用6個FutabaS3003舵機，能夠可靠地負載起手臂和身軀。微機板放在背部，用以充當機器人的身軀，手臂安裝在微機板兩側；利用舵機調試程序對舞蹈機器人的每個動作進行編排、采樣，最后將一個個動作連貫起來編譯下載，在團隊的共同努力下完成跳舞機器人。機器人總體方案設計2.1舞蹈機器人總體分析要設計和開發(fā)一個舞蹈機器人，首先應該對其進行總體分析和設計，確定舞蹈機器人的功能，基本結構和系統(tǒng)配置。舞蹈機器人的設計一般要經(jīng)過創(chuàng)意提出、整體論證、初步設計、組裝調試、最終定型等幾個大的步驟。其中最重要的當數(shù)其中的機械設計環(huán)節(jié)，它關系到后面機器人的整體性能以及控制系統(tǒng)的設計。該雙足競步機器人設計的目的是要實現(xiàn)擬人下肢多自由度得平穩(wěn)行走，在實現(xiàn)這個功能的前提下為降低設計的難度，我們按照目前世界上各研究機構普通采用的下肢6個自由度的關節(jié)配置形式，來實現(xiàn)行走功能所必須的各關節(jié)自由度分布，具體自由度配置為單腿髖關節(jié)1個，膝關節(jié)1個，踝關節(jié)1個［3］。髖關節(jié)用于擺動腿，實現(xiàn)邁步，并起到了輔助平衡作用。膝關節(jié)主要用來調節(jié)重心的高度，及改變擺動腿的著地高度，使之與地形相適應。踝關節(jié)用來和髖關節(jié)相配合實現(xiàn)支撐腿的移動，以及調整與地面的接觸狀態(tài)。其結構圖大致與下圖1相似。2.2系統(tǒng)結構設計根據(jù)確定的自由度配置方案以及選用的舵機、微機板，設計機器人的零件。本著結構簡單、盡量采用通用零件、外形美觀等原則，對機器人的結構及外觀進行優(yōu)化。實現(xiàn)舞蹈機器人運動的基本問題是對機器人各關節(jié)位置、速度伺服控制和協(xié)調控制。如果把連桿以及關節(jié)想象為機器人的骨骼，那么驅動器就起到肌肉的作用，它通過移動或轉動連桿來改變機器人的構型。驅動器必須有足夠的功率對負載加速或者減速。同時，啟動器本身要精確、靈敏、輕便、經(jīng)濟、使用方便可靠且易于維護［4］。舵機是一種最早應用在航模運動中的動力裝置，是一種微型伺服馬達，它的控制信號是一個寬度可調的方波脈沖信號，所以很方便和模擬系統(tǒng)進行接口。只要能產生標準的控制信號的模擬設備都可以用來控制舵機，比如PLC、單片機和DSP等。而且舵機體積緊湊、便于安裝、輸出力矩大、穩(wěn)定性、控制簡單。根據(jù)所需的驅動力矩要求和性價比方面的考慮，我們決定選用日本雙葉電子工業(yè)株式會社生產的大扭力齒輪舵機。該類型舵機價格適中且規(guī)格參數(shù)能夠滿足舞蹈機器人的各項性能要求。因此在綜合了開銷，性能等一系列因素后我們選擇了FutabaS3003這款舵機。控制系統(tǒng)硬件設計主板是以Atmega16L單片機微控制器為核心，包括電源模塊、USB下載模塊、ISP下載模塊、電機驅動模塊、外部晶振以及各種I/O接口。本設計所選舵機為日本雙葉電子工業(yè)株式會社生產的FutabaS3003舵機，該類型舵機的扭力達到4.1公斤且為同軸雙端輸出銅合金齒輪舵機。價格適中且規(guī)格參數(shù)能夠滿足雙足機器人的各項性能要求［5］。并且可以進行模擬位置鎖存，大大減少控制端的數(shù)據(jù)量，適合多級聯(lián)動控制。裝有防撞減震軸承，減少磨損，并且密封。采用國際標準的PWM控制格式，便于移植到其他平臺使用。因此在綜合了開銷，性能等一系列因素后我們選擇了FutabaS3003型舵機。舵機FutabaS3003實物圖2所示。FutabaS3003舵機的轉角達到180度，由于采用8位CPU控制，所以控制精度最大為256份。經(jīng)過實際測試和規(guī)劃，分了250份。將0-185分為250份，每份0.74度?？刂扑璧腜WM寬度為0.5ms?2.5ms，寬度2ms。舵機的控制信號是脈沖位置調制信號，周期一般為2ms，當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸的角度發(fā)生變化，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。一般舵機的輸出軸轉角與輸入信號的脈沖寬度之間的關系可用下圖3所示。4.控制系統(tǒng)的軟件設計為了實現(xiàn)模型樣機的實驗調試，在硬件基礎上進行了系統(tǒng)軟件設計，通過對實際機械系統(tǒng)運動控制理論研究，規(guī)劃了一套簡便的調試方案以驗證樣機設計的合理性，并進行對預訂步態(tài)的相應關節(jié)控制調試和可行性驗證。ATmega16是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。由于單片機功能的限制，復雜的動作編制、舞蹈的設計不可能在單片機上進行，而且對于人機交互等在單片機上不好實現(xiàn)。所有必須要有上位機的協(xié)助，通過上位機，實現(xiàn)舞蹈動作的編寫以及調試。如基本的前進，后退，轉身，彎腰，搖頭等［6］。上位機還負責同下位機的交互，人機接口等。舞蹈動作設計得再完美，再漂亮，最終都要體現(xiàn)在機器人的行走上。運動控制主要有兩個方面的內容，一方面是編寫完美的舞蹈動作，另一方面就是如何精確實現(xiàn)設計好的舞蹈動作。也就是說如何精確地控制電機/舵機，讓多個電機準確快速，穩(wěn)定地到達指定的位置，并且實現(xiàn)24個電機的協(xié)調工作。串行通信子程序主要用于處理單片機與上位機之間的通信，實現(xiàn)從上位機接收控制指令和動作數(shù)據(jù)功能。單片機與上位機之間采用半雙工通信方式，但是主要還是采取數(shù)據(jù)的單向傳輸方式，即主要由上位機向單片機發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，而單片機并不向上位機發(fā)數(shù)據(jù)，僅僅是在二者通信之前向上位機發(fā)送應答信號，以確認二者之間通信成功與否。因此，此處主要討論由上位機發(fā)送單片機接收的通訊方式。舞蹈機器人設計總結舞蹈機器人比賽是機器人比賽中具有很強觀賞性和趣味性的高技術對抗賽，舞蹈機器人的制作涉及機械、電子、自控.通訊、傳感，人工智能、機器人學、精密機構和仿生材料等多個領域。舞蹈機器人的制作一般要經(jīng)過創(chuàng)意提案、初步設計、詳細設計、制作調試4個階段。我們在制作過程中，考慮具體情況，分步細化，按照流程來控制節(jié)點，達成目標。舞蹈機器人的動作是表現(xiàn)在一定時間序列上的窒間位姿（位置和姿態(tài)）的集合。舞蹈機器人動作設計和實現(xiàn)的方法一般是借鑒機械臂軌跡的控制方式，在不同的平臺和技術水平基礎上采用相應的方法［7］。以下是我們在舞蹈機器人動作設計與實現(xiàn)研究和應用的3類方法：直觀估測法、動作示教法、虛擬仿真法。這些方法是從不同的研究目的和舞蹈機器人動作的控制要求出發(fā)的，虛擬仿真法能夠實現(xiàn)對舞蹈機器人動作的精確控制。結論本文設計了一款結構緊湊、外觀美觀的小型雙足機器人本體，機器人共10個自由度。它能自由行走，進行舞蹈表演。此外本系統(tǒng)為雙足機器人的研究預留了足夠的擴展空間，它能夠在本系統(tǒng)上模擬，研究其運動規(guī)律，為研究智能機器人，機器人學習、運動等提供了一個可靠的平臺。整個設計過程中，在機器人的機械結構設計上我們曾經(jīng)遇到了很大的困難，好幾次的設計都由于不符合要求已經(jīng)被改的面目全非。好在全組成員團結合作，最終解決了機械結構的問題。在使用ATmega16L的開發(fā)過程中，我們也充分體會到了這款單片機的性能優(yōu)越性和便利性，其單芯片設計方案對提高產品集成，降低系統(tǒng)成本有很大的幫助。參考文獻［1］漢中，馮雪梅.人形機器人技術的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］.機械工程師，2006,19（4）：133-134.［2］張效祖.工業(yè)機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.世界制造技術與裝備市場，2004（5）：33-36.［3］蔡自興.21世紀機器人技術的發(fā)展趨勢［J］.南京化工大學學報，2000，22（4）：73-76.［4］畢勝.國內外工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.機械工程師，2008（7）：5-8.［5］陳秀珍，潘拓.21世紀初機器人技術的走向［J］.中國設備工程，2007（11）：30-