舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)論文
機(jī)器人是作為現(xiàn)代高新技術(shù)的重要象征和發(fā)展結(jié)果，下面是舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)論文，歡迎參考借鑒！
舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)論文
【摘要】本文介紹了一款低成本的小型舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)。根據(jù)仿生學(xué)原理確定機(jī)器人的比例尺寸，根據(jù)機(jī)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(qū)動(dòng)元件，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小型的雙足舞蹈機(jī)器人。舞蹈機(jī)器人是娛樂機(jī)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(jī)的控制結(jié)構(gòu)，通過無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)和指令。在音樂特征識(shí)別的基礎(chǔ)上結(jié)合專家系統(tǒng)、模糊控制等手段，通過舞蹈動(dòng)作與音樂的自動(dòng)匹配、同步演示等方法，實(shí)現(xiàn)舞蹈動(dòng)作與音樂協(xié)調(diào)一致。舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)一般要經(jīng)過創(chuàng)意提案、整體論證、初步設(shè)計(jì)、組裝調(diào)試、最終定型等幾個(gè)大的步驟。其中最重要的當(dāng)數(shù)其中的機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，它關(guān)系到后面機(jī)器人的整體性能以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
【關(guān)鍵詞】舞蹈機(jī)器人；AVR單片機(jī)；舵機(jī)
1.引言
機(jī)器人是作為現(xiàn)代高新技術(shù)的重要象征和發(fā)展結(jié)果，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)的哥哥領(lǐng)域，并正在給人類傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式帶來革命性的變化，影響著人們生活的方方面面。機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成[1]�，F(xiàn)在，國際上對機(jī)器人的概念已經(jīng)逐步趨近一般，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)�！�
機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在二十一世界將成為和汽車、電腦并駕齊驅(qū)的主干產(chǎn)業(yè)。從龐大的工業(yè)機(jī)器人到微觀的納米機(jī)器人，從代表尖端技術(shù)的仿人型機(jī)器人到孩子們喜愛的寵物機(jī)器人，機(jī)器人正在日益走進(jìn)我們的生活，成為人類最親密的`伙伴。機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化在全中國甚至全世界擁有一定得現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)和廣闊的市場前景。本次設(shè)計(jì)采用Atmega16L單片機(jī)作為雙足機(jī)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(gè)FutabaS3003舵機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)和一個(gè)微機(jī)板作為舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制機(jī)器人完成各種動(dòng)作。該舞蹈機(jī)器人雙腿關(guān)節(jié)采用6個(gè)FutabaS3003舵機(jī)，能夠可靠地負(fù)載起手臂和身軀。微機(jī)板放在背部，用以充當(dāng)機(jī)器人的身軀，手臂安裝在微機(jī)板兩側(cè)；利用舵機(jī)調(diào)試程序?qū)ξ璧笝C(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行編排、采樣，最后將一個(gè)個(gè)動(dòng)作連貫起來編譯下載，在團(tuán)隊(duì)的共同努力下完成跳舞機(jī)器人。
2.機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)
2.1 舞蹈機(jī)器人總體分析
要設(shè)計(jì)和開發(fā)一個(gè)舞蹈機(jī)器人，首先應(yīng)該對其進(jìn)行總體分析和設(shè)計(jì)，確定舞蹈機(jī)器人的功能，基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置。舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)一般要經(jīng)過創(chuàng)意提出、整體論證、初步設(shè)計(jì)、組裝調(diào)試、最終定型等幾個(gè)大的步驟。其中最重要的當(dāng)數(shù)其中的機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，它關(guān)系到后面機(jī)器人的整體性能以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
該雙足競步機(jī)器人設(shè)計(jì)的目的是要實(shí)現(xiàn)擬人下肢多自由度得平穩(wěn)行走，在實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的前提下為降低設(shè)計(jì)的難度，我們按照目前世界上各研究機(jī)構(gòu)普通采用的下肢6個(gè)自由度的關(guān)節(jié)配置形式，來實(shí)現(xiàn)行走功能所必須的各關(guān)節(jié)自由度分布，具體自由度配置為單腿髖關(guān)節(jié)1個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)1個(gè)[3]。髖關(guān)節(jié)用于擺動(dòng)腿，實(shí)現(xiàn)邁步，并起到了輔助平衡作用。膝關(guān)節(jié)主要用來調(diào)節(jié)重心的高度，及改變擺動(dòng)腿的著地高度，使之與地形相適應(yīng)。踝關(guān)節(jié)用來和髖關(guān)節(jié)相配合實(shí)現(xiàn)支撐腿的移動(dòng)，以及調(diào)整與地面的接觸狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)圖大致與下圖1相似。
2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)確定的自由度配置方案以及選用的舵機(jī)、微機(jī)板，設(shè)計(jì)機(jī)器人的零件。本著結(jié)構(gòu)簡單、盡量采用通用零件、外形美觀等原則，對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及外觀進(jìn)行優(yōu)化。
實(shí)現(xiàn)舞蹈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基本問題是對機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度伺服控制和協(xié)調(diào)控制。如果把連桿以及關(guān)節(jié)想象為機(jī)器人的骨骼，那么驅(qū)動(dòng)器就起到肌肉的作用，它通過移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)連桿來改變機(jī)器人的構(gòu)型。驅(qū)動(dòng)器必須有足夠的功率對負(fù)載加速或者減速。同時(shí)，啟動(dòng)器本身要精確、靈敏、輕便、經(jīng)濟(jì)、使用方便可靠且易于維護(hù)[4]。
舵機(jī)是一種最早應(yīng)用在航模運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力裝置，是一種微型伺服馬達(dá)，它的控制信號(hào)是一個(gè)寬度可調(diào)的方波脈沖信號(hào)，所以很方便和模擬系統(tǒng)進(jìn)行接口。只要能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)的模擬設(shè)備都可以用來控制舵機(jī)，比如PLC、單片機(jī)和DSP等。而且舵機(jī)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(qū)動(dòng)力矩要求和性價(jià)比方面的考慮，我們決定選用日本雙葉電子工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的大扭力齒輪舵機(jī)。該類型舵機(jī)價(jià)格適中且規(guī)格參數(shù)能夠滿足舞蹈機(jī)器人的各項(xiàng)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(jī)。
3.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
主板是以Atmega16L單片機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、外部晶振以及各種I/O接口。
本設(shè)計(jì)所選舵機(jī)為日本雙葉電子工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的FutabaS3003舵機(jī)，該類型舵機(jī)的扭力達(dá)到4.1公斤且為同軸雙端輸出銅合金齒輪舵機(jī)。價(jià)格適中且規(guī)格參數(shù)能夠滿足雙足機(jī)器人的各項(xiàng)性能要求[5]。并且可以進(jìn)行模擬位置鎖存，大大減少控制端的數(shù)據(jù)量，適合多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制。裝有防撞減震軸承，減少磨損，并且密封。采用國際標(biāo)準(zhǔn)的PWM控制格式，便于移植到其他平臺(tái)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(jī)。舵機(jī)FutabaS3003實(shí)物圖2所示。
FutabaS3003舵機(jī)的轉(zhuǎn)角達(dá)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(shí)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(jī)的控制信號(hào)是脈沖位置調(diào)制信號(hào)，周期一般為2ms，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)的脈沖寬度之間的關(guān)系可用下圖3所示。 4.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)模型樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，在硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，通過對實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制理論研究，規(guī)劃了一套簡便的調(diào)試方案以驗(yàn)證樣機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，并進(jìn)行對預(yù)訂步態(tài)的相應(yīng)關(guān)節(jié)控制調(diào)試和可行性驗(yàn)證。
ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)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(jī)功能的限制，復(fù)雜的動(dòng)作編制、舞蹈的設(shè)計(jì)不可能在單片機(jī)上進(jìn)行，而且對于人機(jī)交互等在單片機(jī)上不好實(shí)現(xiàn)。所有必須要有上位機(jī)的協(xié)助，通過上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)舞蹈動(dòng)作的編寫以及調(diào)試。如基本的前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)身，彎腰，搖頭等[6]。上位機(jī)還負(fù)責(zé)同下位機(jī)的交互，人機(jī)接口等。
舞蹈動(dòng)作設(shè)計(jì)得再完美，再漂亮，最終都要體現(xiàn)在機(jī)器人的行走上。運(yùn)動(dòng)控制主要有兩個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是編寫完美的舞蹈動(dòng)作，另一方面就是如何精確實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)好的舞蹈動(dòng)作。也就是說如何精確地控制電機(jī)/舵機(jī)，讓多個(gè)電機(jī)準(zhǔn)確快速，穩(wěn)定地到達(dá)指定的位置，并且實(shí)現(xiàn)24個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)工作。
串行通信子程序主要用于處理單片機(jī)與上位機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)從上位機(jī)接收控制指令和動(dòng)作數(shù)據(jù)功能。單片機(jī)與上位機(jī)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(jī)向單片機(jī)發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，而單片機(jī)并不向上位機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)，僅僅是在二者通信之前向上位機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，以確認(rèn)二者之間通信成功與否。因此，此處主要討論由上位機(jī)發(fā)送單片機(jī)接收的通訊方式。
5.舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)總結(jié)
舞蹈機(jī)器人比賽是機(jī)器人比賽中具有很強(qiáng)觀賞性和趣味性的高技術(shù)對抗賽，舞蹈機(jī)器人的制作涉及機(jī)械、電子、自控.通訊、傳感，人工智能、機(jī)器人學(xué)、精密機(jī)構(gòu)和仿生材料等多個(gè)領(lǐng)域。
舞蹈機(jī)器人的制作一般要經(jīng)過創(chuàng)意提案、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、制作調(diào)試4個(gè)階段。我們在制作過程中，考慮具體情況，分步細(xì)化，按照流程來控制節(jié)點(diǎn)，達(dá)成目標(biāo)。
舞蹈機(jī)器人的動(dòng)作是表現(xiàn)在一定時(shí)間序列上的窒間位姿（位置和姿態(tài)）的集合。
舞蹈機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的方法一般是借鑒機(jī)械臂軌跡的控制方式，在不同的平臺(tái)和技術(shù)水平基礎(chǔ)上采用相應(yīng)的方法[7]。以下是我們在舞蹈機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究和應(yīng)用的3類方法：直觀估測法、動(dòng)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(jī)器人動(dòng)作的控制要求出發(fā)的，虛擬仿真法能夠?qū)崿F(xiàn)對舞蹈機(jī)器人動(dòng)作的精確控制。
6.結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)緊湊、外觀美觀的小型雙足機(jī)器人本體，機(jī)器人共10個(gè)自由度。它能自由行走，進(jìn)行舞蹈表演。此外本系統(tǒng)為雙足機(jī)器人的研究預(yù)留了足夠的擴(kuò)展空間，它能夠在本系統(tǒng)上模擬，研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為研究智能機(jī)器人，機(jī)器人學(xué)習(xí)、運(yùn)動(dòng)等提供了一個(gè)可靠的平臺(tái)。整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，在機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上我們曾經(jīng)遇到了很大的困難，好幾次的設(shè)計(jì)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(tuán)結(jié)合作，最終解決了機(jī)械結(jié)構(gòu)的問題。在使用ATmega16L的開發(fā)過程中，我們也充分體會(huì)到了這款單片機(jī)的性能優(yōu)越性和便利性，其單芯片設(shè)計(jì)方案對提高產(chǎn)品集成，降低系統(tǒng)成本有很大的幫助。
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