论文部分内容阅读
【摘要】本文介绍了一款低成本的小型舞蹈机器人的设计。根据仿生学原理确定机器人的比例尺寸，根据机器人的功能要求确定其自由度配置，选择了合适的材料和驱动元件，实现了一个小型的双足舞蹈机器人。舞蹈机器人是娱乐机器人的一种，集软件和硬件于一身，核心是控制系统。采用基于上下位机的控制结构，通过无线通信方式传输数据和指令。在音乐特征识别的基础上结合专家系统、模糊控制等手段，通过舞蹈动作与音乐的自动匹配、同步演示等方法，实现舞蹈动作与音乐协调一致。舞蹈机器人的设计一般要经过创意提案、整体论证、初步设计、组装调试、最终定型等几个大的步骤。其中最重要的当数其中的机械设计环节，它关系到后面机器人的整体性能以及控制系统的设计。
【关键词】舞蹈机器人；AVR单片机；舵机
1.引言
机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的哥哥领域，并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成[1]。现在，国际上对机器人的概念已经逐步趋近一般，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”
机器人产业在二十一世界将成为和汽车、电脑并驾齐驱的主干产业。从庞大的工业机器人到微观的纳米机器人，从代表尖端技术的仿人型机器人到孩子们喜爱的宠物机器人，机器人正在日益走进我们的生活，成为人类最亲密的伙伴。机器人技术和产业化在全中国甚至全世界拥有一定得现实基础和广阔的市场前景。本次设计采用Atmega16L单片机作为双足机器人控制单元的核心，具备自主决策和智能判断的能力[2]。使用六个FutabaS3003舵机作为关节驱动和一个微机板作为舵机的驱动控制机器人完成各种动作。该舞蹈机器人双腿关节采用6个FutabaS3003舵机，能够可靠地负载起手臂和身躯。微机板放在背部，用以充当机器人的身躯，手臂安装在微机板两侧；利用舵机调试程序对舞蹈机器人的每个动作进行编排、采样，最后将一个个动作连贯起来编译下载，在团队的共同努力下完成跳舞机器人。
2.机器人总体方案设计
2.1 舞蹈机器人总体分析
要设计和开发一个舞蹈机器人，首先应该对其进行总体分析和设计，确定舞蹈机器人的功能，基本结构和系统配置。舞蹈机器人的设计一般要经过创意提出、整体论证、初步设计、组装调试、最终定型等几个大的步骤。其中最重要的当数其中的机械设计环节，它关系到后面机器人的整体性能以及控制系统的设计。
该双足竞步机器人设计的目的是要实现拟人下肢多自由度得平稳行走，在实现这个功能的前提下为降低设计的难度，我们按照目前世界上各研究机构普通采用的下肢6个自由度的关节配置形式，来实现行走功能所必须的各关节自由度分布，具体自由度配置为单腿髋关节1个，膝关节1个，踝关节1个[3]。髋关节用于摆动腿，实现迈步，并起到了辅助平衡作用。膝关节主要用来调节重心的高度，及改变摆动腿的着地高度，使之与地形相适应。踝关节用来和髋关节相配合实现支撑腿的移动，以及调整与地面的接触状态。其结构图大致与下图1相似。
2.2 系统结构设计
根据确定的自由度配置方案以及选用的舵机、微机板，设计机器人的零件。本着结构简单、尽量采用通用零件、外形美观等原则，对机器人的结构及外观进行优化。
实现舞蹈机器人运动的基本问题是对机器人各关节位置、速度伺服控制和协调控制。如果把连杆以及关节想象为机器人的骨骼，那么驱动器就起到肌肉的作用，它通过移动或转动连杆来改变机器人的構型。驱动器必须有足够的功率对负载加速或者减速。同时，启动器本身要精确、灵敏、轻便、经济、使用方便可靠且易于维护[4]。
舵机是一种最早应用在航模运动中的动力装置，是一种微型伺服马达，它的控制信号是一个宽度可调的方波脉冲信号，所以很方便和模拟系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的模拟设备都可以用来控制舵机，比如PLC、单片机和DSP等。而且舵机体积紧凑、便于安装、输出力矩大、稳定性、控制简单。根据所需的驱动力矩要求和性价比方面的考虑，我们决定选用日本双叶电子工业株式会社生产的大扭力齿轮舵机。该类型舵机价格适中且规格参数能够满足舞蹈机器人的各项性能要求。因此在综合了开销，性能等一系列因素后我们选择了FutabaS3003这款舵机。
3.控制系统硬件设计
主板是以Atmega16L单片机微控制器为核心，包括电源模块、USB下载模块、ISP下载模块、电机驱动模块、外部晶振以及各种I/O接口。
本设计所选舵机为日本双叶电子工业株式会社生产的FutabaS3003舵机，该类型舵机的扭力达到4.1公斤且为同轴双端输出铜合金齿轮舵机。价格适中且规格参数能够满足双足机器人的各项性能要求[5]。并且可以进行模拟位置锁存，大大减少控制端的数据量，适合多级联动控制。装有防撞减震轴承，减少磨损，并且密封。采用国际标准的PWM控制格式，便于移植到其他平台使用。因此在综合了开销，性能等一系列因素后我们选择了FutabaS3003型舵机。舵机FutabaS3003实物图2所示。
FutabaS3003舵机的转角达到180度，由于采用8位CPU控制，所以控制精度最大为256份。经过实际测试和规划，分了250份。将0-185分为250份，每份0.74度。控制所需的PWM宽度为0.5ms～2.5ms，宽度2ms。舵机的控制信号是脉冲位置调制信号，周期一般为2ms，当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生变化，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。一般舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用下图3所示。
【关键词】舞蹈机器人；AVR单片机；舵机
1.引言
机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的哥哥领域，并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成[1]。现在，国际上对机器人的概念已经逐步趋近一般，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”
机器人产业在二十一世界将成为和汽车、电脑并驾齐驱的主干产业。从庞大的工业机器人到微观的纳米机器人，从代表尖端技术的仿人型机器人到孩子们喜爱的宠物机器人，机器人正在日益走进我们的生活，成为人类最亲密的伙伴。机器人技术和产业化在全中国甚至全世界拥有一定得现实基础和广阔的市场前景。本次设计采用Atmega16L单片机作为双足机器人控制单元的核心，具备自主决策和智能判断的能力[2]。使用六个FutabaS3003舵机作为关节驱动和一个微机板作为舵机的驱动控制机器人完成各种动作。该舞蹈机器人双腿关节采用6个FutabaS3003舵机，能够可靠地负载起手臂和身躯。微机板放在背部，用以充当机器人的身躯，手臂安装在微机板两侧；利用舵机调试程序对舞蹈机器人的每个动作进行编排、采样，最后将一个个动作连贯起来编译下载，在团队的共同努力下完成跳舞机器人。
2.机器人总体方案设计
2.1 舞蹈机器人总体分析
要设计和开发一个舞蹈机器人，首先应该对其进行总体分析和设计，确定舞蹈机器人的功能，基本结构和系统配置。舞蹈机器人的设计一般要经过创意提出、整体论证、初步设计、组装调试、最终定型等几个大的步骤。其中最重要的当数其中的机械设计环节，它关系到后面机器人的整体性能以及控制系统的设计。
该双足竞步机器人设计的目的是要实现拟人下肢多自由度得平稳行走，在实现这个功能的前提下为降低设计的难度，我们按照目前世界上各研究机构普通采用的下肢6个自由度的关节配置形式，来实现行走功能所必须的各关节自由度分布，具体自由度配置为单腿髋关节1个，膝关节1个，踝关节1个[3]。髋关节用于摆动腿，实现迈步，并起到了辅助平衡作用。膝关节主要用来调节重心的高度，及改变摆动腿的着地高度，使之与地形相适应。踝关节用来和髋关节相配合实现支撑腿的移动，以及调整与地面的接触状态。其结构图大致与下图1相似。
2.2 系统结构设计
根据确定的自由度配置方案以及选用的舵机、微机板，设计机器人的零件。本着结构简单、尽量采用通用零件、外形美观等原则，对机器人的结构及外观进行优化。
实现舞蹈机器人运动的基本问题是对机器人各关节位置、速度伺服控制和协调控制。如果把连杆以及关节想象为机器人的骨骼，那么驱动器就起到肌肉的作用，它通过移动或转动连杆来改变机器人的構型。驱动器必须有足够的功率对负载加速或者减速。同时，启动器本身要精确、灵敏、轻便、经济、使用方便可靠且易于维护[4]。
舵机是一种最早应用在航模运动中的动力装置，是一种微型伺服马达，它的控制信号是一个宽度可调的方波脉冲信号，所以很方便和模拟系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的模拟设备都可以用来控制舵机，比如PLC、单片机和DSP等。而且舵机体积紧凑、便于安装、输出力矩大、稳定性、控制简单。根据所需的驱动力矩要求和性价比方面的考虑，我们决定选用日本双叶电子工业株式会社生产的大扭力齿轮舵机。该类型舵机价格适中且规格参数能够满足舞蹈机器人的各项性能要求。因此在综合了开销，性能等一系列因素后我们选择了FutabaS3003这款舵机。
3.控制系统硬件设计
主板是以Atmega16L单片机微控制器为核心，包括电源模块、USB下载模块、ISP下载模块、电机驱动模块、外部晶振以及各种I/O接口。
本设计所选舵机为日本双叶电子工业株式会社生产的FutabaS3003舵机，该类型舵机的扭力达到4.1公斤且为同轴双端输出铜合金齿轮舵机。价格适中且规格参数能够满足双足机器人的各项性能要求[5]。并且可以进行模拟位置锁存，大大减少控制端的数据量，适合多级联动控制。装有防撞减震轴承，减少磨损，并且密封。采用国际标准的PWM控制格式，便于移植到其他平台使用。因此在综合了开销，性能等一系列因素后我们选择了FutabaS3003型舵机。舵机FutabaS3003实物图2所示。
FutabaS3003舵机的转角达到180度，由于采用8位CPU控制，所以控制精度最大为256份。经过实际测试和规划，分了250份。将0-185分为250份，每份0.74度。控制所需的PWM宽度为0.5ms～2.5ms，宽度2ms。舵机的控制信号是脉冲位置调制信号，周期一般为2ms，当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生变化，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。一般舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用下图3所示。