机器人设计与应用

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1、跳 舞 机 器 人 设 计 说 明 书 作 者 姓 名：同 组：专 业： 学 号： 指 导 教 师 ： 完 成 日 期： 跳舞机器人总体方案及机构设计（机械工程学院 ）摘要：本文对跳舞机器人的研究情况进行了简单介绍，并根据实际要求对跳舞机器人的机构进行设计，运用CAD软件进行平面自由度分析，终得到一款简易跳舞机器人。关键词：跳舞机器人 总体方案 机构设计 Abstract: The research situation of the dancing robot is introduced, and design of the structure according to the actual

2、requirements of the dancing robot, with the CAD software for planar degree of freedom analysis, finally get a new kind of dancing robots.Key words: Dancing robot; Overall plan;Structural design1 前言 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术, 是当代研究十分活跃, 应用日益广泛的领域。跳舞机器人属于机器人技术在娱乐行业中的应用, 是本世纪机器人

3、技术研究发展的重要方向之一。随着单片机技术的快速发展和全国机器人竞赛项目的展开, 尝试设计一个能跟随外界音乐跳舞的仿人型机器人, 具有一定的趣味性和挑战性。目前国内开发的跳舞机器人大都是根据特定音符, 预先编制好舞蹈动作, 不具备随机性。本文旨在设计一种结构简单、便于制作、能随外界音乐自由跳舞的机器人。由于要求该机器人能够随意地跟踪外界音乐动作, 必须屏蔽外界噪声的干扰, 所以对音乐节奏的识别能力提出了更高的要求。设计时尽量采用廉价的传感器, 通过程序设计体现智能性, 降低对硬件的要求。本研究以ATMEL89C51单片机为控制器的核心,舵机作为手臂关节、颈部关节以及导向轮导向关节的驱动器, 用

4、一支普通微型麦克风作为音乐输入传感器, 制作了识别电路,再加上智能软件的控制, 制作出了动作灵活、价格低廉、以及模块化结构的跳舞机器人。2 总体方案及机构设计在本方案中，我们设计了机械本体、控制系统、语音模块、电源模块、驱动系统等五部分，组合构成简易的跳舞机器人。机器人在启动后，自动完成跳舞动作。各个系统具体功能如下：（1）机械本体：整体形象设计为人形，为比赛动作提供具体的客观外在载体；（2）控制系统：完成在跳舞过程中的各种动作，使机器人灵活平稳地跳舞；（3）语音模块：识别、处理语音信号，在跳舞过程中伴音；（4）驱动系统：将单片机信号进行功放，驱动电机；（5）电源模块：主要为机器人系统提供动力

5、来源。2.1 机械机构设计跳舞机器人的机械部分主要分为四部分结构，腿部、腰部、手部和头部。下面分别对这四方面进行分析。 腿部：（1）由于机器人的腿是灵活摆动的，所以要把大部分控制元件安装在机器人的腰部以上，这就会给机器人的平衡带来问题。特别是机器人快速运动时，其内部电动机高速旋转还需要带动外壳移动势必会产生一定的振动，所以在设计的时候，要尽量加大脚板和地面的接触面积，尽量减少上体重量。（2） 如果让机器人像人一样迈步前进，动作很容易做出，但是单腿着地时的平衡是很难做到的，所以设计时在机器人脚下加装轮子，让轮子实现机器人真正意义上的行走。考虑以上因素，具体设计如下：直接用三轮子机构（前独轮驱动，

6、后两轮从动）来代替脚板，通过电动机来实现机器人的前进、后退、转弯，共两个转动副。 腰部：腰部的运动很简单，就是一简单升降运动，但是需要同手腕运动协调，以及与音乐同节奏。在这里，可以采取实现直线运动的机构方式，如涡轮蜗杆机构，曲柄滑块机构，齿轮齿条机构等，可是这些机构能够承受的压力较小，所以我们考虑利用凸轮推杆机构来实现，只一个移动副。手部：手腕运动设计理念来源于红极一时的鸟叔江南Style，但是其中只是截取经典的手部上下交替旋转运动，手臂与肩，以及手臂与手腕间均为一转动副。头部：头部装有一个驱动电机，实现头部的左右转动、低头后仰，以及左右偏头，同时也能协调与手部的运动。综上所述，分析了各部分结

7、构，利用CAD软件做出了机构简图，如图1所示。它主要体现各关节自由度设计，以及机构的总体框架。图1 总体机构简图2.2 控制系统设计机器人电机伺服驱动系统是利用各种电机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。根据本设计的跳舞机器人机械结构，我们选择舵机作为手臂关节、颈部关节以及导向轮导向关节的驱动器，选择步进电机作为导向轮的驱动。处理器选用89C51单片机。2.3 语音模块设计为简化结构，语音模块直接装在单片机电路板上。ATMEL89C51单片机在语音识别和处理方面有其独到之处，而且开发环境简单。外界的模拟信号必须经过数字化处理才能转换成机器所能识别的信号，

8、即语音的压缩编码技术。压缩编码的目的是通过对数据的压缩，达到高效率的存储可转换数据，即在保证一定音质的条件下以最小数据量来表达可传递声音信息。语音识别功能如图2所示：图2 语音识别功能图2.4 电源模块设计由于跳舞机器人是独立行走的系统，所以电源模块必须随身携带， 我们这里用四节1.5V 干电池提供。系统所需电压为5V 和3V，其中CPU 所需电压为3.3V,I/O 端口高电平为3.35V。3 设计总结跳舞机器人比赛是机器人比赛中具有很强观赏性和趣味性的高技术对抗赛，跳舞机器人的制作涉及机械、电子、自控、通讯、传感、人工智能、机器人学、精密机构和仿生材料等多个领域。跳舞机器人的制作一般要经过创

9、意提案、初步设计、详细设计、制作调试4个阶段。我们在制作过程中，考虑具体情况，分步细化，按照流程来控制节点，达成目标。通过学习丛老师的机器人设计课程，特别是通过本次小组合作参与设计，切身感受到机器人设计中的无尽乐趣，非常感谢丛老师的悉心教导，也衷心感谢组员的互相帮助。4 结束语在科技迅猛发展的今天，人们生活水平逐渐提高，一些应用于工业的科技正逐渐走出工厂，对自动跳舞机器人进行研究为服娱乐机器人的发展提供了新的课题方向，也是娱乐机器人走向实际应用的一种尝试和探索。 该跳舞机器人能够较准确的识别音乐鼓点, 并能够根据鼓点的快慢来完成舞蹈动作的快慢, 做出简单的舞蹈动作, 具有一定的智能性、娱乐性和实际应用价值。参考文献1 王贺.舞蹈机器人设计D. 四川：雅砻江流域水电开发有限公司, 2005(4): 130-132.2 董建军，杨文杰，王兵.舞蹈机器人的设计与控制D.河南：信阳师范学院，2002（04）:456-458.3 杨子夫，李德升，王云博.舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计D.安徽:湖中国科学技术大学,2002（09）:1-5.4 刘少东，韩建海，赵书尚，李慧琴.基于鼓点自由识别的小型跳舞机器人D.河南:南河南科技大学,2006（04）:66-68.5 鲁冠华，刘星，张水利.基于凌阳单片机的跳舞机器人设计D.山东：山东水利职业学院，2009（06）：11-13.