機(jī)器人設(shè)計(jì)與地的應(yīng)用

1、跳舞機(jī)器人設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)作者姓名： 同組：專(zhuān)業(yè)：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師： 完成日期：跳舞機(jī)器人總體方案及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（機(jī)械工程學(xué)院）摘要：本文對(duì)跳舞機(jī)器人的研究情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并根據(jù)實(shí)際要求對(duì)跳舞機(jī)器人的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn) 用CAD軟件進(jìn)行平面自由度分析，終得到一款簡(jiǎn)易跳舞機(jī)器人。關(guān)鍵詞：跳舞機(jī)器人總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Abstract:The research situation of the dancing robot is introduced,and design of the structureaccordingto the actual requirements of the dancing robo

2、t, with the CAD software for planardegree of freedom analysis, finally get a new kind of dancing robots.Key words: Dancing robot; Overall plan;Structural design1 刖言機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。跳舞機(jī)器人屬于機(jī) 器人技術(shù)在娛樂(lè)行業(yè)中的應(yīng)用 ，是本世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)研究發(fā)展的重要方向之一。隨著單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和全國(guó)機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)

3、目的展開(kāi)，嘗試設(shè)計(jì)一個(gè)能跟隨外界音樂(lè)跳舞的仿人型機(jī)器人，具有一定的趣味性和挑戰(zhàn)性。目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的跳舞機(jī)器人大都是根據(jù)特定音符，預(yù)先編制好舞蹈動(dòng)作，不具備隨機(jī)性。本文旨在設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制 作、能隨外界音樂(lè)自由跳舞的機(jī)器人。由于要求該機(jī)器人能夠隨意地跟蹤外界音樂(lè)動(dòng)作，必須屏蔽外界噪聲的干擾，所以對(duì)音樂(lè)節(jié)奏的識(shí)別能力提出了更高的要求。設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用廉價(jià)的傳感器，通過(guò)程序設(shè)計(jì)體現(xiàn)智能性，降低對(duì)硬件的要求。本研究以ATMEL89C51單片機(jī)為控制器的核心，舵機(jī)作為手臂關(guān)節(jié)、頸部關(guān)節(jié)以及導(dǎo)向 輪導(dǎo)向關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器，用一支普通微型麥克風(fēng)作為音樂(lè)輸入傳感器，制作了識(shí)別電路，再加上智能軟件的控制，制作出了

4、動(dòng)作靈活、價(jià)格低廉、以及模塊化結(jié)構(gòu)的跳舞機(jī)器人。2總體方案及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在本方案中，我們?cè)O(shè)計(jì)了機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、語(yǔ)音模塊、電源模塊、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等五部 分，組合構(gòu)成簡(jiǎn)易的跳舞機(jī)器人。機(jī)器人在啟動(dòng)后，自動(dòng)完成跳舞動(dòng)作。各個(gè)系統(tǒng)具體功能如下：（1）機(jī)械本體：整體形象設(shè)計(jì)為人形，為比賽動(dòng)作提供具體的客觀(guān)外在載體；（2 ）控制系統(tǒng)：完成在跳舞過(guò)程中的各種動(dòng)作，使機(jī)器人靈活平穩(wěn)地跳舞；（3 ）語(yǔ)音模塊：識(shí)別、處理語(yǔ)音信號(hào)，在跳舞過(guò)程中伴音；（4 ）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：將單片機(jī)信號(hào)進(jìn)行功放，驅(qū)動(dòng)電機(jī)；（5 ）電源模塊：主要為機(jī)器人系統(tǒng)提供動(dòng)力來(lái)源。2.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)腿部、腰部、手部和頭部。 下面分別對(duì)這跳舞機(jī)器人的機(jī)械

5、部分主要分為四部分結(jié)構(gòu),四方面進(jìn)行分析。腿部：（1 ）由于機(jī)器人的腿是靈活擺動(dòng)的，所以要把大部分控制元件安裝在機(jī)器人的 腰部以上，這就會(huì)給機(jī)器人的平衡帶來(lái)問(wèn)題。特別是機(jī)器人快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)還需要帶動(dòng)外殼移動(dòng)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要盡量加大腳板和地面的接觸面積，盡量減少上體重量。（2）如果讓機(jī)器人像人一樣邁步前進(jìn)，動(dòng)作很容易做出，但是單腿著地時(shí)的平衡是很難做到的，所以設(shè)計(jì)時(shí)在機(jī)器人腳下加裝輪子，讓輪子實(shí)現(xiàn)機(jī)器人真正意義上的行走。考慮以上因素，具體設(shè)計(jì)如下：直接用三輪子機(jī)構(gòu)（前獨(dú)輪驅(qū)動(dòng)，后兩輪從動(dòng)）來(lái)代替腳板，通 過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎，共兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)

6、副。腰部：腰部的運(yùn)動(dòng)很簡(jiǎn)單， 就是一簡(jiǎn)單升降運(yùn)動(dòng)，但是需要同手腕運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，以及與音樂(lè)同節(jié)奏。在這里，可以采取實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)方式，如渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)， 齒輪齒條機(jī)構(gòu)等，可是這些機(jī)構(gòu)能夠承受的壓力較小，所以我們考慮利用凸輪推桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，只一個(gè)移動(dòng)副。手部：手腕運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)理念來(lái)源于紅極一時(shí)的鳥(niǎo)叔江南Style，但是其中只是截取經(jīng)典的手部上下交替旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，手臂與肩，以及手臂與手腕間均為一轉(zhuǎn)動(dòng)副。頭部：頭部裝有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)頭部的左右轉(zhuǎn)動(dòng)、低頭后仰，以及左右偏頭，同時(shí) 也能協(xié)調(diào)與手部的運(yùn)動(dòng)。綜上所述，分析了各部分結(jié)構(gòu)，利用CAD軟件做出了機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖 1所示。它主要體現(xiàn)各關(guān)節(jié)自由度設(shè)

7、計(jì)，以及機(jī)構(gòu)的總體框架。圖1總體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖22 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的跳舞機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，我們選擇舵機(jī)作為手臂關(guān)節(jié)、頸部關(guān)節(jié)以及導(dǎo)向輪導(dǎo)向關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器，選擇步進(jìn)電機(jī)作為導(dǎo)向輪的驅(qū)動(dòng)。處理器選用89C51單片機(jī)。2.3 語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，語(yǔ)音模塊直接裝在單片機(jī)電路板上。ATMEL89C51單片機(jī)在語(yǔ)音識(shí)別和處理方面有其獨(dú)到之處，而且開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)單。外界的模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理才能轉(zhuǎn)換成機(jī)器所能識(shí)別的信號(hào)，即語(yǔ)音的壓縮編碼技術(shù)。壓縮編碼的目的是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮， 達(dá)到高效率的存儲(chǔ)

8、可轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)， 即在保證一 定音質(zhì)的條件下以最小數(shù)據(jù)量來(lái)表達(dá)可傳遞聲音信息。語(yǔ)音識(shí)別功能如圖2所示：濾液廠(chǎng)1*預(yù)加審-懺波器組PAKODRtt預(yù)測(cè)系數(shù)相關(guān)兩數(shù)別出果識(shí)輸結(jié)圖2語(yǔ)音識(shí)別功能圖2.4電源模塊設(shè)計(jì)由于跳舞機(jī)器人是獨(dú)立行走的系統(tǒng)，所以電源模塊必須隨身攜帶，我們這里用四節(jié)1.5V干電池提供。系統(tǒng)所需電壓為5V和3V，其中CPU所需電壓為3.3V,I/O 端口高電平為3.35V。3設(shè)計(jì)總結(jié)跳舞機(jī)器人比賽是機(jī)器人比賽中具有很強(qiáng)觀(guān)賞性和趣味性的高技術(shù)對(duì)抗賽，跳舞機(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。跳舞機(jī)器人的制作一般要經(jīng)過(guò)創(chuàng)意提案、初

9、步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、制作調(diào)試4個(gè)階段。我們?cè)谥谱鬟^(guò)程中，考慮具體情況，分步細(xì)化，按照流程來(lái)控制節(jié)點(diǎn)，達(dá)成目標(biāo)。通過(guò)學(xué)習(xí)叢老師的機(jī)器人設(shè)計(jì)課程，特別是通過(guò)本次小組合作參與設(shè)計(jì)，切身感受到機(jī)器人設(shè)計(jì)中的無(wú)盡樂(lè)趣，非常感謝叢老師的悉心教導(dǎo)，也衷心感謝組員的互相幫助。4結(jié)束語(yǔ)在科技迅猛發(fā)展的今天，人們生活水平逐漸提高，一些應(yīng)用于工業(yè)的科技正逐漸走出工 廠(chǎng)，對(duì)自動(dòng)跳舞機(jī)器人進(jìn)行研究為服娛樂(lè)機(jī)器人的發(fā)展提供了新的課題方向，也是娛樂(lè)機(jī)器人走向?qū)嶋H應(yīng)用的一種嘗試和探索。該跳舞機(jī)器人能夠較準(zhǔn)確的識(shí)別音樂(lè)鼓點(diǎn)，并能夠根據(jù)鼓點(diǎn)的快慢來(lái)完成舞蹈動(dòng)作的快慢，做出簡(jiǎn)單的舞蹈動(dòng)作，具有一定的智能性、娛樂(lè)性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 王賀舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)D.四川：雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司,2005（4）: 130-132.2 董建軍，楊文杰，王兵.舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制D.河南：信陽(yáng)師范學(xué)院，2002（04）:456-458.3 楊子夫，李德升，王云博.舞蹈機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和程序設(shè)計(jì)D.安徽: