機器人設計與地的應用

1、跳舞機器人設計說明書作者姓名： 同組：專業(yè)：學號：指導教師： 完成日期：跳舞機器人總體方案及機構(gòu)設計（機械工程學院）摘要：本文對跳舞機器人的研究情況進行了簡單介紹，并根據(jù)實際要求對跳舞機器人的機構(gòu)進行設計，運 用CAD軟件進行平面自由度分析，終得到一款簡易跳舞機器人。關鍵詞：跳舞機器人總體方案機構(gòu)設計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 刖言機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。跳舞機器人屬于機 器人技術在娛樂行業(yè)中的應用 ，是本世紀機器人技術研究發(fā)展的重要方向之一。隨著單片機技術的快速發(fā)展和全國機器人競賽項

3、目的展開，嘗試設計一個能跟隨外界音樂跳舞的仿人型機器人，具有一定的趣味性和挑戰(zhàn)性。目前國內(nèi)開發(fā)的跳舞機器人大都是根據(jù)特定音符，預先編制好舞蹈動作，不具備隨機性。本文旨在設計一種結(jié)構(gòu)簡單、便于制 作、能隨外界音樂自由跳舞的機器人。由于要求該機器人能夠隨意地跟蹤外界音樂動作，必須屏蔽外界噪聲的干擾，所以對音樂節(jié)奏的識別能力提出了更高的要求。設計時盡量采用廉價的傳感器，通過程序設計體現(xiàn)智能性，降低對硬件的要求。本研究以ATMEL89C51單片機為控制器的核心，舵機作為手臂關節(jié)、頸部關節(jié)以及導向 輪導向關節(jié)的驅(qū)動器，用一支普通微型麥克風作為音樂輸入傳感器，制作了識別電路，再加上智能軟件的控制，制作出了

4、動作靈活、價格低廉、以及模塊化結(jié)構(gòu)的跳舞機器人。2總體方案及機構(gòu)設計在本方案中，我們設計了機械本體、控制系統(tǒng)、語音模塊、電源模塊、驅(qū)動系統(tǒng)等五部 分，組合構(gòu)成簡易的跳舞機器人。機器人在啟動后，自動完成跳舞動作。各個系統(tǒng)具體功能如下：（1）機械本體：整體形象設計為人形，為比賽動作提供具體的客觀外在載體；（2 ）控制系統(tǒng)：完成在跳舞過程中的各種動作，使機器人靈活平穩(wěn)地跳舞；（3 ）語音模塊：識別、處理語音信號，在跳舞過程中伴音；（4 ）驅(qū)動系統(tǒng)：將單片機信號進行功放，驅(qū)動電機；（5 ）電源模塊：主要為機器人系統(tǒng)提供動力來源。2.1 機械機構(gòu)設計腿部、腰部、手部和頭部。 下面分別對這跳舞機器人的機械

5、部分主要分為四部分結(jié)構(gòu),四方面進行分析。腿部：（1 ）由于機器人的腿是靈活擺動的，所以要把大部分控制元件安裝在機器人的 腰部以上，這就會給機器人的平衡帶來問題。特別是機器人快速運動時，其內(nèi)部電動機高速旋轉(zhuǎn)還需要帶動外殼移動勢必會產(chǎn)生一定的振動，所以在設計的時候，要盡量加大腳板和地面的接觸面積，盡量減少上體重量。（2）如果讓機器人像人一樣邁步前進，動作很容易做出，但是單腿著地時的平衡是很難做到的，所以設計時在機器人腳下加裝輪子，讓輪子實現(xiàn)機器人真正意義上的行走?？紤]以上因素，具體設計如下：直接用三輪子機構(gòu)（前獨輪驅(qū)動，后兩輪從動）來代替腳板，通 過電動機來實現(xiàn)機器人的前進、后退、轉(zhuǎn)彎，共兩個轉(zhuǎn)動

6、副。腰部：腰部的運動很簡單， 就是一簡單升降運動，但是需要同手腕運動協(xié)調(diào)，以及與音樂同節(jié)奏。在這里，可以采取實現(xiàn)直線運動的機構(gòu)方式，如渦輪蝸桿機構(gòu)，曲柄滑塊機構(gòu)， 齒輪齒條機構(gòu)等，可是這些機構(gòu)能夠承受的壓力較小，所以我們考慮利用凸輪推桿機構(gòu)來實現(xiàn)，只一個移動副。手部：手腕運動設計理念來源于紅極一時的鳥叔江南Style，但是其中只是截取經(jīng)典的手部上下交替旋轉(zhuǎn)運動，手臂與肩，以及手臂與手腕間均為一轉(zhuǎn)動副。頭部：頭部裝有一個驅(qū)動電機，實現(xiàn)頭部的左右轉(zhuǎn)動、低頭后仰，以及左右偏頭，同時 也能協(xié)調(diào)與手部的運動。綜上所述，分析了各部分結(jié)構(gòu)，利用CAD軟件做出了機構(gòu)簡圖，如圖 1所示。它主要體現(xiàn)各關節(jié)自由度設

7、計，以及機構(gòu)的總體框架。圖1總體機構(gòu)簡圖22 控制系統(tǒng)設計機器人電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電機產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執(zhí)行機構(gòu)。根據(jù)本設計的跳舞機器人機械結(jié)構(gòu)，我們選擇舵機作為手臂關節(jié)、頸部關節(jié)以及導向輪導向關節(jié)的驅(qū)動器，選擇步進電機作為導向輪的驅(qū)動。處理器選用89C51單片機。2.3 語音模塊設計為簡化結(jié)構(gòu)，語音模塊直接裝在單片機電路板上。ATMEL89C51單片機在語音識別和處理方面有其獨到之處，而且開發(fā)環(huán)境簡單。外界的模擬信號必須經(jīng)過數(shù)字化處理才能轉(zhuǎn)換成機器所能識別的信號，即語音的壓縮編碼技術。壓縮編碼的目的是通過對數(shù)據(jù)的壓縮， 達到高效率的存儲

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)量來表達可傳遞聲音信息。語音識別功能如圖2所示：濾液廠1*預加審-懺波器組PAKODRtt預測系數(shù)相關兩數(shù)別出果識輸結(jié)圖2語音識別功能圖2.4電源模塊設計由于跳舞機器人是獨立行走的系統(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設計總結(jié)跳舞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，跳舞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(gòu)和仿生材料等 多個領域。跳舞機器人的制作一般要經(jīng)過創(chuàng)意提案、初

9、步設計、詳細設計、制作調(diào)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。通過學習叢老師的機器人設計課程，特別是通過本次小組合作參與設計，切身感受到機器人設計中的無盡樂趣，非常感謝叢老師的悉心教導，也衷心感謝組員的互相幫助。4結(jié)束語在科技迅猛發(fā)展的今天，人們生活水平逐漸提高，一些應用于工業(yè)的科技正逐漸走出工 廠，對自動跳舞機器人進行研究為服娛樂機器人的發(fā)展提供了新的課題方向，也是娛樂機器人走向?qū)嶋H應用的一種嘗試和探索。該跳舞機器人能夠較準確的識別音樂鼓點，并能夠根據(jù)鼓點的快慢來完成舞蹈動作的快慢，做出簡單的舞蹈動作，具有一定的智能性、娛樂性和實際應用價值。參考文獻1 王賀舞蹈機器人設計D.四川：雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,2005（4）: 130-132.2 董建軍，楊文杰，王兵.舞蹈機器人的設計與控制D.河南：信陽師范學院，2002（04）:456-458.3 楊子夫，李德升，王云博.舞蹈機器人步進電機驅(qū)動電路和程序設計D.安徽: