智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

引言

近幾年機(jī)器人已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標(biāo)。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和

發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生根本性變化，而且將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)

的影響。隨著社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。從自動(dòng)化

生產(chǎn)線到海洋資源的探索，乃至太空作業(yè)等領(lǐng)域，機(jī)器人可謂是無處不在。目前

機(jī)器已經(jīng)走進(jìn)人們的生活與工作，機(jī)器人已經(jīng)在很多的領(lǐng)域代替著人類的勞動(dòng)，

發(fā)揮著越來越重要的作用，人們已經(jīng)越來越離不開機(jī)器人幫助。機(jī)器人工程是一

門復(fù)雜的學(xué)科，它集工程力學(xué)、機(jī)械制造、電子技術(shù)、技術(shù)科學(xué)、自動(dòng)控制等為

一體。目前對(duì)機(jī)器人的研究已經(jīng)呈現(xiàn)出專業(yè)化和系統(tǒng)化，一些信息學(xué)、電子學(xué)方

面的先進(jìn)技術(shù)正越來越多地應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。目前機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展與30年

前的電腦行業(yè)極為相似。今天在汽車裝配線上忙碌的一線機(jī)器人，正是當(dāng)年大型

計(jì)算機(jī)的翻版。而機(jī)器人行業(yè)的利基產(chǎn)品也同樣種類繁多，比如協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行外

科手術(shù)的機(jī)械臂、在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)上負(fù)責(zé)排除路邊炸彈的偵察機(jī)器人、以

及負(fù)責(zé)清掃地板的家用機(jī)器人，還有不少參照人、狗、恐龍的樣子制造機(jī)器人玩

具。舞蹈機(jī)器人具有人類外觀特征、可愛的外貌、又兼有技術(shù)含量，極受青少年

的喜愛。我從前年開始機(jī)器人方面的研究，在這過程中嘗試過很多次的失敗，也

感受到了無比的樂趣。

圖1.1、機(jī)器人

1緒論

機(jī)器人技術(shù)作為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自20世紀(jì)60年代初問世以來,

經(jīng)歷40余年的發(fā)展已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。未來的機(jī)器人是一種能夠代替人類在非

結(jié)構(gòu)化環(huán)境下從事危險(xiǎn)、復(fù)雜勞動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)器，是集機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、

生物學(xué)、控制論、計(jì)算機(jī)、人工智能和系統(tǒng)工程等多學(xué)科知識(shí)于一身的高新技術(shù)

綜合體。走向成熟的工業(yè)機(jī)器人，各種用途的特種機(jī)器人的多用化，昭示著機(jī)器

人技術(shù)燦爛的明天。

1.1國(guó)內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀

為了使機(jī)器人能更好的應(yīng)用于工業(yè)，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和大工業(yè)

企業(yè)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)投入了大量的人力財(cái)力。在美國(guó)和加拿大，各主要大學(xué)都

設(shè)有機(jī)器人研究室，麻省理工學(xué)院側(cè)重于制造過程機(jī)器人系統(tǒng)的研究，卡耐基一

梅隆機(jī)器人研究所側(cè)重于挖掘機(jī)器人系統(tǒng)的研究，而斯坦福大學(xué)則著重于系統(tǒng)應(yīng)

用軟件的開發(fā)。德國(guó)正研究開發(fā)“MOVEANDPLAY”機(jī)器人系統(tǒng)，使機(jī)器人操作

就像人們操作錄像機(jī)、開汽車一樣。從六十年代開始日本政府實(shí)施一系列扶植政

策，使日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來，經(jīng)過短短的十幾年。到80年代中期，已

一躍而為“機(jī)器人王國(guó)”。其機(jī)器人的產(chǎn)量和安裝的臺(tái)數(shù)在國(guó)際上躍居首位。按

照日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工業(yè)會(huì)常務(wù)理事米本完二的說法：“日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了

60年代的搖籃期。70年代的實(shí)用期。到80年代進(jìn)人普及提高期。”

并正式把1980年定為產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的普及元年”。開始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使

用機(jī)器人。中國(guó)機(jī)器人的發(fā)展起步較晚，1972年我國(guó)開始研制自己的工業(yè)機(jī)器

人。"七五”期間，國(guó)家投入資金，對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示

教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。

1986年國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)戈U）開始實(shí)施，智能機(jī)器人主題跟蹤世

界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出

了一批特種機(jī)器人。20世紀(jì)90年代，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)一大步，

先后研制出了點(diǎn)焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施

了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰

飛奠定了基礎(chǔ)。

1.2機(jī)器人技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用

機(jī)器人融入我們?nèi)粘Ｉ畹牟椒ビ卸嗫欤繐?jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟調(diào)查，2004年，全

球個(gè)人機(jī)器人約有200萬臺(tái)，到2008年，還將有700萬臺(tái)機(jī)器人投入運(yùn)行。按

照韓國(guó)信息通信部的計(jì)劃，到2013年，韓國(guó)每個(gè)家庭都能擁有一臺(tái)機(jī)器人；而

日本機(jī)器人協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，到2025年，全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的“蛋糕”將達(dá)到每年500億

美元的規(guī)模（現(xiàn)在僅有50億美元）。與20世紀(jì)70年代PC行業(yè)的情況相仿，我們

不可能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出究竟哪些用途將推動(dòng)這個(gè)新興行業(yè)進(jìn)入臨界狀態(tài)。不過看起

來，機(jī)器人很可能在護(hù)理和陪伴老年人的工作上大展宏圖，或許還可以幫助殘疾

人四處走走，并增強(qiáng)士兵、建筑工人和醫(yī)護(hù)人員的體力與耐力。目前，我國(guó)從事

機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位200多家，擁有量為3500臺(tái)左右，其中國(guó)產(chǎn)占

20%,其余都是從日本、美國(guó)、瑞典等40多個(gè)國(guó)家引進(jìn)的。2000年已生產(chǎn)

各種類型工業(yè)機(jī)器人和系統(tǒng)300臺(tái)套，機(jī)器人銷售額6.74億元，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的年收益額為47億元，我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求量和品種將逐年大幅

度增加。1.3機(jī)器人技術(shù)的前景展望機(jī)器人是人類的得力助手，能友好相處的可

靠朋友，將來我們會(huì)看到人和機(jī)器人會(huì)存在一個(gè)空間里邊，成為一個(gè)互相的助手

和朋友。機(jī)器人會(huì)不會(huì)產(chǎn)生飯碗的問題。我們相信不會(huì)出現(xiàn)“機(jī)器人上崗，工人

下崗”的局面，因?yàn)槿藗冸S著社會(huì)的發(fā)展，實(shí)際上把人們從繁重的體力和危險(xiǎn)的

環(huán)境中解放出來，使人們有更好的崗位去工作，去創(chuàng)造更好的精神財(cái)富和文化財(cái)

富，機(jī)器人來做這些危險(xiǎn)環(huán)境的工作，展望21世紀(jì)機(jī)器人將是一個(gè)與20世紀(jì)計(jì)

算機(jī)的普及一樣，會(huì)深入地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，所以很多專家預(yù)測(cè)，在21世紀(jì)的

前20年是機(jī)器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個(gè)重要時(shí)期，也是智能機(jī)器人

發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，目前國(guó)際上很多國(guó)家，也對(duì)機(jī)器人對(duì)人類社會(huì)的影響的估

計(jì)提出了新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)，我們也可以看到機(jī)器人技術(shù)，涉及到多個(gè)學(xué)科，機(jī)械、

電工、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)測(cè)量、人工智能、傳感技術(shù)等等，它是一個(gè)國(guó)家高技術(shù)

實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。語音識(shí)別處理是語音功能的一個(gè)重要方面，目前計(jì)算機(jī)語

音識(shí)別處理過程基本上一致，是一種基于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的理論。我國(guó)的語音識(shí)別

研究起步于五十年代，近年來發(fā)展很快，其研究水平基本與國(guó)外同步，在漢語語

音識(shí)別技術(shù)上還有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。可以預(yù)計(jì)，語音技術(shù)的發(fā)展前景無限。

2機(jī)器人設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求

2.1機(jī)器人設(shè)計(jì)的內(nèi)容

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，特別

是機(jī)器人具有人類外觀特征、可愛的外貌、又兼有技術(shù)含量，極受青少年的喜愛。

本課題要求設(shè)計(jì)一具有簡(jiǎn)單人體功能的、模擬舞蹈動(dòng)作的類人型機(jī)器人，完成簡(jiǎn)

單人的基本動(dòng)作：可以前進(jìn)后退，左右側(cè)行，左右轉(zhuǎn)彎和前后擺動(dòng)手臂，行走頻

率為每秒兩步，舉手投足、轉(zhuǎn)圈、頭部動(dòng)作靈活、并具備的語音功能。通過語音

識(shí)別技術(shù)，可以對(duì)小機(jī)器人進(jìn)行語音控制，通過發(fā)出語音命令，控制機(jī)器人的。

機(jī)器人包括底座、頭部、上身、下肢、以及電路控制板，分別控制手臂、頭部和

底盤運(yùn)動(dòng)的電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。通過電路控制和機(jī)械傳動(dòng)，可使機(jī)器人動(dòng)作。知

識(shí)范圍涉及機(jī)構(gòu)學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能等。

具體賦予任務(wù)：

1、深入了解類人型機(jī)器人的功能及工作要求，查找與課題有關(guān)的文獻(xiàn)資料及參

考書目；

2、學(xué)習(xí)掌握機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本知識(shí)和設(shè)計(jì)方法，了解控制對(duì)象舞蹈機(jī)器人的

工作原理、動(dòng)作過程，進(jìn)行簡(jiǎn)單舞蹈動(dòng)作及相應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；

3、根據(jù)機(jī)器人構(gòu)成、工作原理、主要特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)，分析比較，加以論證，

確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制最終方案，完成硬件電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)；

4、制作舞蹈機(jī)器人模型，完成各種運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作模擬，調(diào)試成功。

5、規(guī)定的翻譯、論文工作。

2.2舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)和要求

1、機(jī)器人身高80?120cm,表演時(shí)機(jī)器人隨音樂翩翩起舞，動(dòng)作協(xié)調(diào)、靈活；

2、表演各種的基本動(dòng)作，具體動(dòng)作可自行設(shè)計(jì)。涵蓋行進(jìn)、轉(zhuǎn)圈、舉手投足、

頭部等動(dòng)作；

3、整套動(dòng)作持續(xù)4分鐘左右；

4、機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，重量輕；

5、靈活的多功能機(jī)器手臂：活動(dòng)空間大，可360度旋轉(zhuǎn)。

6、采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠

3方案設(shè)計(jì)及方案論證

3.1設(shè)計(jì)制作與調(diào)試流程

設(shè)計(jì)就是根據(jù)題目的要求而對(duì)硬件和軟件進(jìn)行規(guī)劃，并選擇最合適的硬件電路和

軟件程序來達(dá)到目的。硬件設(shè)計(jì)是通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析,對(duì)各種元器件的了解,

而得出分立元件與集成塊的某些連接方法，以達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求。并且把這些

元器件焊接在一塊電路板上。它包括對(duì)各種元器件的功能和接法的了解，以及對(duì)

各種元器件的選擇和設(shè)計(jì)方案的選擇。軟件設(shè)計(jì)是分析設(shè)計(jì)的硬件用程序?qū)崿F(xiàn)其

功能，并且調(diào)試優(yōu)化產(chǎn)品功能。機(jī)器人的設(shè)計(jì)首先需作總體方案設(shè)計(jì)，包括機(jī)械

和電氣兩部分。根據(jù)機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)，從整體上來講，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須與機(jī)器人

所要完成的功能相適應(yīng)。機(jī)械部分設(shè)計(jì)主要包括底盤設(shè)計(jì)、尺寸選擇、驅(qū)動(dòng)方式

設(shè)計(jì)、電機(jī)選擇等；電氣是機(jī)器人最重要的部分，直接影響著機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)

于否。舞蹈機(jī)器人要求完全自動(dòng)控制，必須采用單片機(jī)為

控制核心，它類似于機(jī)器人的大腦，接收和處理所有外界信息，指揮并控制機(jī)器

人的所有動(dòng)作。語音識(shí)別等功能是制作機(jī)器人硬件的難點(diǎn)，它要求機(jī)器人具有一

定的感覺系統(tǒng)。目前，機(jī)器人技術(shù)已日趨成熟，機(jī)器人感覺系統(tǒng)可通過各種各樣

相應(yīng)的傳感器技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)。傳感器把接收到的外部信息輸入到單片機(jī)，再通過

軟件進(jìn)行控制，從而單片機(jī)發(fā)出命令指揮機(jī)器人動(dòng)作。軟件編程可以豐富機(jī)器人

的功能，使機(jī)器人動(dòng)作更加完善?？傮w方案設(shè)計(jì)框圖如圖3.1所示。

圖3.1機(jī)器人總體制作過程

圖3.1機(jī)器人總體制作過程

3.2方案的比較論證及方案確定

根據(jù)以上的制作流程圖，我們把設(shè)計(jì)分為兩大部分一機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行論

證，對(duì)多種方案進(jìn)行比較論證后，選出一個(gè)最佳的方案，最后再進(jìn)行軟件部分的

設(shè)計(jì)。

3.2.1機(jī)械部分

機(jī)械部分包括：底盤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、彎腰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、手臂機(jī)構(gòu)

的

設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)頭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、及材料與型材選擇。

3.2.1.1底盤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（行走設(shè)計(jì)）

（1）行走式簡(jiǎn)圖如下

02）在與紙面平行的平面上運(yùn)動(dòng)

圖3.2行走機(jī)器人簡(jiǎn)圖

行走式，能夠在平地上、凹凸不平的地上步行，能上下臺(tái)階，其粗糙路面性能較

好，好的關(guān)節(jié)，穩(wěn)定好的牽引力。它的缺點(diǎn)是不能原地轉(zhuǎn)動(dòng)，速度慢，控制復(fù)雜,

移動(dòng)

困難，操縱性差，機(jī)械復(fù)雜，電機(jī)性能要求嚴(yán)格，價(jià)格昂貴。

（2）移動(dòng)方式為履帶式簡(jiǎn)圖如下

從動(dòng)輪

導(dǎo)向輪

圖3.3移動(dòng)方式圖

履帶式移動(dòng)方式的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適合爬坡度比較大的地方，這是輪式所做不

的。但缺點(diǎn)是加工制作比較麻煩，履帶一般是需要到市場(chǎng)上購(gòu)買的，且摩擦力很

大、能量損耗大

(3)輪式差速驅(qū)動(dòng)

圖3.4底盤移動(dòng)方式

萬向輪

0

圖3.4底盤移動(dòng)方式

采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)萬向輪，萬向輪用于平衡。機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造及裝配；

能

在原地旋轉(zhuǎn)以獲得不同的方向。因此它是比較適合的一種底盤機(jī)構(gòu)。

3.2.1.2彎腰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

腰部的設(shè)計(jì)思路是，作為人形機(jī)器人的腰部，主要做要是承接了上部的重量，設(shè)

計(jì)

的時(shí)候腰部能做到水平的轉(zhuǎn)動(dòng)最好，如果不能將會(huì)極大地影響整個(gè)機(jī)器人的平

衡；所以

盡量減少可變的環(huán)節(jié)，故在腰部轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)中不采用電機(jī)再經(jīng)傳動(dòng)其他機(jī)構(gòu)最后

帶動(dòng)腰

部的轉(zhuǎn)動(dòng)方式，而是直接使用電機(jī)實(shí)現(xiàn)彎腰。

(1)齒輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下

圖3.5齒輪傳動(dòng)方式

圖3.5齒輪傳動(dòng)方式

齒輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是平穩(wěn)，自鎖性好，精度高。但加工比較困難，且不利于固定,

造

價(jià)也很高。

(2)連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下

腿部

圖3.6連桿傳動(dòng)方式

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，更重要的是它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律正好符合人體運(yùn)動(dòng)的原理。我們

的機(jī)器人就是采用這樣的機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)彎腰的。

(3)連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖二

具體實(shí)現(xiàn)方式如下：先通過一根軸穿過鞠躬機(jī)構(gòu)與機(jī)器人上半身的兩只手臂固

定，

然后電機(jī)通過一個(gè)搖桿連接到彎腰機(jī)構(gòu)的一個(gè)長(zhǎng)方形槽中，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程

中，帶動(dòng)

鞠躬機(jī)構(gòu)做以與手臂固定軸為中心的前后彎腰鞠躬?jiǎng)幼?，所需的零件包括一?/p>

軸，一個(gè)

帶有與軸相同大小的孔和在孔同一側(cè)的開有長(zhǎng)方形槽的鋁條。并且考慮在這個(gè)機(jī)

構(gòu)上，

能夠與手臂機(jī)構(gòu)相固定。

機(jī)構(gòu)如圖3.7所示：

I

-

「

1側(cè)視效果-固定用

O

軸孔

可前后搖動(dòng)長(zhǎng)方形槽

搖桿零件

圖3.7機(jī)器人鞠躬機(jī)構(gòu)

鞠躬機(jī)構(gòu)的裝配順序如下：

(1)取適當(dāng)長(zhǎng)度的鋁條打軸孔和磨長(zhǎng)方形槽，在上身支架兩端打相同的孔，軸穿

過該鋁

條后穿過兩個(gè)支架并固定好

(2)加工可固定于電機(jī)軸上的搖桿，一端可固定住電機(jī)，另一端固定搖桿的軸并

與加工

好的鋁條的長(zhǎng)方形槽相結(jié)合

(3)將電機(jī)固定在上身左邊支架的一側(cè)

(4)為了防止彎腰機(jī)構(gòu)前傾，用兩根橡膠帶做一定的固定，以使電機(jī)拉住機(jī)構(gòu)向

下彎腰

時(shí)更加穩(wěn)定

在彎腰機(jī)構(gòu)中，如果將機(jī)構(gòu)的位置和方向調(diào)換過來，動(dòng)作就可變?yōu)榧绲淖笥覔u擺,

因?yàn)樵O(shè)計(jì)水平有限，沒有將兩種動(dòng)作結(jié)合在一起的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出來。

3.2.1.3轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

(1)連桿原理實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)

圖3.8轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和彎腰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理差不多，在此就不做多的比較論證

了。

我們還是采用連桿機(jī)構(gòu)，但具體的設(shè)計(jì)又和前面稍微不同。

電機(jī)

上腰部

圖3.9轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)

(2)電機(jī)做轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)身機(jī)構(gòu)

圖3.10機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)

正視圖頂視圖

圖3.9機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)

機(jī)器人的腰部機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人左右轉(zhuǎn)身的動(dòng)作，主要部件包括一個(gè)滾動(dòng)軸

承、

一個(gè)自行加工的可固定滾動(dòng)軸承內(nèi)部圓的零件，以及必備的其它固定零件。

滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)在于當(dāng)內(nèi)圓固定時(shí)，外圓可以轉(zhuǎn)動(dòng)，反之亦然。機(jī)器人的腰部機(jī)

構(gòu)

正是從這個(gè)特點(diǎn)出發(fā)制作的，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腰部左右轉(zhuǎn)動(dòng)，就讓滾動(dòng)軸承內(nèi)部圓

與可固

定電機(jī)軸的傳動(dòng)零件固定，同時(shí)該零件與機(jī)器人下身機(jī)構(gòu)固定，滾動(dòng)軸承與機(jī)器

人上身

機(jī)構(gòu)固定，再將電機(jī)與傳動(dòng)零件固定后又與上身機(jī)構(gòu)固定，這樣，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的

過程中，

利用軸承的作用，機(jī)器人下身機(jī)構(gòu)不動(dòng)時(shí)，由于上身機(jī)構(gòu)與軸承外圓固定，電機(jī)

旋轉(zhuǎn)帶

動(dòng)了軸承外圓的旋轉(zhuǎn)，于是，機(jī)器人上身就繞著軸承中心作轉(zhuǎn)身運(yùn)動(dòng)。

這種機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是電機(jī)軸受力較大，電機(jī)容易損壞，同時(shí)要求電機(jī)有足夠的轉(zhuǎn)矩。

頭部電機(jī)

3.2.1.4手臂和頭部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

手臂機(jī)構(gòu)的是機(jī)器人整體比較重要的環(huán)節(jié)，手臂自由度較多，機(jī)器人的很多動(dòng)作

都通過手臂體現(xiàn)出來。由于頭部機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在此和手部一起畫出來，因?yàn)樵O(shè)

計(jì)要求沒有點(diǎn)頭動(dòng)作，我們只要一個(gè)電機(jī)來達(dá)到頭部動(dòng)作就可以了。

手臂機(jī)構(gòu)就是機(jī)器人的兩只手臂，在本次設(shè)計(jì)中將機(jī)器人的手部的兩個(gè)電機(jī)與帶

動(dòng)機(jī)器人頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)固定在了同一個(gè)機(jī)構(gòu)上，同時(shí)，將該手臂與前后彎腰的

機(jī)構(gòu)相固定，構(gòu)成機(jī)器人的上半身機(jī)構(gòu)的一部分，然后該整體又與機(jī)器人的左右

支架和腰部機(jī)構(gòu)相結(jié)合，一起構(gòu)成機(jī)器人的上半身機(jī)構(gòu)。

參看做的很好的機(jī)器人的例子，機(jī)器人的手臂是機(jī)器人復(fù)雜程度的重要標(biāo)志之

一。手臂所具有的自由度越多，動(dòng)作時(shí)活動(dòng)的空間就越大，所做的動(dòng)作就越精細(xì),

完成的任務(wù)就越復(fù)雜。本次設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂由一根橫桿構(gòu)成，左右兩端分別固

定左右手的兩個(gè)電機(jī)，可做前后360度的旋轉(zhuǎn)，中間固定機(jī)器人的頭部電機(jī)，可

帶動(dòng)頭部做360度的旋轉(zhuǎn)，其中手臂的機(jī)構(gòu)還可以繼續(xù)擴(kuò)展，在肩部上和臂末端

可再擴(kuò)展兩個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的動(dòng)作。如下圖所示：

圖3.12機(jī)器人的手臂機(jī)構(gòu)

同時(shí)，為了防止手臂旋轉(zhuǎn)過度使動(dòng)作錯(cuò)亂，同左右轉(zhuǎn)腰的機(jī)構(gòu)一樣，可在機(jī)器人

手

臂轉(zhuǎn)動(dòng)限定角度內(nèi)裝上限位開關(guān)，以達(dá)到動(dòng)作的一致性。

裝配順序：

(1)選擇合適鋼性材料鉆好孔后將左右手兩個(gè)電機(jī)和頭部電機(jī)固定住

(2)將上述做好的機(jī)構(gòu)通過一塊鋼片鉆孔后用螺釘固定在前后彎腰的機(jī)構(gòu)上

(3)將兩個(gè)傳動(dòng)桿固定到左右兩個(gè)手臂電機(jī)上，在傳動(dòng)桿的另一端固定直徑大小

適合的

兩根鋼軸作為機(jī)器人的手臂用

(4)將一個(gè)傳動(dòng)桿固定在機(jī)器人的頭部電機(jī)的軸上，作為機(jī)器人可360度轉(zhuǎn)動(dòng)的

脖子

3.2.1.5材料與型材選擇

機(jī)器人制作前，必須選擇用于機(jī)器人本體的主要結(jié)構(gòu)材料。在進(jìn)行機(jī)器人制作時(shí),

特別要確定它自身的大小、輕重等，這就需要選擇合適的材料來滿足要求。對(duì)機(jī)

器人本

體材料選擇，不僅僅有助于確定它的強(qiáng)度、重量、尺寸，而且確定了整體結(jié)構(gòu)的

難度水

平、可能需要的特殊工具以及達(dá)到可接受結(jié)果所需要的技術(shù)水平。因此在選擇材

料時(shí)，

一般是根據(jù)機(jī)器人以下原則進(jìn)行挑選：

(1)零部件的形狀、大小有何要求

(2)零部件需要多大的強(qiáng)度；

(3)要選擇多大重量的零部件

下表列出機(jī)器人結(jié)構(gòu)中使用的材料，比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1結(jié)構(gòu)材料優(yōu)缺點(diǎn)比較

材

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

料

易于獲得；價(jià)格較低，使用II常

木小加塑料或者金屬?gòu)?qiáng)度大；受潮容易變

工具易于加工;硬木和層壓板非1

材卜強(qiáng)硬而且堅(jiān)固形；在用力下會(huì)有裂縫和碎裂

嫻遇高溫會(huì)發(fā)生溶化或下陷；某些塑料收

強(qiáng)度大而11耐用；有多種形式可

料到?jīng)_擊可能會(huì)碎裂，有些材料難以獲得；

選；包括板材和擠小型材；富加

性能較好的塑材比較昂貴

獲得

強(qiáng)度非常高；鋁材有各種方便使是所有材料中最重的;制作過程需要電

金

用的形狀;甚至在高載荷以及高動(dòng)工具以及鋒利的鋸條和鉆頭才能完

屬

溫下也可以保持全方位的穩(wěn)定性成；更難于加工；價(jià)格比較高

根據(jù)以上分析：選擇機(jī)器人的本體材料，應(yīng)該從機(jī)器人的性能要求出發(fā)，滿足機(jī)

器人的設(shè)計(jì)和制作要求，所以應(yīng)在充分掌握機(jī)器人特性和各組成部分的基礎(chǔ)上，

從設(shè)計(jì)思想出發(fā)。機(jī)器人本體是被用來支承、連接、固定機(jī)器人的各部分，也包

括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分。伴舞機(jī)器人臂部是運(yùn)動(dòng)的，其整體也是運(yùn)動(dòng)的，所以，機(jī)

器人運(yùn)動(dòng)部分的材料質(zhì)量要輕。伴舞機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成左右對(duì)稱，高度適當(dāng)，

上下半身比例協(xié)調(diào)，確保結(jié)構(gòu)緊湊。關(guān)節(jié)連接件的設(shè)計(jì)合適，既要保證機(jī)器人行

動(dòng)起來靈活自如，動(dòng)作順滑平穩(wěn)，又要具有一定的承受負(fù)載能力。所以選用了密

度較小的鋁制作，因?yàn)殇X易于加工，質(zhì)量又輕，不會(huì)增加機(jī)器人的承載負(fù)擔(dān)。

伴舞機(jī)器人是仿人機(jī)器人，材料截面對(duì)構(gòu)件質(zhì)量和剛度施加重要的影響，因此通

過合理選擇構(gòu)件的截面可以較好地滿足機(jī)器人的使用要求，如空心圓截面，空心

矩形截面，工字截面等。若空心矩形截面是邊長(zhǎng)為a,壁厚為t的正方形，空心

圓截面的外圓直徑也為a,壁厚也為t,且令t=0.2a,通過計(jì)算可以得出，在相

同壁厚的條件下，正方形空心截面比空心圓截面的慣性矩高69%?84%,而質(zhì)量

僅增加27%。壁厚越薄，則效果越明顯。若比較條件改為空心矩形截面和空心圓

截面型材的截面相等，且Do=a,設(shè)空心圓截面壁厚tD=0.2a,可以計(jì)算出正方

形空心截面的壁厚為tF=O.147a。此時(shí)，正方形空心截面比空心圓截面的剛度提

高了40%?60%。因此無論從何角度來衡量，空心矩形截面都比空心圓截面的剛

性優(yōu)越。從設(shè)計(jì)，裝配的角度來看，矩形截面也有一定方便之處。綜上所述，機(jī)

器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為空心矩形截面，由鋁材加工而成。其基本框架是使用連接件和角

撐支架來搭建的。而常見的機(jī)器人聯(lián)接結(jié)構(gòu)有扣接零件、膠接、膠帶、鉀接、

焊接等，下面通過表格逐一比較各種結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用，從而確定最后方案。

表2機(jī)器人常用聯(lián)接結(jié)構(gòu)

應(yīng)用場(chǎng)合

扣接零件小型玩具機(jī)器人

心按俗局所需要的膠粘劑，可用于審量達(dá)數(shù)磅的機(jī)器人上

暫時(shí)性結(jié)構(gòu)、輕型材料和元件的機(jī)器人上

那接小型到中等尺寸的機(jī)器人,以及輕型到中等重量的機(jī)器人

岸接大型和用型機(jī)器人，特別用于惡劣環(huán)境的機(jī)器人

伴舞機(jī)器人負(fù)載小，自重輕，對(duì)壽命要求不高，因此除特別講究強(qiáng)度、剛度以及

抗摩擦磨損性的機(jī)構(gòu)，機(jī)械連接上，應(yīng)使機(jī)器人具有較好的堅(jiān)固性，在機(jī)器人做

舞蹈動(dòng)作或行進(jìn)過程中，各種接插件不能松動(dòng)、脫落，滿足合適的控制方案，所

以選擇釧接方式。

3.2.2電氣部分

結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)合

扣接零件小型玩具機(jī)器人

膠接格局所需要的膠粘劑，可用于重量達(dá)數(shù)磅的機(jī)器人上

膠帶暫時(shí)性結(jié)構(gòu)、輕型材料和元件的機(jī)器人上

斜接小型到中等尺寸的機(jī)器人，以及輕型到中等重量的機(jī)器人

焊接大型和重型機(jī)器人，特別用于惡劣環(huán)境的機(jī)器人

(1)方案1

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用繼電器構(gòu)成橋式換向電路，繼電器和主控制電路間用光電隔離

器?？紤]到電機(jī)的起動(dòng)電流和制動(dòng)時(shí)比較大，會(huì)造成電源電壓不穩(wěn)定容易對(duì)單片

機(jī)和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)以及傳感器電路用

TLP521-4光耦隔離。提高電路的可靠性。同時(shí)還可以采用相互獨(dú)立的電源供

電。以確保單片機(jī)正常運(yùn)行，進(jìn)而以保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作。在機(jī)器人的控制系

統(tǒng)中最主要的就是傳感器電路，傳感器是機(jī)器人感知外界事物的關(guān)鍵。機(jī)器人通

過傳感器收集外界信息，通過電路把這種信息轉(zhuǎn)變成CPU能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再

通過軟件算法對(duì)所收集的信息進(jìn)行處理后，形成相應(yīng)的控制信號(hào)，通過端口去控

制相關(guān)的電機(jī)動(dòng)作。傳感器采用多種傳感器相互配合使用。使用光電編碼器判斷

角位移和行程位移。主要用在機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)上，使機(jī)械手臂動(dòng)作更準(zhǔn)確。行程

開關(guān)用于位置的檢測(cè)，主要用在機(jī)器人，或機(jī)械手臂上。當(dāng)機(jī)器人行走，或機(jī)械

手臂動(dòng)作到達(dá)某種位置時(shí)給單片機(jī)一個(gè)電信號(hào)。讓單片機(jī)發(fā)出相宜的控制信號(hào)。

此方案還待解決的就是傳感器的抗干擾能力還不夠高，其中主要是紅外光電器件

容易受外界光的干擾。光電編碼器提高可靠性主要取決于光電編碼器的加工精

度，光源和接收管。一般對(duì)于比賽機(jī)器人的精度要求不是很高，編碼器可以采用

自制的就可以達(dá)到效果，而光電檢測(cè)(對(duì)射式光偶)器已經(jīng)可以從市場(chǎng)上很容易

的購(gòu)買到，所以要提高光電編碼器的抗干擾能力并不難辦到。機(jī)械開關(guān)的可靠性

就更高了，他簡(jiǎn)單實(shí)用。但是對(duì)機(jī)械開關(guān)安裝的位置一定要準(zhǔn)確，牢固。如果安

裝不到位就無法觸碰就檢測(cè)不到電信號(hào)，又因?yàn)闄C(jī)器人經(jīng)常運(yùn)動(dòng)如果安裝不牢固

開關(guān)就容易松動(dòng)。對(duì)于提高紅外傳感器的抗干擾能力可以從以下幾個(gè)角度去加

強(qiáng)：

圖3.11方案一的電路方框圖

(2)方案2

圖2.9電氣方案二框圖

圖3.12方案二的電路方框圖

方案二的電氣圖基本不變，只是把H橋換成了繼電器，把紅外信號(hào)輸入換成光碼

盤。繼電器就有其自身的優(yōu)勝，他相當(dāng)于短接沒有壓降，能承受的電流也可以很

大，可以把電機(jī)電樞短路，即相當(dāng)于剎車。

方案二的電氣方框圖中，機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)由光電編碼器，微動(dòng)開關(guān)，閉環(huán)電

路，語音電路構(gòu)成。可見光探頭用于檢測(cè)白色引導(dǎo)線，光電編碼器，微動(dòng)開關(guān)和

方案一的功能類似。

3.2.3電方案的比較與選擇

3.2.3.1電氣方案比較

(1)首先我們采用直流電機(jī)。電機(jī)的選取以方案(1)的普通直流電機(jī)為最佳選

擇，其控制比較簡(jiǎn)單，功率相對(duì)機(jī)器人比賽是夠的；而步進(jìn)電機(jī)功率不夠，伺服

電機(jī)太貴了；在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇上我認(rèn)為用繼電器構(gòu)成開關(guān)控制，因?yàn)閷?duì)電

機(jī)的控制要求不一樣所以對(duì)不同的電機(jī)采用不同的控制方法。三極管構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)

電路其優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行脈寬調(diào)速，缺點(diǎn)是三極管有壓降。用于行走的電機(jī)采用此

種方法驅(qū)動(dòng)的力度不夠大，對(duì)完成動(dòng)作的電機(jī)可以采用由兩個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)其正反

轉(zhuǎn)和啟動(dòng)停止。

（2）傳感器選用以閉環(huán)傳感器為主，其他傳感器為輔，其中包括光碼盤，觸碰

開關(guān)。

（3）單片機(jī)控制系統(tǒng)采用單機(jī)形式。其可靠性能更高。綜上所述，電氣方案選

擇最佳電氣方案（2）

3.2.3.2機(jī)械方案比較

通過以上各個(gè)機(jī)械方案的提出并描述了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比較得出所要設(shè)計(jì)的機(jī)器

人的結(jié)論為：

（1）移動(dòng)方式以方案（1）的四輪移動(dòng)為最佳選擇，其速度要比履帶式移動(dòng)快，

且其能量耗損相對(duì)較少；

（2）機(jī)械手的設(shè)計(jì)模型已和人的手臂很相似，不會(huì)有很大的改動(dòng)。

（3）轉(zhuǎn)身和彎腰機(jī)構(gòu)則是連桿機(jī)構(gòu)較為合理，其它機(jī)構(gòu)不是成本高，就是不易

于實(shí)現(xiàn)，在此我們選用以設(shè)計(jì)好的連桿機(jī)構(gòu)。

（4）機(jī)器人的材料我們以鋁材為主

4硬件電路設(shè)計(jì)

4.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

繼電器是本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本系統(tǒng)選用D4810型固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器（SSR）

與機(jī)電繼電器相比，是一種沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不含運(yùn)動(dòng)零件的繼電器，但它具有與

機(jī)電繼電器本質(zhì)上相同的功能。SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點(diǎn)開

關(guān)元件，他利用電子元器件的點(diǎn)，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利

用大功率三極管，功率場(chǎng)效應(yīng)管，單項(xiàng)可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，

來達(dá)到無觸點(diǎn)，無火花地接通和斷開被控電路。固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入

電路，隔離（耦合）和輸出電路。安輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸

入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與

TTL/CMOS兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔

離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直

流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時(shí)，通常使用兩

個(gè)可控硅或一個(gè)雙向可控硅，直流輸出時(shí)可使用雙極性器件或功率場(chǎng)效應(yīng)管。固

態(tài)繼電器有壽命長(zhǎng)、可靠性高、靈敏度高、控制功率小、電磁兼容性好、快速

轉(zhuǎn)換、電磁干擾小的優(yōu)點(diǎn)。D4810型繼電器輸入電流為5-40mA,電壓3—30V,額

定輸出電流10A,輸出電壓范圍寬為20-220V,滿足項(xiàng)目的要求。在直流電機(jī)電

樞上加上一定幅度的直流電壓，電機(jī)便開始旋轉(zhuǎn)；改變電壓方向，電機(jī)轉(zhuǎn)向也隨

之改變。如果電機(jī)以恒速運(yùn)動(dòng)，不調(diào)速可以采用一個(gè)簡(jiǎn)單的電路來控制正/反向，

電路原理如圖3.1所示。它采用兩個(gè)繼電器作為控制弱電到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的強(qiáng)電之間

的轉(zhuǎn)換器。正反轉(zhuǎn)控制開關(guān)RELAY1斷開，電源開關(guān)RELAY3閉合時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；

反之電機(jī)反轉(zhuǎn)。兩開關(guān)同時(shí)斷開，電機(jī)停轉(zhuǎn)。兩開關(guān)同時(shí)閉合是不允許的，從

電路可看出，這會(huì)導(dǎo)致電源短路。

JU

圖4.1直流電機(jī)的簡(jiǎn)單雙向控制及繼電器圖

4.3開關(guān)

比賽機(jī)器人常用的開關(guān)用按鈕開關(guān)，數(shù)字開關(guān)和接觸開關(guān)幾種。按鈕開關(guān)在機(jī)器

調(diào)試階段可以方便地提供人工輸入。數(shù)字開關(guān)一般用于向CPU的輸入選擇，如速

度等級(jí)，行走模式，策略等。接觸開關(guān)則用于檢測(cè)是否觸碰，檢測(cè)的對(duì)象有場(chǎng)地

的道具，環(huán)境界限等，一般微動(dòng)開關(guān)即可。

4.4單片機(jī)控制系統(tǒng)

采用單機(jī)完成控制的系統(tǒng)，在系統(tǒng)中P1口作為光電傳感器的輸入端口，P0.0-

—P0.3作為行走電機(jī)的控制端口。P2作為動(dòng)作電機(jī)的控制端口。P3.4——P3.5

作為光電編碼器的記數(shù)口。P3口的另外一些都用來接行程開關(guān)。另外留出串行

通信的端口以備以后使用圖如圖4.6所示.

圖4.6控制系統(tǒng)的的電路圖

當(dāng)P0口作為一般的I/O口用時(shí)我們要接上一個(gè)排阻作為上拉電阻。這是由單片

機(jī)的內(nèi)部特性所決定的。單片機(jī)及其外圍接口電路包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位

電路、外部接口擴(kuò)展電路等。單片機(jī)采用ATMEL89s51系列單片機(jī)，它是十六位

的高性能嵌入式控制器，具有40個(gè)可編程的I/O口，價(jià)格便宜，但功能強(qiáng)大且

支持在線編程功能，使用十分方便。時(shí)鐘電路給單片機(jī)系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)

采用12MHz晶振。復(fù)位電路用于上電后使系統(tǒng)回復(fù)到初始狀態(tài)開始運(yùn)行。整個(gè)單

片機(jī)控制系統(tǒng)框圖如下：

圖4.7單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖

4.7語音部分

為了實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人最具特色的智能語音功能，經(jīng)仔細(xì)查資料分析論證后

最終采用為凌陽公司的專用語音處理16位單片機(jī)：SPCE061A,簡(jiǎn)稱61單片機(jī)。

61單片機(jī)能非常容易、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)，其16位口'nSiCPU工

作電壓為2.4-3.6V,I/O口輸出電壓為2.4-5.5V,CPU時(shí)鐘頻率在0.32MHz到

49.152MHz間可調(diào)，具備14個(gè)中斷源、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和串行接口設(shè)備,

內(nèi)置了2K的SRAM和32K的FLASH,并具有2個(gè)10位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道、

7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，在聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)

換器輸入通道還內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制(AGC)功能，并且相對(duì)于其它

同類型單片機(jī)相比較，還具有一系列特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：

(1)內(nèi)部集成了D/A和A/D電路，但價(jià)格低廉，耗電量小，運(yùn)算效率高，速度快

(2)對(duì)10口操作方便，可以對(duì)32個(gè)10口單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置

(3)利用凌陽公司開發(fā)的IDE編譯環(huán)境，可使用標(biāo)準(zhǔn)C語言和匯編語言進(jìn)行編

程，同時(shí)可將C語言和匯編語言相互嵌入編程，并且IDE具有在線仿真和脫機(jī)仿

真模式，在仿真時(shí)可對(duì)10口、中斷系統(tǒng)、各寄存器等數(shù)值方便的監(jiān)視

(4)在語音處理方面有成熟的技術(shù)和強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，凌陽公司不但提供有系統(tǒng)的語

音開發(fā)API,并配套提供了齊全的說明資料供開發(fā)者使用61單片機(jī)的封裝有

PLCC-84和LQFP-80兩種封裝，其中，80腳封裝和它的內(nèi)部結(jié)61單片機(jī)作為功

能強(qiáng)大的語音處理型芯片，為配合它發(fā)揮出好的性能，凌陽公司開發(fā)了一套完整

的具備基本功能的語音模塊電路，這就是凌陽公司推出的61板。在61板上，已

集成有麥克風(fēng)錄入電路，揚(yáng)聲器放音電路等完成語音功能所需的標(biāo)準(zhǔn)模塊，并且

將程序下載、在線仿真、鍵喚醒等功能的電路也集成在了一塊板子上，由于61板

的設(shè)

圖4.1161單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及引腳圖

計(jì)合理，性能穩(wěn)定，單獨(dú)引出的10口引腳方便開發(fā)，所以，本次設(shè)計(jì)直接采用了

凌陽61板作為語音功能和控制功能部分的模塊電路使用，這樣，大大節(jié)省了硬件

電路的開發(fā)時(shí)間，能將精力主要集中于實(shí)現(xiàn)語音功能的軟件開發(fā)上，也能有更充

分的時(shí)間深入了解軟硬件在現(xiàn)代相關(guān)音頻處理技術(shù)方面的一些基本原理和問題。

下圖是61板的實(shí)物圖：

F、鍵控區(qū)

圖4.1261板實(shí)物圖

61板各模塊電路原理如下：

放音電路：

在放音電路中，61板采用了SPY0030功放芯片，和LM386工作電壓需在4V以上相

比，SPY0030僅需2.4V即可工作；LM386輸出功率lOOmW以下，SPY0030約700mW。

這樣，在給61板5V的工作電壓下，音量可達(dá)到較好效果，并且在運(yùn)放前端加上了

1K的精密可調(diào)電阻可調(diào)節(jié)音量的大小。61板電源由SPY0029穩(wěn)壓提供。程序下

載電路：該電路以74HC244實(shí)現(xiàn)，同一般單片機(jī)下載電路，在此不再詳述。麥克

風(fēng)輸入電路：

板麥克風(fēng)輸入電路麥克風(fēng)輸入電路對(duì)于語音識(shí)別的效果有最直接最重要的影響，

在61板的麥克風(fēng)輸入電路中，加入了許多濾波措施，并加入了AGC增益，在對(duì)

61板語音輸入和語音識(shí)別的測(cè)試中，即使是用最普通最低廉的麥克風(fēng)，錄入語

音都比較清晰，語音識(shí)別也非常敏感和正確，這也說明了61板電路設(shè)計(jì)的合理

性。

61單片機(jī)最小系統(tǒng)：

SPCE061A的最小系統(tǒng)包括系統(tǒng)鎖相環(huán)PLL、晶振電路和復(fù)位電路，可按照61單

片機(jī)的引腳說明進(jìn)行連接，這里不再詳述。

5.電機(jī)和能源的選擇

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人的手和腳，即運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本組成部分。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

的設(shè)計(jì)與制作是比賽機(jī)器人創(chuàng)意與實(shí)踐的重要內(nèi)容。它的任務(wù)不僅是向機(jī)器人傳

遞動(dòng)力，而且要提供準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)定位和靈活的操作，是機(jī)器人制勝的法寶之一，

因此其重要性是不言而喻的。通常機(jī)器人驅(qū)動(dòng)有電氣，液壓，氣壓三種方式。其

中以電氣驅(qū)動(dòng)最常見，它按供電的方式又可以分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。機(jī)器人

比賽規(guī)則通常規(guī)定采用電池供電，即直流電。采用直流電供電的電機(jī)按照其內(nèi)部

結(jié)構(gòu)又可分為直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。直流電機(jī)外部接通直流電就能旋轉(zhuǎn)；步進(jìn)電

機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理復(fù)雜些，必須按照一定的通電順序給電機(jī)供電，電機(jī)才能旋轉(zhuǎn)。

5.1直流電機(jī)的特性

5.1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，但基本的結(jié)構(gòu)是相同的，即必須有定子，轉(zhuǎn)子和換

向器。定子是固定在機(jī)身的圓桶狀部分，一般由永磁材料或能產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈制

成。轉(zhuǎn)子由一根旋轉(zhuǎn)軸及固定在軸上的硅鋼片構(gòu)成，是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部

分。轉(zhuǎn)子的外沿有槽，槽內(nèi)有電流通過是，旋轉(zhuǎn)軸便開始旋轉(zhuǎn)。為了在電機(jī)連續(xù)

旋轉(zhuǎn)條件下電流能順利通過轉(zhuǎn)子，旋轉(zhuǎn)軸尾部設(shè)置有換向器，它始終與定子的電

刷保持接觸，給電機(jī)繞組供電。直流電機(jī)有普通直流電機(jī)和直流伺服電機(jī)之分，

兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)在性能方面。伺服電機(jī)在調(diào)速范圍，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的

線性度，響應(yīng)快速性等方面均占優(yōu)，且當(dāng)控制電壓改變?yōu)榱銜r(shí)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)；

普通電機(jī)則做不到。從結(jié)構(gòu)上比較，兩者的區(qū)別在于電樞鐵心的長(zhǎng)度與直徑之比，

伺服電機(jī)較大，而氣隙較小。因此在精密定位和寬調(diào)速范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，一般都

選用伺服電機(jī)。

5.1.2直流電機(jī)的運(yùn)行特性

對(duì)一般機(jī)器人用戶來說，驅(qū)動(dòng)的任務(wù)僅僅是在確定了機(jī)械結(jié)構(gòu)并計(jì)算出所需要的

速度和驅(qū)動(dòng)力矩之后選擇合適的電機(jī)和相應(yīng)的控制方法，這就涉及到電機(jī)的運(yùn)行

特性問題。機(jī)器人比賽規(guī)則往往對(duì)機(jī)器人的質(zhì)量有嚴(yán)格的限制，所以應(yīng)選用質(zhì)量

小，功率適宜的永磁電機(jī)。它的勵(lì)磁磁通是恒定的。在控制系統(tǒng)鐘，通常用電樞

電壓作為控制信號(hào)，電壓的大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，改變電壓極性，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方

向也隨之改變。圖4.1是電樞控制的原理圖。根據(jù)電樞反應(yīng)原理，電機(jī)

轉(zhuǎn)速n的計(jì)算公式為

圖5.1電樞控制的原理圖

n=nO-KhTem(5.1)式中nO=Ua/Kt,Kh=Ra/KtKe,而Ua為電樞電壓，Kt為轉(zhuǎn)矩

常數(shù)，Ra為電樞電阻，Ke為電勢(shì)常數(shù)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem應(yīng)為Tem=Ct<Ha=

Ktla(5.2)式中l(wèi)a為電樞電流，Ct為常數(shù)，6為磁通量。式(5.1)是電樞

控制的靜態(tài)特性方程，即穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)方程，由此可得直流電機(jī)的機(jī)械特性和

調(diào)節(jié)特性。

機(jī)械特性

機(jī)械特性指控制電壓恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系。由轉(zhuǎn)速公式可得到直

流電機(jī)的機(jī)械特性，如圖5.2所示。機(jī)械特性是線性的，當(dāng)電壓一定時(shí)，轉(zhuǎn)速升

高則轉(zhuǎn)矩下降。特性曲線與縱軸的交點(diǎn)即為電磁轉(zhuǎn)矩等于零時(shí)的理想空載轉(zhuǎn)速

nO,即nO=Ua/Ke可以看出，空載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓成正比。但實(shí)際電機(jī)空

載運(yùn)行中，即使電機(jī)軸上不帶負(fù)載，因?yàn)樽陨淼目蛰d損耗，電磁轉(zhuǎn)矩并不為零。

機(jī)械特性曲線與橫軸的交點(diǎn)為電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)（n=0）的轉(zhuǎn)矩，即所謂的電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

矩Td,Td=KtUa/Ra在圖5.2中，機(jī)械特性曲線斜率k的絕對(duì)值為k=tga=

nO/Td=Ra/KtKe它表示機(jī)械特性的硬度，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩Tem的改變而變化

的程度。由圖5.2可以看出，隨著控制電壓Ua增大，電機(jī)的機(jī)械特性曲線平行

地向轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩增加的方向移動(dòng)，但斜率不變，所以電樞控制時(shí)電機(jī)的機(jī)械特性

是一組平行線。

6機(jī)器人的完整圖

舞蹈機(jī)器人由以上機(jī)械本體和底盤設(shè)計(jì)、材料的選擇和連接方式的分析最后制作

的機(jī)器人整體圖如下：

機(jī)器人整體效果圖

7系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在完成了硬件的設(shè)計(jì)之后，需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人的控制的思想，

是直接通過軟件程序表達(dá)的。因此，軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中最重要的部分之

一，它關(guān)系到舞蹈動(dòng)作的編輯、存儲(chǔ)和執(zhí)行，關(guān)系到舞蹈機(jī)器人舞姿的“優(yōu)美”

與否。從伴舞機(jī)器人的執(zhí)行過程來看，它由單片機(jī)的初始化程序，包括外部中斷、

定時(shí)器中斷、串行中斷、舞蹈動(dòng)作初始化;舞蹈動(dòng)作的讀取、執(zhí)行和避障控制程

序兩大部分組成。其中串行通信的開關(guān)控制量，不等于1,表示單片機(jī)進(jìn)入串行

中斷等待，等于1,程序往下執(zhí)行;機(jī)器人開始跳舞的開關(guān)，等于1,表示機(jī)器人開

始跳舞，否則，機(jī)器人保持原來狀態(tài)。

7.1動(dòng)作的編輯

動(dòng)作的編輯最顯著的特征是步調(diào)、節(jié)奏和動(dòng)作幅度，反映在機(jī)器人上就應(yīng)該控制

機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢、時(shí)間和角度。要使機(jī)器人跳出讓觀眾賞心

悅目的動(dòng)作，就應(yīng)該很好的編排動(dòng)作，充分利用機(jī)器人的特點(diǎn)來展現(xiàn)其動(dòng)作之美。

因而，如何使伴機(jī)器人的動(dòng)作快慢變化錯(cuò)落有致并富有節(jié)奏感將是控制系統(tǒng)必須

解決的關(guān)鍵問題。要設(shè)計(jì)機(jī)器人的動(dòng)作，首先需要選擇合適的曲子，然后根據(jù)曲

子的節(jié)拍進(jìn)行動(dòng)作編排。一整套的動(dòng)作其實(shí)是由一個(gè)一個(gè)的單獨(dú)的舞姿構(gòu)成的，

所以設(shè)計(jì)動(dòng)作就必須先設(shè)計(jì)好每個(gè)動(dòng)作，這時(shí)就需要通過電機(jī)的滑塊來實(shí)時(shí)觀察

關(guān)節(jié)的位置是否合適，若是合適的話，就把這個(gè)動(dòng)作數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)庫(kù)模塊的動(dòng)

作表中，接著再調(diào)試下一個(gè)動(dòng)作如此反復(fù)直到把所有的動(dòng)作都編排好了，那么動(dòng)

作部分也就制作好了。這時(shí)可以把動(dòng)作數(shù)據(jù)表下載到單片機(jī)中，由單片機(jī)來控制

各個(gè)關(guān)節(jié)，順序執(zhí)行動(dòng)作表中的各個(gè)動(dòng)作。同時(shí)控制音樂播放器播放舞蹈音樂，

那么我們就可以直觀觀看一到機(jī)器人在音樂聲中翩翩起舞了。要設(shè)計(jì)出一套完整

的動(dòng)作，需要反復(fù)調(diào)試，還要通過對(duì)人類動(dòng)作行為作出的細(xì)致入微的觀察，并能

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)，把人類動(dòng)作轉(zhuǎn)變成對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制，才能獲得完美的控制效

果。

7.2主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)前述的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)上的控制程序主要包括一個(gè)主程序

和相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。本設(shè)計(jì)采用C語言按模塊化的編程思想編寫。所有機(jī)

器人的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)部分均在子函數(shù)中完成主函數(shù)中只負(fù)責(zé)對(duì)子函數(shù)的調(diào)用如此便

保證了良好的維護(hù)性和清晰的代碼結(jié)構(gòu)。主程序中，首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，

接著調(diào)用脈寬調(diào)速函數(shù)，使相應(yīng)電機(jī)獲得應(yīng)有的速度。然后進(jìn)入程序中的主循環(huán),

判斷當(dāng)前系