智能舞蹈机器人设计与制作.DOC

1、梦想科技社区 http:/ 科技改变生活点击这里 获赠价值数万元的 200 多套原创技术方智能舞蹈机器人设计与制作作者：张建高引言梦想科技社区 http:/ 科技改变生活点击这里 获赠价值数万元的 200 多套原创技术方30 年前，比尔盖茨毅然弃学，创立微软，成为个人电脑普及革命的领军人物；30 年后的今天，他预言，机器人即将重复个人电脑崛起的道路。点燃机器人普及的“导火索” ，这场革命必将与个人电脑一样，彻底改变这个时代的生活方式。机器人作为人类世纪最伟大的发明之一，在短短的几十年内发生了日新月异的变化。近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技术的出现和发展，不但使传统的

2、工业生产面貌发生根本性变化，而且将对人类社会产生深远的影响。随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人可谓是无处不在。目前机器已经走进人们的生活与工作，机器人已经在很多的领域代替着人类的劳动，发挥着越来越重要的作用，人们已经越来越离不开机器人帮助。机器人工程是一门复杂的学科，它集工程力学、机械制造、电子技术、技术科学、自动控制等为一体。目前对机器人的研究已经呈现出专业化和系统化，一些信息学、电子学方面的先进技术正越来越多地应用于机器人领域。目前机器人行业的发展与 30 年前的电脑行业极为相似。今天在汽车装配线上忙碌的一线机器

3、人，正是当年大型计算机的翻版。而机器人行业的利基产品也同样种类繁多，比如协助医生进行外科手术的机械臂、在伊拉克和阿富汗战场上负责排除路边炸弹的侦察机器人、以及负责清扫地板的家用机器人，还有不少参照人、狗、恐龙的样子制造机器人玩具。舞蹈机器人（如图 1）具有人类外观特征、可爱的外貌、又兼有技术含量，极受青少年的喜爱。我从前年开始机器人方面的研究，在这过程中尝试过很多次的失败，也感受到了无比的乐趣。图 1.1、舞蹈机器人梦想科技社区 http:/ 科技改变生活点击这里 获赠价值数万元的 200 多套原创技术方1 绪论机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一，自 20 世纪 60 年代初问世以

4、来，经历 40 余年的发展已取得长足的进步。未来的机器人是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器，是集机械学、力学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工智能和系统工程等多学科知识于一身的高新技术综合体。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的多用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。1.1 国内外机器人技术发展的现状为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福

5、大学则着重于系统应用软件的开发。德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。从六十年代开始日本政府实施一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年。到 80 年代中期，已一跃而为“ 机器人王国” 。其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：“日本机器人的发展经过了 60 年代的摇篮期。70 年代的实用期。到 80 年代进人普及提高期。 ”并正式把 1980 年定为产业机器人的普及元年” 。开始在各个领域内广泛推广使用机器人。中国机器人的发展起步较晚，1972 年我国开始研

6、制自己的工业机器人。“七五“ 期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986 年国家高技术研究发展计划(863 计划) 开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。20 世纪 90 年代，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、装配、喷漆、切割、搬运等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。1.2 机器人技术的市场应用机器人融入我们日常生活的

7、步伐有多快？据国际机器人联盟调查，2004 年，全球个人机器人约有 200 万台，到 2008 年，还将有 700 万台机器人投入运行。按照韩国信息通信部的计划，到 2013 年，韩国每个家庭都能拥有一台机器人；而日本机器人协会预测，到 2025 年，全球机器人产业的“蛋糕”将达到每年 500 亿美元的规模(现在仅有 50 亿美元) 。与 20 世纪 70 年代 PC 行业的情况相仿，我们不可能准确预测出究竟哪梦想科技社区 http:/ 科技改变生活点击这里 获赠价值数万元的 200 多套原创技术方些用途将推动这个新兴行业进入临界状态。不过看起来，机器人很可能在护理和陪伴老年人的工作上大展宏图

8、，或许还可以帮助残疾人四处走走，并增强士兵、建筑工人和医护人员的体力与耐力。目前，我国从事机器人研发和应用工程的单位 200 多家，拥有量为 3500 台左右，其中国产占 20，其余都是从日本、美国、瑞典等 40 多个国家引进的。2000 年已生产各种类型工业机器人和系统 300 台套，机器人销售额 6.74 亿元，机器人产业对国民经济的年收益额为 47 亿元，我国对工业机器人的需求量和品种将逐年大幅度增加。1.3 机器人技术的前景展望机器人是人类的得力助手，能友好相处的可靠朋友，将来我们会看到人和机器人会存在一个空间里边，成为一个互相的助手和朋友。机器人会不会产生饭碗的问题。我们相信不会出现

9、“ 机器人上岗，工人下岗 ”的局面，因为人们随着社会的发展，实际上把人们从繁重的体力和危险的环境中解放出来，使人们有更好的岗位去工作，去创造更好的精神财富和文化财富，机器人来做这些危险环境的工作，展望 21 世纪机器人将是一个与 20 世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，所以很多专家预测，在 21 世纪的前 20 年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期，目前国际上很多国家，也对机器人对人类社会的影响的估计提出了新的认识，同时，我们也可以看到机器人技术，涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，它是一个国家高技

10、术实力的一个重要标准。语音识别处理是语音功能的一个重要方面，目前计算机语音识别处理过程基本上一致，是一种基于统计模式识别的理论。我国的语音识别研究起步于五十年代，近年来发展很快，其研究水平基本与国外同步，在汉语语音识别技术上还有自己的特点和优势。可以预计，语音技术的发展前景无限。2 舞蹈机器人设计的内容和要求2.1 舞蹈机器人设计的内容随着现代科技的发展，机器人技术已广泛应用于人类社会生活的各个领域，特别是舞蹈机器人具有人类外观特征、可爱的外貌、又兼有技术含量，极受青少年的喜爱。本课题要求设计一具有简单人体功能的、模拟舞蹈动作的类人型机器人，完成简单人体舞蹈的基本动作：可以前进后退，左右侧行，

11、左右转弯和前后摆动手臂，行走频率为每秒两步，举手投足、转圈、头部动作灵活、并具备的语音功能。通过语音识别技术，可以对小机器人进行语音控制，通过发出语音命令，控制机器人的。机器人包括底座、头部、上身、下肢、以及电路控制板，分别控制手臂、头部和底盘运动的电机梦想科技社区 http:/ 科技改变生活点击这里 获赠价值数万元的 200 多套原创技术方及传动机构等。通过电路控制和机械传动，可使机器人动作。知识范围涉及机构学、力学、电子学、自动控制、计算机、人工智能等。具体任务：1、深入了解类人型机器人的功能及工作要求，查找与课题有关的文献资料及参考书目；2、学习掌握机构创新设计的基本知识和设计方法，了解

12、控制对象舞蹈机器人的工作原理、动作过程，进行简单舞蹈动作及相应机构设计；3、根据机器人构成、工作原理、主要特点和技术指标，分析比较，加以论证，确定舞蹈机器人运动控制最终方案，完成硬件电路设计，单片机控制程序设计；4、制作舞蹈机器人模型，完成各种运动、动作模拟，调试成功。5、规定的翻译、论文工作。2.2 舞蹈机器人设计的数据和要求1、机器人身高 80120，表演时机器人随音乐翩翩起舞，动作协调、灵活；2、表演各种舞蹈的基本动作，具体动作可自行设计。涵盖行进、转圈、举手投足、头部等动作；3、整套动作持续 4 分钟左右；4、机器人结构紧凑、体积小，重量轻；5、灵活的多功能机器手臂：活动空间大，可 3

13、60 度旋转。6、采用电机驱动，运动准确可靠。3 方案设计及方案论证3.1 设计制作与调试流程设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。并且把这些元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。机器人的设计首先需作总体方案设计，包括机械和电气两部分。根据机械基础知识，从整体上来讲，机械结构设计必须与机器人所要完成的功能

14、相适应。机械部分设计主要包括底盘设计、尺寸选择、驱动方式设计、电机选择等；电气是机器人最重要的部分，直接影响着机器人功能的实现于否。舞蹈机器人要求完全自动控制，必须采用单片机为控制核心，它类似于机器人的大脑，接收和处理所有外界信息，指挥并控梦想科技社区 http:/ 科技改变生活点击这里 获赠价值数万元的 200 多套原创技术方制机器人的所有动作。语音识别等功能是制作机器人硬件的难点，它要求机器人具有一定的感觉系统。目前，机器人技术已日趋成熟，机器人感觉系统可通过各种各样相应的传感器技术即可实现。传感器把接收到的外部信息输入到单片机，再通过软件进行控制，从而单片机发出命令指挥机器人动作。软件编

15、程可以丰富机器人的功能，使机器人动作更加完善。总体方案设计框图如图 3.1 所示。图3.1 机器人总体制作过程3.2 方案的比较论证及方案确定根据以上的制作流程图，我们把设计分为两大部分机械部分和电气部分进行论证，对多种方案进行比较论证后，选出一个最佳的方案，最后再进行软件部分的设计。3.2.1 机械部分机械部分包括：底盘机构的设计、弯腰机构的设计、转身机构的设计、手臂机构的设计、转头机构的设计、及材料与型材选择。3.2.1.1 底盘机构的设计（1）行走式简图如下总体设计机械，电气，软件机械总体设计 软件整体设计电气总体设计各方案确定材料制作零件加工机构组装各方案确定原理图制作PCB 制作各模

16、块整合了解各芯片操作子程序编写程序整合总装整合，调试外型包装梦想科技社区 http:/ 科技改变生活点击这里 获赠价值数万元的 200 多套原创技术方图 3.2 行走机器人简图 行走式，能够在平地上、凹凸不平的地上步行，能上下台阶，其粗糙路面性能较好，好的关节，稳定好的牵引力。它的缺点是不能原地转动，速度慢，控制复杂，移动困难，操纵性差，机械复杂，电机性能要求严格，价格昂贵。（2）移动方式为履带式简图如下履带驱动轮从动轮导向轮图 3.3 移动方式图履带式移动方式的特点是运动平稳，适合爬坡度比较大的地方，这是轮式所做不的。但缺点是加工制作比较麻烦，履带一般是需要到市场上购买的，且摩擦力很大、能量

17、损耗大（3）前轮偏转后轮驱动移动式简图如下图 3.4 底盘移动方式可以实现车体任意的定位和定向，可以做到零回转半径。特别是能通过将轮向正梦想科技社区 http:/ 科技改变生活点击这里 获赠价值数万元的 200 多套原创技术方交速度方向实现急停。车底盘、四轮、驱传动装置、舵机和控制盒的行走信道共同组成行走系统。但由于前后启动惯性不一样，导致机器人的不平衡，特别是重心高的机器人。（4）轮式差速驱动图 3.5 底盘移动方式采用两个驱动轮，两个万向轮，万向轮用于平衡。机构简单，容易制造及装配；能在原地旋转以获得不同的方向。因此它是比较适合的一种底盘机构。3.2.1.2 弯腰机构的设计腰部的设计思路是

18、，作为人形机器人的腰部，主要做要是承接了上部的重量，设计的时候腰部能做到水平的转动最好，如果不能将会极大地影响整个机器人的平衡；所以尽量减少可变的环节，故在腰部转动的设计中不采用电机再经传动其他机构最后带动腰部的转动方式，而是直接使用电机实现弯腰。(1)齿轮机构简图如下图 3.6 齿轮传动方式齿轮机构的优点是平稳，自锁性好，精度高。但加工比较困难，且不利于固定，造价也很高。（2）连杆机构简图如下下腰部腿部万向轮驱动轮电机梦想科技社区 http:/ 科技改变生活点击这里 获赠价值数万元的 200 多套原创技术方轴 手 臂 与 头 部 机 构摇 杆 零 件 可 前 后 摇 动正 视 图 侧 视 效

19、 果 固 定 用轴 孔长 方 形 槽图 3.7 连杆传动方式结构简单，容易实现，更重要的是它的运动规律正好符合人体运动的原理。我们的舞蹈机器人就是采用这样的机构来实现弯腰的。(3)连杆机构简图二具体实现方式如下：先通过一根轴穿过鞠躬机构与机器人上半身的两只手臂固定，然后电机通过一个摇杆连接到弯腰机构的一个长方形槽中，在电机转动的过程中，带动鞠躬机构做以与手臂固定轴为中心的前后弯腰鞠躬动作，所需的零件包括一根轴，一个带有与轴相同大小的孔和在孔同一侧的开有长方形槽的铝条。并且考虑在这个机构上，能够与手臂机构相固定。机构如图 2.3 所示：图 3.8 机器人鞠躬机构鞠躬机构的装配顺序如下：(1) 取

20、适当长度的铝条打轴孔和磨长方形槽，在上身支架两端打相同的孔，轴穿过该铝条后穿过两个支架并固定好(2) 加工可固定于电机轴上的摇杆，一端可固定住电机，另一端固定摇杆的轴并与加工好的铝条的长方形槽相结合(3) 将电机固定在上身左边支架的一侧(4) 为了防止弯腰机构前倾，用两根橡胶带做一定的固定，以使电机拉住机构向下弯腰时更加稳定在弯腰机构中，如果将机构的位置和方向调换过来，动作就可变为肩的左右摇摆，因为设计水平有限，没有将两种动作结合在一起的机构设计出来。3.2.1.3 转身机构的设计梦想科技社区 http:/ 科技改变生活点击这里 获赠价值数万元的 200 多套原创技术方正 视 图安 装 方 向

21、 电 机滚 动 轴 承固 定 装 置 顶 视 图轴 承 外 圆 轴 承 内 圆 及 固 定 孔脚脚 手手(1)连杆原理实现的转身机构转身机构的设计原理和弯腰机构的设计原理差不多，在此就不做多的比较论证了。我们还是采用连杆机构，但具体的设计又和前面稍微不同。电机上腰部图 3.9 转身机构(2)电机做转轴的转身机构图 3.10 机器人的腰部机构机器人的腰部机构用于实现机器人左右转身的动作，主要部件包括一个滚动轴承、一个自行加工的可固定滚动轴承内部圆的零件，以及必备的其它固定零件。滚动轴承的特点在于当内圆固定时，外圆可以转动，反之亦然。机器人的腰部机构正是从这个特点出发制作的，要实现机器人腰部左右转动，就让滚动轴承内部圆与可固定电机轴的传动零件固定，同时该零件与机器人下身机构固定，滚动轴承与机器人上身机构固定，再将电机与传动零件固定后又与上身机构固定，这样，在电机转动的过程中，利用轴承的作用，机器人下身机构不动时，由于上身机构与轴承外圆固定，电机旋转带动了轴承外圆的旋转，于是，机器人上身就绕着轴承中心作转身运动。这种机构的缺点是电机轴受力较大，电机容易损坏，同时要求电机有足够的转矩。3.2.1.4 手臂和头部机构的设计