在音樂(lè)特征辨認(rèn)的根底上分離專(zhuān)家系統(tǒng)、含糊控制等手腕，經(jīng)過(guò)舞蹈動(dòng)作與音樂(lè)的自動(dòng)匹配、同步演示等辦法，完成舞蹈動(dòng)作與音樂(lè)諧和分歧。舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)普通要經(jīng)過(guò)創(chuàng)意提案、整體論證、初步設(shè)計(jì)、組裝調(diào)試、最終定型等幾個(gè)大的步驟。其中最重要的當(dāng)數(shù)其中的機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，它關(guān)系到后面機(jī)器人的整體性能以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
【關(guān)鍵詞】舞蹈機(jī)器人；AVR單片機(jī)；舵機(jī)
1.引言
機(jī)器人是作為現(xiàn)代高新技術(shù)的重要意味和開(kāi)展結(jié)果，曾經(jīng)普遍應(yīng)用于國(guó)民消費(fèi)的哥哥范疇，并正在給人類(lèi)傳統(tǒng)的消費(fèi)形式帶來(lái)反動(dòng)性的變化，影響著人們生活的方方面面。機(jī)器人普通由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)安裝、檢測(cè)安裝和控制系統(tǒng)等組成[1]。如今，國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念曾經(jīng)逐漸趨近普通，即機(jī)器人是靠本身動(dòng)力和控制才能來(lái)完成各種功用的一種機(jī)器。結(jié)合國(guó)規(guī)范化組織采用了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功用的，用來(lái)搬運(yùn)資料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改動(dòng)和可編程動(dòng)作的特地系統(tǒng)。
機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在二十一世界將成為和汽車(chē)、電腦并駕齊驅(qū)的主干產(chǎn)業(yè)。從龐大的工業(yè)機(jī)器人到微觀(guān)的納米機(jī)器人，從代表尖端技術(shù)的仿人型機(jī)器人到孩子們喜歡的寵物機(jī)器人，機(jī)器人正在日益走進(jìn)我們的生活，成為人類(lèi)最密切的同伴。機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化在全中國(guó)以至全世界具有一定得理想根底和寬廣的市場(chǎng)前景。本次設(shè)計(jì)采用Atmega16L單片機(jī)作為雙足機(jī)器人控制單元的中心，具備自主決策和智能判別的才能[2]。運(yùn)用六個(gè)FutabaS3003舵機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)和一個(gè)微機(jī)板作為舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制機(jī)器人完成各種動(dòng)作。
該舞蹈機(jī)器人雙腿關(guān)節(jié)采用6個(gè)FutabaS3003舵機(jī)，可以牢靠地負(fù)載起手臂和身軀。微機(jī)板放在背部，用以充任機(jī)器人的身軀，手臂裝置在微機(jī)板兩側(cè)；應(yīng)用舵機(jī)調(diào)試程序?qū)ξ璧笝C(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作停止編排、采樣，最后將一個(gè)個(gè)動(dòng)作連接起來(lái)編譯下載，在團(tuán)隊(duì)的共同努力下完成跳舞機(jī)器人。
2.機(jī)器人總體計(jì)劃設(shè)計(jì)
2.1+舞蹈機(jī)器人總體剖析
要設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一個(gè)舞蹈機(jī)器人，首先應(yīng)該對(duì)其停止總體剖析和設(shè)計(jì)，肯定舞蹈機(jī)器人的功用，根本構(gòu)造和系統(tǒng)配置。舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)普通要經(jīng)過(guò)創(chuàng)意提出、整體論證、初步設(shè)計(jì)、組裝調(diào)試、最終定型等幾個(gè)大的步驟。其中最重要的當(dāng)數(shù)其中的機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，它關(guān)系到后面機(jī)器人的整體性能以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
該雙足競(jìng)步機(jī)器人設(shè)計(jì)的目的是要完成擬人下肢多自在度得平穩(wěn)行走，在完成這個(gè)功用的前提下為降低設(shè)計(jì)的難度，我們依照目前世界上各研討機(jī)構(gòu)普通采用的下肢6個(gè)自在度的關(guān)節(jié)配置方式，來(lái)完成行走功用所必需的各關(guān)節(jié)自在度散布，詳細(xì)自在度配置為單腿髖關(guān)節(jié)1個(gè)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)，踝關(guān)節(jié)1個(gè)[3]。髖關(guān)節(jié)用于擺動(dòng)腿，完成邁步，并起到了輔助均衡作用。膝關(guān)節(jié)主要用來(lái)調(diào)理重心的高度，及改動(dòng)擺動(dòng)腿的著地高度，使之與地形相順應(yīng)。踝關(guān)節(jié)用來(lái)和髖關(guān)節(jié)相配合完成支撐腿的挪動(dòng)，以及調(diào)整與空中的接觸狀態(tài)。其構(gòu)造圖大致與下圖1類(lèi)似。
2.2+系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)
依據(jù)肯定的自在度配置計(jì)劃以及選用的舵機(jī)、微機(jī)板，設(shè)計(jì)機(jī)器人的零件。本著構(gòu)造簡(jiǎn)單、盡量采用通用零件、外形美觀(guān)等準(zhǔn)繩，對(duì)機(jī)器人的構(gòu)造及外觀(guān)停止優(yōu)化。
完成舞蹈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的根本問(wèn)題是對(duì)機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度伺服控制和諧和控制。假如把連桿以及關(guān)節(jié)想象為機(jī)器人的骨骼，那么驅(qū)動(dòng)器就起到肌肉的作用，它經(jīng)過(guò)挪動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)連桿來(lái)改動(dòng)機(jī)器人的構(gòu)型。驅(qū)動(dòng)器必需有足夠的功率對(duì)負(fù)載加速或者減速。同時(shí)，啟動(dòng)器自身要準(zhǔn)確、靈活、笨重、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)用便當(dāng)牢靠且易于維護(hù)[4]。
舵機(jī)是一種最早應(yīng)用在航模運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力安裝，是一種微型伺服馬達(dá)，它的控制信號(hào)是一個(gè)寬度可調(diào)的方波脈沖信號(hào)，所以很便當(dāng)和模仿系統(tǒng)停止接口。只需能產(chǎn)生規(guī)范的控制信號(hào)的模仿設(shè)備都能夠用來(lái)控制舵機(jī)，比方PLC、單片機(jī)和DSP等。而且舵機(jī)體積緊湊、便于裝置、輸出力矩大、穩(wěn)定性、控制簡(jiǎn)單。依據(jù)所需的驅(qū)動(dòng)力矩請(qǐng)求和性?xún)r(jià)比如面的思索，我們決議選用日本雙葉電子工業(yè)株式會(huì)社消費(fèi)的大扭力齒輪舵機(jī)。該類(lèi)型舵機(jī)價(jià)錢(qián)適中且規(guī)格參數(shù)可以滿(mǎn)足舞蹈機(jī)器人的各項(xiàng)性能請(qǐng)求。因而在綜合了開(kāi)支，性能等一系列要素后我們選擇了FutabaS3003這款舵機(jī)。
3.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
主板是以Atmega16L單片機(jī)微控制器為中心，包括電源模塊、USB下載模塊、ISP下載模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、外部晶振以及各種I%2FO接口。
本設(shè)計(jì)所選舵機(jī)為日本雙葉電子工業(yè)株式會(huì)社消費(fèi)的FutabaS3003舵機(jī)，該類(lèi)型舵機(jī)的扭力到達(dá)4.1公斤且為同軸雙端輸出銅合金齒輪舵機(jī)。價(jià)錢(qián)適中且規(guī)格參數(shù)可以滿(mǎn)足雙足機(jī)器人的各項(xiàng)性能請(qǐng)求[5]。并且能夠停止模仿位置鎖存，大大減少控制端的數(shù)據(jù)量，合適多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制。裝有防撞減震軸承，減少磨損，并且密封。采用國(guó)際規(guī)范的PWM控制格式，便于移植到其他平臺(tái)運(yùn)用。因而在綜合了開(kāi)支，性能等一系列要素后我們選擇了FutabaS3003型舵機(jī)。舵機(jī)FutabaS3003實(shí)物圖2所示。
FutabaS3003舵機(jī)的轉(zhuǎn)角到達(dá)180度，由于采用8位CPU控制，所以控制精度最大為256份。經(jīng)過(guò)實(shí)踐測(cè)試和規(guī)劃，分了250份。將0-185分為250份，每份0.74度?？刂扑璧腜WM寬度為0.5ms～2.5ms，寬度2ms。舵機(jī)的控制信號(hào)是脈沖位置調(diào)制信號(hào)，周期普通為2ms，當(dāng)方波的脈沖寬度改動(dòng)時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)作變化，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。普通舵機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)的脈沖寬度之間的關(guān)系可用下圖3所示。
4.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
為了完成模型樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，在硬件根底上停止了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)踐機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制理論研討，規(guī)劃了一套煩瑣的調(diào)試計(jì)劃以考證樣機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，并停止對(duì)預(yù)訂步態(tài)的相應(yīng)關(guān)節(jié)控制調(diào)試和可行性考證。
ATmega16是基于加強(qiáng)的AVR+RISC構(gòu)造的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS%2FMHz，從而能夠減緩系統(tǒng)在功耗和處置速度之間的矛盾。
由于單片機(jī)功用的限制，復(fù)雜的動(dòng)作編制、舞蹈的設(shè)計(jì)不可能在單片機(jī)上停止，而且關(guān)于人機(jī)交互等在單片機(jī)上不好完成。一切必需要有上位機(jī)的輔佐，經(jīng)過(guò)上位機(jī)，完成舞蹈動(dòng)作的編寫(xiě)以及調(diào)試。如根本的行進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)身，彎腰，搖頭號(hào)[6]。上位機(jī)還擔(dān)任同下位機(jī)的交互，人機(jī)接口等。
舞蹈動(dòng)作設(shè)計(jì)得再圓滿(mǎn)，再漂亮，最終都要表現(xiàn)在機(jī)器人的行走上。運(yùn)動(dòng)控制主要有兩個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是編寫(xiě)圓滿(mǎn)的舞蹈動(dòng)作，另一方面就是如何準(zhǔn)確完成設(shè)計(jì)好的舞蹈動(dòng)作。也就是說(shuō)如何準(zhǔn)確地控制電機(jī)%2F舵機(jī)，讓多個(gè)電機(jī)精確快速，穩(wěn)定地抵達(dá)指定的位置，并且完成24個(gè)電機(jī)的諧和工作。
串行通訊子程序主要用于處置單片機(jī)與上位機(jī)之間的通訊，完成從上位機(jī)接納控制指令和動(dòng)作數(shù)據(jù)功用。單片機(jī)與上位機(jī)之間采用半雙工通訊方式，但是主要還是采取數(shù)據(jù)的單向傳輸方式，即主要由上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，而單片機(jī)并不向上位機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)，僅僅是在二者通訊之前向上位機(jī)發(fā)送應(yīng)對(duì)信號(hào)，以確認(rèn)二者之間通訊勝利與否。因而，此處主要討論由上位機(jī)發(fā)送單片機(jī)接納的通訊方式。
5.舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)
總結(jié)
舞蹈機(jī)器人競(jìng)賽是機(jī)器人競(jìng)賽中具有很強(qiáng)欣賞性和興趣性的高技術(shù)對(duì)立賽，舞蹈機(jī)器人的制造觸及機(jī)械、電子、自控.通訊、傳感，人工智能、機(jī)器人學(xué)、精細(xì)機(jī)構(gòu)和仿生資料等多個(gè)范疇。
舞蹈機(jī)器人的制造普通要經(jīng)過(guò)創(chuàng)意提案、初步設(shè)計(jì)、細(xì)致設(shè)計(jì)、制造調(diào)試4個(gè)階段。我們?cè)谥圃爝^(guò)程中，思索詳細(xì)狀況，分步細(xì)化，依照流程來(lái)控制節(jié)點(diǎn)，達(dá)成目的。
舞蹈機(jī)器人的動(dòng)作是表如今一定時(shí)間序列上的窒間位姿（位置和姿勢(shì)）的匯合。
舞蹈機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)和完成的辦法普通是自創(chuàng)機(jī)械臂軌跡的控制方式，在不同的平臺(tái)和技術(shù)程度根底上采用相應(yīng)的辦法[7]。以下是我們?cè)谖璧笝C(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)與完成研討和應(yīng)用的3類(lèi)辦法：直觀(guān)估測(cè)法、動(dòng)作示教法、虛擬仿真法。這些辦法是從不同的研討目的和舞蹈機(jī)器人動(dòng)作的控制請(qǐng)求動(dòng)身的，虛擬仿真法可以完成對(duì)舞蹈機(jī)器人動(dòng)作的準(zhǔn)確控制。
6.結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一款構(gòu)造緊湊、外觀(guān)美觀(guān)的小型雙足機(jī)器人本體，機(jī)器人共10個(gè)自在度。它能自在行走，停止舞蹈扮演。此外本系統(tǒng)為雙足機(jī)器人的研討預(yù)留了足夠的擴(kuò)展空間，它可以在本系統(tǒng)上模仿，研討其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為研討智能機(jī)器人，機(jī)器人學(xué)習(xí)、運(yùn)動(dòng)等提供了一個(gè)牢靠的平臺(tái)。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)上我們?cè)?jīng)遇到了很大的艱難，好幾次的設(shè)計(jì)都由于不契合請(qǐng)求曾經(jīng)被改的改頭換面。好在全組成員團(tuán)分離作，最終處理了機(jī)械構(gòu)造的問(wèn)題。在運(yùn)用ATmega16L的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們也充沛領(lǐng)會(huì)到了這款單片機(jī)的性能優(yōu)越性和便利性，其單芯片設(shè)計(jì)計(jì)劃對(duì)進(jìn)步產(chǎn)品集成，降低系統(tǒng)本錢(qián)有很大的協(xié)助。
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