学文网【摘要】本文介绍了一款低成本的小型舞蹈机器人的设计。根据仿生学原理确定机器人的比例尺寸，根据机器人的功能要求确定其自由度配置，选择了合适的材料和驱动元件，实现了一个小型的双足舞蹈机器人。舞蹈机器人是娱乐机器人的一种，集软件和硬件于一身，核心是控制系统。采用基于上下位机的控制结构，通过无线通信方式传输数据和指令。在音乐特征识别的基础上结合专家系统、模糊控制等手段，通过舞蹈动作与音乐的自动匹配、同步演示等方法，实现舞蹈动作与音乐协调一致。舞蹈机器人的设计一般要经过创意提案、整体论证、初步设计、组装调试、最终定型等几个大的步骤。其中最重要的当数其中的机械设计环节，它关系到后面机器人的整体性能以及控制系统的设计。
【关键词】舞蹈机器人；AVR单片机；舵机
1.引言
机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的哥哥领域，并正在给人类传统的生产模式带来***性的变化，影响着人们生活的方方面面。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成[1]。现在，国际上对机器人的概念已经逐步趋近一般，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”
机器人产业在二十一世界将成为和汽车、电脑并驾齐驱的主干产业。从庞大的工业机器人到微观的纳米机器人，从代表尖端技术的仿人型机器人到孩子们喜爱的宠物机器人，机器人正在日益走进我们的生活，成为人类最亲密的伙伴。机器人技术和产业化在全中国甚至全世界拥有一定得现实基础和广阔的市场前景。本次设计采用Atmega16L单片机作为双足机器人控制单元的核心，具备自主决策和智能判断的能力[2]。使用六个FutabaS3003舵机作为关节驱动和一个微机板作为舵机的驱动控制机器人完成各种动作。该舞蹈机器人双腿关节采用6个FutabaS3003舵机，能够可靠地负载起手臂和身躯。微机板放在背部，用以充当机器人的身躯，手臂安装在微机板两侧；利用舵机调试程序对舞蹈机器人的每个动作进行编排、采样，最后将一个个动作连贯起来编译***，在团队的共同努力下完成跳舞机器人。
2.机器人总体方案设计
2.1 舞蹈机器人总体分析
要设计和开发一个舞蹈机器人，首先应该对其进行总体分析和设计，确定舞蹈机器人的功能，基本结构和系统配置。舞蹈机器人的设计一般要经过创意提出、整体论证、初步设计、组装调试、最终定型等几个大的步骤。其中最重要的当数其中的机械设计环节，它关系到后面机器人的整体性能以及控制系统的设计。
该双足竞步机器人设计的目的是要实现拟人下肢多自由度得平稳行走，在实现这个功能的前提下为降低设计的难度，我们按照目前世界上各研究机构普通采用的下肢6个自由度的关节配置形式，来实现行走功能所必须的各关节自由度分布，具体自由度配置为单腿髋关节1个，膝关节1个，踝关节1个[3]。髋关节用于摆动腿，实现迈步，并起到了辅助平衡作用。膝关节主要用来调节重心的高度，及改变摆动腿的着地高度，使之与地形相适应。踝关节用来和髋关节相配合实现支撑腿的移动，以及调整与地面的接触状态。其结构***大致与下***1相似。
2.2 系统结构设计
根据确定的自由度配置方案以及选用的舵机、微机板，设计机器人的零件。本着结构简单、尽量采用通用零件、外形美观等原则，对机器人的结构及外观进行优化。
实现舞蹈机器人运动的基本问题是对机器人各关节位置、速度伺服控制和协调控制。如果把连杆以及关节想象为机器人的骨骼，那么驱动器就起到肌肉的作用，它通过移动或转动连杆来改变机器人的构型。驱动器必须有足够的功率对负载加速或者减速。同时，启动器本身要精确、灵敏、轻便、经济、使用方便可靠且易于维护[4]。
舵机是一种最早应用在航模运动中的动力装置，是一种微型伺服马达，它的控制信号是一个宽度可调的方波脉冲信号，所以很方便和模拟系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的模拟设备都可以用来控制舵机，比如PLC、单片机和DSP等。而且舵机体积紧凑、便于安装、输出力矩大、稳定性、控制简单。根据所需的驱动力矩要求和性价比方面的考虑，我们决定选用日本双叶电子工业株式会社生产的大扭力齿轮舵机。该类型舵机价格适中且规格参数能够满足舞蹈机器人的各项性能要求。因此在综合了开销，性能等一系列因素后我们选择了FutabaS3003这款舵机。
3.控制系统硬件设计
主板是以Atmega16L单片机微控制器为核心，包括电源模块、USB***模块、ISP***模块、电机驱动模块、外部晶振以及各种I/O接口。
本设计所选舵机为日本双叶电子工业株式会社生产的FutabaS3003舵机，该类型舵机的扭力达到4.1公斤且为同轴双端输出铜合金齿轮舵机。价格适中且规格参数能够满足双足机器人的各项性能要求[5]。并且可以进行模拟位置锁存，大大减少控制端的数据量，适合多级联动控制。装有防撞减震轴承，减少磨损，并且密封。采用国际标准的PWM控制格式，便于移植到其他平台使用。因此在综合了开销，性能等一系列因素后我们选择了FutabaS3003型舵机。舵机FutabaS3003实物***2所示。
FutabaS3003舵机的转角达到180度，由于采用8位CPU控制，所以控制精度最大为256份。经过实际测试和规划，分了250份。将0-185分为250份，每份0.74度。控制所需的PWM宽度为0.5ms～2.5ms，宽度2ms。舵机的控制信号是脉冲位置调制信号，周期一般为2ms，当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生变化，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。一般舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用下***3所示。
4.控制系统的软件设计
为了实现模型样机的实验调试，在硬件基础上进行了系统软件设计，通过对实际机械系统运动控制理论研究，规划了一套简便的调试方案以验证样机设计的合理性，并进行对预订步态的相应关节控制调试和可行性验证。
ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
由于单片机功能的限制，复杂的动作编制、舞蹈的设计不可能在单片机上进行，而且对于人机交互等在单片机上不好实现。所有必须要有上位机的协助，通过上位机，实现舞蹈动作的编写以及调试。如基本的前进，后退，转身，弯腰，摇头等[6]。上位机还负责同下位机的交互，人机接口等。
舞蹈动作设计得再完美，再漂亮，最终都要体现在机器人的行走上。运动控制主要有两个方面的内容，一方面是编写完美的舞蹈动作，另一方面就是如何精确实现设计好的舞蹈动作。也就是说如何精确地控制电机/舵机，让多个电机准确快速，稳定地到达指定的位置，并且实现24个电机的协调工作。
串行通信子程序主要用于处理单片机与上位机之间的通信，实现从上位机接收控制指令和动作数据功能。单片机与上位机之间采用半双工通信方式，但是主要还是采取数据的单向传输方式，即主要由上位机向单片机发送指令和数据，而单片机并不向上位机发数据，仅仅是在二者通信之前向上位机发送应答信号，以确认二者之间通信成功与否。因此，此处主要讨论由上位机发送单片机接收的通讯方式。
5.舞蹈机器人设计总结
舞蹈机器人比赛是机器人比赛中具有很强观赏性和趣味性的高技术对抗赛，舞蹈机器人的制作涉及机械、电子、自控.通讯、传感，人工智能、机器人学、精密机构和仿生材料等多个领域。
舞蹈机器人的制作一般要经过创意提案、初步设计、详细设计、制作调试4个阶段。我们在制作过程中，考虑具体情况，分步细化，按照流程来控制节点，达成目标。
舞蹈机器人的动作是表现在一定时间序列上的窒间位姿（位置和姿态）的集合。
舞蹈机器人动作设计和实现的方法一般是借鉴机械臂轨迹的控制方式，在不同的平台和技术水平基础上采用相应的方法[7]。以下是我们在舞蹈机器人动作设计与实现研究和应用的3类方法：直观估测法、动作示教法、虚拟仿真法。这些方法是从不同的研究目的和舞蹈机器人动作的控制要求出发的，虚拟仿真法能够实现对舞蹈机器人动作的精确控制。
6.结论
本文设计了一款结构紧凑、外观美观的小型双足机器人本体，机器人共10个自由度。它能自由行走，进行舞蹈表演。此外本系统为双足机器人的研究预留了足够的扩展空间，它能够在本系统上模拟，研究其运动规律，为研究智能机器人，机器人学习、运动等提供了一个可靠的平台。整个设计过程中，在机器人的机械结构设计上我们曾经遇到了很大的困难，好几次的设计都由于不符合要求已经被改的面目全非。好在全组成员团结合作，最终解决了机械结构的问题。在使用ATmega16L的开发过程中，我们也充分体会到了这款单片机的性能优越性和便利性，其单芯片设计方案对提高产品集成，降低系统成本有很大的帮助。
参考文献
[1]汉中，冯雪梅.人形机器人技术的发展与现状[J].机械工程师，2006，19（4）：133-134.
[2]张效祖.工业机器人的现状与发展趋势[J].世界制造技术与装备市场，2004（5）：33-36.
[3]蔡自兴.21世纪机器人技术的发展趋势[J].南京化工大学学报，2000，22（4）：73-76.
[4]毕胜.国内外工业机器人的发展现状[J].机械工程师，2008（7）：5-8.
[5]陈秀珍，潘拓.21世纪初机器人技术的走向[J].中国设备工程，2007（11）：30-32.
[6]宋建国.AVR单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.
[7]付丽，刘卫国，伊强.单片机控制的多路舵机用PWM波产生方法[J].驱动控制，2006，2：28-33.
[8]徐玉，韩波，李平.基于AVR的舵机控制器设计[J].工业控制计算机，2004（11）：38-40.
作者简介：
王贺（1987—），男，大学本科，雅砻江流域水电开发有限公司助理工程师，从事水电厂电气一次检修维护工作。
朱斌（1991—），男，大学本科，现供职于雅砻江流域水电开发有限公司，研究方向：自动化工程学控制科学与工程。