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东北大学硕士学位论文 舞蹈机器人控制系统研究与设计 摘要 从机器人的发展趋势来看，与人类生活密切相关的智能服务机器人被摆在越来越重 要的位置，成为世界各国一致看好并为之努力的方向。舞蹈机器人作为智能服务机器人 的雏形，不仅为机器人学、控制理论、机电一体化及其它相关学科提供了良好的实验平 台，而且为进一步研究智能服务机器人提供了借鉴经验。 本文基于单片机自主开发了一个双足1 5 自由度舞蹈机器人，包括腿、踝、胯、腰、 肩、肘和颈等关节。其控制系统分为硬件系统和软件系统两部分。设计一个舞蹈动作须 1 5 个电机协调动作，动作调试是一个非常繁琐的过程，为此，开发了基于p c 计算机( 上 位机) 的动态调试软件。通过动态调试软件编排舞蹈动作，并把相关的动作数据传送给 下位机，最大限度地缩减了舞蹈动作的设计和调试过程。 首先，本文介绍了国内外智能服务机器人的发展现状及其基础技术的发展趋势，并 指出了本文的主要工作。 其次，根据舞蹈机器人功能要求设计了控制系统，详细阐述了上位机动态调试软件 和下位机软件系统的设计过程。其中上位机动态调试软件包括前台用户界面和后台服务 程序两部分；下位机软件系统主要由主程序、串行中断服务程序、数据转换子程序、定 时器中断服务程序和脉冲输出子程序构成。由于该机器人使用舵机来控制各关节，所以 本文重点研究了两种控制舵机的方法，一个是顺序脉冲法，另外一个是脉宽差法。后者 是对于前者的改进。顺序脉冲法是基于8 9 c 5 2 单片机为核心的硬件电路，脉宽差法的实 现是采用凌阳1 6 位单片机s p c e 0 6 1 a 为核心的硬件电路。 最后，对所设计的舞蹈机器人进行了评价，指出设计的成效和不足，并提出了改进 措施。 关键词：智能服务机器人；舞蹈机器人；控制与调试；动作；舵机；单片机；系统 一i i 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n d d e s i g no fd a n c i n g r o b o tc o n t r o l s y s t e m a b s t r a c t s e e nf r o mt h ed e v e l o p m e n tt r e n do tr o b o t ，i n t e l l i g e n ts e r v i c er o b o t ，w h i c hh a sc l o s e r e l a t i o nt oh u m a nl i f e ，i s p l a y i n gam o r ea n dm o r es i g n i f i c a n tr o l e i nv a r i o u s f i e l d s s i m u l t a n e o u s l y ，m a n yc o u n t r i e s a r ea w a r eo fi t sb r i 曲tf u t u r ea n dl o t so fs c i e n t i s t sa r es t r i v i n g t om a k ei ta v a i l a b l e a st h ee m b r y oo fi n t e l l i g e n ts e r v i c er o b o t ，d a n c i n gr o b o th a sp r o v i d e d n o to n l ya ni d e a le x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n ti nr o b o t i c s ，c o n t r o lt h e o r i e s ，e l e c t r o m e c h a n i c a l i n t e g r a t i o na n dm a n yo t h e rc o r r e l a t i v ed i s c i p l i n e sb u ta l s oq u o t a b l ee x p e r i e n c e sf o rf u r t h e r s t u d yo fi n t e l l i g e n ts e r v i c er o b o t t h i st h e s i sd e v e l o p e dab i p e dd a n c i n gr o b o tw i t h15d o f i n d e p e n d e n t l yw h i c hc o n s i s t s o fl e gj o i n t ，a n k l ej o i n t ，c r o t c hj o i n t ，w a i s tj o i n t ，s h o u l d e rj o i n t ，e l b o wj o i n t ，n e c kj o i n ta n ds o o n t h i sr o b o t sc o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e di n t oh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ag r a c e f u l d a n c i n gg e s t u r ec a l lb ec r e a t e db yt h e15l n o t o r s s y n c h r o n i z e da c t i o n s m o v e m e n td e b u g g i n g i sa l le x t r e m e l yf u s s yp r o c e s s ，s od y n a m i cd e b u g g i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e d t h i ss o f t w a r ei s u s e dt oa r r a n g ed a n c em o v e m e n t s ，a n dt h e nt r a n s f e rc o r r e s p o n d i n gl n o v e m e n t s d a t at os c m i nt h i sw a y ，t h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fd a n c em o v e m e n t sc a nb ec u r t a i l e dt ot h eu t m o s t e x t e n t f i r s t l y ，t h i st h e s i sm a k e sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n ts e r v i c er o b o to t h e rt h a nt h et r e n do fi t sb a s i ct e c h n o l o g i e s a n dt h e n ，m ym a i n w o r ki sb r o u g h tf o r w a r d i nt h en e x tp l a c e ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t s “t h ed a n c i n gr o b o t a n dt h ed e s i g np r o c e s so ft h ed y n a m i cd e b u g g i n gs o f t w a r ea n ds c m s o f t w a r e s y s t e m i sd i s c u s s e di nd e t a i l t h ed y n a m i cd e b u g g i n gs o f t w a r ei n c l u d e si l s e r i n t e r f a c ea n db a c k g r o u n ds e r v i c ep r o g r a m a n dt i ms c ms o f t w a r es y s t e mi sc o m p o s e do f m a i np r o g r a m ，s e r i a li n t e r r u p ts e r v i c ep r o g r a m ，d a t at r a n s f o r ms u b p r o g r a m ，t i m e ri n t e r r u p t s e r v i c ep r o g r a ma n dp u l s eo u t p u ts u b p r o g r a m p r i m a r i l y ，t h i st h e s i sr e s e a r c h e st w om e t h o d s t oc o n t r o ls t e e r i n gg e a r sw h i c ha r eu s e dt os i m u l a t et h ej o i n t so ft h ed a n c i n gr o b o t o n ei s o r d i n a lp u l s em e t h o d ，a n dt h eo t h e ro n ei s p u l s ew i d t hd i f f e r e n c em e t h o d ，t h el a t t e ri s i m p r o v e db yt h ef o r m e r o r d i n a lp u l s em e t h o di sb a s e d0 1 1t h ee l e c t r o c i r c u i tw i t ht h ek e r n e l c h i po fa t 8 9 c 5 2 a n dp u l s ew i d t hd i f l 、e r e n c em e t h o di sc a r r i e do u tb yt h ee l e c t r o c i r c u i tw i t h t h ek e r n e lc h i po fs p c e 0 6 1 a p r o d n c e db ys u n p l u s f i n a l l y , t h ed a n c i n gr o b o ti se v a l u a t e d t h es u c c e s sa n df a i l u r ei sp o i n t e do u ta n d 1 l i 东北大学硕士学位论文 b e r e r m e n tm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n ts e r v i c er o b o t ；d a n c i n gr o b o t ；c o n t r o l ；d e b u g g i n g ；m o v e m e n t ；s t e e r i n g g e a r ；s i n g l e c h i p ；s y s t e m i v 独创性声明 本人声明所盛交的学位论文鼹在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注帮致瀣懿缝方岁 ，不包含蔟毽天已经发表袋撰写j 萋懿磁究袋采，毽不包括本人麓 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的阀志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文 乍者签名：嵩慧庆， 麓字同期：秘即6 、2 2 学位论文版权使用授权书 本学位谂文母爹者鞠指导教烀完全了瓣东l 大学套关绦整、馒愿学建论文戆裁定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构邀交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 潮。奉久嗣意东j e 大学可敬将学像论文的全部或瓣分蠢鸯编入有关数据簿迸 亍裣索、交 流。 ( 魏作者和罨师同意网上交流，请在下方签名：否鲻褫为不同意) 学憾论文作者签名：巍鬈杰、， 导师煞名：南九卷， 签字奠期：弘妒6 ，、护艇字强糍：- 6 ，2 枷 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 服务机器人介绍 第一章绪论弟一早珀下匕 机器人的广泛应用是2 0 世纪科技领域最伟大的成就之一。目前商业化的机器人已 经大量应用于制造业，但是在机器人领域中，一种新的、有蓬勃生命力的服务机器人已 经出现并且迅速发展起来。 国际机器人联合会经过几年的搜集整理，给了服务机器人一个初步的定义：服务机 器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类的服务工作，但不包括 从事生产的设备。 西方把下列机器人都定义为服务机器人：清洁机器人、家用机器人、娱乐机器人、 医用及康复机器人、老年及残疾人护理机器人、办公及后勤服务机器人、建筑机器人、 救灾机器人、酒店售货及餐厅服务机器人等，服务机器人的应用范围很广，主要从事维 护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。 我国的服务机器人定义范围要窄一些，指用于完成对人类福利和设备有用的服务 ( 制造操作除外) 的自主或半自主机器人，主要包括：清洁机器人、家用机器人、娱乐 机器人、医用及康复机器人、老年及残疾人护理机器人、办公及后勤服务机器人、救灾 机器人、酒店售货及餐厅服务机器人等。 智能化是服务机器人的发展主要方向。人们在智能化方面进行了各种各样的探索， 最先进的智能化技术已经可以让机器人达到人类3 岁婴儿左右的智力水平，但是要进一 步提高智能水平以向人类看齐，却仍然是一个巨大的挑战1 2 - 5 】。 1 1 1 索尼0 r 1 0 机器人介绍 娱乐机器人是智能服务机器人的一个分支，具有极强的观赏和趣味性，是一个系统 化的工程设计。涉及到运动机器人的设计、制作、自动控制和通讯。是传感和感知的融 合，是精密机械等众多学科的前沿研究与综合的集成。拟人机器人是近来娱乐机器人发 展的热点，索尼q r i o 是这类机器人的明星。 2 0 0 5 年中央电视台“春节联欢晚会”上，港台明星刘德华理所当然地成为观众的焦 点，可是有谁能想到当时在舞台上竟然还有比刘德华更加引人注目的人物呢? 他们就是 随着高亢的刘德华新歌恭喜发财的旋律而翩翩起舞的两个高科技智能机器人索 一1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 尼q r i o 梦幻组合。 倒1 1q r i o 亮相2 0 0 5 吞节联欢晚会 f i g 1 1q r i o sa p p e a r a n c ei n2 0 0 5s p r i n gf e s t i v a le v e n i n gp a r t y q r i o 是日本s o n y 公司于2 0 0 3 年开发的家庭娱乐机器人，“q r i o ”这个名字源 于“q u e s tf o rc u r i o s i t y ，也就是“好奇心探索”的意思。q r i o 是一款双足行走型机器人， 下面列出了它的个人档案： 姓名：q r i o 身高：5 8 c m 体 重：7 k g 大脑类型：6 4 位r i s c 处理器( 3 个) 记忆力：6 4 m b ( 3 组) 视力：1 1 万像素彩色c c d 摄像机2 个 语言能力：7 个麦克风、1 个扬声器 关节：3 8 个 神经单元：1 8 个 语言能力：日语听说，通过学习可掌握其他语言 爱好：跳舞、踢球、说话 q r i o 能做到的： 图1 2 q r i o f i g 1 2q r i o ( 1 ) q r i o 能够自如地行走。它经历过1 0 0 万步的行走测试，它能够通过“眼睛” 来发现墙壁的存在，并避免与墙壁相撞。而在倾斜变化的地面上，它能够通过力传感器 和陀螺仪自动平衡身体以避免跌倒。 2 东北大学硕士学位论文 第一章姥瓷 ( 2 ) q r i o 在跌倒时会采取自我保护动作，并自行站起。如果q r i o 被绊倒或者 被推倒，它会自动采用屈膝抱头的保护姿势倒地，避免对头部和躯干的冲击。 ( 3 ) q r i o 能够看到并分辨视野中的物体，同时还可以转动头部来协助判断，从而 确定最优的路线。 ( 4 ) q r i o 能够与人进行对话交谈。通过对拍摄影像进行分析，q r i o 能够记住人 的容貌。再配合连续语音识别和词汇学习功能，q r i o 能够识别1 0 个不同的人，并与他 们进行有趣的对话。 ( 5 ) 载歌载舞更是它的特长，甚至有人称q r i o 为舞蹈型机器人。内置的无线局 域网系统可以让它从计算机同步获取数据，不断扩展自己的技能。 ( 6 ) q r i o 还可以像棒球投手一样投球。 ( 7 ) 索尼q r i o 是世界首台会跑步的双足机器 人。索尼定义的“跑”的概念是指机器人行走时双 足处于离开地面的非接触状态。据索尼介绍，此前 世界上没有可以在不接触地面的状态下行走的机器 人。此次开发的双足行走机器人在行走时可以有约 2 0 m s 的不接触地面的时间。该机器人不仅可以行走， 而且可以跳跃，在跳跃状态下不接触地面的时间可 达4 0 m s 。行走速度为每分钟1 4 m 。如果假设其大小 与人相同，换算过来相当于时速2 5 k m ，给人以缓缓 图1 3 跑步中的索尼q r i o 慢跑的印象。 f i g 1 3t h er u n n i n g s o n y q r i o 负责s o n y 机器人业务的s o n y 常务董事土井利忠说：“如果把现在的机器人产业比 喻成计算机的话，我认为已经超过a p p l ei i 阶段，但还未到确立产业标准的m a t i n t o s h 和i b m p c 阶段。”让我们共同期待机器人真正走入我们生活，像p c 机一样服务于我们 的那一天。 1 1 2 我国智能服务机器人的发展状况 由于历史和观念的问题，我国在发展智能移动服务机器人上比国际上的发展水平要 落后很多。但随着经济的发展和人民富裕程度的提高，对于智能移动机器人的需求也将 越来越大。可喜的是，国内已经有不少科技界研究机构认识到这个问题，并着手做了许 多工作，也取得一定的成绩。 由于“非典”，国内丌发了几款护士助手服务机器人，如中科院自动化所的“艾姆”、 哈工大的“护士助手”等。这两款机器人均能在非典病区执行消毒，运送医疗器械和设 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 备，运送实验样品及实验结果，为病人送药品、送饭及生活用品，处理隔离病区垃圾， 协助护士工作。两者均具有一定智能，可以自主避障，还能进行无线遥控。 北京日报2 0 0 5 年5 月1 9 日讯记者从中国科学院自动化所获悉，一种新型智能机器 人已在京研制成功，它不但能翩翩起舞，还能和人进行语音对话聊天。头部能够自由运动 的关节有1 2 个之多，这保证了它能模仿人类做出约4 0 种表情。除喜、怒、惊、悲、恐 等常规表情外，机器人还能做一些常人难以做出来的怪异表情，如对眼、斜歪嘴等。 负责“科普娱乐机器人”课题的李成荣研究员告诉记者，新机器人“飞飞” 是他们经过近5 个月研究设计成功的。别小看这个机器人，它身上凝结了自动化所几十 年语音识别、智能控制及人机交互技术等研究成果。 该机器人还是自动化所目前研制出来的惟一一款能跳舞的机器人。让机器人自由的 舞蹈很显然是高科技的一种体现，科研人员在原有机器人的基础上，让机器人“飞飞” 每只手臂能够自由运动的关节有5 个之多。不但可以在程序控制下完成规定的3 个“舞 蹈”，它还能在观众发出动作命令后，完成扩胸运动、敬礼、举哑铃、鼓掌欢迎等相应的 组合动作。 据悉，自动化所在“飞飞”基础上又制造了孪生机器人“童童”它胸前比 “飞飞”多一个大屏幕，可以播放电视资料，也可以作为摄像头为观众拍照。李成荣透露， 目前已有多家本市科普馆和大商场有意购买“童童”作形象大使。“童童”将在6 月下 旬之前完成批量生产，在各种公共场所与广大市民见面。 图1 4 一位孩子被“重鸯”的鬼脸动作迷住 f i g 1 4ac h i l dw a sc h a r m e db yt h eg r i m a c eo f “t o n g t o n g 2 0 0 5 年1 1 月2 6 日上午l o 点半“智能机器人销售员接待日”活动在奥城正式开始。 3 个来自中科院，代表着中国最新研究成果的机器人家族的成员“童童、诚诚和飞飞”， 在奥城与现场观众亲密接触。它们是中国自主研发的新一代智能机器人，代表中国最前 沿的高新技术，其在语音智能方面已达到了世界先进水平。目前，这些新一代智能机器 一d 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 人的综合评定指数排名吐界第三。此次智能机器人登陆奥城，是奥城对最b 口沿科技时尚 掌控的又一鳟咧体现，振志着中澄第一奥运品溪大壤弱嚣托气瞧与数人强暴。 剀1 5 左侧“eb ”，以侧“豪童” f i g 15t h el e f ti s “f e i f e ”t h er i g h ti s 。r o n g t o n g 1 。3 訾蔻鼹务视器人的一些基酗技术发矮状糯程趋势 现在，全世界已有一i r e 百万台机器人在运行，机器人技术已形成为一个很有发展前景 的产业，机器人对国民经济和人民生活的各个方面已产生重要影响，但是应用于各种服 务行业的枧器人还远没有如人们预期的月l l 样在人们的生活中大量出现。这是因为服务机 器人尤其是智能服务机器人，涉及的技术太过于复杂阻。但是得益于相关技术的飞速 发展，比如计算枧和传感器技零，可以浇为智能鼹务枧器入发埏扫清了障碍。一f 嚣将具 体讨沧下智能服务机器人的一些基础技术发展状况和趋势。 ( i ) 更瑟型数人王蛰爱技术的发袋 尽管人们对r 人工智能的定义和发展方向仍然没有统一的观点，然而一些已经得到 的戚暴善f l 重点瓣发展方向大家仍然达到了共识。应爰予整驻辊爨入静入工餐爱孛支零寿羲 许多诱人的研究课题，对新型智能技术的概念和应用研究正酝酿着新的突破。多种方法 港台技术、多专家系统技术、戳器学习、硬软件一体纯和并行分奄处璎技术帮楚快速发 展的领域。而模仿人脑机理和分却式人工智能可能是最有发展的方向。 ( 2 ) 计算处理技术的发展 现行的c p u 运算处理能力正在飞速发展，可以说已经能够满足一般的机器人豇句运算 处理需求了，同时处理软件功能也存不断增强中。计算智能技术的发展，使人们获得受 有效的算法。把进化编摇和遗传算法删予移动机器人自主导航与控制，是智能机器人技 术的最新进展乏一【m 1 。 ( 3 ) 传感器的发展 一s 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 传感器的发展也是非常迅速的。各种传感器的性能不断提高，而价格却不断下降。 常用的传感器类型主要包括用于距离测量的超声波、红外线、激光、静电电容等距离传 感器，用于视频的c c d 、c m o s 摄像头，基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器，以及 一些用于触觉等的新型传感器。 比如编码器、加速传感器、陀螺仪、g p s 系统和激光扫描传感器已经在某些服务机 器人上得到了应用，并且更多类型的传感器还在不断的发展当中。 可以说，现在的机器人上使用的传感器在感知能力上已经大大的超过了人类自身， 传感器的发展己经在服务机器人不再成为瓶颈了。 ( 4 ) 电气机械技术 最新的电气和机械技术能够使服务机器人完全没有障碍的应用于家居和办公环境， 但是在一些特殊场合如消防灭火等场合，系统的稳定性和可重复性还需要进一步提高。 更多的电气和机械加工技术也在不断的发展中，未来的驱动系统将做得更小更高效，一 种新型的形状记忆合金( s m a ) r 被誉为“智能材料”。s m a 的电阻随温度的变化而改 变，导致合金变形，可用来执行驱动动作，完成传感和驱动功能。这将会使得现有的传 感和驱动模式发生巨大变化，将来会出现一些类似生物肌肉的驱动方式，使得服务机器 人的活动更具灵活性【i l - t 2 。 在上述技术基础发展下，针对具体机器人各国都在加大科研力度，进行机器人共性 技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。应用在服务机器人上主要研究内容集中 在机器人控制技术、多传感系统、结构控制一体化、自主和遥控技术、虚拟机器人技术、 多智能体控制技术、微型机器人技术、软机器人技术以及仿人和仿生技术几个方面。 1 2 舞足舀机器人简介 舞蹈机器人既是娱乐机器人的一种，又是集成了多学科前沿技术的运动机器人的一 种。运动机器人的设计和制作，涉及到自动控制、通讯、传感和感知融合、精密机械等 众多学科的研究与综合集成。舞蹈机器人涉及了机电一体化技术、检测和传感技术、精 密加工和机械密封技术、现代化控制技术和管理技术、光电感应技术、计算机程序控制 技术等多个方面。凶此，机器人舞蹈，既具有极强的观赏和趣味性，更是一个系统化的 工程设计。 机器人舞蹈比赛需要多位评委为机器人的表现打分，是一项融技术与艺术于一体的 比赛。在世界重大的r o b o c u p 比赛中，r o b o c u pj u n i o r 比赛的一个最吸引人的比赛项目 就是机器人舞蹈大赛。另外在2 0 0 1 年由日本发起并举办的“国际机器人竞赛 6 东北大学j 士学位论文第一章绪论 节”( r o b o f e s t a ) 中，机器人舞蹈比赛也由最初的表演性比赛发展到现在的正式比赛项 强。嚣今比赛懿整零撬剡类溺，都霰要考虑秘嚣入豹技术含量髑艺末表瑷力嚣方嚣。国 内的中国科技大学、中豳矿业大学等国内知名大学都设立了全校性的机器人舞蹈大赛， 其中中瓣科技大学酶“蓠藉辊稀久竞赛活动”还寝雩 了中央惫键台鼓及其它媒体戆报 道。相信在不久的将来，中国的舞蹈机器人也可以在国际比赛的舞台上翩翩起舞了。 本论文中所研究设计的舞蹈蕊器入跫一个戳是1 5 b o f ( d e g r e eo ff r e e d o m ，宦毒 度) 的舞蹈机器人，该机器人使用舵机来模拟人的关节，一共由1 5 个关节组成，包括 腿关节、手臂关节、腰关节和颈关节等。通过不同关节( 舵梳) 旋转副不同角度位置可 以模仿人的一些基本动作，比如：区立、转身、弯腰、屈膝、行走等。把这些基本动作组 合起来，并配合适当的乐益，就可阻构成套优美的舞蹈表演动作。 1 3 论文的背景和研究意义 机秣人舞蹈比赛是_ i 琏年兴起的一种趣味性很强的机器人比赛项目。享有“机器人王 图”美称的日本在这方磁处于领先地位，比如s o n y 镑能机器人“q r i o ”是擞界上曹 台会跑的双足机器人，o r i o 的舞蹈表演更是令人惊叹! 我们圜家在这个方面也不甘落 后，近年些衰校都在校内开屡了此顼比赛，中国科技大学霉窭中国矿数大学是秘 l 誊我国 此项比煮的领先者。东北大学“牛牛”( n e w n e u ) 足球机器人代表队曾多次参加了“机 器入足球世赛帮褰”( t h er o b o tw o r l dc u ps o c c e rg a m e s ，麓稔r o b o c u p ) 貔孛蘩极器人 足球赛和国际机器人足球联盟( f e d e r a t i o no f i n t e r n a t i o n a lr o b o t - s o c c e r a s s o c i a t i o n ，简称 f i i c a ) 举办视察人足球饿赛杯赛毫载徽篷辍器入足臻赛矮嚣，莠显取褥了骚太秘藏绩。 但在舞蹈机器人这个新兴的比赛项目方丽还没有涉足，适逢在江苏常州将举办“新科导 鸯宠杯”2 0 0 5 中圈辊器入大赛，萁中包话舞蹈辊秣入比赛顼壅，所班我们魏舔住这个税会 研究开发了一个双足1 5 自由度的舞蹈机器人参赛。 该双廷1 5 螽出度舞蹈机器人袋裙愚觚研究1 5 自由葳税器狗的动作编辑藕软硬件控 制入手，并广泛查询图书馆和网上的资料，构造舞蹈机器人的机械结构，设计硬件电路 控制板并开发了上位机动态调试软件和下位视软件。浚辨蹈机器入的开发设计鹰用了机 电一体化技术、通讯、控制技术和计算机程序控制技术等多学科先进技术知识，保证机 器人既要做得结实可靠又要行动灵活，还要能与音乐达成同步。总的来讲，机器人舞蹈 是一静将听觉艺术与视爨艺术棚结合的艺术形式。虽然翦次开发舞蹈机器人，无论扶机 构设计上还是硬件控制电路和程序控制算法上都存在着不足，但是本设计还是有重要意 义约： 7 农毙走学磺士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 瓣蹈机器人是一个高利技的实验、严台，它的研究必将推动多1 研究 领域的发 袋，包括控制、视觉和语青鼋 尉等领域： ( 2 ) 该舞蹈枫器人的设计可以为以后更深入的研究和改进舞蹈机器入提供更多经 验： ( 3 ) 幽内在取足机器人的职铡方面起步较晚，目静还没有在这个领域的相关成果， 本次设计可为研究双足机器人的步行甚至跑步提供更好的研究平台和丌发经 验： ( 4 ) 舞蹈机器人的研究成果可有广泛的应用附景，比如加上语音或者视觉后，可以 赢爨翻导游鼹务蟹业，还可以痰用爨家崴嚣篷嗣+ 3 二爨蹶老夫鞍k 熏等方嚣： ( 5 ) 舞蹈机器人的研究成果有助于人工智能和机器人技术的激育普及。舞蹈机器人 佟为一秘援兵媛乐萑帮残黉性鼹艺零形式，弓l 麓了大键熬，。泛关注，雯缀g | 了 越来越多的中小学生，为青年学，卜接触| ；i 沿科技提供了合适的机会，有助于普 及素质教育和梳辩天技术翔谤 ，反过来瞧定会雯遴一步地穗避久l ：智能和瓿 器人技术的发展； ( 6 ) 钕久式梳器久瓣罨拜镧是智能巍器久研究领域墨蔽买撬藏往的 ；| 趱。通常说凝要 形似又要神似，神似是墩终目标，形似是基础。即便实现形似电不是轻而易举 的事情。不仅需要研究人的膝体动作规律，而且要在机嚣人的胶体动作上体现。 这涉及到仿尘学，动力学，屯机驱动，翻动控制，机电一体化等多学科知识， 如果泌看完黄山世l 二无【l l ，那么研究完拟人式机器人再肴其他智能机器人就有 疆赢螨下的感觉。 1 4 本人的主要工作 在论文工 乍期闯，本人主要 乍了以下工作： ( 1 ) 设计出舞蹈机器人硬件系统并实现了对舞蹈机器人的控制，灏终使舞蹈机器 人可以随麓音乐鲻嬲起舞； ( 2 ) 研究出顺序脉冲法和脉宽差法两种不同的控制多个舵机的方法，并成功应删 到努疆规爨久约关节舵援数控铡中； ( 3 ) 设计出上位机动念调试软件，为舞蹈机器人舞蹈动作的编排年口设计掇供了方 捷： ( 4 ) 配合辩曲“t i m et or o c k ”的竹拍，编排出一套完整优美的舞蹈，并把舞蹈 搬舔久包装成变澎金醺中承撬耩 “擎天豁：”鼹造型，参怒2 0 0 5 年全霞 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 机器人大赛中舞蹈机器人项目的比赛； ( 5 ) 展望舞蹈机器人的未来，提出改进和完善措施。 9 东北大学硕士学位论文第二肇舞蹈机器人硬件系统介绍 第二章舞蹈机器人硬件系统介绍 2 舞蹈视器人控制系统簿会 舞蹈税器入鹈控制系统主要分为硬件系统和较律系统两部分，其串较 孛系统又包括 上位机动态调试软件和下位机软件系统。硬件控制系统是舞蹈机器人控制系统的基础， 软件系统是建立在这个蕊础之上的上层建筑。用户通过上位机动恣调试软件提供的友好 的用户界颟编辑调试舞蹈动作，并制作辩蹈动作数据表，然后撼动作表中保存的各个关 节的位鬣数据通过串行髓发送刘下位巍，下位机软件系统根据接收到的数据控制舞蹈辊 嚣人进行舞蹈表演。整个控制过程可参辫图2 。l 。 17 型 上 通 +誓 恒 东 位 控 辘 信 ! - 控 涮 i ，0 l ，oi 器 撼 恒 控 制 啼 一 _ 涮 筵叠l 醪 爿i 三i 图2 1 舞蹈机器人控制系统椴图 f i g 21d a n c i n gr o b o tc o n t r o ls y s t e md i a g r a m 本章的主要内容是介绍舞蹈机器人的硬件系统，首先从该系统的最基本组成单元一 一驻梳开始讲超，然后介绍了舞蹈杌器人的结构和硬幸掌控青板。 2 2 舞蹈视器人中常幂电视余绍 舞蹈视器入之所以能完成各举卒流畅的舞蹈魂作，在予它身体各个运动部位鄱装有稻 应的动力源( 驱动电机) 。耳前程舞蹈机器人中常用的电机有三类：直流电机、舵机和 步进电丰凡，它们各有优缺点。其中直流电机功耗低、力矩大，通常用于闭环控制系统； 舵枫控制糖确、力矩较小；步逃电机控制精确、功耗较大、力矩较小，通常用谯开环控 制系统。 在表2 ，1 中详镏列出了这三秘电枫的特征比较。 1 0 。 东北大学硕士学位论文 第二章舞蹈机器人硬件系统介绍 表2 1 各种不同类型电机特征比较表m 1 t a b l e2 1c o m p a r i s o no f d i f f e r e n tm o t o r sc h a r a c t e r i s t i c 一般来讲，机器人越大，所需舵机越大，功率也越强。最常见的步进电机一般能驱 动的机器人重量不超过1 2 磅( 1 磅= o 4 5 3 5 9 2 千克) ，而舵机可以驱动重至5 磅的机器 人【1 3 】。 参照上表，又根据舞蹈机器人比赛规则要求：机器人构造不限，参赛者可以根据情 况自由设计；机器人重量不超过3 公斤，体积小于5 0 厘米* 5 0 厘米* 5 0 厘米( 包括手臂 展开) ；还要求参赛机器人在有限的场地和时间内，配合音乐完成舞蹈动作。本课题设 计的双足1 5 自由度舞蹈机器人最终选用了舵机作为驱动电机【1 4 】。 下面将具体介绍舵机的内部结构、工作原理和控制方法等基本知识。 2 3 微型伺服马达基本知识 2 3 1 微型伺服马达简介 微型伺服马达在无线电爱好者的航模活动中使用已经有很长一段历史，而且应用最 东北大学硕士学位论文 第二章舞蹈机器人硬件系统分绍 为广泛，国内称之为“舵机” 15 1 ( 见图2 2 ) ，台义是“掌舵八操纵的机器”。可见，微 整餐藤马达主要麓 筝运动方彝瓣控翻都孛。饲暇马达本沃土是虿定位弱马达。当镯骚马 达接受到一个位置命令，它就会运动到指定的位置。因此，机器人模型中也常用到它作 为可控豹运动关节，这麓活动关节我粕逸常称它为蠡崮度。 圈2 2 微嬲伺服马达 f i g 。2 2m i c r os e l v o m o t o r 微骥伺服马达有着如下优点：大扭力，稳定性好；控制简擎，便于粒数字系统接口； 奉积紧凑，装醚灵活；捆对经漭。但它办有羞先天的不足：首先它是一个糖细的机城郝 件，超出它承受范围的外力会导致其损坏，其次它内臧电子控制线路，不正确的电子连 接也会对它遥成擐毁。因此，缀有必要在搜冀l 越先了瓣霞骚马达豹工 擘摄理，以受造成 不必要的损失。 2 。3 2 微型镯月爱马这内部结构 图2 3 舵机内部结构酗 f i g 。2 3s t e e r i n gg e a ri n n e rc o n f i g u r a t i o nd i a g r a m 如图2 3 所示，舵机内部包括了一个小型直流马达、一组变速齿轮维、一个反馈可 渭电位器和一块邀予控割扳。其中，褰遮转动的童滚马达提供了原始动力，豢动变速( 减 速) 齿轮组，傥之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈 大，也辘是说越l 承受菱丈鼹燕塞，缎转动夔速度也愈低。 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章舞蹈机器人硬件系统介绍 2 3 3 微型伺服马达工作原理及控制 最简单的舵机就是一个直流电机加上一个减速比为1 8 0 ：1 的减速器，同时使输出 转矩增大了1 8 0 倍。由于设置了一个电位器( 可变电阻) 可随时检测输出轴的位置，所 以电子控制板可以将输出轴精确地转至设定的位置并维持在该处。直流电机的这种控制 类型称为电机闭环控制，这也正是“伺服”这个术语的含义。 一个微型伺服马达是一个典型闭环反馈系统，其原理可参看图2 4 。 缝剡赫= 巾 鬣 图2 4 舵机工作原理图 f i g 2 4s l e e r i n gg e a rw o r k i n gd i a g r a m 如图2 4 所示，减速齿轮组由马达驱动，其输出轴带动一个线性的比例电位器作位 置检测，该电位器把转角成比例地转换为电压并反馈给控制线路板，然后控制线路板将 其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向转动，使齿轮组 的输出位置与期望值相符( 此时纠正脉冲趋于o ) ，从而达到使伺服马达精确定位的目的。 这就是伺服马达的工作原理。 那么如何控制舵机呢? 下面将进行具体介绍。 标准的舵机有三条控制线，分别为：电源、地及控制( 见图2 5 ) 。电源线与地线用 于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4 v - - 6 v 之间。通过控制 线给舵机输入控制脉冲可以控制舵机的输出轴转动到指定位置。 幽2 5 艇机的导线 f i g 2 5t h el e a do fs t e e r i n gg e a r 舵机的控制信号是周期为2 0 m s 的脉冲比例控制( p p m ) 信号，其中脉冲宽度通常 在o 5 m s 2 5 m s 之间，相对应舵盘的位置为0 1 8 0 0 ，呈线性变化( 非绝对线性) ，低 电平时间应在5 m s 2 0 m s 之间，并不很严格峙】。也就是说，给舵机提供一定的脉宽， 舵机的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给舵机提 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章舞蹈机器人硬件系统介绍 供另外一个宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。一个外部的控 制器通过p p m 信号来告诉舵机应该转到哪里。这里脉冲的宽度就是舵机控制器需要的 编码信息。请注意这与通常提到的p w m 信号不同。p w m 的占空比( 高电平与整个周 期时间的百分比) 可以从0 到1 0 0 ，而p p m 只是利用2 0 m s 周期时间中的1 2 m s 之间 的 图2 6 p p m 信号图 f i g 2 6p p ms i g n a ld i a g r a m 图2 7 不同占空比的p w m 波 f i g 2 7p w m w a v ew i t hd i f f e r e n tp r o p o r t i o no f p u l s ew i d t h 从图2 6 和图2 7 可以看出p p m 信号和p w m 信号的不同。其中图2 6 给出的是在 1 4 东北大学硕士学位论文 第二章舞蹈机器人硬件系统介绍 典型p p m 信号的两个极限位置时所对应的舵机转臂位置，而图2 7 则显示的是三种不同 占空比的p w m 信号以及它们相应的波形。 表2 2 给出了一个典型的2 0 m s 周期性脉冲的正脉冲宽度与舵机输出臂位置的关系。 表2 2 脉冲宽度与舵机输出臂位置关系对照表 t a b l e2 2r e l a t i o nb e t w e e np u l s ew i d t ha n ds t e e r i n gg e a ro u t p u tp o s i t i o n 输入正脉冲 对应角度 厂 ! ：竺： 厂 ：竺： 厂 ! ：竺 一4 5 0 0 0 + 4 擎 9 伊 上面介绍了如何控制舵机到达指定的角度位置，但是舵机是以什么样的速度到达指 定位置呢? 这就涉及到舵机的速度控制问题，下面将就此问题进行简单介绍。 舵机的瞬时运动速度是由其内部的直流马达和变速齿轮组的配合决定的。一般来 讲，在驱动电压恒定时，舵机的运动速度也恒定。但是在恒定的电压驱动下，可以通过 分段停顿的控制方式来改变舵机的平均运动速度。例如，我们可以把动作幅度为9 0 。的 转动细分为1 2 8 个停顿点，通过控制每个停顿点的时间长短来实现0 。9 0 。变化的平 均速度。对于多数舵机来说，速度的单位由“度数秒”来决定。 2 4 舞蹈机器人结构介绍 本舞蹈机器人是模仿人类的形体结构设计的人形舞蹈机器人，包括颈关节、腰关节、 肩关节、肘关节、胯关节、膝关节和踝关节等共十五个关节旧。并且采用了动画片变 1 5 昏昏骨 东北大学硕士学位论文 第二章舞蹈机器人硬件系统介绍 形金刚中正义机器人领袖“擎天柱”作为外观造型，编排舞蹈动作。下面的示意 图展示了腿部关节和手臂关节的结构【1 7 】，其中胯关节和肩关节分别有2 个自由度，其他 关节各一个自由度。 b t 一胯关节 b 一臃关节 c 一膘关节 d 一扁关节 参考坐标 e 一肘关节 k力e z d z 多葡 、尊 山d y de 腿部关节手臂关节 圈2 8 舜蹈机器人主要关节示意图 f i g 2 8d a n c i n gr o b o t sm a i n j o i n t ss k e t c hm a p 机器人结构设计的关键是稳定性、平衡性和灵活性，同时要保证一定的刚度。因此 舞蹈机器人的结构设计成左右对称，高度适当，上下半身比例协调，确保结构紧凑。关 节连接件的设计要合适，既要保证机器人行动起来灵活自如，动作顺滑平稳，又要具有 一定的承受负载能力。所以选用了密度较小的铝板制作，因为铝易于加工，质量又轻， 不会增加机器人的承载负担。脚底板也选用的是铝板，而且可以稍微大些厚些，并在底 面粘上一些海绵垫之类的软的东西来缓冲行动过程中脚部与地面接触时，地面给机器人 脚部的反作用力，因此增加了机器人动作的稳定性。在舞蹈机器人的头部的正面和左右 侧面上分别粘贴了三个不同的擎天柱头像，这样，当颈关节带动头部左右转动时，人们 从不同角度可以观察到机器人的三种不同的表情变化。 为了保证舞蹈机器人在进行左右弯腰、前后摆臂和步行等运动过程中始终处于稳定 状态，需要把机器人的重心保持在机器人的稳定区域内。因此，除了把机器人的结构设 1 6 东北大学硕士学位论文 g _ - 章舞蹈机