跳舞机器人的设计.doc

精品文档跳舞机器人的设计 摘要：随着社会发展，机器人已经渗透到我们的生活、工作和经济方面，机器人的研究和发展对于经济发展有很多影响。这篇文章主要是讲述跳舞机器人的设计和工作原理。此设计以Arduino系列Atmega328芯片为MCU，介绍了通过舵机驱动模块、红外线收发器、超声波模块、语音识别模块实现跳舞、遥控、行走避障、语音控制的功能。整个系统具有鲜明的模块性、简单明了、设计方便等特性。 关键词：Arduino 跳舞 避障 遥控 语音识别 跳舞机器人 中图分类号： TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）11-0000-00 1 前言 机器人作为20世纪最为伟大的发明之一。在短短的几十年内发生了日新月异的变化。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。作为当代电子信息工程专业的大学生，理应顺应时代需求，积极创新，在学术上应不到思索，不断深入。本次跳舞机器人项目在前人开发基础上，进行的拓展和创新，通过MCU的和传感器的控制，实现简单的行走壁障和跳舞功能。 2 跳舞机器人的工作原理 本设计是一个能完成简单人体功能、模拟跳舞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，行动频率一秒两步，并具备语音识别功能。通过语言识别模块，可以对机器人实现语音控制。机器人包括头部、腰部、双臂、双足、底盘，分别通过舵机控制。知识涉及力学、机构学、电子学、自动控制、计算机和人工智能等。 跳舞机器人所有舵机通过32路舵机控制器控制，只需改变舵机的转动角度，就可以模拟出人的各种动作。舵机分布如图1所示。 机器人跳舞有一定的局限性，由于体积、舵机只能在一个平面上转动，导致不能像人类一样灵活自如，但是人类简短的肢体动作能够完成。把一连串的肢体动作，连贯的完成，就能实现简单的舞蹈。动作完成的时间是通过计算舵机DIV得来的。调试动作有一个特性，双臂可以自由发挥，但双足舵机转动的角度就需要控制好，防止“摔倒”。 3 硬件系统的设计 3.1主控芯片MCU 据了解，在制作DIY和其他工艺品时，硬件的体积是一个很重要的部分，体积太大，会导致做出来的成品体积也会很大，影响美观，更影响实现现象的质量。 而Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）。它适用于爱好者、艺术家、设计师 。刚好符合需求，所以选择了Arduino系列Atmega328单片机芯片。 3.2舵机控制模块 32路舵机控制器可以通过Arduino的USB串口与计算机连接（USB和UDB），也可以直接与电脑连接实现通讯。然后通过调试软件，把已经调试好的动作保存在驱动模块的存储器内，并且按组保存。行走、左右移动、跳舞的实现是调用相应组的数据。32路舵机控制器通过UART串口（RXD和TXD）与Arduino芯片实现连接。 3.3传感器模块 超声波壁障是通过超声波测距的功能来实现的，当超声波检测的距离小于设定的值时，MCU就会给32路舵机控制器一个左移的指令，并且只要距离一直小于设定的值时，就会保持相同的指令。当距离大于这个值时，MCU就发送一个前进的指令。 语音识别选用LD3320语音识别模块，通过写入识别表来判断接收到的语音，并且在确定语音信号后，给MCU一个对应的指令，MCU接收到后在给32路舵机控制器一个指令，然后驱动芯片就输出相应的动作。 红外线遥控通过一个红外线发射器和接收模块来实现的。当MCU通过接收模块接收到发射器发来的码值时，按照其编码调用相对的动作。 总系统框图如图2所示。 3.4电源模块 供电电池需要选择大倍率放电的航模锂电，普通锂电池是不行的，根据舵机的总需求电流来选择合适电池，并不是容量越大越好。整流桥需要使用大功率整流桥，标称通过电流至少25A以上，如果机器人使用中整流桥太热可以再多并联几个。 3.5舵机控制原理 舵机的转角范围为0185，共分为250份，没份为0.75。控制需的PWM宽度为0.5ms2.5ms，宽度为2ms；PWM信号=1/8us。舵机控制中PWM和转动角度的关系如图3所示。 4 软件的设计 Arduino语言基于wiring语言开发的，其便捷在于其编程软件内带有各种库，包括超声波传感器、红外线传感器、PID算法和软串口的设定等。在编程时，通过定义头文件，就可以调用相应的库，并定义输出方式，实现相应的功能。 本次编程主要实现机器人的动作，通过UART串口输出程序 Serial.println（）语句，对要控制的动作组进行调用（串口波特率为115200）。通过switch（）、case语句判断各个指令，调用动作组。 5 结语 机器人学已经发展成一门综合机械、电气、自控、计算机、工业等多种工程学科基础知识和创新能力的举足轻重的学科。机器人制作者需对各项科学技术的综合运用，尤其在自动控制和智能化方面。在这次跳舞机器人的制作过程中，深深的体会到科学技术的无穷魅力，在浩瀚的知识世界里遨游感到自己才薄识浅，团队意识在制作中的重要性。“掌握知识，实事求是，实践中创新”是这次项目中最深刻的体会。 参考文献 1张建民.机电一体化系统设计M.3版.北京：高等教育出版社，200