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1、河南科技学院2014届本科毕业论文（设计）基于单片机的舞蹈机器人控制系统设计学生姓名： 所在院系： 机电学院 所学专业： 电气工程及其自动化 导师姓名： 完成时间： 2014年5月24 日 基于单片机的舞蹈机器人控制系统设计 摘要机器人是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机器人产品，本文介绍的就是其中的舞蹈机器人。舞蹈机器人的设计，首先通过对人类动作的深入了解，分析人类的动作特性，确定机器人的基本构成并选择
2、合适的机械构造，本设计舞蹈机器人采用钢材结构，用舵机充当机器人关节，可实现类人结构。并且与控制对象跳舞机器人的工作原理、动作过程进行比较，从而选择出组装机器人的造型，文中并分析机器人动作的局限性与优势。同时本毕业设计介绍了基于AT89C51单片机的舞蹈机器人控制系统的设计，包括硬件部分和软件部分。硬件部分介绍了舞蹈机器人控制系统的各模块，包括电源模块、单片机及外围接口电路模块、存储模块、串行通信模块、电机驱动控制模块及防碰撞模块六大部分；软件部分包括设定机器人的舞蹈动作程序。详细阐述了系统的硬件实现方案和软件设计思想。根据要求舞蹈机器人控制系统采用分时复用的方法，利用PWM信号对驱动电机进行控
3、制，用以完成作品设计。关键词：单片机，PWM信号，舞蹈机器人，舵机，直流电机MICROCONTROLLER-BASED ROBOT CONTROL SYSTEM DESIGN DANCEAbstractRobot is a typical mechatronic device, which combines the use of the latest research machinery and precision machinery, microelectronics and computer, automatic control and drive, sensors and informa
4、tion processing, and artificial intelligence, multi-disciplinary, with the economic development and the lines each industry to raise the required degree of automation, robotics technology has been developing rapidly, there has been a wide range of robotic products described in this article is one of
5、 the dancing robot.Design dancing robot, first through in-depth understanding of human action, human operating characteristics analysis to determine the basic structure of the robot and select the appropriate mechanical construction, the design of steel structures using robot dance, act as a robot w
6、ith a steering joint, enabling the class human structure.And dancing robot control object works, the course of action are compared to select the shape of the assembly robot, the paper analyzed the limitations and advantages of robot action.Meanwhile, the graduation project presentation based on AT89
7、C51 dance robot control system design, including hardware and software components.Hardware section describes the various modules dancing robot control system, including the power supply module, microcontroller and peripheral interface circuit module, memory module, serial communication module, motor
8、 drive control module and anti-collision module six parts; Software includes setting the robot dance program.Elaborated hardware implementations and software design. Dancing robot control system according to the requirements using time division multiplexing method using PWM control signal to the dri
9、ve motor, designed to complete the work.Keywords: microcontroller, PWM signal, dancing robot, steering, DC目 录1 绪论12 方案论证取优及控制系统设计12.1 设计功能要求12.2 方案论证取优22.3 自由度的分配22.4 电机的选择42.5 舞蹈机器人的机械部件52.6 系统设计方案分析53 系统硬件选型63.1 单片机可编程控制器部分63.1.1 单片机概述63.1.2 单片机选型63.2 电源模块73.3 串行通信模块73.4 存储模块83.5 电机驱动控制模块83.5.1 舵机
10、的驱动控制模块83.6 防碰撞模块124 控制系统软件设计124.1 主程序134.2 定时器中断服务子程序134.3 串行中断服务子程序144.4 外部中断服务子程序145 结论15参考文献16附录17致谢231 绪论40年前，比尔盖茨放弃学业，创立了微软，成为个人电脑普及革命的领军人物；10年前，他曾预言，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，10年的时间验证了他的话是正确的。机器人是人类20世纪最伟大的发明之一，在短短的几十年内就发生了日新月异的变化。可以从近几年世界范围内推出的机器人产品看出来，机器人技术正
11、在向智能化、模块化和系统化的方向发展。其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的的开放化；PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化。随着社会对服务业的需求不断扩大，可以代替人的机器人将会有更广阔的前景。社会的进步和生活水平的不断提高，使人们对传统的娱乐方式产生了厌倦，对娱乐也有了新的认识和更高的追求。为了满足人们的需求，出现了会跳舞的机器人， 舞蹈机器人在日本、韩国、美国、中国等各个国家都先后有不同程度的发展，尤其是在日本已经有突破性的发展。在机器人科技方面，中国还处于萌芽阶段。近几年，先后在科研、军事、工业、农业等各领域都有应用，尤其在工业中的应用最多，范围最广。 就中国而言，
12、机器人很少向娱乐行业发展，本文介绍了基于AT89C51单片机的舞蹈机器人控制系统的设计，为机器人在娱乐领域的发展略尽绵力。舞蹈机器人出现在娱乐舞台上时，必将使娱乐方式更加时代化、多元化，使娱乐内容更加丰富多彩。它不仅可以填补老人们的空虚与无聊，更满足了青年和儿童的好奇心，而且可以将舞蹈动作用数字记录下来，方便了文化的快速传递，从而实现了在数字时代背景下传统文化的传承。同时也能激发人们对新科技的认识和再创造。2 方案论证取优及控制系统设计2.1 设计功能要求舞蹈机器人集软件与硬件于一体,是一个比较完善的系统,其设计需要控制、机械、舞蹈与音乐等各方面的相互融合。控制系统则是整个舞蹈机器人的核心,其
13、设计的好坏,将严重影响到整个舞蹈机器人的性能。舞蹈机器人的控制系统包括硬件电路与软件设计两方面，整个舞蹈机器人控制系统的设计与实现过程，具体控制要求如下：（1） 本系统采用分时复用的方法,利用PWM信号对驱动电机进行控制。（2） 能正确接收PC指令。（3） 可实现舞蹈动作的编辑存储。（4） 能驱动电机实现舞蹈动作。（5） 能进行碰撞保护。2.2 方案论证取优随着世界第一台工业机器人1962年在美国诞生，机器人已经有了五十多年的发展史。五十多年来，机器人由工业机器人到智能机器人，成为21世纪具有代表性的高新技术之一，其研究涉及的学科涵盖机械、电子、生物、传感器、驱动与控制等多个领域。世界著名机器
14、人学专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能。”两足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。两足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，对环境有很好的适应性。双足机器人具有支撑面积小，支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点。是其中最复杂，控制难度最大的动态系统。但由于双足机器人比其它足式机器人具有更高的灵活性，因此，设计成仿人形的舞蹈机器人优先选择两足步行系统。其典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可
15、以有一定角度的相对转动。舞蹈机器人的运动全靠下肢支撑，因此采用两足步行机器人的两足步行系统。2.3 自由度的分配舞蹈机器人（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。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，左右转弯和前后摆动手臂，举手投足、转圈、头部动作灵活。下肢确定采用两足步行机器人的两足步行系统，舞蹈机器人的机械结构可以确定，具体如下：舞蹈机器人设计成仿人形，分别具有上下肢、头部、腰部等关节，能够模仿人类基本的动作，其机械结构如图所示。（1）头部。具有个自由度，实现头部的左右转动。（2）上肢。每只手各具有4个自由度，分别实现肩部的左右摆动、肩部的前后摆动、手臂的转动和肘关节的摆动，手的转动和腕关节的摆动。（3）腰部和下肢。腰部和下肢通过髋关节相连，髋关节配置3个自由度，包括转体(roll)、俯仰(pitch)和偏转(yaw)自由度，膝关节配置一个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。这样，每条腿配置6个自由
