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1、题 目： 可自动分离的多形态舞蹈机器人 摘要（中英文）摘要（中英文）该项目可自动分离的多形态舞蹈机器人，可自由的进行多种形态的变化如四足机器人、 四轮小车、双足直立机器人等，并且可以依靠电磁铁自主实现机器人的连接与分离。 该项目是机电一体化的典型代表，也是自动化技术的展现，涉及的知识面极为广泛，涵盖机械结构的原理与设计、硬件电路的设计和程序的算法设计和实现等。The project -A dancing robot which can automatically separate into a variety of morphological freely, such as four-legg
2、ed robot、 little four-wheel car、 upright bipedal robot, and can be separated or connected by the electromagnets. The project is a typical representative of the mechanical and electrical integration, as well as the embodiment of the automation technology, which is involving an extremely broad range o
3、f knowledge, covering the principles and design of the mechanical structure, the design of hardware circuit，and the algorithm design and implementation of procedures etc.1.引言引言机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一，自 20 世纪 60 年代初问世以来，经历 40余年的发展已取得长足的进步。到现在为止，机器人的种类已有几百种，以应用到生产和生 活的各个领域。随着人们物质生活的提高，精神生活以引起了人们的重视。在这
4、种情况下， 舞蹈机器人便应用而生。 舞蹈机器人作为一种极具娱乐性观赏性的艺术形式，吸引了越来越多的学生，为他们接触 前沿科技提供了合适的机会，有助于普及素质教育和机器人技术知识，这反过来也会促进人 工智能和机器人的发展；在导游服务行业，有一定的应用前景。 同时可分离机器人的灵活性更大，其自动分离与自动对接技术的实现更加增加了其观赏性。 除此之外，其自动变形技术更加增加了其观赏性。 除了观赏性外，还可以对其程序进行改变，改变其功能，凭借其灵活的变形手段，和变形 为车的能力，还有自动分离自动对接技术，可以实现地形侦查，环境监测，自主爆破等功 能。是一个绝佳的，多功能的可拓展的机器人。2.系统方案系
5、统方案 在该机器人的设计中主要进行机械结构设计、驱动机构设计、驱动器及电源选择、硬件电 路设计及软件算法实现等。1、 机械部分机械部分： 稳定性、平衡性和灵活性，同时保证一定的刚度；关节连接件的设计要合适，保证机器人 行动起来灵活自如，动作顺滑平稳，并且具有一定的承受负载能力；机器人重心的确定， 硬件控制电路板和电池等负载如何放置，机器人对接分离时，平稳灵活 2、 动力源：动力源：驱动源的选择在保证稳定性、平衡性和灵活性的前提下，实现低成本、低功耗。 3、 电源要求：电源要求： 由于机器人的几何尺寸的限制，所以电源体积又不能过大；容量不能过小，至少满足一 次完整跳舞过程；电源内阻不能过大，减小
6、功耗；电源提供电机和逻辑电路的电压要求。4、 硬件控制板：硬件控制板：1）微控器的选择要求：低功耗，处理数据快。 2）信号调理电路的要求：抗干扰性强，稳定性强。 3）稳压电路要求提供大电流，并能承受舵机转动的瞬时电流冲击。 5、软件设计：软件设计： 1）实时性：在一定时间间隔内，完成一系列的软件的处理过程，所以要求所有程序必须 是非阻塞程序。 2）平稳性：要保证机器人运动的平稳性必须想办法降低机器人的运动速度，即舵机的转 动速度，后来采用内插法，进行舵机转速的调整。 3）连续性：为了保证所有舵机转动的快速切换，所以采用中断方式，从而保证每个舵机 都可以按要求转动。3.系统硬件设计系统硬件设计硬
7、件设计主要包括机械结构设计和硬件电路设计，再次主要对硬件电路进行介绍，机械结构 设计见附录一。 （1）430 最小系统12Y2 32.768k4K7R1 S1RESET12 34 56 78 910 1112 1314COM1JTAG12Y1 4M20PFC320PFC43.3V3.3V104C13.3V1 2 3 4P8Header 4GNDP_42P_43P_44P_45P_46P_47DVcc1P6.3/A32P6.4/A43P6.5/A54P6.6/A65P6.7/A76VREF+7XIN8XOUT/TCLK9VeREF+10VREF-/VeREF-11P1.0/TACLK12P1.1
8、/TA013P1.2/TA114P1.3/TA215P1.4/SMCLK16P1.5/TA017 P1.6/TA118 P1.7/TA219 P2.0/ACLK20 P2.1/TAINCLK21 P2.2/CAOUT/TA022 P2.3/CA0/TA123 P2.4/CA1/TA224 P2.5/Rosc25 P2.6/ADC12CLK26 P2.7/TA027 P3.0/STE028 P3.1/SIMO029 P3.2/SOMI130 P3.3/UCLK031 P3.4/UTXD032P3.5/URXD033P3.6/UTXD134P3.7/URXD135P4.0/TB036P4.1/TB
9、137P4.2/TB238P4.3/TB339P4.4/TB440P4.5/TB541P4.6/TB642P4.7/TBCLK43P5.0/SET144P5.1/SIMO145P5.2/SOMI146P5.3/UCLK147P5.4/MCLK48P5.5/SMCLK49P5.6/ACLK50P5.7/TBoutH51XT2OUT52XT2IN53TDO/TDI54TDI55TMS56TCK57RST/NMI58P6.0/A059P6.1/A160P6.2/A261AVss62DVss63AVcc64F149F149P_41 P_401 2 3 4 5 6 7 8P11A0A1A2P_50P_5
10、1该系统主要包括 JTAG 仿真下载接口、复位及振荡电路，主处理器用 msp430f149，首先其价格 低廉，并且有很强的数据处理能力还有足够的容量来存储动作数据，除此之外还有足够多的I/O 口对舵机及电磁铁进行控制。 （2）430 供电模块LM117-3.3 是典型的三引脚稳压芯片，可以提供稳定的 3.3V 左右的稳定电压。（3）模拟电源模块10uFC2VinVout GNDU2LM117-3.310uFC512P18其中 UPC24A05 芯片可以产生 5V/3A(MAX)的电压足够为舵机提供电源。 （4）舵机驱动电路Ib=Ui/R4; Ic=(1+)*Ib; Uo=5-Uc=5-(R2*
11、Ic)=5-(1+)*(R2/R4)*Ui; 所以输入电压 Ui=2.5 时输出电压 Uo=0V; 所以输入电压 Ui=0 时输出电压 Uo=5V; 因为 430 芯片的输出电压大概在 2.5V 左右，而舵机控制脉冲的高电平至少要 3.5V 的电压， 所以在此处用三极管进行简单的信号放大，使其足以驱动舵机。（5）电磁铁驱动电路该电路包括两部分，左图为三极管放大电路，右边为场效应管开关电路。 场效应管采用 2SK3483，因为其可以通过高达 60V 的电压，并且电阻极小，是非常好的电子开 关之一，用来控制要通过大电流，大电压的电磁铁十分理想。它为 N 沟道绝缘栅型场效应管， 其导通电压最大值为
12、2.5V，典型值为 2V，而 430 单片机的 I/O 口输出电压最大只有 2.5V，为Vin1GND2+5V3U1UPC24A05D11N4148104C8 22uFC7D3 IN58191KR24D2 LED15V12 34P1512V132VVGNDINOUTU3 780522uFC9104C105VsS2Q1 90132KR2510R45VP_40PW_40SGNDQ10 90132KR19510R215VP_50PW_50GNDQ9 2SK348325R181 2P12Header 212VPW_50了保证其完全导通所以将 I/O 口的输出电压先用用三极管进行放大然后再将其连接场效应
13、管， 进行场效应管的控制。4.系统软件设计系统软件设计整个系统软件的主体是机器人的动作控制程序，整套动作可以划分为 5 个部分。 （1） 机器人的两部分相结合成为一个完整的双足机器人，在该部分机器人主要进行双手、 双臂的动作，包括曲臂、伸臂、摆手等。 （2） 在该部分机器人弯腰变形成为四足机器人的第一形态，该形态的主要运动方式是依 靠四足转动产生的摩擦力是机器人进行滑步运动，该部分要求对每个舵机（该款舵 机可进行 360 度旋转）的转动方向，转动速度进行严格控制，只有这样，才能是机 器人平稳滑步，当然通过四足转动速度的调整也可以随意改变机器人的滑动方向。 （3） 该部分通过机器人通过对脚部接触
14、地面角度的控制使其达到四足机器人的第二形态， 此形主要适合在大摩擦力的环境运动，该部分通过对四足爬虫爬行动作的模仿而实 现运动。 （4） 在这个部分四足机器人又进行下一形态的变化变形为四轮小车，进行车类运动。同 时该部分也有四轮小车的第二形态。 （5） 此时机器人又从小车变为四足机器人，然后通过对电磁铁的控制实现机器人的自动 分离而成为两个非完整双足机器人。该机器人又会进行劈叉、弯腰、变形、鞠躬等 动作表演。 所有这些动作都由程序实现、这些动作的控制数组也存储在 430 芯片内。 因为整个程序的子程序很多，所以为了保证程序的实时性必须保证所有的程序均为非阻塞 程序，并且要配合定时中断合理的进行
15、各程序间的切换。 其中舵机的减速程序和 8 路舵机 PWM 控制信号的实时产生为算法精华和重点。而动作数 据库的建立相对简单就不在赘述。主要对 8 路舵机的控制程序进行介绍。详细描述： （1） 对 8 个舵机进行角度初始化，并保存于数组 pre_action 中。 （2） 调用动作数组的第一个动作。 （3） 将其保存于一个数组 now_action 中。 （4） 用 now_action 数组中的角度值减去数组 pre_action 中的角度值将其差值存于 cha_action 中。 （5） 采用内插法调整舵机转速，控制 8 个舵机分别转到 now_action 中的角度处。 （6） 将数组
16、now_action 里的值保存于数组 pre_action 中。 （7） 重复（2）（6）过程。 关于内插法的详细描述： （1）我们知道模拟舵机的控制方法是在周期为 20ms 的脉冲信号中控制高电平时间为0.5ms2.5ms 之间，即调节其占空比而控制其转动角度。如： 高电平为 0.5ms 时舵机的角度为-90 度。 高电平为 1.5ms 时舵机的角度为 0 度。 高电平为 1.5ms 时舵机的角度为 90 度。（2）内插法就是在舵机欲抵达的角度 Q 与现在角度 P 之间等间隔的插入 n 个角度值，这 样使舵机转动 n 次每次转动很小一个角度，但是每次所需的时间都至少为一个周期即 20ms 这样舵机总共转动的时间就增加了 n 倍，即舵机转动速度也减少了 n 倍。 （3）详细的该部分代码见附录二。5.系统创新系统创新（1）机械结构设计方面，可以实现机器人多个形态间的自由切换。 （2）
