機器人是作爲現代高新技術的重要象徵和發展結果，下面是舞蹈機器人的設計論文，歡迎參考借鑑！
舞蹈機器人的設計論文
【摘要】本文介紹了一款低成本的小型舞蹈機器人的設計。根據仿生學原理確定機器人的比例尺寸，根據機器人的功能要求確定其自由度配置，選擇了合適的材料和驅動元件，實現了一個小型的雙足舞蹈機器人。舞蹈機器人是娛樂機器人的一種，集軟件和硬件於一身，核心是控制系統。採用基於上下位機的控制結構，透過無線通信方式傳輸數據和指令。在音樂特徵識別的基礎上結合專家系統、模糊控制等手段，透過舞蹈動作與音樂的自動匹配、同步演示等方法，實現舞蹈動作與音樂協調一致。舞蹈機器人的設計一般要經過創意提案、整體論證、初步設計、組裝調試、最終定型等幾個大的步驟。其中最重要的當數其中的機械設計環節，它關係到後面機器人的整體性能以及控制系統的設計。
【關鍵詞】舞蹈機器人；AVR單片機；舵機
1.引言
機器人是作爲現代高新技術的重要象徵和發展結果，已經廣泛應用於國民生產的哥哥領域，並正在給人類傳統的生產模式帶來革命性的變化，影響着人們生活的方方面面。機器人一般由執行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統等組成[1]。現在，國際上對機器人的概念已經逐步趨近一般，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。聯合國標準化組織採納了美國機器人協會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是爲了執行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統。”
機器人產業在二十一世界將成爲和汽車、電腦並駕齊驅的主幹產業。從龐大的工業機器人到微觀的納米機器人，從代表尖端技術的仿人型機器人到孩子們喜愛的寵物機器人，機器人正在日益走進我們的生活，成爲人類最親密的`夥伴。機器人技術和產業化在全中國甚至全世界擁有一定得現實基礎和廣闊的市場前景。本次設計採用Atmega16L單片機作爲雙足機器人控制單元的核心，具備自主決策和智能判斷的能力[2]。使用六個FutabaS3003舵機作爲關節驅動和一個微機板作爲舵機的驅動控制機器人完成各種動作。該舞蹈機器人雙腿關節採用6個FutabaS3003舵機，能夠可靠地負載起手臂和身軀。微機板放在背部，用以充當機器人的身軀，手臂安裝在微機板兩側；利用舵機調試程序對舞蹈機器人的每個動作進行編排、採樣，最後將一個個動作連貫起來編譯下載，在團隊的共同努力下完成跳舞機器人。
2.機器人總體方案設計
2.1 舞蹈機器人總體分析
要設計和開發一個舞蹈機器人，首先應該對其進行總體分析和設計，確定舞蹈機器人的功能，基本結構和系統配置。舞蹈機器人的設計一般要經過創意提出、整體論證、初步設計、組裝調試、最終定型等幾個大的步驟。其中最重要的當數其中的機械設計環節，它關係到後面機器人的整體性能以及控制系統的設計。
該雙足競步機器人設計的目的是要實現擬人下肢多自由度得平穩行走，在實現這個功能的前提下爲降低設計的難度，我們按照目前世界上各研究機構普通採用的下肢6個自由度的關節配置形式，來實現行走功能所必須的各關節自由度分佈，具體自由度配置爲單腿髖關節1個，膝關節1個，踝關節1個[3]。髖關節用於擺動腿，實現邁步，並起到了輔助平衡作用。膝關節主要用來調節重心的高度，及改變擺動腿的着地高度，使之與地形相適應。踝關節用來和髖關節相配合實現支撐腿的移動，以及調整與地面的接觸狀態。其結構圖大致與下圖1相似。
2.2 系統結構設計
根據確定的自由度配置方案以及選用的舵機、微機板，設計機器人的零件。本着結構簡單、儘量採用通用零件、外形美觀等原則，對機器人的結構及外觀進行優化。
實現舞蹈機器人運動的基本問題是對機器人各關節位置、速度伺服控制和協調控制。如果把連桿以及關節想象爲機器人的骨骼，那麼驅動器就起到肌肉的作用，它透過移動或轉動連桿來改變機器人的構型。驅動器必須有足夠的功率對負載加速或者減速。同時，啓動器本身要精確、靈敏、輕便、經濟、使用方便可靠且易於維護[4]。
舵機是一種最早應用在航模運動中的動力裝置，是一種微型伺服馬達，它的控制信號是一個寬度可調的方波脈衝信號，所以很方便和模擬系統進行接口。只要能產生標準的控制信號的模擬設備都可以用來控制舵機，比如PLC、單片機和DSP等。而且舵機體積緊湊、便於安裝、輸出力矩大、穩定性、控制簡單。根據所需的驅動力矩要求和性價比方面的考慮，我們決定選用日本雙葉電子工業株式會社生產的大扭力齒輪舵機。該類型舵機價格適中且規格參數能夠滿足舞蹈機器人的各項性能要求。因此在綜合了開銷，性能等一系列因素後我們選擇了FutabaS3003這款舵機。
3.控制系統硬件設計
主板是以Atmega16L單片機微控制器爲核心，包括電源模組、USB下載模組、ISP下載模組、電機驅動模組、外部晶振以及各種I/O接口。
本設計所選舵機爲日本雙葉電子工業株式會社生產的FutabaS3003舵機，該類型舵機的扭力達到4.1公斤且爲同軸雙端輸出銅合金齒輪舵機。價格適中且規格參數能夠滿足雙足機器人的各項性能要求[5]。並且可以進行模擬位置鎖存，大大減少控制端的數據量，適合多級聯動控制。裝有防撞減震軸承，減少磨損，並且密封。採用國際標準的PWM控制格式，便於移植到其他平臺使用。因此在綜合了開銷，性能等一系列因素後我們選擇了FutabaS3003型舵機。舵機FutabaS3003實物圖2所示。
FutabaS3003舵機的轉角達到180度，由於採用8位CPU控制，所以控制精度最大爲256份。經過實際測試和規劃，分了250份。將0-185分爲250份，每份0.74度。控制所需的PWM寬度爲0.5ms～2.5ms，寬度2ms。舵機的控制信號是脈衝位置調製信號，週期一般爲2ms，當方波的脈衝寬度改變時，舵機轉軸的角度發生變化，角度變化與脈衝寬度的變化成正比。一般舵機的輸出軸轉角與輸入信號的脈衝寬度之間的關係可用下圖3所示。 4.控制系統的軟件設計
爲了實現模型樣機的實驗調試，在硬件基礎上進行了系統軟件設計，透過對實際機械系統運動控制理論研究，規劃了一套簡便的調試方案以驗證樣機設計的合理性，並進行對預訂步態的相應關節控制調試和可行性驗證。
ATmega16是基於增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由於其先進的指令集以及單時鐘週期指令執行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。
由於單片機功能的限制，複雜的動作編制、舞蹈的設計不可能在單片機上進行，而且對於人機交互等在單片機上不好實現。所有必須要有上位機的協助，透過上位機，實現舞蹈動作的編寫以及調試。如基本的前進，後退，轉身，彎腰，搖頭等[6]。上位機還負責同下位機的交互，人機接口等。
舞蹈動作設計得再完美，再漂亮，最終都要體現在機器人的行走上。運動控制主要有兩個方面的內容，一方面是編寫完美的舞蹈動作，另一方面就是如何精確實現設計好的舞蹈動作。也就是說如何精確地控制電機/舵機，讓多個電機準確快速，穩定地到達指定的位置，並且實現24個電機的協調工作。
串行通信子程序主要用於處理單片機與上位機之間的通信，實現從上位機接收控制指令和動作數據功能。單片機與上位機之間採用半雙工通信方式，但是主要還是採取數據的單向傳輸方式，即主要由上位機向單片機發送指令和數據，而單片機並不向上位機發數據，僅僅是在二者通信之前向上位機發送應答信號，以確認二者之間通信成功與否。因此，此處主要討論由上位機發送單片機接收的通訊方式。
5.舞蹈機器人設計總結
舞蹈機器人比賽是機器人比賽中具有很強觀賞性和趣味性的高技術對抗賽，舞蹈機器人的製作涉及機械、電子、自控.通訊、傳感，人工智能、機器人學、精密機構和仿生材料等多個領域。
舞蹈機器人的製作一般要經過創意提案、初步設計、詳細設計、製作調試4個階段。我們在製作過程中，考慮具體情況，分步細化，按照流程來控制節點，達成目標。
舞蹈機器人的動作是表現在一定時間序列上的窒間位姿（位置和姿態）的集合。
舞蹈機器人動作設計和實現的方法一般是借鑑機械臂軌跡的控制方式，在不同的平臺和技術水平基礎上採用相應的方法[7]。以下是我們在舞蹈機器人動作設計與實現研究和應用的3類方法：直觀估測法、動作示教法、虛擬仿真法。這些方法是從不同的研究目的和舞蹈機器人動作的控制要求出發的，虛擬仿真法能夠實現對舞蹈機器人動作的精確控制。
6.結論
本文設計了一款結構緊湊、外觀美觀的小型雙足機器人本體，機器人共10個自由度。它能自由行走，進行舞蹈表演。此外本系統爲雙足機器人的研究預留了足夠的擴展空間，它能夠在本系統上模擬，研究其運動規律，爲研究智能機器人，機器人學習、運動等提供了一個可靠的平臺。整個設計過程中，在機器人的機械結構設計上我們曾經遇到了很大的困難，好幾次的設計都由於不符合要求已經被改的面目全非。好在全組成員團結合作，最終解決了機械結構的問題。在使用ATmega16L的開發過程中，我們也充分體會到了這款單片機的性能優越性和便利性，其單芯片設計方案對提高產品集成，降低系統成本有很大的幫助。
參考文獻
[1]漢中，馮雪梅.人形機器人技術的發展與現狀[J].機械工程師，2006，19（4）：133-134.
[2]張效祖.工業機器人的現狀與發展趨勢[J].世界製造技術與裝備市場，2004（5）：33-36.
[3]蔡自興.21世紀機器人技術的發展趨勢[J].南京化工大學學報，2000，22（4）：73-76.
[4]畢勝.國內外工業機器人的發展現狀[J].機械工程師，2008（7）：5-8.
[5]陳秀珍，潘拓.21世紀初機器人技術的走向[J].中國設備工程，2007（11）：30-32.
[6]宋建國單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.
[7]付麗，劉衛國，伊強.單片機控制的多路舵機用PWM波產生方法[J].驅動控制，2006，2：28-33.
[8]徐玉，韓波，李平.基於AVR的舵機控制器設計[J].工業控制計算機，2004（11）：38-40.