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摘要：舞蹈机器人是一种娱乐类机器人。本文针对其设计结构，以及操控性能的要求，以51系列单片机为处理器，设计和实现了基于舵机达到控制机器人舞蹈动作的效果。
关键词：舞蹈机器人；51单片机；舵机
1设计机器人技术的难点和关键点
通过对参加2007年Robocup的比赛，发现设计机器人的难点和关键技术主要在以下方面：1）控制软件。目前，市场上仅有同时支持16个舵机运转的软件，也就是这款软件的控制通道只有16个，不足以满足这款有两个直流电机与26个舵机的机器人实际需求。由于51单片机的端口有限，所以只能把16通道升级为24通道，创造性的用一根线连接两个舵机，即往两个极位角相差180的舵机上传送同一个信号，最终实现了机器人变形后翅膀和机翼的动作；2）对机器人直流电机的控制。要单独设计电路板，以确保动作的准确性，避免线路之间信号造成的互相干扰；3）机械设计方面。机器人在设计尺寸上有严格的规定，其自身的构造必须要科学设计，要合理分布其自身的重量，以便于达到机器人重心尽可能得到合理调整的目的，同时还要二次加工个别位置的舵机[1]。
2具体实现过程
1）机械设计。以前研发比较成熟的机器人为基础，添加一些类人型舞蹈动作模块，如手指、腕部、腿部、头部等部位的模块。机器人通常使用3种电机，也就是步进电机、直流电机和舵机这三种。通过对这三种电机进行综合对比，舵机最终被决定用在机器人的各个关节部位，但机器人变形后的轮子，则是用直流电机来驱动。这样机器人电机的安装可以结合自身的结构特点省去麻烦，还能使电池的负载大大减轻。机器人采用SolidWorks2006来构建三维建模平台，在整体建模结束后，所进行的工作模拟仿真一般是通过Solidworks的COOS/Motio模块来实现。当前面临的难题是选择机器人本身材料。大家都很难完美解决机器人自身重量和结构强度的矛盾，综合考虑多方面原因，决定采用铝合金构件来作为机器人的整体结构，把电木板材构件应用于摩擦较剧烈的部位。有机玻璃不仅美观，抗冲击性能还比较稳定，所以把其用于脚掌部位。上述做法，都是为了让机器人具备高强度的同时，还必须控制其重量在规定的范围里。为防止机器人舵机的连接件出现故障，特意采用同轴连接器对舵机实施二次加工改造，提升了舵机的稳定性，后来舵机连接件几乎没有发生过脱落现象。2）控制系统设计。控制电路系统采用Atmel8051单片机，12MHz晶振，RS232通讯部件，I2C总线插座，24路舵机控制器接口。操作软件采用24路舵机控制器，是由我国自主研发，与机器人的连接通过串口实现，拖动数据滑杆即可实时操控机器人[2]。由于端口通讯的实时性较强，所以舵机能够实时对信号做出响应，做出想要的舞蹈动作。可以把各种舞蹈动作制作成相应的数据，并把其存入数据库里，借助Access和MATLAB，数据库可以对其进行数据的编辑和处理，使单个机器人的数据在不同机器人上实现共享，减少后期动作编排的麻烦。可借助软件对动作数据进行后期处理，处理后的数据格式能被单片机直接识别，利用Top2003编程器写入24C64，而后将其插入I2C插槽。拨动机器人开关后，其可直接读取于E2PROM中的数据，机器人能独立表演舞蹈。表演前，要加装无线收发模块，跳线后，通过遥控器就可以对机器人的执行动作进行控制。由于成本因素，选择了简易遥控器，其电路板是接收组建的集成。在开始对机器人进行调试过程中，舵机的运转会断续出现不稳定的状况。后来经大量实验发现，通过调整输入的电压、改变输入信号的波形以及优化电路板的布局等措施，可以有效减少这一状况的发生，使机器人能够更加平稳的工作。为便于机器人故障后的检修和维护，始终要把模块化思想贯穿在控制系统进行整体设计中，这样能确保模块的通用性和损坏后维护、更换的便捷性，所以，要分开设计舵机控制模块、直流电机控制模块和电源模块[3]。
3结束语
整个系统接受遥控的指令较为准确度，可控性强，流畅完成了各项舞蹈动作，完成了最初的设想。从效果上来看，整个设计流程还是比较切实可行的，并在2007年Robocup取得了很好的成绩。但是也存在一些问题，如舵机间歇性失稳、机器人自身平衡控制等，也有待进一步去做出改进。
参考文献：
[1]张晋西,郭学琴.SolidWorks及Cosmosmotion机械仿真设计[M].北京:清华大学出版社,2007.
[2]胡汉才.单片机原理与系统设计[M].北京:清华大学出版社,2002.
作者:张继伟 王鑫 单位:哈尔滨远东理工学院
