小型舞蹈機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李頓

摘要：本論文的舞蹈機(jī)器人包括腰、肩、肘、頸等人體基本關(guān)節(jié)，它們分別由8個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，其控制系統(tǒng)采用ATmega64單片機(jī)。本文重點(diǎn)研究了順序脈沖控制方法來(lái)控制各關(guān)節(jié)舵機(jī)配合音樂(lè)節(jié)奏協(xié)調(diào)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)舞蹈動(dòng)作。經(jīng)過(guò)測(cè)試，舞蹈機(jī)器人在表演過(guò)程中能夠很好的配合音樂(lè)節(jié)奏翩翩起舞，達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：舞蹈機(jī)器人；單片機(jī)；舵機(jī)；順序脈沖

1 引言

舞蹈機(jī)器人是一種類人娛樂(lè)機(jī)器人，它能夠隨著音樂(lè)“翩翩起舞” ，其新穎的功能和較強(qiáng)的觀賞性使其本身具有很大的研究與市場(chǎng)開(kāi)發(fā)價(jià)值。目前，日本在此類機(jī)器人上的研究比較領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)還比較落后。

本文介紹一個(gè)輪式10DOF（Degree Of Freedom，自由度）的舞蹈機(jī)器人，該機(jī)器人使用舵機(jī)來(lái)模擬人的關(guān)節(jié)，一共由8個(gè)關(guān)節(jié)組成，包括手臂關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)和頸關(guān)節(jié)等。通過(guò)不同關(guān)節(jié)（舵機(jī)）旋轉(zhuǎn)到不同角度位置可以模仿人的一些基本動(dòng)作，例如抬手，旋臂，轉(zhuǎn)身，扭腰，搖頭，行走等。把這些基本動(dòng)作組合起來(lái)，并配合適當(dāng)?shù)臉?lè)曲，就可以構(gòu)成一套優(yōu)美的舞蹈表演動(dòng)作。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

舞蹈機(jī)器人的動(dòng)作是表現(xiàn)在一定時(shí)間序列上的空間位姿（位置和姿態(tài)）的集合。整個(gè)設(shè)計(jì)始終圍繞舞蹈機(jī)器人的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的藝術(shù)性和觀賞性為出發(fā)點(diǎn)和核心，并根據(jù)系統(tǒng)總體分析提出如下總體設(shè)計(jì)方案：

（1）系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，如圖1。

圖1 系統(tǒng)框架示意圖

（2）確定機(jī)器人的自由度為10個(gè)，如圖2。

圖2 舞蹈機(jī)器人自由度示意圖

3 硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 控制模塊

控制模塊采用ATmega64作為舞蹈機(jī)器人的主控芯片。在表1中列出ATmega64端口的使用情況。

表1 主控芯片端口分配表

ATmega64引腳 舞蹈機(jī)器人中的功能

PORTF 舵機(jī)控制輸出信號(hào)

PORTA5，6，7 LED點(diǎn)陣控制輸出信號(hào)

PORTB 調(diào)試設(shè)備輸入輸出信號(hào)

PORTC6，7 主控模塊啟動(dòng)信號(hào)

3.2 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊

從成本和控制的難易度與精度上考慮，作者考慮采用分級(jí)使用不同扭力舵機(jī)。在受力較大的關(guān)節(jié)處，如腰部，肩部等處采用扭力強(qiáng)勁的強(qiáng)力舵機(jī)，在關(guān)節(jié)的末尾處才用力量小的自身重量也小的微型舵機(jī)。這樣在性能價(jià)格比上找到了一個(gè)很好的折衷點(diǎn)。

3.3 LED顯示模塊

該模塊是作為人機(jī)交互輸出的可視化設(shè)備。不僅僅可以顯示當(dāng)前機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，還可以通過(guò)文字或動(dòng)畫(huà)展現(xiàn)機(jī)器人的情感，是一個(gè)非常人性化的模塊。

3.4 行走機(jī)構(gòu)模塊

行走機(jī)構(gòu)采用兩輪驅(qū)動(dòng)，將機(jī)器人的移動(dòng)方式設(shè)定為輪式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用SGS公司的L298N。比較常見(jiàn)的是15腳Multiwatt封裝的L298N，該芯片具有4路邏輯通道，為恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片。

3.5 調(diào)試模塊

LED數(shù)碼管：

為了能夠方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，故使用了LED數(shù)碼管來(lái)顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。能夠不用讓機(jī)器人動(dòng)起來(lái)也能直觀的觀察系統(tǒng)。

鍵盤(pán)：

在單獨(dú)測(cè)試動(dòng)作子集時(shí)，文中采用把各個(gè)動(dòng)作子集定義到鍵盤(pán)的按鍵上。當(dāng)按下鍵盤(pán)上不同的按鍵就會(huì)出現(xiàn)不同的動(dòng)作組合，非常方便的觀察動(dòng)作是否到位。

3.6 電源系統(tǒng)

采用LM2576模塊進(jìn)行并聯(lián)并用1N4007整流方法。

4 軟件設(shè)計(jì)

本軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊的控制程序，其中單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PPM周期信號(hào)，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生周期信號(hào)為20ms；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PPM信號(hào)的輸出，并且調(diào)整占空比。圖3給出了一個(gè)典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與舵機(jī)輸出臂位置的關(guān)系，通過(guò)設(shè)置正脈沖寬度來(lái)調(diào)整舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

圖3 正脈沖寬和舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)關(guān)系示意圖

針對(duì)系統(tǒng)有8個(gè)舵機(jī)的情況，專門(mén)制定了一套解決方法——順序脈沖法。

具體的設(shè)計(jì)過(guò)程：例如想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2.5ms，則負(fù)脈沖為20ms-2.5ms=17.5ms，所以開(kāi)始時(shí)在控制口發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時(shí)器在2.5ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時(shí)間改為17.5ms，再過(guò)17.5ms進(jìn)入下一次定時(shí)中斷，再將控制口改為高電平，并將定時(shí)器初值改為2.5ms，等待下次中斷到來(lái)，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PPM信號(hào)輸出到舵機(jī)。用修改定時(shí)器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號(hào)，調(diào)整時(shí)間段的寬度便可使伺服機(jī)靈活運(yùn)動(dòng)。

下圖是順序脈沖法控制8個(gè)舵機(jī)的時(shí)序圖：

圖4 舵機(jī)控制時(shí)序圖

如圖4所示，用這種方法控制舵機(jī)，從微觀上來(lái)講，每個(gè)舵機(jī)其實(shí)是順序啟動(dòng)的。但是由于系統(tǒng)處理的速度非?？?，所以從宏觀上來(lái)看，所有被控舵機(jī)是同時(shí)動(dòng)作的，完全能滿足控制8個(gè)舵機(jī)的要求。

順序脈沖法控制舞蹈機(jī)器人主要由兩個(gè)中斷服務(wù)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)一是定時(shí)器0中斷服務(wù)程序；二是定時(shí)器2中服務(wù)程序。下面就對(duì)這兩個(gè)子程序進(jìn)行介紹。

（1）定時(shí)器0中斷服務(wù)程序

定時(shí)器0產(chǎn)生周期為2.5ms的中斷信號(hào)，每次進(jìn)入中斷后選擇PORTF的一個(gè)端口將其輸出的電平置高，并對(duì)定時(shí)器2設(shè)置定時(shí)初值，如圖5所示。

圖5 定時(shí)器0中斷服務(wù)程序流程圖

（2）定時(shí)器2中斷服務(wù)程序

在定時(shí)器0中斷服務(wù)程序里對(duì)定時(shí)器2設(shè)置的初值就是PPM信號(hào)的高電平長(zhǎng)，而進(jìn)入該中斷服務(wù)程序就是為了結(jié)束高電平，從這里開(kāi)始就是先前所說(shuō)的“長(zhǎng)中斷”了，如圖6所示。

圖6 定時(shí)器2中斷服務(wù)程序流程圖

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