基于單片機(jī)和電動推桿的舞龍機(jī)器人

翁柏濤 林舒靜 潘秋玉 劉曉雯 鄭譽(yù)煌

摘要

本文提出了以單片機(jī)為控制核心，以多臺電動推桿作為動力源的舞龍機(jī)械裝置。通過單片機(jī)控制推桿的轉(zhuǎn)速變化，同時搭載XY滑臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)舞龍的動作效果。

【關(guān)鍵詞】舞龍 電動推桿 單片機(jī)

1 引言

舞龍作為喜慶節(jié)日必不可少民俗文化活動，動作繚亂，格外吸引人們的眼光。但同時舞龍表演需要眾多表演者不停地跑動表演，龍頭龍身的笨重，無形也造成了大量人力資源的浪費(fèi)。于此，本文提出了以單片機(jī)為控制核心，電動推桿為舞龍動力的多軸機(jī)器人，通過單片機(jī)對推桿的控制，最終能實(shí)現(xiàn)舞龍的動作控制。

2 方案論證

方案一：使用三個電動平坐推桿分別作為舞龍機(jī)器人x，y，z三個軸的運(yùn)動動力，采用“層層推進(jìn)”的結(jié)構(gòu)，即是每個推桿下安裝一塊板，每個板上的底端安裝萬向滾輪形成一個“層”，之后由另外一個推桿所在的“層”進(jìn)行推動上一“層”的結(jié)構(gòu)，最后將舞龍的支撐柱裝于推桿上。但由于z軸采用的也是垂直上推，總體效果看來舞龍動作變化較小，缺乏靈動的感覺。

方案二：在方案一的基礎(chǔ)上進(jìn)行新的改進(jìn)，將z軸的推桿換成相同規(guī)格不同頭部的推桿，將撐起舞龍的支撐住中部挖出一條槽，將推桿通過螺絲插入槽中，在推桿推動的時候，螺絲在槽中移動，從而帶隊(duì)支撐住的擺動。此方案下的舞龍動作更加形象，擺動幅度合適，更有靈活性和觀賞性。同時考慮在系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最后將X軸的推桿由一個增加為兩個，來保證推動前一“層”的時候不會劇烈晃動。綜上分析，本文采用方案二。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件組成

（1）單片機(jī)：本系統(tǒng)以開關(guān)量控制為主，每節(jié)龍需要4個開關(guān)量輸出控制電動推桿，因此本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)，最高可以控制4節(jié)龍。

（2）電動推桿：本系統(tǒng)主要采用了3個平底推桿和1個非平底推桿，電動推桿主要技術(shù)參數(shù)時：工作電壓24V，行程50mm，推力150N，速度60mm/s。

（3）電動推桿控制器：本控制器自帶兩個繼電器，可通過單片機(jī)控制，從而控制電動推桿的正反轉(zhuǎn)，同時還帶有PWM直流電機(jī)調(diào)速器，可調(diào)節(jié)推桿的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。本控制器輸入電壓為6～24V，最大電流為3A，調(diào)速范圍0～100%。

（4）每節(jié)的龍身：包括龍身以及其支撐柱。

（5）其他材料：包括24V穩(wěn)壓電源、角鐵、環(huán)氧板、萬向滾輪等。

3.2 電路圖設(shè)計

本系統(tǒng)的電路圖（一節(jié)龍）如圖1所示，主程序如圖2所示。

將開關(guān)電源通電，將開關(guān)電源的24V和com口分別接入到第一塊電動推桿控制器IN+，IN-。因開關(guān)電源的電流足夠支撐四臺推桿同時運(yùn)行，所以將每一塊推桿的IN+和IN-各自串聯(lián)起來。依次將每個推桿接入到控制器，將單片機(jī)的P1口分別按上圖接入到電動推桿控制器，將P3.0和P3.1接入到第一塊驅(qū)動器的兩個GND，其他驅(qū)動器的GND不需要添加任何輸入。

程序中定義P3.0、P3.1為低電平。定義P1口，用第一塊電動推桿控制器舉例，當(dāng)P1.0為高電平時，P1.1為低電平IN2所在繼電器啟動，此時定義推桿正轉(zhuǎn)。當(dāng)P1.1為高電平時，P1.0為低電平，此時IN2所在繼電器啟動，此時推桿反轉(zhuǎn)。其他推桿運(yùn)動相同。

3.3 實(shí)物組裝

（1）第一層：切出兩塊大小合適的板子，一塊大板（大約20cm*10cm），一塊小板（大約10cm*5cm）。在大板上面畫出兩個推桿固定的架子、4個萬向滾輪、以及兩個角鐵的位置，之后進(jìn)行打孔，然后用螺絲將推桿固定的架子、萬向滾輪固定在大板上。將推桿（非平底）固定在推桿架子上，再將龍珠的支撐柱底部固定在另外一個推桿架子上，支撐柱中部挖出一條螺絲能自由滑動的槽，并與推桿的頭部用螺絲進(jìn)行連接。小板用角鐵固定在大板的寬上，在其中間打一個孔，用于通過螺絲與第二層的推桿頭部連接，如圖3所示。

（2）第二層：切出四塊大小合適的板。大板（大約30cm*15cm），兩塊小板（大約10cm*5cm），一塊小板（大約12cm*7cm）。大板選取合適的位置，在底部裝上4個萬向滾輪。然后將兩塊小板通過角鐵裝在大板的長的對稱的位置，小板中間鉆孔，用于與第三層的兩個推桿連接。最后將另一塊小板通過角鐵裝在大板的寬上，將推桿裝到板上，推桿的頭部與第一層的小板用螺絲加兩個螺母進(jìn)行連接如圖4所示。

（3）第三層：切出三塊大小合適的板：大板（大約30cm*30cm），小板（10cm*5cm）。將小板對應(yīng)著第二層兩塊小板的位置，用角鐵固定在大板上面。將兩個平底推桿固定在兩塊小板上，并將推桿的頭部與第二層的兩塊對稱的小板連接，如圖5所示。圖6是完整一節(jié)舞龍機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

4 小結(jié)

本文提出的舞龍機(jī)器人體型較小，運(yùn)行穩(wěn)定且速度可控。理論上可以通過無限加“層”來實(shí)現(xiàn)自己需要的舞龍動作。同時本文描述的僅是舞龍機(jī)器人的其中一“節(jié)”，可通過多“節(jié)”的組合變化，最終實(shí)現(xiàn)舞龍機(jī)器人動作的多樣化。未來的工作，可考慮在將“層”與“節(jié)”合理增加的同時，再與當(dāng)今熱門的AGV小車結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)舞龍機(jī)器人移動與搖擺自如的多樣化舞龍系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]葉莖，蓋超會，李云平.基于觸摸屏、PLC、變頻器的電機(jī)調(diào)速和推桿控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].輕工科技，2016，32（11）：67-69.

[2]江城城，王志勇，王夏杰.基于推桿電機(jī)的全向移動多功能又車的設(shè)計[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2016，29（01）：163-165.

[3]黃海燕.自動推拉門窗用推桿電機(jī)性能測試裝置[J].門窗，2014（10）：17-18