走进科技之舞蹈机器人

走进科技论文

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张霞

走进科技之舞蹈机器人

30年前，比尔·盖茨毅然弃学，创立微软，成为个人电脑普及革命的领军

人物；30年后的今天，他预言，机器人即将重复个人电脑崛起的道路。点燃机

器人普及的“导火索”，这场革命必将与个人电脑一样，彻底改变这个时代的生

活方式。随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也

得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进

机器人系统也有了长足的进展。机器人技术代表了机电一体化技术的最高研究成

果，涉及机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多门学

科，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。机器人的研究、制造和应用程度，是一个国家或公司科技水平和经济实力的象征。目前，国际上许多大公司都在竞

相研制各类先进机器人，向人们展示其实力。机器人是高级整合控制论、机械电

子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领

域中均有重要用途。

机器人作为人类２０世纪最伟大的发明之一，在短短的几十年内发生了日新

月异的变化。近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人

技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性变化，而且将对人类

社会产生深远的影响。随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩

展。从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人可谓是无

处不在。目前机器已经走进人们的生活与工作，机器人已经在很多的领域代替着

人类的劳动，发挥着越来越重要的作用，人们已经越来越离不开机器人帮助。机

器人工程是一门复杂的学科，它集工程力学、机械制造、电子技术、技术科学、自动控制等为一体。目前对机器人的研究已经呈现出专业化和系统化，一些信息

学、电子学方面的先进技术正越来越多地应用于机器人领域。

目前机器人行业的发展与30年前的电脑行业极为相似。今天在汽车装配线

上忙碌的一线机器人，正是当年大型计算机的翻版。而机器人行业的利基产品也

同样种类繁多，比如协助医生进行外科手术的机械臂、在伊拉克和阿富汗战场上

负责排除路边炸弹的侦察机器人、以及负责清扫地板的家用机器人，还有不少参

照人、狗、恐龙的样子制造机器人玩具。舞蹈机器人（如图1）具有人类外观特

征、可爱的外貌、又兼有技术含量，极受青少年的喜爱。我从前年开始机器人方

面的研究，在这过程中尝试过很多次的失败，也感受到了无比的乐趣。

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。未来的机器人是一种能够代替人类在非

结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器，是集机械学、力学、电子学、

生物学、控制论、计算机、人工智能和系统工程等多学科知识于一身的高新技术

综合体。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的多用化，昭示着机器

人技术灿烂的明天。

随着现代科技的发展，机器人技术已广泛应用于人类社会生活的各个领域，特别

是舞蹈机器人具有人类外观特征、可爱的外貌、又兼有技术含量，极受青少年的

喜爱。本课题要求设计一具有简单人体功能的、模拟舞蹈动作的类人型机器人，

完成简单人体舞蹈的基本动作：可以前进后退，左右侧行，左右转弯和前后摆动

手臂，行走频率为每秒两步，举手投足、转圈、头部动作灵活、并具备的语音功

能。通过语音识别技术，可以对小机器人进行语音控制，通过发出语音命令，控

制机器人的。机器人包括底座、头部、上身、下肢、以及电路控制板，分别控制

手臂、头部和底盘运动的电机及传动机构等。通过电路控制和机械传动，可使机

器人动作。知识范围涉及机构学、力学、电子学、自动控制、计算机、人工智能

等。

机器人的设计首先需作总体方案设计，包括机械和电气两部分。根据机械基

础知识，从整体上来讲，机械结构设计必须与机器人所要完成的功能相适应。机

械部分设计主要包括底盘设计、尺寸选择、驱动方式设计、电机选择等；电气是

机器人最重要的部分，直接影响着机器人功能的实现于否。舞蹈机器人要求完全

自动控制，必须采用单片机为控制核心，它类似于机器人的大脑，接收和处理所

有外界信息，指挥并控制机器人的所有动作。语音识别等功能是制作机器人硬件

的难点，它要求机器人具有一定的感觉系统。目前，机器人技术已日趋成熟，机

器人感觉系统可通过各种各样相应的传感器技术即可实现。传感器把接收到的外

部信息输入到单片机，再通过软件进行控制，从而单片机发出命令指挥机器人动

作。

舞蹈最显著的特征是步调、节奏和动作幅度，反映在机器人上就应该控制机

器人的各个关节的的电机转动快慢、时间和角度。要使机器人跳出让观众赏心悦

目的舞蹈，就应该很好的编排舞蹈动作，充分利用机器人的特点来展现其动作之

美。因而，如何使伴舞机器人的动作快慢变化错落有致并富有节奏感将是控制系

统必须解决的关键问题。要设计舞蹈机器人的舞蹈动作，首先需要选择合适的曲

子，然后根据曲子的节拍进行动作编排。

一整套的舞蹈动作其实是由一个一个的单独的舞姿构成的，所以设计舞蹈动

作就必须先设计好每个舞姿，这时就需要通过电机的滑块来实时观察关节的位置

是否合适，若是合适的话，就把这个动作数据添加到数据库模块的动作表中，接

着再调试下一个动作如此反复直到把所有的动作都编排好了，那么舞蹈动作部分

也就制作好了。这时可以把动作数据表下载到单片机中，由单片机来控制各个关

节，顺序执行动作表中的各个动作。同时控制音乐播放器播放舞蹈音乐，那么我

们就可以直观观看一到舞蹈机器人在音乐声中翩翩起舞了。要设计出一套完整的

舞蹈动作，使机器人能够像舞蹈演员那样在舞台上表演是相当繁琐的过程，需要

反复调试，还要通过对人类动作行为作出的细致入微的观察，并能根据机械结构，

把人类动作转变成对机器人关节的控制，才能获得完美的控制效果。

驱动系统是机器人的手和脚，即运动机构和执行机构的基本组成部分。驱动

系统的设计与制作是比赛机器人创意与实践的重要内容。它的任务不仅是向机器

人传递动力，而且要提供准确的运动定位和灵活的操作，是机器人制胜的法宝之

一，因此其重要性是不言而喻的。通常机器人驱动有电气，液压，气压三种方式。

其中以电气驱动最常见，它按供电的方式又可以分为直流电机和交流电机。机器

人比赛规则通常规定采用电池供电，即直流电。采用直流电供电的电机按照其内

部结构又可分为直流电机和步进电机。直流电机外部接通直流电就能旋转；步进

电机的驱动原理复杂些，必须按照一定的通电顺序给电机供电，电机才能旋转。 根据前述的机械结构设计与电路设计，单片机上的控制程序主要包括一个主程序

和相应的中断服务子程序。本设计采用C 语言按模块化的编程思想编写。所有机

器人的动作实现部分均在子函数中完成主函数中只负责对子函数的调用如此便

保证了良好的维护性和清晰的代码结构。主程序中，首先对单片机进行初始化，

接着调用脉宽调速函数，使相应电机获得应有的速度。然后进入程序中的主循环，

判断当前系统的工作模式是自动状态还是手动状态(设置变量用于标识系统运行

的状态，在机器人刚通电时默认进入手动控制状态) 。主程序主要负责设置堆栈

指针和中断向量. 对所用到的特殊寄存器进行初始化和舞蹈动作初始化.

机器人学已经发展成为一门综合运用机械、电气、计算机、产业和制造业等多种工程学科基础知识和创造能力的举足轻重的学科。无需夸张其特殊地位，机器人学也不愧为引人入胜、前途无量的研究领域。机器人设计是对各项科学技术的综合运用。在长达十周的机器人机械设计及制作过程中，我深刻体会到科技技术的无穷魅力，在浩瀚的知识中遨游才感觉自己的才疏学浅。通过对以往的各相关学科的资料的阅览，加上平时在日常生活中对一些机械机构的经验以及自己一些有创造性的机械设计理念，完成了实物制作和电气控制。

“掌握信息，实事求是，实践中创新”，这是我在这次毕业设计的体会。作为一名设计者，首要目的就是要清楚设计的任务是什么，有什么样的信息资料作为设计背景，是否有参照，只有充分掌握这些信息，才能有的放矢，达到设计目的。作为工程技术类的设计不仅是理论上的论证而且应当考虑实际的条件能否达到设计要求。空中造楼阁只是彩泡，绚丽却不实用。在零件加工装配过程中，有的问题在设计中没有预期到的，如何去处理？返工重来？成本？工期？能否成功？一串问题会出现。当我转换模式，局部改动设计，经过分析计算，在不改变部件功能的情况下，局部修改尺寸或添加辅助零件有时能获得更好的效果。我想这也是创新，不拘泥。

在机器人的制作过程中，几乎所有的东西从头来过，从方案论证到具体实施，经验是我们本科生最稀缺的资源。有些设计上，所以采取了降低了理论高度，采取简单易行的方案，量体裁衣来实现任务。很多现实的问题也阻碍了设计的难度提高。比如电机性能与价格是成正比的，考虑到成本问题，只能选择性价比适中的电机，并且加辅助调速的光码盘来提高走路的精度。由于是实物设计，所以我在设计的过程中考虑最多的是实际制造的问题，因此在设计理念上受到了诸多的限制。同时自身的知识和经验储备不足，无法将自己的设计理念完全体现在实物上。但是正是这些诸多的因素是我懂得了，作为一名设计者如何去做设计，如何来实现设计要求。