仿人型单人舞蹈机器人项目报告

1. 项目概述

1.1 项目背景

1.1.1 机器人技术的发展

• 随着科技的发展，机器人技术在各个领域得到了广泛的应用。
• 舞蹈机器人因其动作优美、灵活性强、趣味性强等特点，被广泛用于服务业和日常娱乐中。

1.1.2 舞蹈机器人的现实意义

• 舞蹈机器人集成了各种先进技术，如电子技术、集成电路等。
• 舞蹈机器人的开发不仅是国内高校和商业公司争相研发的课题，更是世界各大国家展示其科技和科研实力的平台。

1.2 项目目标

• 该仿人型单人舞蹈机器人是17自由度小型机器人，可满足基本性能要求。
• 该款机器人采用的舵机为总线式舵机，全身包括17个伺服舵机，全部使用金属齿轮结构。
• 控制板采用STM32系列单片机，元器件采用全表贴工艺，并且控制板上内置3轴加速度计和3轴陀螺仪，使用miniSD卡存储动作及音乐数据，数据量高，可靠性强。
• 同时主控制板内置MP3功能播放系统和蓝牙通讯模块。

1.3 项目创新点

• 高自由度：机器人全身共17个自由度，每条腿上有5个自由度，基本能满足到达各个位置的要求。
• 采用新型伺服舵机：新型舵机重量轻，扭力大，关节模式下，可控角度300度。调速模式下，可360度旋转，方向及速度可控。
• 采用特殊机械结构：通过应力仿真分析，设计出新型机械结构减少零件重量，并具有更强的稳定性。
• 采用快捷编辑软件：简化编程过程，提高编辑效率。

2. 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

• 国外机器人技术研究较早，要求舞蹈机器人各个关节动作衔接流畅、动作稳定，与音乐的配合中不存在不稳定因素。
• 日本在世界上关于研究双足机器人的项目中占据了较大比例，并且其研究成果都非常成功。
• 2000年，日本索尼公司推出了可以根据音乐节拍跳舞和配有声音识别功能的娱乐仿人机器SDR-3X。
• 2007年，日本索尼公司成功研制出世界首台可以行走并且可以跳跃的跑步型仿人机器人QRIO。

2.2 国内研究现状

• 国内机器人的发展越来越进步，短短三十年来实现了从落后到先进的重大突破。
• 国内对舞蹈机器人的研究尚处于初步阶段，国内学者研究机器人的运动规律，设计出19个自由度的小型舞蹈机器人进行简单的舞蹈表演。
• 2018年，杨锦隆等人提出一种舞蹈机器人主控板，逐一调试转动关节角度，对转动的角度数据进行记录，当舞蹈机器人完成一系列舞蹈动作后，将转动关节的角度数据写入命令程序，获得大量关节转动角度参数。

3. 项目研究的内容

3.1 机械结构件的组装

• 机器人共有2条腿，均匀分布在圆形躯干的两边，每条腿上有5个关节，全身共17个自由度。
• 机器人每条腿上的5个自由度基本能满足到达各个位置的要求。

3.2 舵机的选择及控制方式

3.2.1 舵机的选择

• 机器人的结构复杂，舵机需要有足够的扭力和重量，以保证机器人动作灵敏、行动有力。
• 该款机器人所用舵机及基本参数如下：尺寸43.82331.4mm，堵转掉电保护，位置反馈功能，工作电压8V-15V，4级金属齿轮组减速，速度12V@0.16sec/60°，固定方式为正反面8颗螺丝紧固，扭力12V@20kg-cm，工作指令为数字格式，连接方式为TTL电平多层连接、共用总线，协议为半双工的UART串口通信。

3.2.2 舵机的控制方式

• 该款机器人采用的舵机为总线式舵机，区别于市场上的PWM信号舵机。使用总线舵机拼装的机器人优点是电线较少，机器整体走线更为简洁明了，由于少了电线对结构的影响，结构可以更复杂。
• 此种舵机连接方式可以看作是所有的舵机被一组线串联起来了。因此控制方式不是简单的单对单控制命令，而是主控器将控制信号下发之后，每个舵机根据自己的ID号自动挑选自己对应的命令而执行。

3.3 数控系统的设计

3.3.1 控制板的选择

• 控制板采用STM32系列单片机，大部分元器件采用全表贴工艺。
• 控制板上内置3轴加速度计和3轴陀螺仪，使用miniSD卡存储动作及音乐数据，数据量高，可靠性强。
• 同时主控制板内置MP3功能播放系统和蓝牙通讯模块。

3.3.2 机器人控制端口定义

• 由于机器人的机械体与计算机系统相接，所以肯定需要定端口协议。 机器人各舵机与控制口的定义为：

3.3.3 机器人多舵机运动控制程序

• 机器人的多个关节组合运动实现了机器人的连贯性动作，在控制机器人动作的时候，能够控制各个舵机分别匀速平滑的由一个位置到另外一个位置，便可以实现机器人的动作连贯性。
• 我们通过将舵机位移过程分数的方式，使得舵机的运行速度尽量的匀速平滑。

4. 项目技术路线

• 该项目的技术路线包括机械结构件的组装、舵机的选择及控制方式、数控系统的设计等方面。

5. 项目创新点

• 高自由度
• 采用新型伺服舵机
• 采用特殊机械结构
• 采用快捷编辑软件

6. 可行性分析

6. 可行性分析

####6.1 经济可行性

• 机器人本体多数为常用金属材料及塑料材质，加工生产线成熟，价格较低；塑料材质零件可用3D打印机自行设计生产。

6.2 技术可行性

• 国内外人形机器人发展较成熟，产业链丰富，可作参考较多；本产品已设计出完整的机械结构进行仿真论证，得出材料强度、