无双乱舞

设计者：金杰 王贤力 姚鹏飞

指导老师：李团结 段清娟

（西安电子科技大学电子机电工程学院 电子工程学院，西安710000）

作品内容简介

本作品是基于51单片机及舵机控制器的机电一体化娱乐仿生六足机器人。

机器人骨架结构采用AutoCAD和Pro/E进行联合设计，并在ADAMS上进行动态仿真实验。

在材料选择方面，综合机器人重量、强度以及硬度等因素，机器人骨架选用2mm厚的硬质铝板，而为了有效地减少摩擦，延长寿命，降低噪音，所以在机器人的六条腿上都加了橡皮。并全部采用数控线切割机床加工而成，工艺程度高，整体外观设计体现出一定的美感。

在运动方面，通过对舵机的转动来控制机器人小腿的运动，再通过小腿上舵机的转动进一步控制大腿的运动，并参考六足机器人步态设计，最终达到运动的目的。

在控制方面，采用机器人自动控制与人工无线遥控相结合的方式。通过上位机软件编写动作程序，烧录到舵机控制器中，每条腿采用3个舵机进行控制，灵活度较高，因而舞蹈动作完成效果较好。

关键词：仿生机器人 舵机控制 线切割 无线控制 舞蹈

联系人：金杰 联系电话：15094080829 E-mail：jinjie_1991@yahoo.com.cn

1．研制背景及意义

在自然界和人类社会中,存在着人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合,如:行星表面、工地、矿井、防灾救援和反恐斗争等. 对这些环境进行不断的探索和研究,寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要. 不规则、不平坦是这些地形的共同特点,这就使轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制. 在这种背景下,足式机器人的研究蓬勃发展起来,而仿生足式机器人的出现更加显示出足式机器人的优势。

2 设计方案

2.1机器人运动简述

如图1.1所示，机器人运动时通过舵机1绕竖直轴的转动确定小腿在水平面的位置，设舵机1的转角为θ1，舵机2的转动通过相互作用使小腿绕着舵机2的轴线在铅垂面内转动，设小腿的转角为θ2，大腿和舵机3固连，舵机3输出扭矩，使大腿和小腿之间的相互转动，设大腿的和小腿之间的相互转角为θ3，所以一只腿的位置为θ；，θ¬’ ，θ‘‘‘，的函数。y=ƒ (θ；，θ¬’ , θ‘‘‘)，机器人的位置为y=Φ (y1，y2，y3，y4，y5，y6)。

为降低噪音、减少摩擦、增加稳固性进行的优化：为了有效的降低噪音和减少大腿和地面之间的摩擦，进行优化时在大腿上加上了橡皮，通过橡皮与地面的弹性接触有效的保护了大腿。为了进一步加固整机的稳定性在大腿的一侧增添了薄铝条来增大大腿的惯性进一步加大与地面的接触力。

2.2强度校核

2.2.1 螺栓校核

a、对受转矩的连接底盘的螺栓组1进行强度校核。

所受转矩T1=13*9.8*0.01=1.274N/M，经分析可知为绞制孔用螺栓连接；r=7mm, lmin=5mm。

b、对大腿进行弯曲强度的校核

当机器人运动时，三只腿先离开地面，依靠其他三只腿支撑整机，整机重量m=2.5kg；取临界状态，中心轴线距离大腿危险截面的距离l=220mm。危险截面尺寸：b=2mm,h=4.3mm。W=(b×h^2)/6

M=2.5×9.8×0.22=5.39N/M

W=（2×4.3^2）÷6=6.2×10¬-6m3

c、对小腿进行弯曲强度的校核

机器人小腿主要受来自底盘给它的扭矩T1¬¬’=1.274N/M；其它由于比较小可以忽略不计，危险截面尺寸为：b=2mm,h=12mm,即W=(b×h^2)/6

3.主要创新点

1）采用机电一体化理念设计本作品；

2）机器人不但能进行自动控制而且还能进行远程无线遥控；

3）无线控制终端是采用现有的廉价USB有线手柄改装而成，保证手感舒适度的前提下很好的进行了废物利用；

4）反射式光电测距传感器能进行180°范围内的障碍物扫描；

5）机器人自由度较高，能进行复杂动作的舞蹈表演，完成舞蹈动作稳定流畅，结合外部的声乐效果能给人们带来一种全新的视听娱乐享受。

4.应用前景

1）机器人自由度较高，能进行复杂动作的舞蹈表演，完成舞蹈动作稳定流畅，可以在多种场合下由多个机器人构成机器人群体进行舞蹈表演，结合外部的声乐效果能给人们带来一种全新的视听娱乐享受；

2）机器人动作采用在线可编程的方式，人们可以根据自己的想法自行设计舞蹈动作，因此本作品又具有一定的益智性。

5．“无双•乱舞”机器人实物图

6 .DIY改装手柄成无线控制终端简介

如图6.1，该改装手柄是本作品的又一大亮点，对于手动遥控机器人来说，遥控器起着至关重要的作用，它是手动机器人的关键组成部分。影响遥控器使用的因素有很多，包括外观、手感、功能等，把这些全部融入到设计中并不容易。传统的遥控器比较简单、按键少、没有模拟量采集，而且没有外壳、手感不适；有的遥控器体积比较大，可能是航模飞机的遥控器，造价也相当高，且按键分散，操控感不强，使用不方便。而游戏手柄不但按键数量很多，而且摇杆手柄带有模拟量信号，可以均匀调节电机转动的位置，更为重要的是市场上的大多数游戏手柄在开发过程中都进行了精心的人工学设计，手感舒适度非常好；本人也一直以这样的一个设计理念贯穿作品设计的始终，尽量从已有的产品上找到灵感，经过改进变通，在利用原有产品的优势的基础上凸显出本作品强大的功能性和实用性，即“因势造型”！

通过对手柄电路板的改装，使其由51单片机控制，摇杆模拟量的采集由AD芯片来完成，并最终由51单片机作最终的数据处理；手柄控制端与机器人之间通过无线串口通讯。

7．当前国内外同类课题研究水平概述及对本作品未来发展方向的展望

目前较为先进的此类机器人已经采用诸多的传感器来实现仿生度较高的动作，如在机器人足尖安装压力传感器（如乐高机器人），该传感器采集的数据通过中央处理器的数据比较分析，再经过逻辑运算后，对各肢体发出相应的命令，这样可以使机器人从此有了“触觉”，动作看起来更加顺畅。

日本Kondo公司日前发布了一款新型六足机器人——KMR-M6。从外形上看，那个机器人像六足蜘蛛，每条腿上有两个伺服电机，一个电机控制腿的水平转动，一个电机通过弹簧装置控制抬腿，两个电机一起工作即可实现前进后退，且无其它功能。 而本人的作品每条腿上有三个伺服电机（但是质量并不是很好的），灵活度更高，行走时的仿生度较Kondo公司的KMR-M6更高，且本人的作品还带有一个机械臂，后期计划在机械臂上安装摄像头（多自由度），并同时实现图像识别功能，提高机械臂在抓取实物时候的精确度和效率，在设计之初已经实现预留出空间供后期再度开发！

8.舵机、电池和骨架材料的选择

8.1 舵机的选择

根据对整机质量和尺寸的考虑，综合了所需的最大力矩，所以选择了MG995舵机，MG995舵机系数：

尺寸：40mm×20mm×36.5mm

重量：62g

技术参数：无负载速度0.17秒/60度(4.8V)

0.13秒/60度(6.0V)

扭矩：13KG

使用温度:-30~~+60摄氏度

死区设定:4微秒

8.2整机的尺寸介绍和电池供电

机体尺寸：50cm×40cm×25cm

工作电压:3.0V-7.2V

供电：锂电池 7.4V 4000MHA

工作电压：单片机电路板5V供电，32路舵机控制板3.3V供电，伺服电机6V供电

工作电流：单个伺服电机在无负载情况下约0.3A

（注意事项：a.锂电池需用专用充电器充电，机器人不能在低电压下工作；b.长期不用请将锂电池在6.5V左右的电压下保存；c.控制终端按键不能胡乱按，以避免机器人由于各支撑脚协调不正常而发生抖机及倒地的现象，在电机抖机状态下电流剧增，可能会引起元件发烫甚至毁坏的可能。）

8.3 骨架材料的选择

整机的大腿、小腿、主板和底板用的是硬铝，抗拉强度为468Mpa,螺栓1选用内六角 M3*8的六角螺栓，螺栓材料等级碳钢12.9级，表面经氧化处理，M4*8的外六角螺栓，螺栓材料等级碳钢4.8级，表面经镀锌处理。整机总重量2.6kg。

9．参考文献

[ 1 ] 韩建海, 赵书尚, 李济顺. 六足机器人行走步态的协调控制[J ] . 机电工程,2004 ,21 (4) :8 - 10.

HAN Jianhai , ZHAO Shushang , L I Jishun. Movement gait harmony control for hexapod robot [J ] . Mechanical & Electrical Engineering Mag2

azine ,2004 ,21 (4) :8 - 10.

[ 2 ] 张之璐, 彭光正, 朱智乾,等. 气动人工肌肉驱动器驱动六足爬行机器人的步态选择和结构设计[J ] . 液压与气动,2004 (4) :29 - 30.

ZHANG Zhilu , PENG Guangzheng ,ZHU Zhiqian ,et al. Pace layout selecting and mechanical structure designing in hexapode runner utilizing

pneumatic muscle actuators[J ] . Chinese Hydraulics & Pneumatics ,2004 (4) :29 - 30.

[ 3 ] 金波,胡厦,俞亚新. 新型六足爬行机器人设计[J ] . 机电工程,2007 ,24 (6) :23 - 25.

J IN Bo ,HU Sha ,YU Yaxin. Design of novel hexapod walking robot [J ] . Mechanical & Electrical Engineering Magazine ,2007 ,24 (6) :23 -

25.

[ 4 ] 毛新,罗庆生,韩宝玲,等. 仿生六足爬行机器人运动控制技术研究[J ] . 计算机测量与控制,2006 ,14 (3) :348 - 350.

MAO Xin ,LUO Qingsheng ,HAN Baoling ,et al. Research on hexapod walking bio2robot locomotion control technology[J ] . Computer Mea2

surement & Control ,2006 ,14 (3) :348 - 350.