舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳宗君

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)院，廣西 南寧 530219）

舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳宗君

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)院，廣西 南寧 530219）

機(jī)器人作為人類2 0世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，在短短的幾十年內(nèi)發(fā)生了日新月異的變化。從控制系統(tǒng)整體方案、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)三方面進(jìn)行了論述，設(shè)計(jì)了舞蹈機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件組成和軟件思路，完成了上位機(jī)控制舞蹈機(jī)器人動作。重點(diǎn)介紹了電機(jī)驅(qū)動方案和單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的相互通信，詳細(xì)闡述了舞蹈動作的讀取和執(zhí)行過程。通過調(diào)試，舞蹈機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)跳舞基本動作，并且舞蹈動作連貫。

機(jī)器人；舞蹈；繼電器；電機(jī)；上位機(jī)

近幾年，機(jī)器人已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標(biāo)。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生了根本性變化，而且將對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。舞蹈機(jī)器人以其具有人類外觀特征、可愛的外貌，又兼有技術(shù)含量等優(yōu)點(diǎn)，極受青少年的喜愛。本課題要求設(shè)計(jì)具有簡單模擬人體舞蹈動作的控制系統(tǒng)，如完成前進(jìn)后退、左右轉(zhuǎn)彎和前后擺動手臂等。同時，設(shè)計(jì)上位P C機(jī)控制，使整個舞蹈機(jī)器人動作靈活。

1 控制系統(tǒng)整體方案

控制系統(tǒng)是機(jī)器人最重要的部分，它直接影響著機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)與否。舞蹈機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)完全自動控制，必須采用單片機(jī)為控制核心。單片機(jī)類似于機(jī)器人的大腦，接收和處理所有外界信息，指揮并控制機(jī)器人的所有動作。首先，舞蹈機(jī)器人機(jī)構(gòu)系統(tǒng)采用的是直流電機(jī)，可以使用三極管橋式驅(qū)動方式或者繼電器控制方式。繼電器具有無壓降、控制簡單、制動性好等特點(diǎn)，對完成動作的電機(jī)可以采用由兩個繼電器實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)和啟動停止。因此，在電機(jī)驅(qū)動電路的選擇上用繼電器構(gòu)成開關(guān)控制方式更為合適。傳感器選用以閉環(huán)傳感器為主，其他傳感器為輔，其中包括觸碰開關(guān)。單片機(jī)控制系統(tǒng)采用單機(jī)形式，其可靠性能更高。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)驅(qū)動電路

在直流電機(jī)電樞上加上一定幅度的直流電壓，電機(jī)便開始旋轉(zhuǎn)；改變電壓方向，電機(jī)轉(zhuǎn)向也隨之改變。如果電機(jī)以恒速運(yùn)動，不調(diào)速可以采用一個簡單的電路來控制正反向。它采用兩個繼電器作為控制弱電到驅(qū)動電機(jī)的強(qiáng)電之間的轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)選用D4 810型固態(tài)繼電器，在本控制系統(tǒng)中控制信號經(jīng)J14口輸入到繼電器，而后經(jīng)J3等二端口輸出驅(qū)動電機(jī)動作。

正反轉(zhuǎn)控制開關(guān)RELAY1斷開，電源開關(guān)RELAY3閉合時，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。兩開關(guān)同時斷開，電機(jī)停轉(zhuǎn)；兩開關(guān)同時閉合是不允許的，因?yàn)閺碾娐房煽闯?，這會導(dǎo)致電源短路。

2.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

采用AT89S52型單片機(jī)完成系統(tǒng)的控制。P1作為傳感器的輸入端口，P0作為行走電機(jī)的控制端口，P2作為動作電機(jī)的控制端口，P3作為備用接口。另外，留出串行通信的端口，以備上位機(jī)控制使用?？紤]到電機(jī)的起動電流和制動時比較大，會造成電源電壓不穩(wěn)定，容易對單片機(jī)和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以電機(jī)驅(qū)動電路和單片機(jī)以及傳感器電路用PIB817光耦隔離，以提高電路的可靠性。同時，還可以采用相互獨(dú)立的電源供電，以確保單片機(jī)正常運(yùn)行，進(jìn)而保證整個系統(tǒng)正常工作。

2.3 單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信

單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間可通過串行口RXD和TXD管腳實(shí)現(xiàn)通信。AT89S52單片機(jī)的TXD與MAX232的第二組電平轉(zhuǎn)換器的TTL輸入端（管腳10）相連，經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換后，RS232標(biāo)準(zhǔn)輸出端（管腳7）輸出的信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)串口的RXD.同樣，計(jì)算機(jī)串口的TXD與MAX232的RS232標(biāo)準(zhǔn)輸入端（管腳8）相連接，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后，由TTL輸出端（管腳9）輸出到單片機(jī)的RXD上。這樣，MAX232完成了TTL與RS232之間的邏輯電平轉(zhuǎn)換，使單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信鏈路接口完成。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

一整套的舞蹈動作其實(shí)是由一個一個的單獨(dú)的舞姿構(gòu)成，機(jī)器人跳舞的過程就是連貫執(zhí)行每個舞姿。根據(jù)設(shè)計(jì)好的舞姿編寫程序，主要由單片機(jī)初始化（外部中斷、定時器中斷、串行中斷、舞蹈動作初始化）、舞蹈動作的讀取和執(zhí)行程序兩大部分組成。

3.1 舞蹈動作的讀取和執(zhí)行

最主要的是考慮到電機(jī)控制信號的產(chǎn)生，采用定時器每隔一定的時間中斷以產(chǎn)生控制信號和加載舞蹈動作。利用定時器中斷程序可以很容易地產(chǎn)生直流電動機(jī)的控制信號。通過外部中斷，對機(jī)器人前后左右4個方向上的碰撞進(jìn)行處理，以使機(jī)器人不會因?yàn)榕鲎灿绊懼蟮膱?zhí)行動作。對碰撞的處理，實(shí)際上就是改變保存舞蹈動作的寄存器，由于一定時間讀取一次動作數(shù)據(jù)，可以理解，對碰撞的處理僅在碰撞后的這個規(guī)定時間內(nèi)。只要對直流電機(jī)的控制數(shù)據(jù)設(shè)置恰當(dāng)，就完全可以滿足要求，使其不影響以后動作的執(zhí)行。

3.2 上位機(jī)PC控制軟件設(shè)計(jì)

選用V B設(shè)計(jì)串口控制界面軟件，這里只設(shè)計(jì)了6個基本動作控制命令，分別是“點(diǎn)頭”“搖頭”“左手”“右手”“前走”和“后退”，并且在串口中采用發(fā)送字符的數(shù)據(jù)形式，6個動作控制命令分別對應(yīng)字符“D”“Y”“Z”“S”“Q”和“H”。當(dāng)單片機(jī)串口接收到字符數(shù)據(jù)并進(jìn)行辨別后，執(zhí)行內(nèi)部已編好的相應(yīng)的命令，輸出控制信號，使機(jī)器人動作。

4 結(jié)束語

舞蹈機(jī)器人的控制系統(tǒng)是其重要組成部分，綜合運(yùn)用了單片機(jī)控制、傳感器、電機(jī)驅(qū)動等硬件知識。經(jīng)過仿真和模擬調(diào)試，可以完成點(diǎn)頭、搖頭、前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)等動作，并且上位機(jī)也可以很好地控制。

[1]蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[2]周遠(yuǎn)清，張自興，許萬雍，等.智能機(jī)器人系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[3]高海生.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)大全[M].成都：西南交大出版社，1996.

The Dancing Robot ControlSystem Design

Chen Zongjun

Robot is one of thegreatest inventions in 20th century,only in several years ithas rapid changes.The paper will discuss in three aspects:control system as awhole program;control system hardware circuit design;software design of the control system,and control system hardware and software ideasofdancing robot,and complete PC control dancing robotaction.The paper stress as two aspects:communicatewith each otherbetween themotor-driven programsand SCM and computer;read during the execution of dance movements.Through the debugging,dancing robotdance basic movements can be achieved and it dance move is coherent.

robot;dancing;relay;motor;uppermonitor

TP242.6

A

1000-8136（2013）02-0001-02

（編輯：李慧）