多關(guān)節(jié)三軸舞龍機器人的設(shè)計

文/林舒靜　鄭譽煌,2　翁柏濤　鄧國

1　引言

舞龍從過去單一的用來祈求來年風(fēng)調(diào)雨順的祭祀作用到今天的集娛樂、武術(shù)、音樂表演于一身的傳統(tǒng)文化活動,它對于傳播中華民族傳統(tǒng)文化有著不可替代的重要性,因為它自問世以來,一直都在潛移默化的影響這中國人的生活習(xí)慣。而在近年來，隨著我國科技的快速進(jìn)步和國家的大力扶持，引發(fā)國人對于機器人的研發(fā)熱潮。由此，研發(fā)舞龍機器人有了良好的研發(fā)條件。

2　多關(guān)節(jié)舞龍機器人的設(shè)計

2.1　多關(guān)節(jié)舞龍機器人的設(shè)計思路

中國民族傳統(tǒng)民俗文化活動舞龍在表演時的特點是龍不斷地展示扭、揮、仰、跪、跳、搖等多種姿勢。舞龍時應(yīng)該要實現(xiàn)多軸同步驅(qū)動才可以做到舞龍的多種姿勢，就是說要達(dá)到舞龍表演時的特點就應(yīng)該通過多臺步進(jìn)電機同步工作才能實現(xiàn)。

2.2　多關(guān)節(jié)舞龍機器人的機械結(jié)構(gòu)

多關(guān)節(jié)舞龍機器人的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，舞龍機器人分成頭、身、尾三部分，舞龍機器人的每一部分都是由一套機械結(jié)構(gòu)控制，一套機械結(jié)構(gòu)是由三個不同的步進(jìn)電機構(gòu)成，同時根據(jù)不同軸不同的力矩以及位移的要求分別使用不同的步進(jìn)電機，三臺步進(jìn)電機通過連接器件連接起來，步進(jìn)電機①控制著舞龍機器人的平移運動，步進(jìn)電機②控制著舞龍機器人的轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機③控制著舞龍機器人的擺動同時它還連接操控舞龍機器人的支撐桿。

2.3　多關(guān)節(jié)舞龍機器人的控制電路

多關(guān)節(jié)舞龍機器人的控制電路如圖2所示。其中開關(guān)電源將220V、50Hz的民用交流電源轉(zhuǎn)變成適合步進(jìn)電機驅(qū)動器的24V直流電源。

步進(jìn)電機驅(qū)動器用于控制驅(qū)動步進(jìn)電機，它是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收單軸控制器正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)的脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動,同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。在本舞龍機器人中，一臺步進(jìn)電機驅(qū)動器控制著一臺步進(jìn)電機。

步進(jìn)電機直接連接舞龍機器人，控制舞龍機器人的實際動作，是舞龍機器人的核心部分。步進(jìn)電機的運動收到步進(jìn)電機驅(qū)動器的控制，當(dāng)步進(jìn)電機驅(qū)動器給步進(jìn)電機驅(qū)動器正轉(zhuǎn)信號，步進(jìn)電機就會進(jìn)行正轉(zhuǎn)，當(dāng)步進(jìn)電機驅(qū)動器給步進(jìn)電機驅(qū)動器反轉(zhuǎn)信號，步進(jìn)電機就會進(jìn)行反轉(zhuǎn)，所給信號頻率越高，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動的速度越快。

限位開關(guān)主要用于將機械位移轉(zhuǎn)變成電信號，當(dāng)步進(jìn)電機運動到一定位置時就會觸發(fā)限位開關(guān)，限位開關(guān)就會給通過繼電器給單軸控制器一個信號，單軸控制就會通過步進(jìn)電機驅(qū)動器，使步進(jìn)電動機反轉(zhuǎn)。

單軸運動控制器是在舞龍機器人運動到正限位（負(fù)限位）時，就會通過限位開關(guān)觸發(fā)單軸控制器，單軸控制器就會給步進(jìn)電機控制器發(fā)送一個反轉(zhuǎn)(正轉(zhuǎn))的信號，從而達(dá)到讓舞龍機器人前后移動、左右搖擺以及轉(zhuǎn)頭的動作。

舞龍機器人的實物如圖3所示。

3　結(jié)論

在研發(fā)過程中，已經(jīng)對多關(guān)節(jié)舞龍機器人進(jìn)行過多次的測試實驗，結(jié)果表明本實驗中研發(fā)的多關(guān)節(jié)舞龍機器人能夠自主運作而且動作流暢，長時間運作后舞龍機器人依舊能夠正常的運作，實現(xiàn)了設(shè)想中舞龍機器人能夠運動的目標(biāo)，也在一定程度上對舞龍表演進(jìn)行了動作上的還原。研究以來的多項實驗數(shù)據(jù)表明舞龍機器人投入生產(chǎn)使用是十分有可能的。

多關(guān)節(jié)舞龍機器人的每一節(jié)僅僅只有三軸，運作過程中舞龍的動作設(shè)計受到了很大的限制，只能基本做出舞龍的動作，單一的動作未能傳神的表達(dá)舞龍的精髓，為了可以傳神的表達(dá)舞龍表演時的精髓，應(yīng)該將舞龍機器人的軸數(shù)增加。同時由于支持舞龍機器人的電機力矩不夠，使得舞龍模型只能使用一些較輕的舞龍模型，在支撐重量比較大時的舞龍模型就會出現(xiàn)步進(jìn)電機力矩不夠，不能反轉(zhuǎn)的情況，對于步進(jìn)電機的選用，應(yīng)該使用一些輕便，力矩大的電機?？傮w來說，舞龍機器人的設(shè)計不夠精美、且動作比較單一，這些地方都是有待改善的。

圖1：多關(guān)節(jié)舞龍機器人的機械結(jié)構(gòu)

圖2：多關(guān)節(jié)舞龍機器人的基本電路框圖

圖3：舞龍機器人的實物圖