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山东建筑大学毕业设计开题报告

班级：

机械112姓名：

张旭彬

设计题目

人型舞蹈机器人设计

一、选题背景和意义

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。

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。

二、课题关键问题及难点

1、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）。

2、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。

3、由于仿人形机器人都有一定的高度，在动作过程中，如果不注意平稳，很容易由于突然运动而倾倒，这样很容易摔坏重要硬件，使整个机器人成为废品。

防倾倒是仿人形机器人在设计过程必须要考虑的首要问题，是设计中的重中之重。

三、调研报告（或文献综述）

1.国内外舞蹈机器人研究现状

为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。

在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基—梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。

德国正研究开发“MOVEANDPLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。

从六十年代开始日本政府实施一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年。

到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”。

其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。

按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：

“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期。

70年代的实用期。

到80年代进人普及提高期。

”并正式把1980年定为产业机器人的普及元年”。

开始在各个领域内广泛推广使用机器人。

中国机器人的发展起步较晚，1972年我国开始研制自己的工业机器人。

"七五"期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。

1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。

20世纪90年代，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、装配、喷漆、切割、搬运等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

2．机器人技术的市场应用

机器人融入我们日常生活的步伐有多快？

据国际机器人联盟调查，2004年，全球个人机器人约有200万台，到2008年，还将有700万台机器人投入运行。

按照韩国信息通信部的计划，到2013年，韩国每个家庭都能拥有一台机器人；而日本机器人协会预测，到2025年，全球机器人产业的“蛋糕”将达到每年500亿美元的规模（现在仅有50亿美元）。

与20世纪70年代PC行业的情况相仿，我们不可能准确预测出究竟哪些用途将推动这个新兴行业进入临界状态。

不过看起来，机器人很可能在护理和陪伴老年人的工作上大展宏图，或许还可以帮助残疾人四处走走，并增强士兵、建筑工人和医护人员的体力与耐力。

目前，我国从事机器人研发和应用工程的单位200多家，拥有量为3500台左右，其中国产占20％，其余都是从日本、美国、瑞典等40多个国家引进的。

2000年已生产各种类型工业机器人和系统300台套，机器人销售额6.74亿元，机器人产业对国民经济的年收益额为47亿元，我国对工业机器人的需求量和品种将逐年大幅度增加。

3.机器人技术的前景展望

机器人是人类的得力助手，能友好相处的可靠朋友，将来我们会看到人和机器人会存在一个空间里边，成为一个互相的助手和朋友。

机器人会不会产生饭碗的问题。

我们相信不会出现“机器人上岗，工人下岗”的局面，因为人们随着社会的发展，实际上把人们从繁重的体力和危险的环境中解放出来，使人们有更好的岗位去工作，去创造更好的精神财富和文化财富，机器人来做这些危险环境的工作，展望21世纪机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，所以很多专家预测，在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期，目前国际上很多国家，也对机器人对人类社会的影响的估计提出了新的认识，同时，我们也可以看到机器人技术，涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，它是一个国家高技术实力的一个重要标准。

语音识别处理是语音功能的一个重要方面，目前计算机语音识别处理过程基本上一致，是一种基于统计模式识别的理论。

我国的语音识别研究起步于五十年代，近年来发展很快，其研究水平基本与国外同步，在汉语语音识别技术上还有自己的特点和优势。

可以预计，语音技术的发展前景无限。

参考文献

[1]林海华.基于ATmega8515L的舞蹈机器人控制系统设计与研究[D].西北工业大学,2005.

[2]肖慧杰.舞蹈机器人控制系统研究与设计[D].东北大学,2006.

[3]樊广灏,廖启征,魏世民,郭磊.一种舞蹈表演机器人的结构设计及运动分析[J].机电产品开发与创新,2011,06:

7-9.

[4]何晓亮.舞蹈机器人中的音乐特征提取与处理的研究[D].沈阳航空航天大学,2012.

[5]熊芳.双足舞蹈机器人稳定性研究[D].兰州理工大学,2012.

[6]陆光,刘海晨,彭时林,许家林.多自由度舞蹈机器人的设计与实现[J].建设机械技术与管理,2006,06:

93-98.

[7]胡志强,王润孝,李曙光.舞蹈机器人动作设计与实现研究[J].制造业自动化,2006,11:

36-39.

[8]林海华,代庚辛,秦爱中,马锡琪.基于80C196KC单片机的舞蹈机器人控制系统设计[J].机床与液压,2005,06:

128-130.

[9]董建军,杨文杰,王兵.舞蹈机器人的设计与控制[J].信阳师范学院学报（自然科学版）,2002,04:

456-458+467.

[10]徐谋锋,黄雪梅.舞蹈机器人动作编程研究[J].山东理工大学学报（自然科学版）,2010,04:

77-80.

[11]张利,张立杰,黄彦.基于AVR单片机和FPGA的舞蹈机器人控制系统硬件设计[J].舰船电子工程,2010,12:

135-138.

四、方案论证

1方案的比较论证及方案确定

我们把设计分为两大部分—机械部分和电气部分进行论证，对多种方案进行比较论证后，选出一个最佳的方案，最后再进行软件部分的设计。

2机械部分

机械部分包括：

底盘机构的设计、弯腰机构的设计、转身机构的设计、手臂机构的设计、转头机构的设计、及材料与型材选择。

2.1底盘机构的设计

（1）行走式简图如下

图2.1行走机器人简图

行走式，能够在平地上、凹凸不平的地上步行，能上下台阶，其粗糙路面性能较好，好的关节，稳定好的牵引力。

它的缺点是不能原地转动，速度慢，控制复杂，移动困难，操纵性差，机械复杂，电机性能要求严格，价格昂贵。

（2）移动方式为履带式简图如下

图2.2移动方式图

履带式移动方式的特点是运动平稳，适合爬坡度比较大的地方，这是轮式所做不的。

但缺点是加工制作比较麻烦，履带一般是需要到市场上购买的，且摩擦力很大、能量损耗大

（3）前轮偏转后轮驱动移动式简图如下

图2.3底盘移动方式

可以实现车体任意的定位和定向，可以做到零回转半径。

特别是能通过将轮向正交速度方向实现急停。

车底盘、四轮、驱传动装置、舵机和控制盒的行走信道共同组成行走系统。

但由于前后启动惯性不一样，导致机器人的不平衡，特别是重心高的机器人。

（4）轮式差速驱动

图2.4底盘移动方式

采用两个驱动轮，两个万向轮，万向轮用于平衡。

机构简单，容易制造及装配；能在原地旋转以获得不同的方向。

因此它是比较适合的一种底盘机构。

通过以上各个机械方案的提出并描述了各自的优缺点，比较得出所要设计的机器人的结论为：

（1）移动方式以方案

（1）的四轮移动为最佳选择，其速度要比履带式移动快，且其能量耗损相对较少；

2.2弯腰机构的设计

腰部的设计思路是，作为人形机器人的腰部，主要做要是承接了上部的重量，设计的时候腰部能做到水平的转动最好，如果不能将会极大地影响整个机器人的平衡；所以尽量减少可变的环节，故在腰部转动的设计中不采用电机再经传动其他机构最后带动腰部的转动方式，而是直接使用电机实现弯腰。

（1）齿轮机构简图如下

图2.5齿轮传动方式

齿轮机构的优点是平稳，自锁性好，精度高。

但加工比较困难，且不利于固定，造价也很高。

（2）连杆机构简图如下

图2.6连杆传动方式

结构简单，容易实现，更重要的是它的运动规律正好符合人体运动的原理。

我们的舞蹈机器人就是采用这样的机构来实现弯腰的。

（3）连杆机构简图二

具体实现方式如下：

先通过一根轴穿过鞠躬机构与机器人上半身的两只手臂固定，然后电机通过一个摇杆连接到弯腰机构的一个长方形槽中，在电机转动的过程中，带动鞠躬机构做以与手臂固定轴为中心的前后弯腰鞠躬动作，所需的零件包括一根轴，一个带有与轴相同大小的孔和在孔同一侧的开有长方形槽的铝条。

并且考虑在这个机构上，能够与手臂机构相固定。

图2.7机器人鞠躬机构

2.3转身机构的设计

（1）连杆原理实现的转身机构

转身机构的设计原理和弯腰机构的设计原理差不多，在此就不做多的比较论证了。

我们还是采用连杆机构，但具体的设计又和前面稍微不同。

图2.8转身机构

（2）电机做转轴的转身机构

图2.9机器人的腰部机构

机器人的腰部机构用于实现机器人左右转身的动作，主要部件包括一个滚动轴承、一个自行加工的可固定滚动轴承内部圆的零件，以及必备的其它固定零件。

滚动轴承的特点在于当内圆固定时，外圆可以转动，反之亦然。

机器人的腰部机构正是从这个特点出发制作的，要实现机器人腰部左右转动，就让滚动轴承内部圆与可固定电机轴的传动零件固定，同时该零件与机器人下身机构固定，滚动轴承与机器人上身机构固定，再将电机与传动零件固定后又与上身机构固定，这样，在电机转动的过程中，利用轴承的作用，机器人下身机构不动时，由于上身机构与轴承外圆固定，电机旋转带动了轴承外圆的旋转，于是，机器人上身就绕着轴承中心作转身运动。

这种机构的缺点是电机轴受力较大，电机容易损坏，同时要求电机有足够的转矩

通过以上各个机械方案的提出并描述了各自的优缺点，比较得出所要设计的机器人的结论为：

转身和弯腰机构则是连杆机构较为合理，其它机构不是成本高，就是不易于实现，在此我们选用以设计好的连杆机构。

2.4手臂和头部机构的设计

图2.10手臂机构

手臂机构的是机器人整体比较重要的环节，手臂自由度较多，机器人的很多动作都通过手臂体现出来。

由于头部机构比较简单，在此和手部一起画出来，因为设计要求没有点头动作，我们只要一个电机来达到头部动作就可以了。

手臂机构就是机器人的两只手臂，在本次设计中将机器人的手部的两个电机与带动机器人头部转动的电机固定在了同一个机构上，同时，将该手臂与前后弯腰的机构相固定，构成机器人的上半身机构的一部分，然后该整体又与机器人的左右支架和腰部机构相结合，一起构成机器人的上半身机构。

本次设计机器人的手臂由一根横杆构成，左右两端分别固定左右手的两个电机，可做前后360度的旋转，中间固定机器人的头部电机，可带动头部做360度的旋转，其中手臂的机构还可以继续扩展，在肩部上和臂末端可再扩展两个电机，实现三个自由度的动作

图2.11机器人的手臂机构

同时，为了防止手臂旋转过度使动作错乱，同左右转腰的机构一样，可在机器人手臂转动限定角度内装上限位开关，以达到动作的一致性。

2.5材料与型材选择

机器人制作前，必须选择用于机器人本体的主要结构材料。

在进行机器人制作时，特别要确定它自身的大小、轻重等，这就需要选择合适的材料来满足要求。

对机器人本体材料选择，不仅仅有助于确定它的强度、重量、尺寸，而且确定了整体结构的难度水平、可能需要的特殊工具以及达到可接受结果所需要的技术水平。

因此在选择材料时，一般是根据机器人以下原则进行挑选：

（1）零部件的形状、大小有何要求

（2）零部件需要多大的强度；

（3）要选择多大重量的零部件

研究表明，机器人结构设计为空心矩形截面，由铝材加工而成。

其基本框架是使用连接件和角撑支架来搭建的。

3电气部分

3.1电气方案

（1）方案1

电机驱动电路采用继电器构成桥式换向电路，继电器和主控制电路间用光电隔离器。

考虑到电机的起动电流和制动时比较大，会造成电源电压不稳定容易对单片机和传感器的工作产生干扰，所以，电机驱动电路和单片机以及传感器电路用TLP521-4光耦隔离。

提高电路的可靠性。

同时还可以采用相互独立的电源供电。

以确保单片机正常运行，进而以保证整个系统正常工作。

（2）方案2

方案二的电气图基本不变，只是把H桥换成了继电器，把红外信号输入换成光码盘。

继电器就有其自身的优胜，他相当于短接没有压降，能承受的电流也可以很大,可以把电机电枢短路，即相当于刹车

3.2电气方案比较

（1）首先我们采用直流电机。

电机的选取以方案

（1）的普通直流电机为最佳选择，其控制比较简单，功率相对机器人比赛是够的；而步进电机功率不够，伺服电机太贵了；在电机驱动电路的选择上我认为用继电器构成开关控制，因为对电机的控制要求不一样所以对不同的电机采用不同的控制方法。

三极管构成的驱动电路其优点是能够进行脉宽调速，缺点是三极管有压降。

用于行走的电机采用此种方法驱动的力度不够大，对完成动作的电机可以采用由两个继电器实现其正反转和启动停止。

（2）传感器选用以闭环传感器为主，其他传感器为辅，其中包括光码盘，触碰开关。

（3）单片机控制系统采用单机形式。

其可靠性能更高。

综上所述，电气方案选择最佳电气方案

（2）

五、进度安排

第3-4周：

文献检索，设计内容分析，撰写开题报告，翻译英文资料；

第5-6周：

舞蹈机器人总体结构设计

第7-8周：

舞蹈机器人机械部分设计

第9-10周：

舞蹈机器人电气部分设计

第13-14周：

整理设计资料，撰写设计说明书；

第15-16周:

设计说明书装订，论文答辩；

六、指导教师意见

签字：

年月日

七、教研室（或开题审查小组）意见

签字：

年月日