舞蹈机器人控制系统设计

陈宗君

（广西壮族自治区特种设备监督检验院，广西 南宁 530219）

舞蹈机器人控制系统设计

陈宗君

（广西壮族自治区特种设备监督检验院，广西 南宁 530219）

机器人作为人类2 0世纪最伟大的发明之一，在短短的几十年内发生了日新月异的变化。从控制系统整体方案、控制系统硬件电路设计和控制系统的软件设计三方面进行了论述，设计了舞蹈机器人的控制系统硬件组成和软件思路，完成了上位机控制舞蹈机器人动作。重点介绍了电机驱动方案和单片机与计算机之间的相互通信，详细阐述了舞蹈动作的读取和执行过程。通过调试，舞蹈机器人可以实现跳舞基本动作，并且舞蹈动作连贯。

机器人；舞蹈；继电器；电机；上位机

近几年，机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技术的出现和发展不但使传统的工业生产面貌发生了根本性变化，而且将对人类社会产生深远的影响。舞蹈机器人以其具有人类外观特征、可爱的外貌，又兼有技术含量等优点，极受青少年的喜爱。本课题要求设计具有简单模拟人体舞蹈动作的控制系统，如完成前进后退、左右转弯和前后摆动手臂等。同时，设计上位P C机控制，使整个舞蹈机器人动作灵活。

1 控制系统整体方案

控制系统是机器人最重要的部分，它直接影响着机器人功能的实现与否。舞蹈机器人要实现完全自动控制，必须采用单片机为控制核心。单片机类似于机器人的大脑，接收和处理所有外界信息，指挥并控制机器人的所有动作。首先，舞蹈机器人机构系统采用的是直流电机，可以使用三极管桥式驱动方式或者继电器控制方式。继电器具有无压降、控制简单、制动性好等特点，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。因此，在电机驱动电路的选择上用继电器构成开关控制方式更为合适。传感器选用以闭环传感器为主，其他传感器为辅，其中包括触碰开关。单片机控制系统采用单机形式，其可靠性能更高。

2 控制系统硬件电路设计

2.1 电机驱动电路

在直流电机电枢上加上一定幅度的直流电压，电机便开始旋转；改变电压方向，电机转向也随之改变。如果电机以恒速运动，不调速可以采用一个简单的电路来控制正反向。它采用两个继电器作为控制弱电到驱动电机的强电之间的转换器。本系统选用D4 810型固态继电器，在本控制系统中控制信号经J14口输入到继电器，而后经J3等二端口输出驱动电机动作。

正反转控制开关RELAY1断开，电源开关RELAY3闭合时，电机正转；反之，电机反转。两开关同时断开，电机停转；两开关同时闭合是不允许的，因为从电路可看出，这会导致电源短路。

2.2 单片机控制系统

采用AT89S52型单片机完成系统的控制。P1作为传感器的输入端口，P0作为行走电机的控制端口，P2作为动作电机的控制端口，P3作为备用接口。另外，留出串行通信的端口，以备上位机控制使用。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PIB817光耦隔离，以提高电路的可靠性。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，进而保证整个系统正常工作。

2.3 单片机与计算机通信

单片机与计算机之间可通过串行口RXD和TXD管脚实现通信。AT89S52单片机的TXD与MAX232的第二组电平转换器的TTL输入端（管脚10）相连，经过MAX232转换后，RS232标准输出端（管脚7）输出的信号进入计算机串口的RXD.同样，计算机串口的TXD与MAX232的RS232标准输入端（管脚8）相连接，经过电平转换后，由TTL输出端（管脚9）输出到单片机的RXD上。这样，MAX232完成了TTL与RS232之间的逻辑电平转换，使单片机与计算机之间的通信链路接口完成。

3 控制系统的软件设计

一整套的舞蹈动作其实是由一个一个的单独的舞姿构成，机器人跳舞的过程就是连贯执行每个舞姿。根据设计好的舞姿编写程序，主要由单片机初始化（外部中断、定时器中断、串行中断、舞蹈动作初始化）、舞蹈动作的读取和执行程序两大部分组成。

3.1 舞蹈动作的读取和执行

最主要的是考虑到电机控制信号的产生，采用定时器每隔一定的时间中断以产生控制信号和加载舞蹈动作。利用定时器中断程序可以很容易地产生直流电动机的控制信号。通过外部中断，对机器人前后左右4个方向上的碰撞进行处理，以使机器人不会因为碰撞影响之后的执行动作。对碰撞的处理，实际上就是改变保存舞蹈动作的寄存器，由于一定时间读取一次动作数据，可以理解，对碰撞的处理仅在碰撞后的这个规定时间内。只要对直流电机的控制数据设置恰当，就完全可以满足要求，使其不影响以后动作的执行。

3.2 上位机PC控制软件设计

选用V B设计串口控制界面软件，这里只设计了6个基本动作控制命令，分别是“点头”“摇头”“左手”“右手”“前走”和“后退”，并且在串口中采用发送字符的数据形式，6个动作控制命令分别对应字符“D”“Y”“Z”“S”“Q”和“H”。当单片机串口接收到字符数据并进行辨别后，执行内部已编好的相应的命令，输出控制信号，使机器人动作。

4 结束语

舞蹈机器人的控制系统是其重要组成部分，综合运用了单片机控制、传感器、电机驱动等硬件知识。经过仿真和模拟调试，可以完成点头、摇头、前进、后退、旋转等动作，并且上位机也可以很好地控制。

[1]蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000.

[2]周远清，张自兴，许万雍，等.智能机器人系统[M].北京：清华大学出版社，1998.

[3]高海生.单片机应用技术大全[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

（编辑：李慧）