舞蹈机器人

摘要I摘要娱乐机器人作为机器人的一个重要分支，已经发展为一种产业。舞蹈机器人是娱乐机器人的一种，它集软件和硬件于一身，而控制系统是机器人的核心，在机器人中发挥着重要的作用。本文针对舞蹈机器人控制系统的设计过程，主要研究其硬件电路设计、软件程序设计和关键算法。在分析了机器人性能要求和相关控制方法的基础上，提出了基于上下位机的控制结构，通过无线通信方式传输数据和指令，从而实现机器人的遥控。硬件设计过程中，以提高集成度、减小体积、提高性价比为设计原则，将各部分电路按照功能划分。利用无线通讯模块，实现上下位机之间的远程通信；通过端口扩展，解决I/0资源紧张问题：采用CPLD对机器人驱动轮的脉冲进行反馈检测，并加上四倍频环节，提高了检测精度；软件设计过程中，采用模块化的设计方法。在上位机设计友好的人机界面，以方便用户设置控制参数和指令，实现舞蹈动作的可视化编辑。机器人行走过程中，采取数字PID算法，通过闭环反馈控制，实现机器人行走路径的准确定位，并结合同步补偿算法，可较好的解决机器人的直线行走问题。为了使机器人的舞蹈动作更好地表现音乐的内涵，捉出一种基于音乐特征识别的策略，在音乐特征识别的基础上结合专家系统、模糊控制等智能手段，通过舞蹈动作与音乐的自动匹配、同步演示等方法，从而最终实现舞蹈动作与音乐协调一致。关键词：舞蹈机器人，AVR单片机，舵机控制，PID控制，音乐舞蹈协调东北电力大学自动化工程学院学士学位论文IIABSTRACTAsanimportantbranchofrobot,Entertainmentrobothasbecomeanindustry.DancerobotisoneofEntertainmentrobot,includinghardwareandsoftware.Thecontrolsystemisthecoreoftherobotandplaysanimportantroleintherobotsystem.Thisthesisaimsatthedesignprocessofthedancerobot'scontrolsystem,mainlystudyhardwaredesign、softwaredevelopandkeyarithmetic.Onthebaseofanalyzingtheperformancerequirementandrelatedcontrolmethods,weputforwardastructurebasedonmaster-slavercontrolmethod,usingwirelesscommunicationtotransferdataandinstructionbetweenthemastercontrollerandtheslavercontroller,thusrealizingthegoalofremotecontrol.Whendesigningthehardwarestructure,wedividethewholesystemintoseveralfunctionalmodulesbasedontheprincipleofimprovingintegration.Reducingvolumeandimprovingtherateofperformancevs.cost.Wirelesscommunicatingmodulewasusedtocontroltherobotbylong-distance.ByexpandingtheoutputportsolvestheproblemofI/Oresourceshortage.Inordertorealizethegoalofclosed-loopcontrolofrobot,wemakeuseofCPLDtoexaminethevelocityoftherobot'swheelsdrivedbyDCmotors,andaddfour-multiplecelltoincreasetheprecision.Whendevelopingthesoftwareprogrammer,weadoptthemethodofmodulizationdesigntomaketheprogrammermorecompactandeasiertoread.Onthemastercontroller,wedevelopawindowsinterfacesothattheusercaneasilysettheinstructionandparameter，moreovertheusercaneditandadjustthedancedatawiththewindowsinterfaceeasily.Inthecourseoftherobot'smovement,weusethePIDcontrolmethodandsynchronizationcompensationskilltocontroltherouteofrobotandsolvetheproblemoftherobot'sbeelinemovement.Inordertomakethedanceactiondeductsthemeaningofmusicbetter,weputforwardastrategyofmusiccharacteridentification,combiningwiththeintelligentmeansofexpertsystem、Fuzzycontrolandthemethodofauto-matchingofdanceactionandmusicelement.Synchronousdemo,andrealizethegoalofharmonizationbetweenthedanceactionandmusicintheend.KeyWords:Dancerobot,AVRSingleChipMicrocontroller,PIDcontrol,Musiccharacteridentify第1章绪论1第1章绪论1.1引言从1920年捷克斯洛伐克作家卡佩克在他的一本科幻小说--《罗萨姆的机器人万能公司》中构思和幻想了第一个名字叫罗伯特(Robot)的机器人，到1947年美国橡树岭国家实验室研制成功第一台主从遥控机器人，再到2004年3月9日索尼公司的人形机器人“QRIO”在东京市举行的节目彩排中登台亮相，担任乐队指挥，机器人的研制取得了巨大的发展。机器人已经发展成为一种产业，方兴未艾。机器人技术是多门学科和技术的集成，涉及到机器人学、机电控制、人工智能、通讯、计算机、传感器技术等多个领域的前沿研究。一般来说，机器人主要可分为两类：一类是用于制造环境下的工业机器人如焊接、搬运、喷漆机器人等；另一类是用于非制造环境下的特种机器人如服务、医疗、娱乐机器人等。随着计算机、控制、传感等技术和人工智能理论的发展，机器人技术正得到突飞猛进的发展。机器人已被广泛应用于工业领域的各行各业，从事如焊接、搬运、装配等工作：同时其也被逐渐应用于军事、医疗和其它一些服务行业。机器入主要由执行机构和控制系统组成，如果将执行机构比作为人的肌体，则控制系统就可比作人的大脑和神经中枢，因而机器人的先进程度与能强弱通常都直接与其控制系统的性能密切相关。机器人控制系统是根据指令及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。作为机器人的核心部分，机器人控制系统是影响机器人性能的关键部分之一，它从一定程度上影响着机器人的发展。目前，由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步，使得机器人的研究在高水平上进行，同时也为机器人控制系统的性能提出更高的要求。因此，提高机器人控制系统的开放性，建立开放式、模块化先进机器人控制平台，提出先进机器人的控制理论与方法，为长远的多机器人协调与控制的发展奠定基础，将会是今后机器人研究的一个重要课题。1.2舞蹈机器人研究背景机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平东北电力大学自动化工程学院学士学位论文2的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。机器人已在工业领域得到了广泛的应用，而且难以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。毋庸质疑，21世纪机器人技术必将得到更大的发展，成为各国必争之知以经济制高点。为了推动机器人及智能控制技术的发展，国际上推出了不同类型的机器人比赛，如机器人足球、机器人灭火、机器人相扑、机器人投篮球等，其中尤以机器人足球比赛最为引人注目。机器人比赛是具有很强观赏性和趣味性的高技术对抗赛，涉及人工智能、机器人学、通讯、传感、精密机构和仿生材料等领域的前沿研究和技术集成。机器人竞赛是科普活动的一个良好载体，同时也是基础研究的一个大舞台。随着机器人技术的发展，一些供学生比赛和动手制作的机器人相继问世，为了让更多的学生对机器人感兴趣，中央电视台、教育部、中国科协等都支持机器人比赛，目前各种形式的机器人比赛已有几十种，参加的学生越来越多，机器人课也已列入学，土的选修课程，事实上，一个新的素质教育平台正在形成。为了更好的普及现代科学知识，为我国的机器人事业培养更多的优秀人才，推动自动化与机器人技术的发展与创新，为我国的快速持续发展贡献力量，国内于2001年6月成立了机器人竞赛工作委员会，负责统一协调、组织全国的机器人竞赛活动包括机器人足球比赛、机器人舞蹈比赛等。该委员会的成立标志着我国机器人竞赛事业进入一个崭新阶段。目前，机器人竞赛正在我国如火如荼的发展，中央电视台一年一度的电视机机器人竞赛、中国自动化协会举办的全国机器人大赛、国内的一些高校如中国科技大学、中国矿业大学等开展的机器人活动周，正吸引着越来越多的大学生参与到机器人的开发与研究中来。1.3舞蹈机器人国内外研究现状1.3.1国外研究现状作为机器人的一个分支，娱乐机器人将会是21世纪机器人主要民用用途之一，如音乐机器人和跳舞机器人等。机器人吹奏乐器在国外已有成功的报道，包括日本政法大学研制的萨克斯自动演奏机器人和小号自动演奏机器人、日本早稻田大学开发的WF系列长笛自动演奏机器人、日本电气通信大学的大、小提琴演奏机器人等。娱乐机器人可以为人们缓解精神上的疲劳。很多当前最流行的娱乐型机器人其实就是玩具，但是这样的机器人玩具无疑是市场上最吸引人眼球的。近年来，全球商业性娱乐机器人正以每年35%的惊人速度递增。在娱乐机器人方面，有“机器人王国”之称的日本走在了研发的前沿，它是宠物机器人的发源地，也是世界上第一台类人娱乐机器人的产地。第1章绪论3日本万代公司试制出的家用娱乐机器人“BN-7”，能识别出谈话对象是谁，并能借助各种手势和语音方式与人交谈。“BN-7”还具有“感情表达”功能，高兴时，它的面颊会变红，不知所措时，它的脸色会变蓝。在声音识别功能方面，“BN-7”能听懂100个单词，与预先输入的1000个单词组合，它最多能用65000种词句回答问题。丰田公司也开发了一种娱乐机器人，吹奏喇叭是它的特长，它的人造嘴唇能够改变与喇叭的接触位置，模拟人吹喇叭的气流。由金属和塑料制成的手则按动着喇叭的音栓，一边演奏曲子，它闪闪发亮的身体还一边随着音乐摆动。当一曲终了，机器人还会向听众鞠躬并挥手致意。1999年6月，日本索尼公司宣布，将在日本和美国限量销售该公司研制的娱乐机器人—机器小狗“AIBO”。“AIBO”首次在公开场合露面是在1997年同本举行的国际机器人展览会上，当时就引起了观众极大的兴趣。“AIBO”有6种不同的情感状态：喜、怒、哀、惊、惧和怨，从而呈现给人一个丰富多彩的感情世界。“AIB0”像幼童一样有学习期、成长期和成就期。在学习期间它可以经过人的辅导培养本领和性格；在成长期可以了解周围世界，观察和倾听各种事情，积累经验；在成年期则具有丰富的情感、自主的本能和与主人进行交流。继推出第一代、第二代“AIBO”后，索尼公司又于2001年9月22日发布了第三代AIBO。