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ABSTRACT

Asanimportantbranchofrobot,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

1.1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。

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。

AIBO采用全新的64位RISC架构CPU，可以记录和识别75个语音，而且还能自动模仿人类讲话的声音，会根据不同的心情而唱出不同调子的歌曲，更可爱的是它们之间还可以相互交流信息。

2000年l1月20日本田技研工业推出新型双脚步行机器人ASIMO，该机器人配备了被称为“I-WALK”的步行控制技术，使其更接近于人类的步行方式，除了可以实现自由步行如前进、后退、斜向步行、原地转身等动作外，ASIMO还可以执行诸如握手、鞠躬等事先登记的身体动作，并能实现踢球和舞蹈。

在本田推出ASIMO的第二天，索尼公司也推出人型娱乐机器人SDR-3X，该机器人可以实现左右转身、单腿站立、踢球、按照音乐节拍翩翩起舞等7种动作，另外它还配备声音识别和图像识别功能，能够识别20种声音，可以讲由声音合成的20种语言。

2002年，索尼公司又“成功地制造出了能歌善舞的娱乐机器人”SDR-4X。

除了具备影像识别、声音识别和声音合成系统，SDR-4X身上还装置了带有记忆功能的交流和运动控制系统，这使得它能够与人进行更加丰富的交流。

此外，SDR-4X的娱乐服务质量也得到提升，它可以存储对人体及物体位置的信息，处理更加复杂的动作，例如，如果将音乐和歌词输入它的身体，它就可以唱歌。

2003年7月15日，日本Tohoku大学设计开发出可以在人的带领下跳华尔兹舞蹈的机器人，该机器人能够根据舞者的动作预测其下一个动作，从而可以随着音乐节奏来代替人类跳舞。

2003年12月，索尼公司开发出世界上第一个会跑的机器人Qrio，其跑步速度达到每分钟约13.7米并能够做流畅的舞蹈动作娱乐观众：

在手指的控制能力上，Qrio能够像棒球手一样将棒球抛出约3-4米的距离，并且能在跳舞的时候手中握有扇子。

除了能够行走、跳舞，它还能完成以往机器人无法实现的动作，比如指挥一场小型交响音乐会。

Qrio的重大技术突破在于能够双脚同时离地稳定前进，而目前其他的所有仿人机器人都必须随时有一只脚与地面接触才能稳定移动，无疑Qrio的研制成功将是机器人发展史上的一大步。

2005年1月，日本产业技术研究所开发的名为HRP-2双足拟人机器人亮相东京。

其研究人员利用特殊摄像机将艺术家跳舞的画面输入电脑，并对头、手等32个部位的动作进行解析，然后将解析后的数据输入给机器人，利用这些数据控制机器人手的动作和脚步，从而使HRP-2的动作可以和人一样连贯，实现机器人的翩翩起舞。

除了日本以外，欧美等主要国家很多公司和研究所也对娱乐机器人进行了大量的研究工作，并已经制造出相应的娱乐机器人产品投放市场。

美国WowWee公司开发的机器人RobosapienⅢ，是美国市场上最畅销的娱乐机器人。

它身高14英寸，全身有多个高度灵活的关节，手指可以开合抓取物品，通过预先设定好的程序，能够做出67种复杂的动作，包括投掷、武术、舞蹈、闲逛等等。

加拿大DR．Robot公司开发的DR．Robot人型机器人，身高60cm，既可以用于娱乐目的也可以作为家庭服务机器人。

美国Utah州Sarcos公司开发了一款真人大小的娱乐型类人机器人。

韩国的SEGA公司制造出一对老鼠形状的“数字机器人，这种机器人能生长并具有个性，甚至可以与异性约会。

人们可以从网上下载有关软件来调动机器人的行为，如让它唱歌、玩游戏、与主人表示友好等。

几年前，美国特种机器人协会曾举办了一场别开生面的音乐会，演唱者是美国依阿华州州立大学研制的机器人歌手“帕瓦罗蒂”。

其研制者事先成功地获得了帕瓦罗蒂演唱时胸腔、颅腔和腹腔内空气振动的频率、波长、压力及空气的流量等数据，再用先进的电脑系统进行“最逼真的模拟”，然后再进行仿制，从而使机器人歌手的表演可跟帕瓦罗蒂相媲美，甚至它的语调声音、用词造句也与帕瓦罗蒂如出一人，以至于特种机器人协会的专家阿姆斯特朗评价道：

“目前世界上娱乐机器人的水平仅能仿制人的体型外貌，能在手脚的动作及面部表情上有拙劣的模仿就不错了”。

而眼前的‘帕瓦罗蒂’能取得如此优异的成绩，确实是向前迈进了一大步，因此依阿华大学的这次成功意义深远。

1.3.2国内研究现状

随着世界机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。

我国的机器人研究开始于70年代，但由于基础条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等种种原因，未能形成真正的产品。

80年代中期，在国家科技攻关项目的支持下，我国机器人研究开发进入了一个新阶段，形成了机器人发展的一次高潮。

从80年代术到90年代国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、目标产品、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。

目前像中科院沈阳自动化所、北京自动化所、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、清华大学等一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，比较有代表性的研究有工业机器人、水下机器人、空间机器人，都在国际上处于领先水平。

然而，总体上我国与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品。

当前，我国机器人面对两大任务：

①机器人研究与开发如何更好地为国民经济服务，并在实践中不断提高；

②机器人如何走向产业化并参与国际竞争。

在2004年东北亚高新技术及产品博览会上，中科院自动化所研制的具有自主知识产权的“科普娱乐机器人”91亮相，该机器人凝练了语音识别和人机交互技术，综合集成了机器人表情控制技术、机械设计技术、电气和电子技术、计算机软件技术和人工智能技术。

该机器人最大的魅力在于它拥有自己的情感，通过自然的语音交互方式控制，可做出包括喜、怒、哀、乐等30多个可爱、滑稽的表情。

上海交通大学机器人所研制的机器人“长笛演奏家”，可用10个金属手指灵活地按动发音孔，吹出一曲悠扬的《春江花月夜》，除了模拟手指，这位“演奏家”还有一个人工肺，吸气、吐气都受过“专门训练”，音域圆润而宽广。

海尔机器人公司推出的娱乐机器狗，可以摇头摆尾，眼睛发光，“唱”几首流行歌曲。

该公司开发的娱乐类宠物机器人包括机器猫、机器狗、机器龙、机器鸟等多种中国传统吉祥类动物形象，此类产品更加贴近真实的生活，充满趣味、灵性，亲切向上。

可以预料，我国企业自行生产的更可爱的机器宠物如狗、猫、鱼、鸟，能开能闭、能变色、有香味的花，将可能成为人们生活中的“伴侣”。

1.4论文主要研究内容

本论文以全国大学生舞蹈机器人大赛作为实验和应用背景，主要研究舞蹈机器人的控制系统结构及其运动控制机制。

论文以工控机和AVR单片机作为机器人的控制核心，在现有舞蹈机器人的基础上，加上相应的结构和功能扩展，通过建立控制系统的软、硬件结构，实现机器人的运动控制和上下位机通信，从而完成整个机器人控制系统的研究。

论文主要章节安排如下：

第1章绪论

介绍论文研究背景、国内外机器人的发展与研究现状。

第2章机器人控制系统总体方案设计

分析机器人的本体结构和功能技术要求，并阐述了机器人的相关控制技术，建立了机器人的运动学方程，最后提出机器人的整体控制方案。

第3章机器人控制系统硬件设计

论述机器人控制系统的硬件设计方案，对组成该机器人的微控制器、电源、电机驱动、反馈检测、数据存储、避障等硬件电路进行了全面的描述。

提出了基于工控机和AVR单片机的上下位机式控制结构，以工控机作为上位机，以AVR单片机作为机器人本体的控制核心，实现上下位机的无线通信和12个舵机的调速控制。

第4章机器人控制系统软件设计

论述机器人控制系统软件程序的设计与开发，深入讨论了AVR单片机端和PC端、CPLD端控制程序的设计思想，开发了可视化的机器人上位机控制界面，提出了采用插值法对舵机进行调速的控制方法，较好的解决了机器人舞蹈动作与音乐节拍的协调一致问题，对于机器人底盘电机采取了PID控制算法，控制机器人的行走路径，并结合同步补偿算法，用来解决机器人的直线行走问题。

第5章机器人舞蹈动作与音乐协调问题的研究

针对机器人舞蹈动作与音乐的协调问题，提出基于音乐特征识别的控制策略，在音乐特征识别的基础上利用专家系统对舞蹈动作与音乐进行自动适配，并通过同步演示方法，使机器人动作与音乐协调一致。

第2章舞蹈机器人设计总体方案

2.1机器人本体结构分析

机器人的机械结构以及传动结构对整个机器人的灵活性起着不可忽视的作用,合理的机械布局和灵活的传动结构都是设计时必须仔细考虑的。

本舞蹈机器人分别具有上肢、下肢、头部、腰部等关节,能够模仿人类的基本动作,各关节运动情况描述如下:

（1）头部:

具有1个自由度,用来实现头部的左右转动,模仿人类的摇头动作由1个舵机控制。

（2）上肢:

每只手各具有小臂、胳膊关节,小臂具有1个自由度,由1个舵机控制,实现小臂的摆动；

胳膊分别由1个舵机并联控制,实现胳膊在空间中的运动,可以模仿人类胳膊的各种动作,例如肩部的左右摆动、肩部的前后摆动、手臂的转动等,双手共需要4个舵机。

（3）腰部:

具有2个自由度,实现腰部的俯仰动作,由于大部分电机都集中在机器人上身部分,为了保证电机有足够的力量承载上身的俯仰,故该关节用了2个大力矩舵机控制,分别置于腰部的两侧。

（4）下肢:

每条“腿”分别具有2个自由度,分别实现大腿和小腿的摆动,两条“腿”共需要4个舵机控制。

2.2机器人功能和技术要求

2.21功能要求

（1）娱乐功能:

机器人随着音乐节奏翩翩起舞,其舞蹈动作应该能够与音乐节拍协调一致,根据音乐的节奏快慢、风格特征来改变自身的动作。

（2）智能化感知功能:

机器人应该具有基本的感知功能,能够检测障碍物并能根据环境的改变来调节自身的行为。

（3）电机驱动和反馈检测功能:

机器人应该能够控制电机的转向和转速,并具有反馈检测环节,实现电机的闭环控制,以便控制机器人的行走路径。

2.22技术要求

（1）运动性能:

机器人应该具有较好的机动性和灵活性,能够平稳快速的完成前进、后退、转向等动作,此外要确保机器人运动的平稳性,避免出现翻倒的情况。

（2）坚固性:

在机械设计上,应使机器人具有较好的坚固性,在机器人做舞蹈动作或行进过程中,各种接插件不能松动、脱落。

（3）可靠性:

由于机器人控制系统元器件众多,有来自各方面的干扰,这些干扰对机器人控制系统硬件线路和软件程序设计都提出了一定的要求。

（4）可维护性:

对于一个装置而言,可维护性是十分重要的。

维护应该包括硬件维护和软件维护。

因此在硬件结构设计时要考虑便于安装拆卸、调试检测；

软件上采用模块化结构设计,以便于测试、升级。

（5）经济性:

选用合适的控制方案,选用性价比高的功能器件,既满足系统的功能要求,又可以节约成本。

从以上分析可以看出,在机器人的体积和重量受限的前提下,要设计具有上述功能的机器人,其关键在于采用高集成度、微型化技术和解决结构优化问题。

2.3舞蹈机器人总体控制方案

根据以上所介绍的机器人性能要求和相关控制方法,并参考了文献[11-14]中关于机器人控制系统的设计思想,结合本机器人的特点,我们提出了系统的总体控制方案。

机器人采