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《智能机器人》结课论文

华北科技学院
《智能机器人》结课论文

关于舞蹈机器人的研究

学院（系）： 电子信息工程学院
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目 录

摘 要 3
Abstract 4
1 绪论 5
2 机器人设计的内容与要求 5
2.1智能机器人设计的内容 5
2.2智能机器人设计的数据与要求 5
3. 舞蹈机器人的设计 6
3.1 机械部分 6
3.2底盘机构的设计 6
3.3弯腰机构的设计 7
3.4转身机构的设计 9
3.5手臂与头部机构的设计 10
参考文献 12

摘 要
本文研究舞蹈机器人的主要作用与应用，主要作用是供人观赏，为人解忧。
论文主要研究了舞蹈机器人的功能及工作要求，控制对象舞蹈机器人的工作原理、动作过程，与一些简单的舞蹈动作与相应的机构设计。××××××××××××××××××××××××。
研究结果表明：舞蹈机器人具有较好的实际应用性，机器人学已经发展成为一门综合运用机械、电气、计算机、产业与制造业等多种工程学科基础知识与创造能力的举足轻重的学科。并且具有很好的观赏价值。
本文的特色在于：比较详细的解释了舞蹈机器人的设计，以及舞蹈机器人的实用价值。
关键词：舞蹈机器人；应用；观赏；价值

Abstract
The main function and Application Research of dancing robot, the main role is for people to watch, as the people who.
This paper mainly studies the functions and requirements of dancing robot, working principle, control object dance robot movement process, and some simple dance movements and the corresponding mechanism design.
The results show that: the dance robot has practical application of good, robotics has already developed into an integrated use of mechanical, electrical, computer, industrial and manufacturing a variety of engineering disciplines of basic knowledge and ability of the subjects play a decisive role. And has good ornamental value.
The characteristic of this paper is: a more detailed explanation of the design of dancing robot, and practical value of dancing robot.

Key Words：Dance robot; application; ornamental value;

1 绪论
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、人工智能与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[3]。
2 机器人设计的内容与要求
2.1智能机器人设计的内容
随着现代科技的发展，机器人技术已广泛应用于人类社会生活的各个领域，特别是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。本课题要求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，左右转弯与前后摆动手臂，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。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。机器人包括底座、头部、上身、下肢、以及电路控制板，分别控制手臂、头部与底盘运动的电机及传动机构等。通过电路控制与机械传动，可使机器人动作。知识范围涉及机构学、力学、电子学、自动控制、计算机、人工智能等。
2.2智能机器人设计的数据与要求
1、机器人身高80～120㎝，表演时机器人随音乐翩翩起舞，动作协调、灵活；
2、表演各种舞蹈的基本动作，具体动作可自行设计。涵盖行进、转圈、举手投足、头部等动作；
3、整套动作持续4分钟左右；
4、机器人结构紧凑、体积小，重量轻；
5、灵活的多功能机器手臂：活动空间大，可360度旋转。
6、采用电机驱动，运动准确可靠。

3. 舞蹈机器人的设计
3.1 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。
3.2底盘机构的设计
（1）行走式简图如下

图3.2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

履带
驱动轮
从动轮

导向轮
图3.3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3.4底盘移动方式
可以实现车体任意的定位与定向，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、舵机与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

驱动轮

万向轮

图 3.5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。
3.3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3.6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
电机
下腰部
腿部

图3.7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与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。
机构如图所示：

机器人鞠躬机构
鞠躬机构的装配顺序如下：
(1) 取适当长度的铝条打轴孔与磨长方形槽，在上身支架两端打相同的孔，轴穿过该铝条后穿过两个支架并固定好
(2) 加工可固定于电机轴上的摇杆，一端可固定住电机，另一端固定摇杆的轴并与加工好的铝条的长方形槽相结合

(3) 将电机固定在上身左边支架的一侧
(4) 为了防止弯腰机构前倾，用两根橡胶带做一定的固定，以使电机拉住机构向下弯腰时更加稳定
在弯腰机构中，如果将机构的位置与方向调换过来，动作就可变为肩的左右摇摆，因为设计水平有限，没有将两种动作结合在一起的机构设计出来。
3.4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与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，但具体的设计又与前面稍微不同。
电机
上腰部

图3.9 转身机构
(2)电机做转轴的转身机构

图3.10 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。
3.5手臂与头部机构的设计

图3.11 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，在此与手部一起画出来，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与腰部机构相结合，一起构成机器人的上半身机构。
参看做的很好的机器人的例子，机器人的手臂是机器人复杂程度的重要标志之一。手臂所具有的自由度越多，动作时活动的空间就越大，所做的动作就越精细，完成的任务就越复杂。
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，在肩部上与臂末端可再扩展两个电机，实现三个自由度的动作。

如图所示：

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。
装配顺序：
(1) 选择合适钢性材料钻好孔后将左右手两个电机与头部电机固定住
(2) 将上述做好的机构通过一块钢片钻孔后用螺钉固定在前后弯腰的机构上
(3) 将两个传动杆固定到左右两个手臂电机上，在传动杆的另一端固定直径大小适合的两根钢轴作为机器人的手臂用
(4) 将一个传动杆固定在机器人的头部电机的轴上，作为机器人可360度转动的脖子

参考文献
参考文献
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