梁巧儀　鄭譽(yù)煌　李國(guó)豪　林煥然　亞梅　肖俊杰

摘要：六軸舞獅機(jī)器人采用Arduino平臺(tái)控制六個(gè)數(shù)字舵機(jī)，每個(gè)舵機(jī)分別牽引帶動(dòng)機(jī)器人腰部、大臂、小臂、小臂旋轉(zhuǎn)、腕部、爪部動(dòng)作。根據(jù)舞獅子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，這臺(tái)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了一套完整的機(jī)器人舞獅動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：舞獅；機(jī)器人；Arduino

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）08-0090-02

舞獅文化源遠(yuǎn)流長(zhǎng)并且深得廣大人民群眾的喜愛，每逢佳節(jié)喜事，舞獅是用來活躍氣氛很好的選擇。當(dāng)今舞獅主要是由人穿上舞獅服來舞動(dòng)，需要多個(gè)人來配合。舞獅屬于高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，對(duì)人的體力消耗很大，人不可能長(zhǎng)時(shí)間不停歇進(jìn)行。另外有些小型慶?；顒?dòng)或臨時(shí)節(jié)目需要舞獅子助興，請(qǐng)舞獅隊(duì)的成本較高。為此本文研究了采用基于Arduino的六軸舞獅機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人便于攜帶，而且能夠?qū)崿F(xiàn)常見的舞獅動(dòng)作。

1六軸舞獅機(jī)器人的硬件構(gòu)造

本文提出的六軸舞獅機(jī)器人的工作原理框圖如圖1所示。將支架和舵機(jī)進(jìn)行組裝、電路連接以及舞獅模型固定，即完成六軸舞獅機(jī)器人的硬件安裝，其外觀如圖2所示。

六軸舞獅機(jī)器人的核心部件功能介紹如下：

1）舵機(jī)：又稱伺服馬達(dá)，是程序的執(zhí)行器，也是機(jī)器人的動(dòng)力來源，本系統(tǒng)采用六個(gè)舵機(jī)分別來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的六個(gè)關(guān)節(jié)，從而控制機(jī)器人底部、大臂、小臂、小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、腕部、爪部六個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)。舵機(jī)的輸入信號(hào)為周期為20ms的脈沖信號(hào)，信號(hào)脈沖寬度0.5ms～2 4ms對(duì)應(yīng)0°～180°。我們選用的是輝盛MG-996r舵機(jī)。

2）Arduino上位機(jī)：整個(gè)機(jī)器人的控制中心，根據(jù)編程輸出脈沖信號(hào)來控制六個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、速率、時(shí)間點(diǎn)，從而達(dá)成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)達(dá)成一整套舞獅動(dòng)作。Arduino上位機(jī)的程序由Arduino IDE編譯器編譯燒錄，我們選用的型號(hào)是ArduinoUNO。

3）Arduino UNO擴(kuò)展板：為上位機(jī)和舵機(jī)提供電壓，承載舵機(jī)的電流，同時(shí)對(duì)Arduino上位機(jī)的接口進(jìn)一步擴(kuò)展以及排列，以便電路進(jìn)行連接。

4）開關(guān)電源：將220V交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電源，為Ardui-no上位機(jī)和舵機(jī)提供額定5V電壓。

5）機(jī)械臂支架：整個(gè)的機(jī)器人主體支架，為六軸結(jié)構(gòu)。

6）舞獅模型：分為頭和身兩部分，頭固定在機(jī)器人爪部、身披在機(jī)器人小臂上。

2舞獅機(jī)器人的控制原理

2.1程序關(guān)鍵函數(shù)

Arduino上位機(jī)的編程是在Arduino IDE上進(jìn)行編譯，其語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境與Java和c語(yǔ)言近似。

在程序的最開始會(huì)調(diào)用舵機(jī)庫(kù)文件，其調(diào)用語(yǔ)句為#in-clude，該庫(kù)文件是A rduino 1DE中自帶的針對(duì)舵機(jī)使用的庫(kù)文件，該庫(kù)文件中包含的函數(shù)可以使舵機(jī)的使用更加簡(jiǎn)易快捷。本機(jī)械人編程所使用到的函數(shù)如下：

1）Servo.attach（）：該函數(shù)的參數(shù)有（pin，min，max），pin參數(shù)設(shè)置舵機(jī)對(duì)應(yīng)在上位機(jī)上連接的pwm端，Arduino UNO上的pwm端口為3、5、6、9、10、11。min、max（可選，默認(rèn)min為544，max為2400）參數(shù)設(shè)置舵機(jī)舵機(jī)最小、最大角度時(shí)的脈沖寬度，以微秒為單位。

2）Servo.write （）：控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)角度，范圍為0～180。

3J Servo.read（）：讀取舵機(jī)當(dāng)前對(duì)應(yīng)的角度值，范圍為0～180。

4）sutup（）；loop（）：這兩個(gè)函數(shù)為Arduino IDE中的兩個(gè)重要默認(rèn)函數(shù)，setup（）函數(shù)會(huì)在上位機(jī)每次啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)運(yùn)行一次，本套程序中是在此函數(shù)里設(shè)置舵機(jī)的對(duì)應(yīng)連接端口，以及對(duì)舵機(jī)的角度初始化，loop（）函數(shù)會(huì)在上位機(jī)啟動(dòng)后循環(huán)運(yùn)行，本套函數(shù)中是在此函數(shù)里寫入機(jī)器人的動(dòng)作運(yùn)行代碼，以達(dá)到機(jī)器人不斷地執(zhí)行舞獅動(dòng)作的目的。

圳本程序中是以for（pos=0；pos<=speed；pos++），{servo.write（int（map（pos，1，speed，a，b）））；}的組合形式運(yùn)用這兩個(gè)函數(shù)來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及舵機(jī)的始末角度。speed為舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制值，實(shí)際上此組合函數(shù)是控制for（）函數(shù)的循環(huán)次數(shù)來控制舵機(jī)從始位置轉(zhuǎn)到末位置的時(shí)間，進(jìn)而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，因此speed實(shí)質(zhì)為for（）函數(shù)的循環(huán)次數(shù)。a為舵機(jī)的始角度值，b為末角度值，map（）函數(shù)的功能是控制servo.write（）中的值隨循環(huán)次數(shù)的遞增從a變化到b，即舵機(jī)從a角度轉(zhuǎn)到b角度。

6）delay（）：此函數(shù)為延時(shí)函數(shù)，由函數(shù)內(nèi)的整數(shù)值決定延遲時(shí)間，單位為一，函數(shù)作為動(dòng)作函數(shù)之間的緩沖，能讓舵機(jī)在上個(gè)動(dòng)作完成時(shí)得到一定的穩(wěn)定時(shí)間，以免舵機(jī)在不停歇的工作中損壞。

2.2舞獅動(dòng)作說明

1）初始狀態(tài)：本程序中設(shè)置舵機(jī)A、B、C、D、E、F分別對(duì)應(yīng)端口3、5、6、9、10、11。首先需要給機(jī)器人設(shè)置靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)每個(gè)舵機(jī)的角度，考慮到舞獅動(dòng)作的美觀性，我們?cè)O(shè)置舵機(jī)A、B、C、D、E、F的靜止時(shí)角度分別為80、140、10、90、170、90。

2）獅子點(diǎn)頭動(dòng)作：主要由E舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍在150到170之間，每個(gè)點(diǎn)頭動(dòng)作完成后延時(shí)300ms，換句話說，就是每個(gè)點(diǎn)頭動(dòng)作之間間隔為300ms。

3）獅子搖頭動(dòng)作：主要由F舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)舵機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的90度轉(zhuǎn)動(dòng)到45度，再?gòu)?5度轉(zhuǎn)動(dòng)到135度，繼而從135度轉(zhuǎn)動(dòng)到90度，完成一個(gè)搖頭動(dòng)作，每次舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，延時(shí)200ms，實(shí)現(xiàn)了獅子三次搖頭動(dòng)作。

4）獅子搖身動(dòng)作：主要是由D舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)，舵機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的90度轉(zhuǎn)動(dòng)到110，然后轉(zhuǎn)動(dòng)到70度，繼而回到靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的90度，每一次舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，延時(shí)200ms，實(shí)現(xiàn)了獅子三次搖身動(dòng)作。

5）獅子連貫綜合動(dòng)作：獅子完成了點(diǎn)頭，搖頭和搖身三個(gè)動(dòng)作之后，開始站立，在高處動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)獅子站立的是B舵機(jī)，B舵機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的90度轉(zhuǎn)動(dòng)到120度，實(shí)現(xiàn)站立，并且在高處重復(fù)點(diǎn)頭，搖頭，搖身等動(dòng)作。動(dòng)作完之后，獅子可以繼續(xù)站立，站得更高，由B舵機(jī)實(shí)現(xiàn)獅子站立得更高。B舵機(jī)由原來的120度繼續(xù)站立到90度，之后舵機(jī)延時(shí)300ms。獅子站高之后可以做低頭轉(zhuǎn)身動(dòng)作，低頭轉(zhuǎn)身動(dòng)作由A舵機(jī)和C舵機(jī)共同實(shí)現(xiàn)。首先獅子低頭，由C舵機(jī)來完成，C舵機(jī)從10度轉(zhuǎn)動(dòng)到70度，之后舵機(jī)延時(shí)250ms。低頭后轉(zhuǎn)身，A舵機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身，由80度轉(zhuǎn)動(dòng)到40度，獅子動(dòng)作到左邊方向，之后舵機(jī)延時(shí)250ms。獅子轉(zhuǎn)過身之后，在此方向舞動(dòng)，重復(fù)上面的搖頭、轉(zhuǎn)身動(dòng)作。在左下方舞動(dòng)完之后，獅子站立，C舵機(jī)回到10度，轉(zhuǎn)身，A舵機(jī)回到80度，在此方向繼續(xù)做點(diǎn)頭、搖頭、搖身動(dòng)作。同樣的，獅子低頭轉(zhuǎn)身到右下方，繼續(xù)舞動(dòng)，在此不再詳述。

實(shí)際上，在這套舞獅編程中，我們?cè)O(shè)置了機(jī)器人有三個(gè)模式，分別為靜止模式，計(jì)算機(jī)控制模式和自動(dòng)運(yùn)行模式。在編寫動(dòng)作時(shí)，我們主要采用計(jì)算機(jī)控制模式來編寫，觀察機(jī)器人舞動(dòng)時(shí)舵機(jī)應(yīng)設(shè)定的最佳角度，確定下來并完成一整套編程。值得注意的是，獅子頭的安裝位置會(huì)影響?yīng){子舞動(dòng)時(shí)每個(gè)舵機(jī)應(yīng)該設(shè)置的角度，不同的獅子頭安裝位置會(huì)對(duì)應(yīng)不同的角度，在設(shè)置舞獅動(dòng)作的速度時(shí)，我們應(yīng)避免速度設(shè)置得過快，防止舵機(jī)燒壞。

3結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于Arduino平臺(tái)的六軸舞獅機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人體型較小，便于攜帶。實(shí)踐證明，本機(jī)器人在迎賓和一些小型慶祝會(huì)上能帶來很好的喜慶氣氛，也得到觀眾們的肯定。今后將研究六軸以上和實(shí)現(xiàn)可以自動(dòng)行走的舞獅機(jī)器人。