基于单片机和电动推杆的舞龙机器人

翁柏涛 林舒静 潘秋玉 刘晓雯 郑誉煌

摘要

本文提出了以单片机为控制核心，以多台电动推杆作为动力源的舞龙机械装置。通过单片机控制推杆的转速变化，同时搭载XY滑台的机械结构，实现舞龙的动作效果。

【关键词】舞龙 电动推杆 单片机

1 引言

舞龙作为喜庆节日必不可少民俗文化活动，动作缭乱，格外吸引人们的眼光。但同时舞龙表演需要众多表演者不停地跑动表演，龙头龙身的笨重，无形也造成了大量人力资源的浪费。于此，本文提出了以单片机为控制核心，电动推杆为舞龙动力的多轴机器人，通过单片机对推杆的控制，最终能实现舞龙的动作控制。

2 方案论证

方案一：使用三个电动平坐推杆分别作为舞龙机器人x，y，z三个轴的运动动力，采用“层层推进”的结构，即是每个推杆下安装一块板，每个板上的底端安装万向滚轮形成一个“层”，之后由另外一个推杆所在的“层”进行推动上一“层”的结构，最后将舞龙的支撑柱装于推杆上。但由于z轴采用的也是垂直上推，总体效果看来舞龙动作变化较小，缺乏灵动的感觉。

方案二：在方案一的基础上进行新的改进，将z轴的推杆换成相同规格不同头部的推杆，将撑起舞龙的支撑住中部挖出一条槽，将推杆通过螺丝插入槽中，在推杆推动的时候，螺丝在槽中移动，从而带队支撑住的摆动。此方案下的舞龙动作更加形象，摆动幅度合适，更有灵活性和观赏性。同时考虑在系统的稳定性，最后将X轴的推杆由一个增加为两个，来保证推动前一“层”的时候不会剧烈晃动。综上分析，本文采用方案二。

3 系统设计

3.1 硬件组成

（1）单片机：本系统以开关量控制为主，每节龙需要4个开关量输出控制电动推杆，因此本系统采用STC89C52单片机，最高可以控制4节龙。

（2）电动推杆：本系统主要采用了3个平底推杆和1个非平底推杆，电动推杆主要技术参数时：工作电压24V，行程50mm，推力150N，速度60mm/s。

（3）電动推杆控制器：本控制器自带两个继电器，可通过单片机控制，从而控制电动推杆的正反转，同时还带有PWM直流电机调速器，可调节推杆的运转速度。本控制器输入电压为6～24V，最大电流为3A，调速范围0～100%。

（4）每节的龙身：包括龙身以及其支撑柱。

（5）其他材料：包括24V稳压电源、角铁、环氧板、万向滚轮等。

3.2 电路图设计

本系统的电路图（一节龙）如图1所示，主程序如图2所示。

将开关电源通电，将开关电源的24V和com口分别接入到第一块电动推杆控制器IN+，IN-。因开关电源的电流足够支撑四台推杆同时运行，所以将每一块推杆的IN+和IN-各自串联起来。依次将每个推杆接入到控制器，将单片机的P1口分别按上图接入到电动推杆控制器，将P3.0和P3.1接入到第一块驱动器的两个GND，其他驱动器的GND不需要添加任何输入。

程序中定义P3.0、P3.1为低电平。定义P1口，用第一块电动推杆控制器举例，当P1.0为高电平时，P1.1为低电平IN2所在继电器启动，此时定义推杆正转。当P1.1为高电平时，P1.0为低电平，此时IN2所在继电器启动，此时推杆反转。其他推杆运动相同。

3.3 实物组装

（1）第一层：切出两块大小合适的板子，一块大板（大约20cm*10cm），一块小板（大约10cm*5cm）。在大板上面画出两个推杆固定的架子、4个万向滚轮、以及两个角铁的位置，之后进行打孔，然后用螺丝将推杆固定的架子、万向滚轮固定在大板上。将推杆（非平底）固定在推杆架子上，再将龙珠的支撑柱底部固定在另外一个推杆架子上，支撑柱中部挖出一条螺丝能自由滑动的槽，并与推杆的头部用螺丝进行连接。小板用角铁固定在大板的宽上，在其中间打一个孔，用于通过螺丝与第二层的推杆头部连接，如图3所示。

（2）第二层：切出四块大小合适的板。大板（大约30cm*15cm），两块小板（大约10cm*5cm），一块小板（大约12cm*7cm）。大板选取合适的位置，在底部装上4个万向滚轮。然后将两块小板通过角铁装在大板的长的对称的位置，小板中间钻孔，用于与第三层的两个推杆连接。最后将另一块小板通过角铁装在大板的宽上，将推杆装到板上，推杆的头部与第一层的小板用螺丝加两个螺母进行连接如图4所示。

（3）第三层：切出三块大小合适的板：大板（大约30cm*30cm），小板（10cm*5cm）。将小板对应着第二层两块小板的位置，用角铁固定在大板上面。将两个平底推杆固定在两块小板上，并将推杆的头部与第二层的两块对称的小板连接，如图5所示。图6是完整一节舞龙机器人的机械结构。

4 小结

本文提出的舞龙机器人体型较小，运行稳定且速度可控。理论上可以通过无限加“层”来实现自己需要的舞龙动作。同时本文描述的仅是舞龙机器人的其中一“节”，可通过多“节”的组合变化，最终实现舞龙机器人动作的多样化。未来的工作，可考虑在将“层”与“节”合理增加的同时，再与当今热门的AGV小车结合起来，实现舞龙机器人移动与摇摆自如的多样化舞龙系统。

参考文献

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