六足爬行机器人控制系统设计

六足爬行机器人控制系统设计 图书分类号: 密 级: 毕业设计( 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ) 红外遥控六足爬行机器人控制系统设计 DESIGN OF THE INFRARED REMOTE HEAPOD CRAWING ROBOT CONTROL SYSTEM 学生姓名 学院名称 专业名称 指导教师 20**年 5月 27日 摘要 机器人是机构学、运动学、控制理论等学科发展水平的综合体现，是当前国内外研究的热点问题之一。 从仿生学的角度，昆虫的生理构造及行为是比较容易模仿的，我们的机器人正是在模仿六足行走的动物，该机器人是一个仿生六足行走的机器人，通过对伺服马达的精确控制,模拟六足动物的行走步态，实现行走、急跑、转弯等各种步态行为，并能在各种地面环境下进行步态的智能调整，自适应光滑地面、粗糙地面、沙石地面、湿泥地面等恶劣的路面环境。 分析六足爬行机器人步进，参照实体机器人结构尺寸利用 软件Cad设计机器人结构零部件的尺寸，及其整体结构尺寸。 该机器人通过AT89S51、红外发射模块、红外接收模块及相应的辅助电路制实现三角步态行走，实现诸如直线行走、倒退、转弯等基本功能。 关键词 六足机器人;结构设计;三角步态;AT89S51单片机;红外遥控 谢谢朋友对我文章的赏识～充值后就可以下载此设计 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 书,不包含CAD图纸,。我这里还有一个压缩包～里面有相应的word 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 ,附带:外文翻译,和CAD图纸。需要压缩包的朋友联系QQ客服1:1459919609或QQ客服2:1969043202。需要其他设计题目直接联 系::: Abstract Robot is the comprehensive reflection of robot, kinematics, control theory and other disciplines’ level of development. It’s one of the hot issues of current domestic and international research. From the perspective of bionics, physiological structure and behavior of insects is relatively easy to imitate. Our robot is in imitation of six-legged walking animals, robot is a bionic hexapod walking robot. Simulation walking gait of hexapod through the precise control of servo motor system, achieve walking, sprint, turn, and other gait behavior, and the environment in a variety of ground intelligent adjustment of the gait. Adapt to smooth surface, rough ground, sand floors, wet soil surface and other harsh environments. Analyze the gait of bionic hexapod crawling robot. Use CAD to design the size of structural parts and the overall structure according to physical size of the robot. Use AT89S51 SCM, Infrared transmitter module, Infrared receiver module and the corresponding auxiliary circuit ，the robot can walk based on bionic principle，and has some advantages such as simple，active movements， harmony in walking and etc. Keywords Hexapod robot Structure design Tripod gait AT89S51 microprocessor Infrared Remote Control 徐州工程学院毕业设计(论文) 目 录 摘要 ............................................................................................................................................ I Abstract .................................................................................................................................. II 1 绪论 ....................................................................................................................................... 1 1.1 机器人概述 ..................................................................................................................... 1 1.2 仿生机器人的概念及发展趋势 ...................................................................................... 1 1.3 本课题研究的目的和意义 .............................................................................................. 2 2 红外遥控六足机器人系统设计 ............................................................................................. 3 2.1 系统总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ................................................................................................................. 3 2.2 系统方案论证 ................................................................................................................. 3 2.2.1机器人行走方案论证 ................................................................................................ 3 2.2.2机体方案论证 ........................................................................................................... 4 2.2.3 控制器方案论证 ..................................................................................................... 4 2.2.4 驱动器方案论证 ....................................................................................................... 4 2.2.5 供电单元论证 .......................................................................................................... 5 2.2.6 红外遥控设备论证 ................................................................................................... 5 2.3 系统最终方案 ................................................................................................................. 5 3 六足机器人的步态规划 ....................................................................................................... 6 3.1行走原理 .......................................................................................................................... 6 3.2 六足行走的具体分析 ...................................................................................................... 7 3.3 步态稳定性分析 ............................................................................................................. 8 4 各个部件的设计 .................................................................................................................... 9 4.1 主板结构设计 ................................................................................................................. 9 4.2腿部结构的设计 .............................................................................................................. 9 4.3 腿与主板连接件 ........................................................................................................... 10 4.5肢体部件间的装配 ........................................................................................................ 12 5 驱动器设计 .......................................................................................................................... 13 5.1微型伺服马达内部结构 ................................................................................................. 13 5.2 微型伺服马达的工作原理 ............................................................................................ 13 5.3 微型伺服马达控制 ....................................................................................................... 14 5.4 伺服马达的电源引线 .................................................................................................... 15 5.5伺服马达的运动速度 ..................................................................................................... 16 5.6 使用伺服马达的注意事项 ............................................................................................ 16 6 控制系统硬件设计 ............................................................................................................ 17 6.1系统硬件电路介绍 ........................................................................................................ 17 I 徐州工程学院毕业设计(论文) 6.2单片机最小系统 ............................................................................................................ 17 6.2.1 AT89S51单片机简介 .............................................................................................. 18 6.2.2 时钟电路与复位电路介绍 ..................................................................................... 19 6.4电机驱动电路介绍 ........................................................................................................ 20 6.5红外遥控电路介绍 ........................................................................................................ 20 7 控制系统软件设计 .............................................................................................................. 22 7.1系统软件流程 ................................................................................................................ 22 7.2舵机控制软件分析 ........................................................................................................ 23 7.3红外控制软件分析 ........................................................................................................ 24 结论 ......................................................................................................................................... 26 致谢 ......................................................................................................................................... 27 参考文献 ................................................................................................................................. 28 附录 ......................................................................................................................................... 29 附录1 ................................................................................................................................... 29 附录2 ................................................................................................................................... 35 II 徐州工程学院毕业设计(论文) 1 绪论 1.1 机器人概述 机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40余年的发展已取得长足的进步。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。机器人大致经历了三个成长阶段，也即三个时代:第一代为简单个体机器人，第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思维能与人对话。 第一代机器人属于示教再现型，第二代则具备了感觉能力，第三代机器人是智能机器人，它不仅具备了感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出发生故障部位，并能自我修复。今天，智能机器人的应用范围大大地扩展了。除工农业生产外，机器人已应用到各行各业，并已初步具备了人类的特点。机器人向着智能化、拟人化发展的道路，是没有止境的。 1.2 仿生机器人的概念及发展趋势 仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统，能从事生物特点工作的机器人仿生机器人的类型很多，主要为仿人、仿生物和生物机器人。仿生机器人的主要特点:一是多为冗余自由度的机器人，机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动. 微型仿生机器人可用于小型管道进行检测作业,可进入人体进行检查和实施治疗而不伤害人体,也可以进入狭小的复杂环境进行作业等. 仿生机器人微型化的关键是实现机电系统的微型化,即将驱动器、传动装置、传感器、控制器、电源等集成到一块硅片上,构成微机电系统,才能实现机器人整体结构的微型化. 在军事侦察和间谍任务中,如果仿生机器人的外形与所模仿的生物外形完全一致,将能更隐蔽地、更安全地完成任务. 日本研制的变形机器人包括若干小机器人,小机器人通过红外传感器和照相机识别周围的障碍物,然后相互协调,按照不同需要组合成狗、蜘蛛和蛇等7种形态,可以根据环境变化而改变自己的形状. 机器人的多变性使其能够进入各种人类难以接近的灾害现场实施调查,还有望应用于航天探索等领域。 21世纪人类将进入老龄化社会,发展多功能仿人机器人将弥补年轻劳动力的严重不足,解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题,并能开辟新的产业,创造新的就业机会. 1 徐州工程学院毕业设计(论文) 1.3 本课题研究的目的和意义 通过查阅相关资料，所研究的课题应解决以下几个问题: 1) 六足机器人整体结构设计 通过对六足机器人的了解，确定所设计的机器人的机 构，包括肢体机构及躯体机构两方面的设计。完成总体的机构图。 2) 步态分析及其实现 根据节肢昆虫的步行原理，建立起步行运动的模型，将昆虫的 运动进行简化，抽象出六足运动的基本原理。 设计电路控制系统 3) 控制系统 4) 驱动器 如何让电机能根据自己的意图转动，如何控制电机的速度，这是两个需要 解决的问题。 5) 红外遥控系统 通过查阅相关的资料，完成红外遥控系统的设计。 步行机器人是模仿动物的运动形式，采用腿式结构来完成多种移动功能的一类特种机器人。参照工业机器人的标准定义，可以把步行机器人理解为“一种由计算机控制的用足机构推进的地面移动装置”以区别于行走式机械玩具及固定行走模式的机械装置。通常足数多于或等于四的步行机器人称为多足步行机器人，该类机器人能够在不平的路面上稳定地行走，可以取代轮式车完成在一些复杂环境中的运输作业，因此多足步行机器人在军事运输及探测、矿山开采、水下建筑、核工业、星球探测、农业及森林采伐、教育、艺术及娱乐等许多行业有着非常广阔的应用前景。长期以来，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域研究的热点之一。为了探索多足步行机器人技术的研究前沿，给我国多足步行机器人工程实用化开发提供关键技术的支持，开展多足步行机器人相关理论和技术的研究具有十分重要的科学意义和应用价值。 2 徐州工程学院毕业设计(论文) 2 红外遥控六足机器人系统设计 2.1 系统总体方案 经过对方案设计要求的分析论证，采用51单片机控制平台，经过红外遥控器发送的信号，控制运动模块各电机的运动方式，进而控制六足机器人的运动。 系统框架图如图2-1: 图2-1系统总体框图 2.2 系统方案论证 2.2.1机器人行走方案论证 方案一:现在常见的六足机器人行走以每个足上有几个舵机来实现多自由度的运动，行走稳定，且可实现许多种方式的行走。但花费的、较大。 方案二:经大量的查阅资料，我找到了以中每个腿只有一个自由度也能实现前进，后退，转弯运动的方案，缺点是不能适应各种地形，行走起来姿态不是很好。 鉴于自己能力有限等方面，选择第二种方案。 3 徐州工程学院毕业设计(论文) 2.2.2机体方案论证 方案一:自己制作车体。 经过反复考虑论证，决定使用三角步态方案(后面有详细介绍)，此方案以每三个足为一组，分成两组运动，三角稳定性良好，制作的车体和腿部使用有机玻璃为材料，比较轻，可以减少驱动设备的负担，比较经济。 方案二: 购买现成机体。 比较昂贵且本设计方案结构简单，无需购买。 2.2.3 控制器方案论证 按照题目要求，控制器主要用于控制电机，红外遥控器将信号传输给控制器，控制器做出相应处理，实现电机的前进和后退，转向。 方案一:可以采用ARM为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设集成度搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很高，适合作为大规模实时系统的控制核心。 方案二:采用AT89S51作为系统控制的方案。AT89S51单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，成本也比ARM低。考虑到性价比问题，本设计选择 用AT89S51单片机做控制器。 综合以上的优缺点，本设计决定采用第二种方案。 2.2.4 驱动器方案论证 方案一:直流电机:这是最最普通的电机。直流电机最大的问题是无没法精确控制电机转的圈数，也就是位置控制，必须加上一个编码盘，来进行反馈，来获得实际转的圈数。但是直流电机的速度控制相对就比较简单，用一种叫PWM(脉宽调速)的调速方法可以很轻松的调节电机速度。现在也有很多控制芯片带调速功能的。选购时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功率，电机的最高转速。 方案二:步进电机:它可以一个角度一个角度旋转，不象直流电机，你可以很轻松的调节步进电机的转角位置，如果你发一个转10圈的指令，步进电机就不会转11圈，但是如果是直流电机，由于惯性作用，它可能转11圈半。步进电机的调速是通过控制电机的频率来获得的。一般控制信号频率越高，电机转的越快，频率越低，转的越慢。选购时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功率，每个脉冲电机的最小转角。 方案三:微型伺服马达，也叫舵机。它的特点是:大扭力，控制简单，装配灵活，相对经济，但它亦有其不足:首先，它是一个精细的机械部件，超出其承受能力之外的力会导致其损坏，其次它内藏电子控制电路，不正确的电子连接也会导致其损坏，因此，有必要在使用前了解其工作原理，以免造成不必要的损失。 综上所述，根据自己的需求，选择了微型伺服马达为驱动器。 4 徐州工程学院毕业设计(论文) 2.2.5 供电单元论证 整个系统需要电源的有:红外接收与发射设备，单片机，舵机。舵机需要电压为5V，需要通过LM7805将12V电压转换成5V供电。在舵机和直流电机工作时，电路中的电流会产生较大的波动。 方案一:采用单电源供电。 通过单电源、对整个系统进行供电，此方案的优点是:减少机身的重量，操作简单。但系统中各个部分所需电压不一，通过LM7805转换，当同时工作时，可能产生过电流太大，从而烧坏电压转换芯片LM7805，甚至烧坏单片机。同时，较大的电流波动影响单片机的稳定性。 方案二:采用双电源供电。 通过两个独立的电源分别对循迹小车模块和清障模块进行供电。此方案的优点是，减少波动，单片机稳定性比较好，可以让小车更好的运作起来，唯一的缺点就是会增加小车的重量。 综合以上的优缺点，本设计决定采用第二种方案。 2.2.6 红外遥控设备论证 本设计需要机器人完成前进，后退，转向运动，运动形式比较少，所以选用简单的四个按键的遥控器即可。 2.3 系统最终方案 经过各方面的论证，最终的方案如下: 1. 机体用有机玻璃自行设计尺寸来制造。 2. 行走的腿部运用舵机驱动，且每个足只有一个自由度。 3. 采用AT89S51单片机主控制器。 4. 采用双电源供电，12V电压经LM7805转化为5V后供单片机使用，5V干电池供舵机使 用。 5. 使用简单的红外遥控器控制机器人的行走。 5 徐州工程学院毕业设计(论文) 3 六足机器人的步态规划 3.1行走原理 “六足纲” 昆虫(蟑螂、蚂蚁等)步行时，一般不是六足同时直线前进，而是将三对足分成两组，以三角形支架结构交替前行。身体左侧的前、后足及右侧的中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架。当一组三角形支架中所有的足同时提起时，另一组三角形支架的三只足原地不动，支撑身体并以中足为支点，前后胫节的肌肉收缩，拉动身体向前，后足胫节的肌肉收缩，将虫体往前推，因此身体略作以中足为支点的转动，同时虫体的重心落在另一组“三角形支架” 的三足上，然后再重复前一组的动作，相互轮换周而复始。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。这就是典型的三角步态行走法 。运动时六腿呈两组三角形交替支撑迈步前进。其行走轨迹并非是直线，而是呈“之”字形的曲线前进。 本设计采用三角步态的运动示意如图3-1所示。1,3腿联动，4,6腿联动，2,5腿也是联动。接触地面的腿(如图中黑方块所示)，形成了稳定的三角形结构。这样模型通常会保持直立平稳的走姿而不会在走路时跌跟头。 六脚三个舵机的控制方式是已知的实现复杂运动的所需最少舵机的实现方式，总共实现前进，后退，前左传，后左传，前右转，后右转六种运动姿态，这也为实现后续控制所要求的复杂运动提供了机械基础。本机械部分采用了前进，后退，左转，右转四种方式。 图3-1 机器人三角步态走法 一共用了三个舵机，两个分别在两边，一个在中间，每一边的前腿和后腿是联动的，只有一个自由度，只能做前后移动;中间两条腿是联动的，只能做左右摆动。行走原理是:中间的舵机左右摆动，左中腿和右中腿交替着地，以使两边的腿分时产生推动身体向前的动作，即:左中腿着地时，右前腿和右后腿起作用，当右中腿着地时，左边前后两条腿起作用。中间的舵机在运动相位上始终与两边的腿相差90度;当左右两个舵机同相位时，机器人转弯;当左右两个舵机相位相差180度时，机器人前进或后退。 6 徐州工程学院毕业设计(论文) 3.2 六足行走的具体分析 下面对这个行走方案做具体的分析 (a) (b) (c) 图3-2 前进运动步态示意图 前进:第一步，如上图(a),5脚支撑并抬高4、6脚使其离地，同时2脚离地，1、3脚接触地面并向后划动，使机体以5脚为中心向右转动一定角度，同时，4、6推向前摆动一定角度，实现了半步，接着2脚支撑并抬高1、3脚使其离地，同时5脚离地，4、6脚接触地面并向后划动，使机体以2腿为中心向左转动一定角度，同时，3、5腿像前摆动一定角度，从而实现了一步。 (a) (b) (c) 图3-3左转运动步态示意图 左转:第一步，如上图(a),5脚支撑并抬高4、6脚使其离地，同时2脚离地，1、3脚接触地面并向前划动，使机体以5脚为中心向左转动一定角度，同时，4,6推向前摆动一定角度，接着2脚支撑并抬高1、3脚使其离地，同时5脚离地，4、6脚接触地面并向后划动，使机体以2腿为中心向左转动一定角度，同时，1,3腿向后摆动一定角度，从而实现了左转。右转则相反。 7 徐州工程学院毕业设计(论文) 3.3 步态稳定性分析 设步态三角形三点的水平面坐标为A (X ，Y)，B (X ，Y)，C (X ，Y)，机器人本体重心 ,,,在坐标原点上。朝前进方向运动一个步长L1后，支撑三角形变为，如图2-4所示。再向ABC 前运动一个步长后，其机器人重心仍落在ABC内，为稳定的步态三角形，这也是此结构的优点，虽然简单，但稳定性良好。 图3-4 机器人坐标分析 8 徐州工程学院毕业设计(论文) 4 各个部件的设计 4.1 主板结构设计 主板不仅连接腿，而且还放置电机及其电路板集成块，所以在满足参考图纸上主板尺寸的要求，还要满足功能，尽可能地让消耗材料最小化。如图4-1示: 图4-1主板尺寸设计 在上图中，左侧是尾，右侧是头部，后面并排放置两部电机，各自控制两侧的腿，通过电机的正反转来实现机器人的前进与后退，在主板的上面放置集成块电路板。 4.2腿部结构的设计 由于本设计方案比之其它多自由度机器人简单很多，所以结构方面保证了能保持重心稳定后，各部件的尺寸不需要过多要求。 通过对整个机体尺寸的大体估计，由经验可大体给腿部定下尺寸。我选择cad软件来设计，腿部尺寸的设计不仅要满足体积小而且布局上要求具有仿生的效果，我把该机器人的腿部设计成整体式，且从美观上满足仿生效果，如图4-2(a)(b)所示，如图所示的设计尺寸只是初步的设计，具体还要根据加工材料(加工所用的材料为有机玻璃)的实际情况来确定，在最后还有可能把其中的尺寸扩大或缩小。 9 徐州工程学院毕业设计(论文) (a) (b) 图4-2腿部尺寸设计 4.3 腿与主板连接件 这个连接件的设计尺寸要求不是太严格，只要保证直径是5.6的孔的位置，以及用来放置连杆的直径是3的孔的位置即可;因为在前后腿和主板的连接时，是间接的方式，通过腿与连接件之间的粘接，然后用螺栓把连接件和主板连接起来;中间腿先和连接件用螺栓连接，然后通过配合和粘接来实现。(注:图4-3(a)前后腿连接件，图4-3(b)中间腿连接件)如图所示: (a) (b) 图 4-3 连接件 10 徐州工程学院毕业设计(论文) 4.4其他零件选择及设计 图4-4 电机与连杆间连接件 图4-5 前后腿间连杆 11 徐州工程学院毕业设计(论文) 4.5肢体部件间的装配 装配就是按照设计的技术要求实现机械零件或部件的连接，把机械零件或部件组合成机器。装配是机器制造和修理的重要环节，装配是机械制造中最后决定机械产品质量的重要工艺过程，即使是全部合格的零件，如果装配不当，往往也不能形成质量合格的产品，简单的产品可由零件直接装配而成。装配工作的好坏对机器的效能、修理的工期、工作的劳力和成本等都起着非常重要的作用。 装配工艺 常用的装配工艺有:清洗、平衡、刮削、螺纹联接、过盈配合联接、胶接、校正等。此外，还可应用其它装配工艺，如焊接，铆接，滚边，压圈和浇铸联接等，以满足各种不同产品结构的需要。而本工艺只需要以下装配工艺。 清洗，浸洗是将零件浸渍于清洗液中晃动或静置。该装配体采用的材料都是有机玻璃，其表面比较光滑，只需用清洗液清洗，然后擦干或静置即可。 过盈配合联接，使配合面的尺寸公差为过盈配合的联接件能得到紧密的结合。此装配体中只有前后腿的配合要用到过盈配合，作用是来实现退步功能的初步模拟。 胶接，应用工程胶粘剂和胶接工艺联接金属零件或非金属零件;对于本工艺是在机器人功能初步实现之后进行最后的组装，如腿部配合、电机垫板的固定。 校正，装配过程中应用长度测量工具测量出零部件间各种配合面的形状精度如直线度和平面度等，以及零部件间的位置精度如垂直度，平行度，同轴度和对称度等，并通过调整，修配等方法达到规定的装配精度。校正是保证装配质量的重要环节。本次装配的要求不是很高，只要把电机的放置位置保证，还有连杆在运动过程中是否与中间腿部运动发生干涉。 由于本次采用的材料是有机玻璃板，其厚度是很不均匀，即使是尺寸设计的合理还是要求进行修配处理。修配法，装配中依靠手工操作应用锉、磨和刮削等工艺方法改变个别零件的尺寸、形状和位置，使配合达到规定的精度。另外还有螺栓的连接，因为采用的都是光孔，故连接比较简单，方便;在连杆的连接过程中用的是钢条，不仅要保证其刚度，还要保证在与孔的配合过程中不能有太大的活动间隙，利于在电机转动一定角度时，腿部摆动也能达到要求所要求的角度，实现机器人的前进后退功能。 12 徐州工程学院毕业设计(论文) 5 驱动器设计 5.1微型伺服马达内部结构 一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达;一组变速齿轮组;一个反馈可调电位器;及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速(减速)齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。 图5-1 舵机内部结构 5.2 微型伺服马达的工作原理 一个微型伺服马达是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示: 图5-2 舵机原理图 13 徐州工程学院毕业设计(论文) 图5-3机器人专用伺服马达工作原理 减速齿轮组由马达驱动，其终端(输出端)带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服马达精确定位的目的。 5.3 微型伺服马达控制 标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为:电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4V—6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离(因为伺服马达会产生噪音)。甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。 输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms—2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很严格，下表表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系: 14 徐州工程学院毕业设计(论文) 图5-4 舵机脉宽与输出臂位置关系 5.4 伺服马达的电源引线 图5-5 舵机马达电源引线 电源引线有三条，如图中所示。伺服马达三条线中红色的线是控制线，接到控制芯片上。中间的是SERVO工作电源线，一般工作电源是5V。 第三条是地线。 15 徐州工程学院毕业设计(论文) 5.5伺服马达的运动速度 伺服马达的瞬时运动速度是由其内部的直流马达和变速齿轮组的配合决定的，在恒定的电压驱动下，其数值唯一。但其平均运动速度可通过分段停顿的控制方式来改变，例如，我们可 º的转动细分为128个停顿点，通过控制每个停顿点的时间长短来实现0º—90把动作幅度为90 º变化的平均速度。对于多数伺服马达来说，速度的单位由“度数/秒”来决定。 5.6 使用伺服马达的注意事项 , 除非你使用的是数码式的伺服马达，否则以上的伺服马达输出臂位置只是一个不准确的大约数。 , 普通的模拟微型伺服马达不是一个精确的定位器件，即使是使用同一品牌型号的微型伺服马达产品，他们之间的差别也是非常大的，在同一脉冲驱动时，不同的伺服马达存在?10º的偏差也是正常的。 , 正因上述的原因，不推荐使用小于1ms及大于2ms的脉冲作为驱动信号，实际上，伺服马达的最初设计表也只是在?45º的范围。而且，超出此范围时，脉冲宽度转动角度之间的线性关系也会变差。 , 要特别注意，绝不可加载让伺服马达输出位置超过?90º的脉冲信号，否则会损坏伺服马达的输出限位机构或齿轮组等机械部件 , 由于伺服马达的输出位置角度与控制信号脉冲宽度没有明显统一的标准，而且其行程的总量对于不同的厂家来说也有很大差别，所以控制软件必须具备有依据不同伺服马达进行单独设置的功能。 5.7选用的伺服马达 由于机体材料比较轻，整个机器人重量小，我选用的伺服马达型号为DG-S8213。其主要技术参数如下 , 转速:0.23秒,60度。 , 力矩:3.2kg?cm。 , 尺寸:40.4mm×19.8mm×36mm。 , 重量:37.2g。 , 5V电源供电。 控制周期脉冲宽度为20ms。送出不同的正脉冲宽度就可以得到不同的控制效果。控制正脉冲宽度如下: , 正脉冲宽度为0.3ms时，伺服马达反转。 , 正脉冲宽度为2.5ms时，伺服马达正转。 , 正脉冲宽度为1.4ms时，伺服马达回到中点。 16 徐州工程学院毕业设计(论文) 6 控制系统硬件设计 6.1系统硬件电路介绍 系统采用51单片机为控制核心，通过红外遥控发出信号控制各个舵机有时序的左右转动， 从而实现机器人的各种运动状态。 系统控制原理图如下: c150.1uF 复位电路R5 100 CON31CON1723DC2LM7805NPNVcc(6V---12V)9012INGND140电源P1.0Vcc1OUT2舵机1控制口P1.123392控制口舵机P1.2P0.0/AD0A1438开关3控制口舵机P1.3P0.1/AD1537VCC(6V---12V)P1.4P0.2/AD2636C1P1.5P0.3AD3735P1.6P0.4/AD4834R11KC2+70pFP1.7P0.5/AD533db1db210uFP0.6/AD6932C9C11RSTP0.7/AD7发光二极管1031db3RXD/P3.0EA/VPP1uF1uF1130TXD/P3.1ALE/PROG1229INT0/P3.2PSEN13CON8C8INT1/P3.31428T0/P3.4P2.7/A15115271uFT1/P3.5P2.6/A1421626WR/P3.6P2.5/A1331725IC3RD/P3.7P2.4/A12424C7P2.3/A1151Vcc1823CON4XTAL2P2.2/A1062Vss1922XTAL1P2.1/A971uF131421P2.0/A88241320C10GNDCON163512461180C511uF710红外遥控控制信号口89X1MAX23212MC5C6DB1R230pF30pF5晶振电路1009C204810uF37 2空插槽6 图6-1系统控制原理图 1 9整个系统由供电电路，电机驱动电路，红外遥控电路组成。 6.2单片机最小系统 单片机最小系统由复位电路、时钟振荡电路、数据采集接口和电机控制接口组成，单片机 最小系统图如图6-2所示。 17 徐州工程学院毕业设计(论文) 图6-2 单片机最小系统 6.2.1 AT89S51单片机简介 AT89S51 为 ATMEL 所生产的可电气烧录清洗的 8051 相容单芯片，其内部程序代码容 量为4KB AT89S51主要功能列举如下: 1(为一般控制应用的 8 位单芯片 2(晶片内部具时钟振荡器(传统最高工作频率可至 12MHz) 3(内部程式存储器(ROM)为 4KB 4(内部数据存储器(RAM)为 128B 5(外部程序存储器可扩充至 64KB 6(外部数据存储器可扩充至 64KB 7(32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 I/O 的控制 8(5 个中断向量源 9(2 组独立的 16 位定时器 10(1 个全多工串行通信端口 11(8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能 12(单芯片提供位逻辑运算指令 18 徐州工程学院毕业设计(论文) 6.2.2 时钟电路与复位电路介绍 一(时钟电路 AT89S51单片机内部有一个高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端，如果在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接上晶体振荡器(晶振)或陶瓷振荡器就构成了稳定的自激振荡电路，该振荡器电路的输出可直接送入内部时序电路。AT89S51单片机的时钟可由两种方式产生，即内部时钟方式和外部时钟方式。 ( 1 )内部时钟方式。内部时钟方式即是由单片机内部的高增益反相放大器和外部跨接的晶振、微调电容构成时钟电路产生时钟的方法，其工作原理如图 6-3(a)所示。 图6-3时钟电路 外接晶振(陶瓷振荡器)时，C1、C2的值通常选择为30pF(40pF)左右;C1、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz , 12MHz之间选择。为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl 和XTAL2靠近。由于内部时钟方式外部电路接线简单，单片机应用系统中大多采用这种方式。内部时钟方式产生的时钟信号的频率就是晶振的固有频率，常用fsoc来表示。如选择12MHz 晶振，则 fsoc=12×106Hz。 ( 2 )外部时钟方式。外部时钟方式即完全用单片机外部电路产生时钟的方法，外部电路产生的时钟信号被直接接到单片机的XTAL1引，此时XTAL2开路，具体电路如图6-3(b)所示。 二(复位电路 AT89S51单片机的第九脚为复位引脚，系统上电后，时钟电路开始工作，只要RST引脚上出现大于两个机器周期时间的高电平即可引起单片机执行复位操作。有两种方法可以使单片机复位，即在RST引脚上加上大于两个周期的高电平或WDT计数溢出。单片机复位后，PC=0000H,CPU从程序存储器的0000H开始取值执行。单片机外部复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种。 19 徐州工程学院毕业设计(论文) 6.3供电单元介绍 不同电路模块所需要的工作电压和电流各不相同。AT89S51单片机需要提供5V的工作电压，舵机所需电压为5V，本设计通过12V的稳压电源供电，然后通过三端稳压器LM7805将电压变换为5V电压供给电路系统。电源系统的电路图如图6-4所示。 LM7805 INGND OUT DC-5V DC-12V 2104110uFGNDGND 图6-4电源系统的电路图 6.4电机驱动电路介绍 本系统通过5V电池提供给舵机动力实现运动，舵机正负极接电池正负极，三个舵机分别再接P1.0 P1.1 P1.2口，由单片机输出信号控制舵机的左右转动。 6.5红外遥控电路介绍 家中许多的电器产品都有遥控的功能，例如电视机、录像机、VCD、空调等家电产品，它们都是以红外遥控的方式进行遥控。 通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如图1所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器;接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。 遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成两大类，这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的一类来加以说明，现以日本NEC的uPD6121G组成发射电路为例说明编码原理。当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。 这种遥控码具有以下特征: 采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”;以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。 上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。 遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45,63ms之间。 20 徐州工程学院毕业设计(论文) 图6-5红外接收模块 上图为一常用的红外接收模块。其内部含有高频的滤波电路，专门用来滤除红外线合成信号的载波信号(38KH)，并送出接收到的信号。当红外线合成信号进入红外接收模块，在其输出端便可以得到原先发射器发出的数字编码，只要经过单片机解码程序进行解码，便可以得知按下了哪一个按键，而做出相应的控制处理，完成红外遥控的动作。 21 徐州工程学院毕业设计(论文) 7 控制系统软件设计 7.1系统软件流程 系统软件流程图如图7-1所示: 图7-1系统软件流程图 软件流程:开始时，检测红外遥控节后模块信号变化，无变化，返回，有变化，则检测红外遥控接收模块反馈，当检测到时P0.0口电平变化时，单片机给舵机接口端相应的PWM信号，机器人直走; 当检测到时P0.2口电平变化时，单片机给舵机接口端相应的PWM信号，机器人左转; 当检测到时P0.3口电平变化时，单片机给舵机接口端相应的PWM信号，机器人右转。 22 徐州工程学院毕业设计(论文) 7.2舵机控制软件分析 三个舵机分别接入P1.0, P1.1,P1.2,由单片机发出PWM信号控制其时序变化，下面是部 分函数的说明: ///////////////////////////////////////////////////////////////// //动作1:舵机2:左转-5腿落地-舵机3:46前进-舵机1:13后退 ///////////////////////////////////////////////////////////////// void dongzuo_1() { int t; for(t=0;t<5;t++) { duoji_2(2,5); //舵机2左转，5腿落地 } for(t=0;t<5;t++) { duoji_1(2,8); //舵机1，13腿后退 } for(t=0;t<5;t++) { duoji_3(8,2); //舵机3，46腿前进 } } //////////////////////////////////////////////////////////////// //左转:舵机2:左转-5腿落地-舵机3:46前进-舵机1:13前进 ///////////////////////////////////////////////////////////////// void zuozhuan() { int t; for(t=0;t<5;t++) { duoji_2(2,5); //舵机2左转，5腿落地 } 23 徐州工程学院毕业设计(论文) for(t=0;t<5;t++) { duoji_1(8,2); //舵机1，13腿前进 } for(t=0;t<5;t++) { duoji_3(8,2); //舵机3，46腿前进 } ////////////////////////////////////// for(t=0;t<5;t++) { duoji_2(5,2); //舵机2左转，2腿落地 } for(t=0;t<5;t++) { duoji_1(2,8); //舵机1，13腿后退 } for(t=0;t<5;t++) { duoji_3(2,8); //舵机3，46腿后退 } } 7.3红外控制软件分析 单片机检测红外遥控节后模块信号变化，有变化，则检测红外遥控接收模块反馈，通过 检测各三个I/O口电平变化，来发出各种控制信号。 部分函数说明: sbit BB=P0^0; 定义P0.0变化为BB sbit DD=P0^1; 定义P0.1变化为DD sbit AA=P0^2; 定义P0.2变化为AA sbit CC=P0^3; 定义P0.3变化为CC 2 4 徐州工程学院毕业设计(论文) while(BB==1){dongzuo_1();dongzuo_2();} 当检测到是BB(P0.0口变化)时，调用 动作1和动作2 25 徐州工程学院毕业设计(论文) 结论 在研究了昆虫步态的基础上，运用仿生原理，本文提出了一种六足机器人机械结构设计的新思路，并研制了基于这种设计思路的样机。实验证明，该机器人可以实现直线运动与。在此次设计的过程中，培养了我的综合运用所学知识的能力，分析和解决实际中所遇到问题的能力，并且能巩固和深化我所学的专业知识，使我在调查研究和收集资料等方面有了显著的提高，同时在理解分析能力、制定设计计算和绘图能力方面有较大的进步;另外我的技术分析和组织工作的能力也有一定程度的提高。 对于本次设计， 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 如下: 1. 通过本次设计，完成了六足机器人的腿部结构及其行走步态的设计，通过查阅资料，从 多种腿部结构中选择并设计了自己的结构方案，又通过大量资料，先了解了多足机器人 腿部行走步态，稳定性等的资料，选择了自己的行走方案。 2. 控制程序设计方面，通过对单片机的了解及参考了一些资料，选用了AT89S51单片机并 完成了控制系统的设计，完成了电路图。 3. 红外遥控方面的知识我是通过晚上查阅资料初步了解的，对于这方面的程序设计还未能 达到深入的了解。 4. 不足的是，由于自己对这方面的知识只是初次接触，选择了比较简单的行走机构，对稳 定性、受力分析等方面未深入研究，尚有不足，今后需要加强。 5. 所设计的机器人行走方式只有简单的直线和转弯，无法在各种路面环境下行走，这方面 需要改进和完善。 6，未能制作出实体，不能对所设计的各种参数进行检测，这是个遗憾。 26 徐州工程学院毕业设计(论文) 致谢 转眼间，毕业设计已接近尾声，回想起这三个月的时光，收获颇丰。从当初选定设计题目的盲目，到现在对于课题的清晰明了，付出的很多。非常感谢学院领导和指导老师蔺超文老师给我提供了这次良好的深入学习的机会和宽松的学习环境。通过这次毕业设计，不但使我将大学期间所学的专业知识再次回顾学习，而且也使我学到了专业领域中一些前沿的知识。在毕业设计中，我学会了对本专业所学的一些理论知识的应用，学会在应用中发现问题和解决问题的方法，加深了对专业知识的撑握和理解，所取得的这些进步都与老师们的仔细、耐心指导分不开。他们的严谨、细心、勤奋的工作态度也给我留下了深刻印象，对我以后的学习工作有很好的指导作用。 非常感谢在本次设计中曾给予我耐心指导和亲切关怀的老师及帮助过我的同学，正是由于他们的帮助和鼓励才使我能够在毕业设计过程中克服种种困难，最终顺利完成论文，他们的学识和为人也深深地影响着我。在此，请允许我再次向曾直接给予我多次指导的导师表示最忠诚的敬意～ 27 徐州工程学院毕业设计(论文) 参考文献 [1] 张铁等主编.机器人学.第一版，华南理工大学出版社,20019、45-47 [2] 吴广玉等主编.机器人工程导论.第一版，哈尔滨工业大学 出版社,1988 [3] 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