爬虫仿生机器人总体设计

目目 录录 1.1. 总体设计思路总体设计思路1 1.11.1昆虫相关知识昆虫相关知识1 1.21.2电机相关知识电机相关知识1 1.31.3系统流程图系统流程图2 2.2. 方案比较与论证方案比较与论证2 2.12.1中央控制系统中央控制系统2 2.22.2爬虫足数选择爬虫足数选择3 2.32.3电机选择电机选择3 2.42.4传感器选择传感器选择4 2.52.5运动方式选择运动方式选择4 2.5.12.5.1直线行走方案直线行走方案4 2.5.22.5.2自动避障方案自动避障方案4 2.5.32.5.3转弯方案转弯方案5 3.3. 系统设计系统设计5 3.13.1原理分析与说明原理分析与说明5 3.1.13.1.1微型伺服电机控制原理分析微型伺服电机控制原理分析5 3.1.23.1.2爬虫直行原理分析爬虫直行原理分析6 3.1.33.1.3爬虫自动避障原理分析爬虫自动避障原理分析7 3.1.43.1.4爬虫转弯原理分析爬虫转弯原理分析7 3.23.2器件的选型与外围部件的制作器件的选型与外围部件的制作7 3.2.13.2.1中央控制系统中央控制系统 AT89C2051 7 3.33.3电路设计与说明电路设计与说明8 3.3.1.3.3.1. 控制系统电路控制系统电路8 3.3.2.3.3.2. 电源电路电源电路8 3.43.4机械构架的设计与制作机械构架的设计与制作8 3.4.1.3.4.1. 选材选材8 3.4.2.3.4.2. 加工加工9 3.4.3.3.4.3. 调试、打磨调试、打磨9 3.53.5自由度的选择自由度的选择9 4.4. 系统调试系统调试9 4.14.1硬件调试硬件调试9 4.24.2软件调试软件调试9 5.5. 指标测试指标测试10 6.6. 系统说明系统说明10 6.16.1使用说明使用说明10 6.26.2技术特点技术特点10 6.36.3系统设计理念及创新系统设计理念及创新11 7.7. 结束语结束语11 参考文献参考文献12 第 1 页 共 12 页 1.1.总体设计思路总体设计思路 随着当今世界电子技术的迅速发展，机电一体化成了一个无法避免的发展 趋势。与此同时，生物学和技术学相结合的交叉学科仿生学也在快速发展。而 机器爬虫又恰好是机电一体化与仿生学的一个交叉点，这就非常值得我们对它 进行研究和制作了。 由于是交叉学科，所以我们在研制的过程当中必然要对所有相关的学科都 有一定的了解。首先，我们研究了一些昆虫方面、电机方面的知识。 1.11.1昆虫相关知识昆虫相关知识 我们的设计是从仿生学的角度出发，模拟和实现昆虫的一些基本行为和动 作。因而在前期对昆虫的相关知识做了基本的研究。其中主要用到了六足爬虫 行走时的动作特点。我们发现，昆虫行走是以三条腿为-组进行的，即一侧的前、 后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿 放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备轮换，靠两组腿前后交替运 动而行走。让我们具体来看看一组中的三条腿是怎样相互配合的：前足用爪固 定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫 体前进，同时使虫体转向。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。并不是所有昆虫都用六条腿来行走，有些昆虫由 于前足发生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足来完成了。 1.21.2电机相关知识电机相关知识 从广义上讲，电机是电 能的变换装置，包括旋转电 机和静止电机。旋转电机是 根据电磁感应原理实现电能 与机械能之间相互转换的一 种能量转换装置；静止电机 是根据电磁感应定律和磁势 平衡原理实现电压变化的一 种电磁装置，也称其为变压 器。 我们这里使用的是旋转 电机，其具体分类如图2： 第 2 页 共 12 页 1.31.3系统流程图系统流程图 最后，我们又对机电一体化作了一定的学习，对上面所学的知识作了归纳、 总结；设计并制作了电路、机械构架，而且力求用最少的电机完成最多的功能 （如模仿爬虫的动作、生理功能等） 。并且制定了可发展目标：实现多只机器爬 虫的通讯，相互配合完成一定的任务。具体系统流程图如下： 2.2.方案比较与论证方案比较与论证 2.12.1中央控制系统中央控制系统 考虑到爬虫的功能比较简单，以及爬虫的驱动所选取的电机为普通伺服电 机，力矩不是很大，所以我们采用 ATMEL 的 AT89C2051 单片机作为机器爬虫 的核心控制芯片，目的是为了尽量将爬虫制作的小巧一些。 第 3 页 共 12 页 2.22.2爬虫足数选择爬虫足数选择 方案一：四足 优点：制作简单。 缺点：平衡性差，支撑性能差。 方案二：六足 优点：制作难度适中，平衡性好，支撑性能好。 缺点：电机匹配调试复杂。 方案三：八足 优点：制作难度高，平衡性好，支撑性能好。 缺点：电机匹配调试非常复杂。 综上所述，我们考虑使用难度适中的六足爬虫方案。 2.32.3电机选择电机选择 在机器人控制领域最常用的电机有两种：伺服电机、步进电机。我们对这 两种电机作了一些比较。 方案一：伺服电机 优点：控制简单，反映速度快，体积小，功耗小，大扭力，装配灵 活，相对经济。 缺点：首先它是一个精细的机械部件，超出它承受范围的外力会导 致其损坏，其次它内藏电子控制线路，不正确的电子连接也 会对它造成损毁。 方案二：步进电机 优点：通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目 的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和 加速度，从而达调速的目的。因此在需要准确定位或调速控 制时均可考虑使用步进电机。 缺点：由于步进电机存在空载启动频率，所以步进电机可以低速正 常运转，但若高于一定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸 叫声；不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大，细分数越 第 4 页 共 12 页 大精度越难控制；并且，步进电机低速转动时有较大的振动 和噪声。 为了在体积、质量上尽量的小，而且控制方便，我们选择了功耗比较低、 控制较为灵活的伺服电机。 2.42.4传感器选择传感器选择 方案一：微波传感器 优点：感应距离远，灵敏度高，还可附带测距功能。 缺点：覆盖面积过大，价格昂贵。 方案二：红外传感器 优点：调节方便，使用简单。 缺点：覆盖面积小，可测距离与器件价格成指数关系。 方案三：轻触开关 优点：调节简单，价格低廉。 缺点：灵敏度低。 综上考虑，我们选择了轻触开关 2.52.5运动方式选择运动方式选择 2.5.12.5.1直线行走方案直线行走方案 通过对单片机编程，设定脉冲输出，驱动伺服电机实现直线行走。 优点：控制灵活，步幅可调 缺点：由于电机不是完全匹配，在直线行走的调节上难度很大，只 能通过不断的对程序改动来实现。 2.5.22.5.2自动避障方案自动避障方案 使用轻触开关作为机器爬虫的触角，将轻触开关检测到障碍物的信号传 给单片机，单片机通过中断方式识别。识别后先后退，再转弯，最大限度 的模仿了爬虫的功能。 优点：中断方式比查询方式反映速度快，节省单片机资源。 缺点：对电磁干扰敏感，容易发生异常中断。 第 5 页 共 12 页 2.5.32.5.3转弯方案转弯方案 通过单片机给伺服电机不同脉冲的方法实现差速转弯。 优点：转弯稳定。 缺点：速度慢 3.3.系统设计系统设计 3.13.1原理分析与说明原理分析与说明 3.1.13.1.1微型伺服电机控制原理分析微型伺服电机控制原理分析 1)1)微型伺服电机内部结构 一个微型伺服电机内部包括了一个小型直流电机；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，高速转动的直流电机提供了原始 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，伺服电机的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动 的速度也愈低。 2)2)微行伺服电机的工作原理 一个微型伺服电机是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示： 减速齿轮组由电机驱动，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 第 6 页 共 12 页 路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反 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 达到使伺服电机精确定位的目的。 3)3)伺服电机的控制 标准的微型伺服电机有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地 线用于提供内部的直流电机及控制线路所需的能源，电压通常介于 4V6V 之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服电机会产生噪音） 。 甚至小伺服电机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 1ms2ms 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电机的输出臂位 置的关系： 3.1.23.1.2爬虫直行原理分析爬虫直行原理分析 昆虫行走的特点（这里以六足爬虫为例）：昆虫行走是以三条腿为-组进行 的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架 结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备轮换，靠 两组腿前后交替运动而行走。让我们具体来看看一组中的三条腿是怎样相互配 合的：前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身 体，后足则推动虫体前进，同时使虫体转向。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。并不是所有昆虫都用六条腿来 行走，有些昆虫由于前足发生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、 第 7 页 共 12 页 后足来完成了。 3.1.33.1.3爬虫自动避障原理分析爬虫自动避障原理分析 自动避障主要采用的器件是轻触开关，它有三个接头，中间接头与系统信 号接口连接。两边的其中一个作为低电平输入，另一个作为高电平输入。我们 用轻触开关做成爬虫的左右两个触角，在爬虫直线行走的过程中，当它的一个 触角碰到障碍物时，触角的一端跟中间的信号接头连通，此时向系统发出一个 高电平（或低电平）信号，从而启动后退、转弯程序。当左边的触角碰到障碍 物时，就调用右转程序来绕开障碍物。当右边的触角碰到障碍物时，就调用左 转程序来绕开障碍物。 3.1.43.1.4爬虫转弯原理分析爬虫转弯原理分析 通过单片机给伺服电机不同脉冲的方法实现差速转弯。 差速器是汽车驱动桥的主件，最早由法国雷诺汽车公司的创始人路易斯雷 诺发明，它的作用就是在向两个半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的 转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地 面的摩擦。 我们这里借鉴了差速器的一些观念，给左右两电机不同的正脉冲，则左右 两电机就会以不同的转角工作，这样就可以实现爬虫的转弯，而且也减少了爬 虫的腿与地面的摩擦。使得原本驱动能力很小的电机也可以带着大质量的负载 完成转弯动作。 3.23.2器件的选型与外围部件的制作器件的选型与外围部件的制作 3.2.13.2.1中央控制系统中央控制系统 AT89C2051 AT89C2051 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机， 片内含 2K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随 机存取数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储 技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元。 基于以上特点，加之 AT89C2051 为双列直插 20 管脚结构，比较小，适合 总体要求的小而轻的原则所以我们选用该芯片。 第 8 页 共 12 页 3.33.3电路设计与说明电路设计与说明 3.3.1.3.3.1. 控制系统电路控制系统电路 用 12M 晶振和两个 30P 的电容构成一个 2051 的最小系统，内设复位电路， 可通过复位开关使其在程序跑飞时手动复位，而不用关闭电源。2051 芯片的 P1 和 P3 口线全部以插针形式引出方便外部扩展。 3.3.2.3.3.2. 电源电路电源电路 系统电路采用稳压电路电路如下图所示。 通过电解电容和瓷片电容分别滤去低频和高频的干扰波。 3.43.4机械构架的设计与制作机械构架的设计与制作 3.4.1.3.4.1. 选材选材 方案一：铝合金 优点：硬度高，耐磨损， 较轻便。 缺点：可塑性差，加工难 度大，价格比较高。 第 9 页 共 12 页 方案二：塑料板 优点：可塑性好，易加工，轻便，价格低廉。 缺点：机械性能差，易磨损。 我们从实验而非应用的角度出发，重在模拟和演示昆虫的简单功能。因而 选择了成本低，易加工的塑料板作为机械构架的制作材料。 3.4.2.3.4.2. 加工加工 考虑到目标对象的外观和其驱动装置电机的负载能力等综合因素，我们选 择了如下尺寸：26cm18cm9.5cm 首先找一块大小适中的塑料板，按照图纸设计好的尺寸在上面画出需要切 割的轮廓线并标出需要打孔的准确位置。然后用锯子，台钻，电钻等工具进行 切割加工。 3.4.3.3.4.3. 调试、打磨调试、打磨 为了使爬虫在行走时能够保持平衡，必须对加工好的部件进行精细的调试 和打磨，使六条腿的高度达到平行。 3.53.5自由度的选择自由度的选择 从理论上讲，要行走，每条腿至少需要两个自由度，即垂直方向和水平方 向。也就是说每条腿要用两个伺服电机来控制。要用六条腿行走，就需要 12 个 电机。如果选择这个方案会有很多不便，如：功耗大、笨重、成本高、制作难 度增加等。但这样做也有优点，如：机器人的灵活度会大大提高。我们从实验 的目的出发，利用传动技术，将电动机的数量减少到三个，既实现了所预期的 功能，又降低了制作成本跟制作难度。 4.4.系统调试系统调试 4.14.1硬件调试硬件调试 首先，我们对爬虫的机械性能作了一系列的测试：平衡性问题、爬虫的足 与地面的摩擦问题、各足之间的连动的灵活性问题等。其次，我们对轻触开关 位置的放置，触角长度的选择也作了相应的调试。 4.24.2软件调试软件调试 机器爬虫的软件调试分为几个阶段 第 10 页 共 12 页 第一阶段：对伺服电机的旋转角度的调试，由于资料中的理论数据与实际 测试值有一定的差距，我们以理论值为标准，取其左右偏差脉冲进行了多次实 测，最终取得了满意的结果。 第二阶段：整体的统调，我们在将电路板装到机器爬虫虫体上之后，由于 受到电机的驱动能力、电池提供的功率等外界因素的影响，我们又对其进行了 长时间的实测调试。 5.5.指标测试指标测试 可持续工作时间：4 小时 爬行速度：2 厘米/秒4 厘米/秒（程序可调） 转弯角度：30 度60 度（程序可调） 6.6.系统说明系统说明 6.16.1使用说明使用说明 本产品的运行流程概述：启动开关后，爬虫会自动进行直线行走，并在行 走的过程中通过触角来判断是否遇到障碍物，没有障碍物时继续直线行走，当 有障碍物时，再进一步判断是在左边还是在右边，障碍物在左边时爬虫右转， 在右边时左转。绕过障碍物后继续直线行走并重复前面的过程。如遇到强干扰 源使得程序跑飞，只需安下复位键或关闭电源，重新启动。要让它停止时只需 再次按下开关即可。 6.26.2技术特点技术特点 1)1)采用机械设计技术，用三个电机实现了至少要用十二个电机才能实现的功 能。 2)2)机械爬虫采用了价格低廉，体积小巧的 AT89C2051 适应于各种要求不高 的小型系统。 3)3)机械爬虫使用可充电的锂电池，在质量上比其它电池轻 3040，但 能量上却高出 5060，几乎没有记忆效应，使用寿命长，耐用性也 大大优于其它电池。 4)4)自制 PCB 印制电路板电路，研制周期短，电路可用性强。 5)5)自行设计制作塑料虫体。质量轻，可扩展性强。 第 11 页 共 12 页 6.36.3系统设计理念及创新系统设计理念及创新 机械爬虫采用了三电机控制方案，在控制上、耗资上，远远优于同类十二 电机，甚至二十四电机的方案，灵活度却相差不大。如时间充裕可再利用单片 机的串口做两只爬虫的串行通讯，甚至多只协同来完成某一特定任务，如走迷 宫、捉虫子等。这都是有待开发的有用的新功能。 7.7.结束语结束语 随着人类社会的进步，机器人需要真正意义的走出工厂，进入百姓家庭， 广泛用于生活、娱乐和教育中。而活动方式和身体