无线遥控智能爬行机器人毕业论文

毕业设计（论 文） 中图分类号： 无线遥控智能爬行机器人 专业名称： 光机电一体化 学生姓名： 导师姓名： 职 称： 武汉科技大学机电工程系 2007 年 3月 中图分类号： 密级： UDC： 单位代码： 10488 无线遥控智能爬行机器人 WIRELESS REMOTE INTELLIGENT CRAWILING ROBOT 姓 名： 学 制： 专 业：光机电一体化 研究方向： 导 师： 职 称： 讲师 论文提交日期： 3月 1号 论文答辩日期： 3月 15 日 武汉科技大学机电工程系 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。 “ 无线遥控爬行机器人 ” 是我们设计的第一个机器人，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四足行走的动物，该机器人是一个仿生 4 足行走的机器人，通过对伺服马达的精确控制模拟四足动物的行走步态，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。 该系统通过 AT89S51、 USB100 模块、 NT-TR01 无线传输模块及相应的辅助电路实现智能控制及无线遥控。 PC 端通过 USB 接口与 NT-TR01 模块连接，远程控制端单片机与 NT-TR01 模块连接，实现数据的双向传输。 最后进行了系统联合调试，结果表明：系统的软、硬件设计合理可行，为后续的研究工作奠定了基础。 关键词： 机器人，仿生学， 遥控 Abstract Robot is learning institutions, kinematics and control disciplines, such as the level of development of a comprehensive reflection of the current domestic and international hot topic of research. Wireless Remote crawling robot is the design of a robot, from the perspective of bionics, the physical structure and insect behavior is relatively easy to imitate, and we imitate it is a robot quadruped walking animals, the machine Bionic 4 is a walking robot, By precise control of the servo motor simulation quadruped walking gait of animals to achieve walking, running urgency, such as turning gait, and to the environment in a variety of ground under the gait of intelligent adjustment, adaptive smoothing the ground, rough ground, sand ground, Tani of the road surface and adverse environment. AT89S51 through the system, USB100 module, NT-TR01 wireless module and the corresponding auxiliary circuit of the intelligent control and wireless remote control. PC through the USB interface and end-NT-TR01 modules, remote control-MCU and NT-TR01 modules, the two-way transmission of data. Finally, the joint commissioning of the system, the results showed that: System hardware and software design reasonable and feasible for the follow-up research work laid the foundation. Key words: Robot, bionics, remote control 目录 1 引言 （ 1） 1.1 机器人 的 发展 历程 （ 6） 1.2 机器人的未来走向 （ 8） 1.3 研究机器人的意义 （ 9） 2 机器人机构设计 （ 10） 2.1 项目研究 （ 10） 2.2肢体的机构设计 （ 11） 2.2.1 微型伺服马达的机构 （ 11） 2.2.2 爬行机器人的肢体机构设计流程 （ 13） 2.3躯体的机构设计 （ 17） 3 步态分析及其实现原理 （ 20） 3.1 步态分析 （ 20） 3.2 步行原理 （ 21） 3.2.1 单足行为 （ 21） 3.2.2 四足协作 （ 22） 4 通信电路设计 （ 24） 4.1 电源 选择 （ 24） 4.2USB 模块通信电路设计 以及其原理 （ 25） 4.2.1USB100 模块 （ 26） 4.2.2AT85S51 单片机 （ 27） 4.3 普通 COM 通信电路设计 以及其原理 （ 28） 4.3.1MAX232 电路转换原理 （ 29） 5 技术及软件 （ 30） 参考文献 （ 31） 附录 （ 32） 致谢 （ 36） 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第一章 引言 1 1 引言 1.1 机器人的发展历程 20 世纪 20 年代，“机器人（ Robot） ” 作为专有名词第一次出现 。 1920 年 ,捷克作家卡雷尔查陪克编写了一部幻想剧 :罗沙姆的万能机器人 。 剧中描写 了一家公司发明并制造了一大批能听命于人 ,能劳动且形状像人的机器 ,公司用这些机器从事各种日常劳动 ,甚至取代了各国工人的工作 ,后来的研究使这些机器有了感情 ,进而导致它们发动了反对主人的暴乱 。 这个小说在 1924 年和 1927 年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家，还变成了一种当时的木偶剧和一些话剧，所以这样的一个机器人的名词就向全世界铺展开来，当时人们还认为是一个科幻小说，还没有把它跟我们日常的学习工作和生产结合起 来 。 但通过这样一个小说，一个罗伯特这样一个名词，它体现了人类长期的一种愿望，这种愿望就是创造出一种机器，能够代替人进行各种工作。这种想法是机器人产生的一种客观的要求，那么真正机器人的发展是在 1947 年，美国橡树岭国家实验室在研究核燃料的时候，大家知道核燃料，它有 X射线对人体是有伤害 的，必须有一台机器来完成像搬运和核燃料的处理这样的工作。在 1947 年产生了世界上第一台主从遥控的机器人，那么 1947 年以后大家知道，是计算机电子技术发展比较迅速的时期，因此各国已经开始利用当时的一些现代的技术，进行了机器人研究。那么在 1962 年美国研制成功 PUMA 通用示教再现型机器人，那么这就标志着机器人走向成熟，应该说第一台可用的机器人在 1947 年产生，真正意义的机器人在 1962 年产生。那么相继不久，在英国等国家，也相继研究出一些机器人，那么到了 20 世纪 60 年代末，日本人将它的国民经济的汽车工业与机器人进 行结合，它购买了美国的专利，在日本进行了再次开发和生产机器人。到 20 世纪 70 年代的时候，日本已经将这种示教再现型的机器人进行了工业化，出现了很多公司，现在的像 ABB， MOTOMAN，还有安川公司，还有很多机器人公司像 OTC 等等公司。它们都是已经将机器人进行了工业化，进行了批量生产，而且成功的用于了汽车工业，使机器人正式的走向应用。 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第一章 引言 2 在 20 世纪 70 年代到 20 世纪 80 年代初期，工业机器人变成产品以后，得到全世界的普遍应用以后，那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人，出现了瑞典的 ABB公司，德国的 KUKA机器人公司，日本几家公司和日本的 FUNAC公司，都在工业机器人方面都有很大的作为，同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽，它已经从工业上的一些应用，扩展到了服务行业，扩展了它的作业空间，向海洋空间和服务医疗等等行业的使用。所以从这张图可以看出机器人发展的几个过程。 那么总结一下，我们认为，机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发 出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在 20 世纪 70 年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候， 它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。 那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。 在我国 , 社会主义 制度 的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第一章 引言 3 我国已在 “ 七五 ” 计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机 器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。 1986 年 3 月开始的国家 863 高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。 1 1.2 机器人 的 未来走向 据世界未来学预测： 年代更长时间内，世界上将出现十大变化，其中一大变化是：智能机器人将大量出现，今后年内，这种机器人将十分普及，虽然年代还不能普及，但技术上将有突破性进展。因此，智能机器人已成为各国高技术发展的规划的热点。目前基于感觉控制的第二代机器人已进入实用阶段，预计本世纪未以前可望得到普及应用。 目前工厂中使用的机器人，还是一种 “ 体力劳动 ” 的机器人，人们利用它可以建立柔性自动化车间，生产了质量上乘的工业品。在而未来十年内，将出现一种 “ 脑力劳动 ” 的机器人，或称 “ 专家系统 ” ，这种机器人通过电脑工作，可以取代 一个或几个专家在高科技领域中从事科研工作。伴随着智能自动化、微电子技术、可视图像处理、信息技术及智能机器人发展的同时，以工厂自动化（）、办公室自动化（）和家务自动化（）为主线的革命及智能系统，正以新的姿态进入高技术领域。人工智能与机器人的结合，将会给机器人 技术带来革命性的变化。 被称为 “ 机器人之父 ” 的公司的创始人乔 恩格伯杰认为，未来使机器人振兴的是服务行业，特别是与医疗有关的行业具有极大的发展潜力，日本也打算将机器人用于医院、餐厅和家庭等各个领域。乔 恩格伯杰领导的公司正率先开发药剂师和医院用的机器人。 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第一章 引言 4 继工业机器人发展高潮之后，国外也竞相研制军用机器人。美国、德国、法国和英国等先后装备和研制成几十种不同型号的军用机器人，其中以美国为最多。年海湾战争中，美国的安全爆炸物机器人就参加了 “ 沙漠风暴 ” 作战行动；英国也分别向沙特阿拉伯和科威特政府出售了台和台 “ 手推车 ” 地雷处理机器人，为海湾战争立下了汗马功劳。美国陆军部计划年研制出用于前线修理车轮、排雷、运送弹药和粮食以及作为步兵向导的军用机器人。美国还计划建立一支机器人舰队，准备 分三个阶段逐步完善，最后实现无人指挥的全自动舰艇、舰上的机器人可根据情况制订作战计划，军人机器人已展示了它在未来战争中广阔的应用前景。 1.3 研究机器人的意义 为什么要 研究 机器人 呢 ?那么简单说，有三个方面是我们必要去发展 机器人 的理由 :一个是机器人 可以干人类 不愿意干的事，把人从有毒的、有害的、高温的或危险的，这样的环境中解放出来，同时机器人可以干不好干的活，比方说在汽车生产线上我们看到工人天天拿着一百多公斤的焊钳 ,一天焊几千个点，就重复性的劳动，一方面他很累，但是产品的质量仍然很低；另一方面机器人干人干不了的活，这也是非常重要的机器人发展的一个理由，比方说人们对太空的认识， 当 人上不去的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。 所以说研究机器人对人类的发展有重要作用。 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第二章 机器人机构设计 5 2 机器人机构设计 2.1 项目研究 仿生机器人（ Humanoid Robot）是先进机器人技术的高级发展阶段，它综合体现了高级机器人的机构学、运动与动力学、现代设计理论、信息检测和感知、微电子学、控制理论等诸多方面的研究和发展水平，是一个复杂的综合系统。 2图 2-1 是我 本次论文研究 的机器人三维模拟图。 图 2-1 “ 无线遥控爬行机器人 ” 三维模拟图 大学生科研训练计划（ Student Research Training Program-SRTP）是我校大力开展本科教育改革，实施理论教学、实践教学、科学研究三位一体教学模式的重要组成部分，其目的是组织学生在教师的指导下，通过自主进行课题研究和探索。了解和掌握基本的科学研究方法和手段，培养大学生严谨的科学态度、创新创业意识和团队合作精神，提高大学生的研究创新能力和综合实践能力。 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第二章 机器人机构设计 6 “ 无线遥控 智能 爬行机器人 ” 正 是 武汉科技 大学 机械 项目之一，机器人的开发是来源于学生的兴趣 和 爱好，在指导老师的制导下完成机器人的开发。 2.2 肢体的机构设计 2.2.1微型伺服马达的机构 我们的机器人是由 8 个微型伺服马达驱动，整个机器人的机构设计也是以微型伺服马达为基础的，所以在介绍机器人的机构设计前我想把微型伺服马达的机构及工作特性作一下介绍。 微型的伺服马达在无线电业余爱好者的航模活动中使用已有很长一段历史，而且应用最为广泛，国内亦称之为 “ 舵机 ” ，含义为： “ 掌舵人操纵的机器 ” 。可见，微型伺服马达主要用作运动方向的控制部件。伺服马达本质 上是可定位的马达。当伺服马达接受到一个位置指令，它就会运动到指定的位置。因此，个人机器人模型中也常用到它作为可控的运动关节，这些活动关节我们也常称它为自由度 。 一个微型伺服马达内部包括 ： 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。 1 如 图 2-2 是我们所用微型伺服马达的三维模拟图 。 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第二章 机器人机构设计 7 图 2-2 微型伺服马达的三维模拟图 其中 工作原理是：一个直流电机加上一个减速比为 180： 1 的减速器，同时使输出转矩增加 180 倍。即 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。我们正是依靠伺服马达的两个输出转矩作为驱动的来源。 同时我们设置一个可调电位器可随时检测输出轴的位置，所以控制板可以将输出轴精确地转至设置的位置并维持在该处。 2.2.2爬行机器人的肢体机构设计流程 我们的设计是从 4 足机器人的一个肢体开始的，因为 4 个肢体的设计是非常相似的。为了能够充分利用伺服马达的输出转矩，我把马达输出的转臂就作为机器人的肢体的组成部分，这样就大大提高了输出功率的利用率。想到四足动物的步行状态，即做上下摆动和前后摇动，我开始把一个肢体的机构设计如下： 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第二章 机器人机构设计 8 图 2-3肢体的单电机机构 我们通过下面电机的转动带动上面齿轮臂的转动，进而带动圆住凸轮的转动并把它的圆周运动转化为上连杆的摆动，再带动其它关节的转动。其结构间图下： 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第二章 机器人机构设计 9 图 2-4 肢体的单电机运动间 图 由于此机构的运动比较单一，而且在运动的协调性上不易控制我们最后选取了双电机机构。通过上下两个电机的独立转动带动肢体关节转动，这样在机器人行走的过程中就可以比较协调，而且我们的机器人的自由度也将增加，具体的协调性分析及其行走的步态分析将在下面作详细介绍。 图 2-5 肢体的双电机机构及其机构运动间图 这样通过两个 宽带调频 (PWM)信号分别控制上下两个电机就可以比较轻松的实现一个肢体的 “ 抬高 ” 和 “ 迈进 ” 。 那么如何获得最佳 PWM 呢 ?高频的 PWM 信号 更不易使电机发生机械共振。低频信号较容易产生共振 ,使电机振动乃至“唱”（ 一种音频域内的低声）。电机的特性将决定应该使用多高的 PWM 频率。如果电机绕组的电阻相对于其电感来说较高，则在导通期间电机不会达到最大电流，从而电机的转速也不会达到最快。大多数的电机对电感都没有具体的说明 ,所以 用户不得不人为地假设。 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第二章 机器人机构设计 10 另一个限制 PWM 信号频率的因素是所使用的硬件或软件。事实上软件通常是一个瓶颈。但作者建议 PWM 的频率无论如何不应该低于 1kHz，否则电机将发出很大的噪声。在低频段 ,当占空比为 50%时 ,电机极容易产生噪声。而 较高的频率段（ 8kHz 或更高）将避免这种情况。实际上 ,作者所测试的绝大多数小型直流电机在10 20kHz 的频率段运行时 ,在听觉范围内感觉不到任何噪声。 如果 能够得到电机的详细参数 ,就可以通过计算求出被采用的电机所允许的最高 PWM 信号频率 ,下面给出相应的计算公式。在该计算公式中必须让不等式的左边项远大于右边项 ,比如说 10 倍或以上。否则 ,电机电流将不足以达到峰值 ,输出转矩也不会达到最大。 2 fLR 式中 ,f 为频率 ,L 为 电钮 电感 ,R 为 电钮 电阻。 式中 电钮 电阻可由万用表测得。但是电感 L 如果没有专门的电感测量仪 器 ,就无法得知它的具体数值 ,除非这一参数被事先给定。 1 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第二章 机器人机构设计 11 图 2-6 双电机 含镜向 机构 通过 4个肢体的协调工作我们就可以控制机器人的行走（前进，后退，转身等）。另外，在我们的考虑到我们的机器人实际工作环境时，想到了如果它在行走的过程中翻身了怎么办？所以在原有双电机的机构基础上我们加以了改进，那就是在原 来肢体上再加镜向关节。 （如图 2-6）这样在机器人翻转 180 度后依然可以利用上面的镜向图 2-6 肢体的双电机含镜向关节机构关节行走。最后通过我们小组的 讨论，图 2-6的机构在可行性上有一定限制（机器人在翻身后未必翻到 180度，这样上关节就起不到），即无法充分可靠的利用镜向关节最后我们放弃了这个方案。希望在以后的设计中能够想到更好的方案。所以最后我们采用的还是图 2-5的双电机无镜向关节的机构。 2.3 肢体的机构设计 躯体是连接四个肢体的关键部分，躯体的结构设计也显得十分重要，我们从电机的结构出发，结合实际四足动物的形体特征，我们的躯体设计经过以下几个阶段： 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第二章 机器人机构设计 12 图 2-7 躯体机构的实际流程图 图 2-7 躯体机构的三维图 通过最后的躯体机构我们就可以把四个双电机肢体很好的连接在一起了，并且通过最后改进的躯体梁结构，我们可以让机器人有充分的灵活性，这主要是 “ 中间轴 ” 和两个 “ 铰链 ” 的作用。 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第二章 机器人机构设计 13 图 2-7 整体机构图（主视） 最后把躯体和四个肢体通过螺钉紧固在一起，这样机器人的整体机构就组合好了， 然后通 过控制 8个伺 服 电机就可以让它 “ 行动自如 ” 了。 对于连接方式有五种：接线螺母、接线端子、锡焊、接头、印制电路板接线端子。我们可以根据具体连接的情况选取不同的方式。 2.4 本章小结 本章主要阐述了机器人的组成单元以及各组成成分在机器人运行过程中的作用，然后介绍了躯体的机构设计流程，并对控制系统信号的来源以及控制做了必要的 分析！ 设计的机器人是从仿生学的观念出发，综合机构学、运动与动力学、现代设计理念、信息检测和感知、微电子学、控制理念等方面着手的！ 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第三章 步态分析及其实现原理 14 3 步态分析及其实现原理 3.1 步态分析 观察一下狗和猫的运动，也可以注意一下人类手脚爬行的样子。注意四肢是如何连贯起来运动的。膝关节向前，而肘关节向后。这意味着机器人向前运动的主要动力来自于后腿，前腿只是向前伸展着地。观察四足动物步态时要牢记这一点。四足动物的行动方式包括：爬、走、慢走、快步、慢跑、飞奔等。因此 根据我们对 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 其 四足运动的基本原理，并制作出了一个理论验证模型，可以实现前进、后退、左转、右转、避障等动作。 下面 介绍一下如何能像四足动物一样快步行走。快步行走时，两条腿支撑 地面，两条腿腾空。成对角的两条腿是一组，即左前腿和右后腿这一组离开地面的同时，右前腿和左后腿这一组留在地面上。那么大腿和小腿之间是如何协调运动的呢？ DanMichaels 对哺乳动物的行动做了研究，认为以下是快步行走的最佳方式。由于机器人没有动态平衡机能，因此抬腿不能太快，在斜线上不能允许出现太大的晃动，否则就必须在机器人中使用大脚掌结构的静态平衡方法。 3 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第三章 步态分析及其实现原理 15 3.2 步态 原理 3.2.1单足行动 每一条腿有两种状态：向前走和向后走，对于每一个动作状态来讲，分为两步：迈腿和收腿。这两步连续不断的循环， 设其周期 为 T，迈腿的时间为收腿时间的 1/3，为整个周期的 1/4，这个动作对于每条腿都是一样的：每相邻的两个抬腿动作之间的相位差为 1/4 周期，由此可得出机器人在行走式的四条腿之间的时序关系，如图 3-1 所示 ： 图 3-1 四条腿之间的时序关系 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第三章 步态分析及其实现原理 16 3.2.2四足协作 机器人要实现稳定的行走，必须保证每时刻都有三条腿着地，而另外一条腿用来行走。全部行走的奥秘在于当一条腿抬起来时，其它三条腿是同时着地并且向后退的，这样，机器人把抬起的腿向前迈一步再放 下，就走完了一步，之后轮流迈其它的腿，机器人就可以 图 3-2 四条腿的空间三维模拟图 连续向前走了。各种动作顺序如下（四条腿分别记为右后、右前、左后、左前，每条腿向前迈记为 “” ，向后迈腿记为 “” ）： 前进：右后 右前 左后 左前 ； 后退：右后 右前 左后 左前 ； 左转：右后 右前 左前 左后 ； 右转：右前 右后 左后 左前 。 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第三章 步态分析及其实现原理 17 各条腿动作的时序关系如图 3-1 所示。选择不 同的动作顺序则可以实现不同的行走方式。 那么如何协调腿之间的运动呢？如果机器人（或者以这种方式运动的动物）的身体很短，在后腿尚未完成它的发力过程，两条腿就会相撞。如果想让机器人的运动看起来更优美，也需要考虑这个问题。以下是四足步行机器人的步行过程 ，前提是机器人的一组腿已经开始运动了： （ 1） 按要求的前行速度移动机器人处于对角的一组腿，控制大腿和小腿张开的角度。一组中的两条腿运动时必须保持同步。 （ 2） 同时，调节处于对角的另一组腿的小腿的角度，使之摆脱地面的约束，并摆动到下一次前行的发力点，为迈出下一步做好准备。 （ 3） 一旦第 1 步中的一组腿到达推进过程的结束点，将 第 2 步的一组腿的小腿伸开。 （ 4） 调节两组腿的角色，回到第 1步，开始下一次循环。 显然，为了顺利地移动，对机器人小腿弯曲的 瞬间时刻和腿的移动速度进行调整是必要的。大腿和小腿间的夹角不同，机器人表现出来的心情可能也不一样。角度很大，机器人看起来隐秘而小心；角度垂直时显得很开心。当然，这是身体语言的范围，但使机器人看起来更有生命力，这不正是我们的目的吗？ 如果步行机器人有长长的腿，它在不平整的地面、斜坡或者其他 障碍路面（当然应该是机器人能够跨得过去的）前进时的控制性能相对比较良好。 1 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第三章 步态分析及其实现原理 18 3.3 本章小结 通过上章对 机器人的系统分析，本章主要着手分析机器人的运行原理！ 通过深入分析我们发现 机器人向前运动的主要动力来自于后腿，前腿只是向前伸展着地。 并且为了实现 机器人的 正常 行走，必须保证每时刻都有三条腿着地，而另外一条腿用来行走 。因此我 先从单足行动着手，分析它的运行规律，然后在分析了四足协作下的运行状态！武汉科技大学光机电专业毕业论文 第四章 通信电路设计 19 4 通信电路设计 4.1 电源 选择 因为本 次设计的机器人是一个小型机器人，因此我们采用单块电池为电机和控制器同时供电。小机器人不需要大电流的电机，从而无须使用高电压值的电池组。比如说，迷你相扑机器人的空间有限，甚至重量也受到相 应的限制，在这样的情况下，机器人只能随车携带必要的部件包括电池。单电池供电方式考虑的因素如下： （ 1）小型机器人在使用的电机，其额定电压通常小于 12V（一般为 6 10V）。这一电压范围一般都在较便宜的电压转换器件的 有效输入电压范围之内。 （ 2）电机的额定电流一般低于 2 3A，一般可采用 L298 或有类似电流限制的器件。使用这种器件不会导致严重的电压骤降。 （ 3）允许机器人随机携带部件的空间或重量都受到限制。 任何额定电流在 100mA 或者超过该电流数值的电机，都要求使用镍镉或镍氢电池供电。碱性电池不适合，因为它 的内阻很大，带载后端电压会大大下降。 电源总线的噪声处理：直流电机，甚至集成驱动芯片或其他数字逻辑器件，都会在电源总线上产生噪声。对此通常采用旁路电容来吸收瞬时脉动。通常的做法是把 0.1 微法的陶瓷电容零散地放置在电路板上，而且往往布置在像电机驱动器这类容易产生噪声的芯片附近。同时地，因为电机驱动电路中的过冲电流会频繁地流经电源总线，所以应当在其附近放置较大的电容去吸收其多余的电能。通常芯片制造商 会推荐这种电解电容的取值，一般它们在 47 470 微法之间。旁路或者防浪涌电容在电路设计中也是非常必要的。我们会发现 ，所有的电路设计对这方面的问题都有所考虑。 3 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第四章 通信电路设计 20 4.2USB 模块通信电路设计以及其原理 计算机的输入 /输出接口有三种标准方式可以采用：缓冲接口、隔离接口、串行接口。但我们设计的系统采集的是 PWM 信号， 因此我们采用串行接口。且采用串行接口中的异步串行接口。它是一个双线接口：一根发送数据，而另一根接受数据。如果微控制器只发送数据，那么则仅需要一根 I/O 线。“握手”的两端需要一致的传输速度，否则它们将无法通信。这是 PC 机和机器人之间经常采用的一种传输接口。一根单一的 I/O 线被多次用于传输和接收数据，可以节省一根 数据传输线，代价是无法同时接收和发送数据。 4 故可以把 该部分系统主要由 USB 接口插头、 USB100 模块、高性能单片机、NT-TR01 高速率双向数据传输模块组成， 下 图是系统电路图。 5 图 4-1 系统电路图 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第四章 通信电路设计 21 4.2.1USB100模块 USB100 模块是基 于 ASIC 设计的，完全兼容 USB1.1 标准，最高速率 8Mbps，八位单片机并行接口。 主要引脚及功能 VCC +5V 输出，提供给外部 MCU 使用，最大 400mA USBVCC USB 接口的电源脚 D+ USB 数据线 D- USB 数据线 RXF 高表示模块没有数据输出；低表示模块有数据输出，可以读数据 TXE 高表示模块发送缓冲区已满；低表示发送缓冲区为空，可以发送数据 WR 将八位并行总线上的数据锁存入内部缓冲区 RD 允许内部接受缓冲区数据通过八位并行总线读出 D0-D7 双向数据总线 4 4.2.2AT89S51单片机 AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，武汉科技大学光机电专业毕业论文 第四章 通信电路设计 22 功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51 具有如下特点： 40 个引脚， 4k Bytes Flash 片内程序存储器， 128 bytes的随机存取数据存储器（ RAM）， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）口， 5个中断优先级 2 层中断嵌套中断， 2个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口，看门狗（ WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外， AT89S51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下， CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 6 4.3 普通 COM 通信电路设计以及其原理 图 4-2RS232 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第四章 通信电路设计 23 RS-232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。 RS-232 被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。 RS-232 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。 Max232 产品是由德州仪器公司（ TI）推出的一款兼容 RS232 标准的芯片。该器件包含 2驱动器、 2接收器和一个电压发生器电路提供 TIA/EIA-232-F电平。 该器件符合 TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将 TIA/EIA-232-F电平转换成 5-V TTL/CMOS 电平。每一个发送器将 TTL/CMOS 电平转换成 TIA/EIA-232-F 电平。 7 1-C1+ 2-VS+ 3-CI- 4-C2+ 5-C2- 6-VS- 7-T2OUT 8-R2IN 9-R2OUT 10-T2IN 11-T1IN 12-R1OUT 13-R1IN 14-T1OUT 4.3.1MAX232电路转换原理 RS232 传输协议标准的电平是：正逻辑是 +7v+15v,负逻辑是 -7v-15v。 通过 MAX232 芯片外接的四个电容，把输入的 0 5V信号改变到 -15V +15V，通过串口线发送出去。 2 武汉科技大学光机电专业毕业论文 第四章 通信电路设计 24 4.4 本章小结 通过上章对机器人运行状态的分析，本章主要着手分析机器人的控制系统电路！先是考虑到电源的选择，然后通过分析了内部控制体系做出了系统的电路图！最后对个元件进行系统的分析！ 武汉科 技大学光机电专业毕业论文 第五章 技术及软件 25 5 技术及软件 SUPERICES （ G3000 爱思仿真开发系统）：初期程序调试。 AutoCAD、 SOLIDWORKS： 零件图，装配图，三维图的绘制。 C 语言 、 KEIL C51：程序的编写。 PROTEL：电路图的设计绘制。 SUPERPRO/280、 EASY 51PRO：程序的烧制。 武汉科技大学光机电专业毕业论文 参考文献 26 参考文献 1 宗光华，张慧慧 .机器人设计与控制 .科学出版社 2 王耀南 .机器人职能控制工程 .科学出版社 3Jorge Angeles,宋伟刚 .机器人机械系统原理理论 .机械工业出版社 4 张弘 . USB 接口设计 .西安电子科技大学出版社 5 苗明川 . 数字电子 技术 基础 .高等教育出版社 6 程光东，赵性初 .单片机原理及应用 .华中科技大学出版社 7 刘振海 .单片机应用技术选编 .高等教育出版社 武汉科技大学光机电专业毕业论文 附录 27 附录 7.1 肢体的双电机机构及其机构运动间图 图 1 武汉科技大学光机电专业毕业论文 附录 28 7.2 双电机 含镜向 机构 图 图 2 武汉科技大学光机电专业毕业论文 附录 29 附录 8.1 USB 模块电气特性 名称 功能 最小 最大 单位 测试条件 VCC Operating Supply Voltage 4.4 5.25 V Icc1 Operating Supply Current 50 mA Normal Operation Icc2 Operating Supply Current 250 uA USB Suspend Ioh1 Digital Io Pins Source Current 4 mA Voh=VCC-0.5v Ioh2 Digital Io Pins Sink Current 4 mA Vol=+0.5v Voh1 Input Voltage Threshold(Low) 0.6 v Vol1 Input Voltage Threshold(High) 2.7 v Vdif USB Differential Input Sensitivity 0.2 v Vcom USB Differential Common Mode 0.8 2.5 v Urxt USB Single Ended Rx Threshold 0.3 v Rl=1.5k to 3.6v Uvh USB IO Pins Static 2.8 v Rl=15k to 36v 武汉科技大学光机电专业毕业论文 附录 30 Output(Low) 图 1 8.2 NT-TR01 电气特性 信道频率 433.92/434.33MHz 调制方式 FSK 频偏 15KHz 数据传输速率 20Kbit/s 最大传输功率 +10dBm 接受灵敏度 -105dBm(50 ) 工作电压 2.7 5.25V 接受电流 250uA 发射电流 8 30mA 待机电流 8uA 体积（ mm） 31*27*5(L) 图 2 NT-TR01F 是采用欧洲先进的 RF 集成电路设计而成的双向高频收发模块，工作在 433.92/434.33MHz ISM（ Industrial, Scientific and Medical）频段，它采用 FSK 调制解调技术，抗干扰能力强，发射功率最大可达 10