毕业设计（论文）-机器人关节的设计与实现.doc

河南科技学院河南科技学院 20112011 届本科毕业论文（设计）届本科毕业论文（设计） 论文（设计）题目：论文（设计）题目： 机器人关节的设计与实现机器人关节的设计与实现 学生姓名：学生姓名： 所在院系：所在院系： 信息工程学院信息工程学院 所学专业：所学专业： 计算机科学与技术计算机科学与技术 导师姓名：导师姓名： 完成时间：完成时间： 2011-05-252011-05-25 摘摘 要要 机器人关节是机器人的基础部件,其性能的好坏直接影响机器人的性能。随 着数字伺服技术等电子技术的发展，机器人关节也在不断发展。本文主要研究基 于舵机的机器人关节的设计与实现。本文主要了完成以下工作： 采用定时器控制方法产生舵机控制的脉冲信号，为了能实现活动关节根据 输入角度准确定位和微调，设计加入了矩阵键盘调控系统。在硬件搭建方面，设 计了基于 stc89c52 的 2 路脉冲信号的舵机硬件控制电路系统。之后对系统所 使用的编辑软件和调试工具进行了简要说明，并详细介绍了软硬件的主要模块 的设计和实现过程，以及重要部分的调试和仿真的具体过程。最后，根据软硬件 设计结果，制作了一个极坐标结构的机器人关节，能够完成分别在水平和竖直方 向的比较精确的控制。 关键词关键词 舵机，机器人关节设计 abstract robots joint, is a basic part of robot, whose performance will directly affect a robot. with the development of electronic technology such as digital servo, the technology of robot joint is developing continually. this paper is studying how to designed and (实现) a two-(自由度) robot joint based on digital servo. key words cellular phone virus, loopholes, bluetooth 目目 录录 1.绪 论.5 1.1.课题背景5 1.2.舵机简介5 1.3.本文研究的工作7 2.系统的总体设计思路.7 3.硬件设计与实现.8 3.1.主要元器件介绍8 3.1.1.舵机.8 3.1.2.stc89c52.8 3.2.硬件的设计过程8 3.2.1.工作电源控制电路.9 3.2.2.1602 显示控制电路9 3.2.3.矩阵键盘的设计电路.10 3.2.4.舵机与系统接口电路.11 3.2.5.机器人关节的外形设计.11 3.3.硬件的实现过程11 3.3.1.电路板的设计过程.11 3.3.2.硬件的组装过程.12 4.软件的设计与实现.12 4.1.单片机的 c 语言及其开发工具.12 4.2.各模块程序设计13 4.2.1.脉冲信号产生模块.13 4.2.2.矩阵键盘控制模块.14 4.3.数据处理15 5.仿真与调试.16 5.1.硬件电路的仿真设计16 5.2.单片机的程序调试16 6.总结.16 致 谢17 附录 1.17 附录 2.18 附录 3.19 1. 绪绪 论论 1.1. 课题课题背景背景 从一战以来，机器人学和飞机、火箭、计算机等一样，也日益发展成为我们 日常生活不可或缺的科学技术，机器人的应用广泛，从传统的自动化制造领域， 到人类的日常生活，再到茫茫星系的探索，都已经离不开机器人。 机器人关节是机器人的基础部件,其性能的好坏直接影响机器人的性能。机 器人关节的种类有很多，根据机器人的功能不同，关节的配置和运动系统的形式 叶都各不相同。工业机器人关节根据输出运动形式的不同分为移动关节和转动 关节：根据传动机构的不同可以分为齿轮传动、连杆传动和摆线针轮减速传动； 根据驱动器形式的不同可以分为电驱动关节、气压驱动关节、液压驱动关节和特 种驱动关节等等。仿人机器人也是当今机器人爱好者研究的热点之一，仿人机器 人因为外型类人则其关节可以分为上肢关节和下肢关节。微型机器人则是利用 集成电路微细加工，将驱动器，关节传动装置以及传感器控制器和电源等集成在 很小的多晶硅上。总体来看机器人关节呈现出大力矩，高精度，反应灵敏，小型 化，标准化和模块化的趋势和发展。 工业机器人常见的关节形式有移动关节和转动关节。应用最多的工业机器 人是多关节机器人，它主要是由多个回转关节和连杆组成，模拟人的肩关节、肘 关节和腕关节等的作用。其关节与仿人机器人的肩、肘、髋关节不同的是自由度 的个数。通常工业机器人的肩肘髋的关节的自由度为 1。 仿人机器人主要分为仿人手臂型和仿人双足型。仿人手臂型主要是研究 7 自由度手臂和多自由度操作臂、多指灵巧手及手臂和灵巧手的组合。仿人双足型 主要研究步行机构及步行特性，下肢关节结构是步行质量好坏的关键。 1.2. 舵机舵机简简介介 在机器人关节的设计中，电机是至关重要的一部分，电机就像是机器人关节 的肌肉，只有正确的配置和使用电机才能使机器人关节正常运转起来。 常见的电机主要有直、交流电机，而直流电机一直在机器人设计中占有主导 地位。直流电机可以分为连续转动电机和步进电机 2 种，主要区别是连续转动的 电机在通电后主轴连续转动，只有当断电或者电机提供的驱动力无法驱动负载 时，主轴才停止转动或这阻塞；步进电机则是通电后主轴转动某一个角度后，然 后停止。伺服电机是一种比较特殊的连续转动电机类型。 直流电机和步进电机都是开环反馈系统，也就是在电机转动的过程中并不 知道电机究竟转过了多少角度。而伺服电机是一种闭环反馈系统，内部主要有一 个控制电路、一个电机、一个齿轮箱和一个电位计组成。伺服电机转动的角度可 以通过控制电路反馈，并且控制电路不断的修正转动角度的误差，直到电机转动 要预期位置。 舵机是一种伺服电机，它具有伺服电机的优点，即在接收到控制信号后可以 转过相对准确的位置，这使舵机在机器人设计，航模，船模等有着广泛的应用， 比如用来控制机器人的转动方向等。 舵机的控制方法。舵机的定位是利用脉宽调制的方法实现的。舵机可以根据 周期内高电平的持续时间（即脉宽）来完成定位。一般的舵机控制电路能够接收 周期为 20ms、脉宽为 12ms 的脉冲信号，脉冲的准确长度决定了舵机轴转动的 准确位置（图 1.1）。目前普遍使用 pwm（占空比）即高电平在 20ms 周期内的持续 时间所占的比例来描述脉宽。当舵机接收到的 1ms 的脉宽时，舵机向某一个极限 位置转动，当接收到脉宽为 2ms 的时候，舵机向另一个方向极限位置转动。也可 以说舵机的角位移与接收到的脉宽成正比，一般来说，舵机能在 0.250.5 的时间 内转过 60。 舵机的控制原理。电位计的作用是检测舵机的输出轴是否已经转到期望位 置。电位计与舵机的输出轴相连接，这样分压计能够非常准确的反映出舵机输出 轴的当前位置。电位计输出为一个电压信号，当舵机的输出轴的位置变换时，控 制电路就会从分压器接收到不同的电压信号。舵机中的控制电路将电位计的输 出的电压信号和控制脉冲信号定时比较，如果电压信号不正确就会产生误差信 号。该误差信号与电位计的位置和可能告知脉冲的差值成正比，当存在误差信号 时，电机就会保持转动，直到电位计输出的电压信号和控制脉冲信号相匹配时， 误差信号被移除，电机停转。 舵机的主要技术参数有力矩，回转率，工作电压，工作温度，死区等。 20ms 12ms 图 1.1 周期为 20ms 的脉冲信号的高电平持续时间在 12ms 之间变化可以控制舵机的输出轴位置 舵机的应用场合，主要有多自由度机器人设计，多路伺服航模控制,电动遥 控飞机,油动遥控飞机,航海模型，高档遥控仿真车等。 1.3. 本文研究的工作本文研究的工作 通过对电机类型的结构和原理进行分析与比较，本课题选用舵机作为机器 人关节的本体原件，来完成的机器人关节的设计与实现，以达到可以在水平和竖 直两个方向上控制机器人关节的活动效果。主要包括系统的软件和硬件设计，以 及最终硬件的制作。在本文的下面一些章节会详细介绍各部分的设计过程。 通过对舵机的结构原理，控制特性与机械特性的综合分析与研究，最终选择 towerpromg995 型号舵机（图 1.2）作为本课题的舵机本体。该型号的舵机具有力 矩大（10kg/cm），输出功率高，价格合理，稳定性好等优点。 图 1.2 towerpromg995 2. 系系统统的的总总体体设计设计思路思路 系统的总体设计分别包括系统的硬件设计和软件设计。下图（图 2.1）为总的 流程图。 单片机 液晶显示 矩阵键盘 舵机接口 2路pwm 按键处理 角度信息 图图 2.1 系系统统流程流程图图 3. 硬件硬件设计设计与与实现实现 硬件是系统运行的基础，硬件设计是系统设计中的重要组成部分。本系统中 的硬件设计主要包括系统工作电源，液晶显示，矩阵键盘和脉冲信号产生的电路 设计过程等。 3.1. 主要元器件介主要元器件介绍绍 下面主要对硬件中使用的一些重要的元器件的电气特征作一下介绍。 3.1.1. 舵机 名 称：towerpro mg995 外 形：40.7*19.7*42.9mm 力 矩：10kg/cm 回 转 率：0.20s/60 工作电压：4.87.2v 温度范围：055 工作死区：10us 角度范围：090 脉宽范围：1ms2ms 3.1.2. stc89c52 由于 51 系列单片机在国内广泛使用，技术比较成熟，而且相关的开发工具 也比较普及，性能优越，所以在此也选择 51 系列的 stc89c52 单片机作为控制 机器人关节的单片机。stc89c5*系列单片机不仅性能优越，而且控制简单，价格 合理。该型号的单片机片内 eprom 达到 8k，同时有 2 个定时器，足以承担系统 的设计需要。 其他的选用的主要器件还有稳压器 7805, 液晶显示器 1602，电容和电阻等 一系列电器元件。 3.2. 硬件的硬件的设计过设计过程程 硬件的设计过程包括硬件的电路设计和机器人关节的外形设计。 根据系统将要完成的几项功能考虑硬件电路设计，硬件部分所要提供的功 能有液晶显示、矩阵键盘、舵机接口，所以电路设计主要包含这几个部分以及要 完成系统工作的电压、单片机的最小系统（复位和晶振）等电路设计。下面主要介 绍重要功能模块的设计电路。 3.2.1. 工作电源控制电路 为了给系统各部分提供稳定可靠的直流电压，在控制系统中选用了稳压器 7805 完成对工作电压的稳定控制工作。7805 具有体积小，重量轻，可靠性好等特 点。下图（图 3.1）是为系统电源控制电路图。 key 7805 12v c1c2 1 2 3 r1 5v led 图图 3.1 电电源控制源控制电电路路图图 12v 的直流电压经过 7805 后转换为稳定的 5v 电压后，供应整个电路的电 源系统。led 的作用是保护 7805，防止电路回时电流过大对 7805 造成损害。 3.2.2. 1602 显示控制电路 系统选用 1602（spi16 引脚）作为数据显示器件，主要用于显示舵机的当前 角度和调整角度。1602 是一种 16*2 字符型液晶显示器，引脚分为电源、通信数 据和控制三部分，可以很方便的可以与单片机进行连接。下图（图 3.2）为 1602 与 stc89c51 的接口电路图。 p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 p3.2 p3.3 p3.4 gnd vcc rp1 lm016l vss vdd vee rw e d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 rs 2 3 4 5 6 7 8 91 stc89c52 vcc 图图 3.2 1602 显显示示电电路路图图 选用单片机的 p0 口作为 1602 的数据输入端口（d0d7），p3.2，p3.3，p3.4 分别作为数据命令选择端(h/l)（rs），读/写选择端（h/l）（rw），使能信号端（e）。 上拉电阻部分（rp1）具有限流的作用。 3.2.3. 矩阵键盘的设计电路 本系统的矩阵键盘主要是用于定位调整和加减微调舵机角度两项功能。下 图（3.3）为矩阵键盘的控制电路。 1 4 7 d2+ 2 5 8 d2- 3 6 9 确认 d1+ d1- 0 取消 stc89c52 10 11 12 13 14 15 16 17 10 11 12 13 14151617 p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 p2.4 p2.5 p2.6 p2.7 图图 3.3 矩矩阵键盘电阵键盘电路路图图 选用 stc98c52 单片机的 p2 口作为矩阵键盘的控制端口。按键 09 为数字 按键，主要用于定位舵机角度的输入。键 d1+，d1，d2+，d2分别为 舵机 1 和舵机 2 微调时的加减。确定键，当输入舵机需要定位的角度后，按下确 认键后，舵机开始运转。取消键，用于取消输入的定位角度（未按确定键前）。 3.2.4. 舵机与系统接口电路 向舵机发送脉冲信号的电路部分，舵机根据 pwm 的大小调整舵机的位置。 下图（图 3.4）为舵机 pwm 控制电路部分。 p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 stc89c52 gnd vcc 图图 3.4 舵机脉冲信号控制舵机脉冲信号控制电电路路 分别选用 stc89c52 单片机的 p1.3，p1.4 引脚作为舵机 1 和舵机 2 的输出 脉冲信号的控制端口。在电路仿真中，该 2 个端口接的是虚拟示波器，用来显示 和反映脉冲信号的输出状态。 3.2.5. 机器人关节的外形设计 机器人关节的外形设计是指最终机器人关节的成型外形。机器人关节的外 形设计主要参考当今网络上流行的多自由度机械臂的外形。 3.3. 硬件的硬件的实现过实现过程程 3.3.1. 电路板的设计过程 将整个系统电路图设计出来后，接下来我们就需要制作电路板图了。电路板 设计得是否合理，质量是否可靠，直接决定着制作出来的红外通信遥控器的质量 和运行的可靠性。altium designer 提供了板图设计功能，包括自动布线和器件自 动摆放功能。事实上，器件自动摆放功能是达不到要求的，因此，实际操作时应 采用“人工摆放元件人工预布线自动布线人工细调”的设计流程，一步一步 制作出符合要求的电路板。电路板图见附录二。 3.3.2. 硬件的组装过程 硬件的组装主要包括机器人关节的外形组装和电路板的各元件的安放与焊 接。 4. 软软件的件的设计设计与与实现实现 软件是系统的灵魂，软件设计的好坏直接影响到整个系统性能的强弱。所以 软件设计是本系统中很重要的组成部分。在本系统中的软件主要是指单片机的 程序，主要包括舵机脉冲信号发生模块，矩阵键盘控制模块和液晶显示器 1602 显示模块几大部分。 程序复位 定时器初始化 1602初始化 设置舵机的初 始位置 按键扫描 有按键按 下？ 按键处理 是 否 定时器工作 中断处理产生2 路脉冲信号 刷新 控 制 舵机工作 显示舵机的 当前角度 4.1 系系统设计统设计流程流程图图 4.1. 单单片机的片机的 c 语语言及其开言及其开发发工具工具 对于单片机的编程语言的选择，选用近年来流行的 c 语言编程。首先 c 语 言比较普及，可读性强，易编写，且不必了解处理器的指令集和存储器结构。和 汇编语言相比，c 语言程序的编制和调试时间都大大缩短，并且 c 语言的可移植 性好，稳定性强。基于 c 语言的种种优点，本系统选择 c 语言来设计和开发单片 机程序。 开发工具则是选用目前国内流行的 keil 公司出品的 51 系列单片机软件仿 真器。keil uvision3 是一个基于 windows 的应用程序，可以完成编辑，编译，链 接，调试等整个开发流程，而且界面友好，方便易用，支持很多单片机类型。本系 统所有的单片机程序均使用 keil 进行编辑，链接，调试。 4.2. 各模各模块块程序程序设计设计 单片机程序的子模块主要包括脉冲信号产生模块，矩阵键盘控制模块和液 晶显示模块，这这里主要介绍和分析前 2 个模块。 4.2.1. 脉冲信号产生模块 在该单片机程序中，主要使用 2 个定时器来产生 2 路脉冲信号 （pwm1、pwm2）注 1，分别输送给 2 个舵机。具体实现方法是 timer1 作为基准 定时器，提供稳定的 10ms 定时，timer0 则作为控制高电平时间定时器。在 timer1 中每次根据标志位选择翻转（pwm1 或 pwm2）脉冲信号高低电平，并打 开 timer0：在 timer0 中断到来后，timer0 中则根据标志位重新翻转脉冲信号，最 后关闭 timer0，则形成高电平脉冲，完成舵机脉冲信号的输出。脉冲信号产生流 程图如图（图 4.1）所示。 设置timer0， timer1 打开timer0， timer1 (flag=0)?(flag=1)? pwm1=pwm1 flag=1 pwm2=pwm2 flag=0 设置舵机2的定 时器初值并 pwm1=pwm1 设置舵机1的定 时器初值并 pwm2=pwm2 打开time0关闭timer0 timer1 timer0 是否是否 图图 4.1 脉冲信号脉冲信号产产生流程生流程图图 因为舵机的控制电路周期的脉冲时间为 20ms，而 stc89c52 里共有 2 个定 时器，所以本系统采用分时复用的方法来产生 2 路脉冲信号。该方法在理论上可 以控制 10 个舵机的共同工作，可扩充性强。 4.2.2. 矩阵键盘控制模块 在单片机程序中，矩阵键盘的控制最为繁杂。首先是键盘的扫描，根据按键 的不同分别执行不同的程序操作：09 数字按键经过键盘的散列转换后分别被存 入程序处理并置 flag_key=1（表示有数字按键被按下）和送去液晶显示器显示； +，按键直接控制脉宽信号微调增加（减少）千分之 0.5（ #include #include #include /1ms-2ms 步进为 1ns，1000 步 1/1000 的分辨率 unsigned char tim0h1; unsigned char tim0l1; unsigned char flag=1; unsigned char tim0h2; unsigned char tim0l2; void init(void); /定时器初始化函数 sbit pwm1=p13; /定义舵机 1 信号输出接口 sbit pwm2=p14; /定义舵机 2 信号输出接口 /* 主函数 */ void main() init(); /定时器初始化 f1602_init();