毕业设计（论文）-四脚柱状甲虫机器人控制系统设计.doc

毕业设计（论文）说明书课 题 名 称：四脚柱状甲虫机器人控制系统地 市： 准 考 证 号： 姓 名： 学 科 专 业： 指 导 教 师： ： 河南省高等教育自学考试 2014年4月摘 要近年来，随着计算机技术的飞速发展，机器人的研究及应用得到迅速发展，因其在教育，医疗，军事，工业等领域的巨大应用。因此得到了许多国内外科学家的关注，使用计算机代替人眼及大脑直接对景物环境进行感知、解释和理解计算机视觉已经成为计算机领域的一个热点问题。在地球陆地表面，有超过50%以上的面积为崎岖不平的山丘或沼泽，仅仅依靠轮式机械无法完全实现在这些自然环境中的移动。因此，设计和制造一个类似动物能够在自然环境中步行的机器，一直以来是人类追求的目标。正是这个原因，使得仿生足式机器人的研究成为机器人研究领域的热点之一。其中四足机器人由于既有超于二足机器人的平稳性，又避免了六足机器人机构的复杂性，在工程探险、反恐防爆、军事侦察等具有良好的应用前景，展开该方面的研究具有重要的实际应用价值及社会意义。本文主要由四部分组成：第一部分介绍了四脚机器人，阐述了选择本课题的意义，既普及机器人知识，提高机器人应用水平、研究能力的需要深入开展信息技术教育需要，并介绍本课题要就内容。第二部分主要介绍了单片机AT89S52，多路PWM信号产生并通过PWM信号对8个舵机的控制及分析舵机的驱动电路。第三部分主要介绍了通过PROTEL99SE的应用绘制电路原理图和PCB图。第四部分主要介绍了程序编写和机器人的步态分析即机器人如何走起来。 关键词：四脚柱状机器人；控制设计；单片机；步态ABSTRACTIn recent years, with the rapid development of computer technology, the research and application of robot has developed rapidly because of its educational, medical, military, great application industry etc. So many domestic and foreign scientists attention, directly to the scenery environment perception, interpretation and understanding of computer vision has become a hot issue in the field of computer instead of eyes and brain using computer. In the earths land surface, there are more than 50% of the area for more rugged hills or swamp, rely solely on wheeled model mechanical cannot fully implement in their natural surroundings. Therefore, the design and produce a similar animal can in the machine have been walking on the human pursuit of the goal. for that reason, the bionic up in the robots study to become one of the field of robots. Up because both of these four robot has two feet in the robots smooth character and avoids six feet robot institutions of the complexity of the project, the ctc of the explosion-proof housing, the military reconnaissance and have good prospects for the application, expand the research of great practical value and social significance.This paper mainly consists of four parts：The first part introduce the four feet robot, select the subject of universal significance, such knowledge, robotics applications and research capacity of the need for information technology education and introduce this issue needs to be content.The second part mainly introduces at89s52 monolithic integrated circuits, the signals produced through PWM signal in the eight the steering gear control and analyses the machine driven circuit. The third part mainly introduces the application by protel99se draw circuit principles and PCB. The fourth part mainly introduces the application compiled and robots gait analysis of how to go up the robot.Key word： Four feet columnar robot；MCU；control design；gait目 录第一章 绪 论11.1机器人简介11.2本课题研究现状21.21国外有关研究综述21.22国内有关研究综述31.3本课题选题意义31.4本课题研究内容4第二章 控制系统设计52.1单片机52.11单片机介绍52.12单片机功能介绍52.2舵机的驱动62.21舵机工作原理62.22 舵机的驱动电路82.3 PWM信号的产生82.31 PWM波产生的原理和产生的方法82.4本章小结9第三章 电路图的设计103.1Protel 99SE简介103.2原理图设计103.3ISP下载接口设计113.4按键复位电路设计113.5串口通信电路设计123.6电源电路设计1337单片机电路及时钟电路设计133.8小结14第四章 步态分析及程序编写154.1步态分析154.11单腿运动的分解154.12四腿复合运动规划154.2程序分析164.21舵机控制程序编写164.22主程序174.23中断程序17结束语20致谢21参考文献22附录23第一章 绪 论1.1机器人简介机器人是自动控制机器（Robot）的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械（如机器狗，机器猫等）。狭义上对机器人的定义还有很多分类法及争议，有些电脑程序甚至也被称为机器人。在当代工业中，机器人指能自动执行任务的人造机器装置，用以取代或协助人类工作。理想中的高仿真机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机与人工智能、材料学和仿生学的产物，目前科学界正在向此方向研究开发。在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，但机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。根本原因是机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。正如机器人一次最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给人们充分的想象和创造空间。其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自己气人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。但随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，就提出了两个有代表性的定义。意识森政弘与和田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器成为机器人：（1）具有脑、手、脚等三要素的个体；（2）具有非接触传感器（用眼、耳接触远方信息）和接触传感器；（3）具有平衡觉和固有觉的传感器。机器人的定义是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性。动物一般有上述这些要素，所以在把机器人理解为仿人机器人的同时。也可以广义地把机器人理解为仿动物的机器。1988年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：“机器人学是设计能根据传感器信息实现预先计划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象”。1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分有的按结构分，有的按应用领域分。常见的机器人的种类如表11。表1-1 机器人分类分类名称简要解释操作型机器人能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。程控型机器人按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。示教再现型机器人通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人不必使用机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。感觉控制型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作。适应控制型机器人机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。学习控制型机器人机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。教育机器人用在教育领域的以人工智能决定其行动的机器人。1.2本课题研究现状1.21国外有关研究综述随着机器人在工业上的广泛应用如何加强工人对机器人的了解从而提高他们对机器人的控制也就成为了一个显著的问题。机器人教育也就随之产生国外教育机器人的研究较早。早在上世纪六十年代，日本、美国、英国等西方发达国家已经相继在大学里开始了机器人教育的研究，到了六十年代他们中小学也开始了机器人的教学，在此过程中也推出了各自的教育机器人基础开发平台。1994年麻省理工学院就设立了“设计和创造LEGO机器人”课程，目的是提高工程设计专业学生的设计和创造能力。尝试机器人教育与理科实验的整合：麻省理工学院媒体实验室“终身幼儿园”项目小组开发了各种教学工具，通过与著名积木玩具商乐高公司紧密合作，该项目组开发出可编程的乐高玩具，帮助孩子们学会在数字时代怎样进行设计活动。2006年6月新加坡国立教育学院和乐高教育部举办了第一届亚太ROBO-LAB国际教育研讨会，通过专题报告、论文交流和动手制作等方式，就机器人教育及其在科技、数学课程里的应用进行交流，以提高教师们开展机器人教育的科技水平与应用能力。目前，全球每年有一百多项机器人竞赛，参加人员从小学生、中学生、大学生、研究生到研究人员。国际上主要的机器人竞赛有：国际机器人奥林匹克竞赛、FLL机器人世锦赛、机器人世界杯足球赛等。1.22国内有关研究综述我国教育部门也在政策上加以引导，积极把教育机器人引入课堂。随着教育机器人活动的积极开展，教育机器人将得到普及。各级各类学校积极把机器人引入课堂，更多中小学生得以学习机器人知识。机器人教学课堂成为中小学信息技术教育的重要组成部分。在科技创新活动方面，形成一个广大中小学生、大学生直至专业研究人员以及机器人爱好者都积极参加各级各类机器人比赛的局面。机器人不再神秘，直接走入我们的生活学习中。在这种氛围下，更多的人参与到机器人的研制和应用中去，必将促进机器人的大发展，从而促进社会的发展。2000年，北京市景山学校以科研课题的形式将机器人普及教育纳入到信息技术课程中，在国内率先开站了中小学机器人课程教学。2001年，上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课程”的形式进行机器人活动进课堂的探索和尝试。2005年，哈尔滨市正式将机器人引入课堂教学，在哈尔滨师范附小、60中、省实验中学等41所学校开设了“人工智能与机器人”的课程，用必修课形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。此外香港在高中及高等教育新学制的改革中，也在高中“设计与应用科技”课程中增设了机器人制作的课程。1.3本课题选题意义机器人活动主题不仅有趣，更提供开放性的问题解决方案，学生可以用不同的方法达到同一项目标，从而鼓励学生充分发挥想象力、创造力，培养学生的开发性思维。对机器人进行研究学生们将有机会：1、探讨有趣的、具有挑战性的主题；2、通过动手实践获取知识；3、学习多学科知识，如电子工程及信息技术等。让我们就像真正的工程师一样，针对项目主题，进行研究、策划、设计、和测试，为自己设计机器人，并编写程序，让它完成自己想让它完成的事情。通过鼓励使我们主动探索、动手实践，让我们亲身体验抽象的理论如何变成了触手可及的答案，享受成功的兴奋。在设计中，我们不仅可以学到有关机械、电子、计算机等技术知识，更可帮助我们培养良好的生活习惯、掌握技能；与人的沟通与合作、对他人的尊重、毅力与自信的梳理及时间的合理分配、利用等，知道自己的兴趣所在，为将来走上社会，面对新的挑战做好充分的准备。1.4本课题研究内容本课题是对机器人控制方面的研究：主要分为舵机的控制、PWM波形产生、步态控制等。其中较难懂的为控制原理的设计、程序分析和步态分析。第二章 控制系统设计2.1单片机2.11单片机介绍At89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。单片机电路上还需有一个复位开关、一个信号接收端口、一个单刀双掷开关一个和+5V输入电源一个。2.12单片机功能介绍VCC：电源正极输入，GND：电源接地端。RST:复位输出端。复位后，写入单片机内的程序从起点重新运行。EA/VPP：片内程序存储器选择输入信号端/编程电压输入端，高电平有效；当单片机运行时，若在此引脚加上持续时间按大于两个机器周期的高电平，就会完成复位操作，使单片机恢复到初始状态对于AT89C51、AT89C52，当使用内部ROM时，让其接5V高电平。XTAL1：震荡器反向放大器及内部时钟的输入端，XTAL2：震荡器反向放大器的输出端。在XTAL1与XTAL2之间接石英振荡器，给MCU的工作提供时钟，当前，对于MCS-51系列，最高可使用24MHz。PSEN(非)：片外程序存储器读选通信号线，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或数据期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数，在访问片外数据存储器期间，PSEN(非)信号处于无效状态。ALE/PROG(非)：地址锁存允许信号。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间可作为对外输出的时钟脉冲信号或用于定时，此频率为震荡频率的1/6。对于EPROM型的单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。当VCC发生故障时，降低到低电平规定值或掉电时，改引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电。以保证RAM中的数据不丢失。P0口：P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输入缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流（I）。Flash编程和程序校验期间，P1口接收8位地址。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输入缓冲极可以驱动（输入或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时和作为输出口，作输出口时，因为存在内部上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部存储器或1位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口线的内容（也既特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高地址和其他控制信号。2.2舵机的驱动2.21舵机工作原理 舵机是一种位置伺服的驱动器，它接收一定的控制信号，输出一定得角度。适用于那些需要角度不断变化把那个可以保持的控制系统。例如四脚柱状甲虫机器人。舵机的工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，直到电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号为PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。图2-1 标准舵机标准的舵机有三条导线，分别是：电源线、地线、控制线。图2-2 舵机实物图控制方法：电源线和地线用于提供内部的直流电机和控制线路所需的能源，电压通常介于4V6V之间一般取5V。注意给多级供电的电源应能提供足够的功率。控制线输入的是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号周期为20ms。当方波的脉冲宽度改变时，多级转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比关系，如图2-2所示。图2-3 舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系2.22 舵机的驱动电路一般在以单片机P1口作为端口输出，输出的多路PWM信号通过光耦隔离传送到下一级电路。因为通过光耦传动过程中进行了反相，因此通过光耦出来的信号必须经过反相器进行反向。方波信号经过光耦传输后，前沿和后沿会发生畸形，因此反相器还要具有整形功能，对传过来的信号进行整形产生标准的方波信号。但是本次设计只需8路信号且采用的是舵机，可采用直接输出信号。因此从硬件和成本方面考虑本次设计无需添加光耦和反相器。2.3 PWM信号的产生2.31 PWM波产生的原理和产生的方法主程序与中断服务程序相结合可以完成多路PWM信号的输出，并且有空余的时间完成其他功能，如动作分析、相关计算与其他处理器通信等。舵机所需的控制信号的高电平时间为0.52.5 ms，单个舵机控制信号周期T为20ms，其中变化的时间为t，每一个舵机控制信号至少有17.5ms是低电平且不会发生变化。对一个周期内的所有路PWM信号，按照高电平的时间长度进行排序，在20ms内，首先置P0.0高电平，t ms后取反，舵机转轴将转到t ms对应的角度。t的最大取值为2.5ms，在2.5ms后将P0.0置成高电平将不会影响P0.0对舵机的控制，则在20ms内最多可以控制8路信号（20ms/2.5ms=8），P1口的8路PWM波输出示意图如下图2-4所示。图2-4 PWM输出示意图2.4本章小结本章主要讲了机器人控制硬件的设计。舵机的控制是其中的关键。图2-5是本设计的控制结构框图：AT89S52P10P11P12P13P14P15P16P17舵机01舵机02舵机03舵机04舵机05舵机06舵机07舵机08电源模块人机接口时钟电路模块复位电路模块图2-5 设计结构框图第三章 电路图的设计3.1Protel 99SE简介Protel作为中国最流行的EDA软件，其在中国的普及程度确实是其他EDA软件所不能比拟的，Protel从其DOS版开始，就已经在中国普及，最先推出的Tango以其方便使用的功能受到广大业界用户的欢迎，其后一直追随操作系统的变更推出最新的Protel版本。目前最新的是ProtelDXP，最新版本虽然功能不差，但运行要求过高，目前使用比较多的还是Protel 99SE。Protel 99SE是个庞大的EDA软件，完全安装需要200多兆的空间，它是一个完整的板级全方位电子设计系统，包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字混合信号仿真、多层印制电路板设计、信号完整性分析、可编程逻辑器件设计、图标生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server体系结构，同时还兼容一些其他设计软件的格式，如ORCAD,PSPICE,Excel等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。3.2原理图设计电路原理图设计主要是为了以后读图方便和生成网络报表给后期电路板设计使用的，原理图设计的步骤基本可以用下面的设计流程来表示：新建原理图文件设置图纸，环境加载元件库放置元件原理图布线错误检查图3-1 设计流程图原理图表示元件的连接，根据引脚排列无关性，对于计算机而言重要的是引脚连接，可是，一张好的原理图，不但要求引脚连接正确，没有错误，还要美观、信号流向清晰、标注清楚、可读性强等特点，所以，对于原理图设计而言，有一些原则需要遵循：1、顺设计流向摆放元器件，设计流向可以是信号流向，也可以是以某个元件作为中心器件来摆设外围电路等，总之要符合模块化的设计原则。2、同一模块中的元件靠近，不同模块中的元件稍微远离。3、不可有过多的交叉，充分利用总线和端口。3.3ISP下载接口设计图3-1 ISP下载接口图3.4按键复位电路设计复位时任何单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就可以是MCS-51单片机复位。复位的主要功能是把PC初始化0000H，使MCS-51单片机从0000H单元开始从执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，也需要俺复位键重新启动。单片机的复位状态与应用系统的复位状态是密切相关的，因此熟悉单片机的复位状态非常重要。通过MCS-51单片机上的复位引脚RST/VPD，引入两个机器周期以上的高电平，即可使器件复位，只要RST一直保持高电平，那么CPU就一直处于复位状态。当RST由高电平变为低电平后复位结束，CPU从初始状态开始工作。复位电路如图3-2所示：图3-2 复位电路图3.5串口通信电路设计在实际工作中，计算机的CPU与外部设备之间常常要进行信息交换：一台计算机与其他计算机之间也往往要交换信息，所有这些信息交换均可称之为数据通信。数据通信方式有两种，即并行数据通信和串行数据通信。串口通信电路如图3-3、图3-4所示，在机器人系统中，把UART0用来配置ISP下载功能。如果使用ISP下载功能，就要把UARTO的电压升到和电脑串口的电压一样，然后将PC机的串口与机器人的外部接口相连，使用UART0进行通讯。图3-3 串口通信电路图图3-4 串口通信电路图3.6电源电路设计在机器人制作测试机调试的全过程中，稳压电源是必备设备之一，它具有稳定、方便及廉价的特点。如图3-5四脚柱状机器人控制系统的电源电路原理图。采用的是LM7805稳压器，当输入电压大于7V时，能够输出稳定的5V正电压，最大的负载电压，最大负载电流1A。对于部分要求电流大于1A情况，可以将两个适配器输出并联起来使用。图3-5 电源电路图3.7单片机电路及时钟电路设计时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所需的时钟信号。MCS-51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作。时钟电路如图3-6所示，单片机的VCC和EA/VPP接5V高电平，X1,X2接单片机的XTAL1和XTAL2。图3-6中Y1为晶振或陶瓷振荡器，振荡器产生的频率主要由Y1参数确定.电容C7、C8的作用有两个：一是帮助振荡器起振，二是对振荡器的频率起微调作用，典型值30pf。图3-6 单片机时钟电路图3.8小结本章主要介绍了Protel 99SE的使用和电路原理图的设计。而电路原理图是本次设计中的一个重要环节，在布线时要分为手动和自动两个部分，先用手动将主要连线先布好，然后再用自动布线就可以。因为它关系到机器人的控制电路板，稍有出错机器人就不能正常的行走，因此原理图的设计要非常的谨慎。第四章 步态分析及程序编写4.1步态分析4.11单腿运动的分解机器人的每条腿都安装了两部伺服马达，上方的马达与机身铰接，通过马达的转动实现腿部相对机身的前后扭转；下方的马达则与腿部连杆机构铰接，马达的往复摆动带动连杆机构，实现步足的上下起落。4.12四腿复合运动规划 四腿机器人的运动方式分为两种，即静态步行方式（三腿支撑一腿行进）和动态步行方式（步行过程任意时刻均少于三条腿同时处于支撑状态的步行方式）。当要求保证机器人在行进中保持静态稳定，或要求行走在崎岖路面，此时采用静态步行法。在运动的任一时刻至少有三条腿与地面支撑机体，且机体的中心必须落在三足支撑点构成的三角形区域内。然后按照1342的顺序抬起和落地，实现行走。虽然静态步行法比较稳定，但是需要四条腿轮流摆动一次才能完成一个运动周期，因此步行速度缓慢。当若要求快速行进则采用动态步行法，即处于对角线的两条腿动作完全一致。如图4-1行进过程中对角线上的两条摆动腿1、3抬起向前摆动，此时由于1、3腿的前摆，使机体重心前移不在支撑腿对角线上，支撑腿2、4同时向后摆动，使机体前移，重心恢复到1、3腿的对角线中点上，然后落下1、3腿，从而使集体保持平衡状态。图4-1 机器人步态四条腿在一周期的循环过程中，机体始终相对地面作匀速运动。腿部的运动分两个过程：1、支撑腿在支撑过程中，机体移动，足尖相对机体向后运动；2、在抬跨过程中，足尖的运动时由随机体的向前运动和足尖相对机体向前抬跨运动的合成。舵机分布图如表2-1：表2-1 舵机分布腿号1234水平垂直水平垂直水平垂直水平垂直舵机编号J2J3J4J5J6J7J8J9图4-2 舵机分布实物图4.2程序分析4.21舵机控制程序编写四足机器人需要8个舵机，在每个控制 周期20ms中，首先J3、J7号舵机输入高电平，持续2.5ms后转为低电平。当J3、J7号舵机为高电平时，其余舵机保持状态不变。在J3、J7号舵机高电平转为低电平瞬间，J2、J4、J6、J8号舵机输入高电平，持续2.0ms后转为低电平。当J2、J4、J6、J8号舵机为高电平时，其余舵机保持状态不变。在J2、J4、J6、J8号舵机高电平转为低电平瞬间， J3、J7号舵机输入高电平，持续0.5ms然后转为低电平。当J3、J7号舵机为高电平时，其余舵机保持不变。在J3、J7号舵机高电平转为低电平的瞬间，J5、J9号舵机输入高电平，持续2.5ms,然后转为低电平。当J5、J9号舵机为高电平时，其余舵机保持状态不变。在J5、J9号舵机高电平转为低电平瞬间，J2、J4、J6、J8号舵机输入高电平，持续2.0ms后转为低电平。当J2、J4、J6、J8号舵机为高电平时，其余舵机保持状态不变。在J2、J4、J6、J8号舵机高电平转为低电平瞬间，J5、J9号舵机输入高电平，持续0.5ms然后转为低电平。当J5、J9号舵机为高电平时，其余舵机保持不变。依此类推，在每个控制周期的20ms中，可以满足对8机同时控制的要求。4.22主程序运动控制器软件分为2个部分：即主程序和中断服务程序。主程序完成定时器初始化、舵机位置初始化工作。定时时间为50us,考虑到定时时间较短，方式2自动装入初值，误差较小，且方式2最长定时时间为28=256us,因此TH0=256-50；TL0=256-50。然后开中断，执行中断程序和其他功能模块。主程序流程图如图4-3所示。开始定时器0初始化各舵机位置初始化开断中执行其他功能模块结束图4-3 主程序流程图4.23中断程序定时器中断时间为50us。机器人迈一步需要一定的执行时间，程序中预设为0.4s，用整形变量Step_Delay计数。Step_Delay未减至0时继续发送当前的步态控制信号（即i不变）。（1）如果减至0，说明已经走完一小步。然后检查是否走完规定步数（大步，num_step=0）并且回到初始状态（i=0）；若是，停止计时中断，机器人不再动作。否则Step_Delay重新赋初值，然后迈下一步（i+）；再检查是否完成一个步态周期（走完一大步）。若是（i=Pace），预定步数减1（num_step-），并且将i置零，开始下一步态周期。（2）如果Step_Delay大于0，减1。以下是20ms周期计时，先判断Circle是否等于0：（1）若计满20ms（Circle =0），重新赋初值（Circle=TIME20ms;Flag=0;）并且将当前控制信号的参数读进来，重新赋值，然后将P20置高电平，又一次的PWM周期开始。（2）若未计满20ms，Circle减1。以下是在一个脉冲周期内依次输出8个舵机的控制信号。用Flag标志8路控制信号是否送完，若没有（Flag=0），先判断，后将第j号舵机的计数值减1。若当前舵机控制信号高电平时间已到（pulsej=0），将该通道置0（相应I/O输出为低电平），同时下一通道置高，开始输出正脉冲（相应I/O输出高电平）。当第7号舵机的控制信号已送完时，P27置0，j=0，同时将标志位Flag置1，表示在这个20ms内控制信号全部送出，剩下的时间不动作。中断程序流程图如图4-4所示，全部程序见附录。Dleay=0?停止动作Circle=1Circle=0?Circle=TIME20ms没有走完规定步态；i+；Delay stepi=pacei=0;num step20ms计时到，circle置初值，Flag清零，继续读初值，P20置高新周期开始pulsej=0第j号舵机输出结束，该通道置0，下一通道置高，如果j=0，标志Flag置1，表示这个20ms内信号全部送出pulsej=1走完规定步态且处于初始状态？中断开始NYYNNNYY图4-4 中断程序流程图结束语毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的设计控制系统，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种元件的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求，举个简单的例子：一块PCB板可以放置很多的元件而有的元件口必须朝板材的外面，还有部分元件放置过紧又有部分元件太松导致板材的浪费，这些本是我工作后才会意识到的问题，通过这次毕业设计让我提前了解了这些知识，这是很珍贵的。对于本次设计其实还有很多的不足，比如说机器人每次只能完成一种命令，要想完成其他命令得重新改程序重新输入。而且机器人没有安装液晶显示器，因此我无法得知机器人的指令，无法交流。希望在以后的设计中能有所改进、有所提高，设计一个更加完善的机器人。致 谢本文在我的指导教师康杰的多次指导下终于完稿，感激之情，溢于言表。在论文写作过程中，得到了许多教师和同学的指导和帮助，尤其是康杰老师严谨的治学态度、渊博的专业知识、崇高的职业品德、无私的奉献精神令我很感动，我从老师身上学到了做学问的态度、方法与知识，但更重要的是学到了做人的道理与做任何事情都应有的认真、严谨的态度。这将使我受用终身！在这里我要对指导教师表达衷心的敬意与谢意。在此过程中，有众多的老师和同学帮我搜集、查阅资料，校对文章，我不胜感激！同时对所有关心过我的领导、老师、同学表达我由衷的敬意！最后衷心感谢在百忙之中抽出时间参加答辩的各位专家、教授，谢谢你们！ 参考文献1 戴敏，张志胜，史金飞大学生创新与实践能力培养的探索J 东南大学学报(哲学社会科学版)，2008，10(增刊)：258-2602 王宁基于嵌入式系统的开放式教育机器人控制器D：硕士学位论文郑州：郑州大学，20073 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