毕业设计（论文）-六脚柱状甲虫机器人控制系统设计.doc

三江学院 本科生毕业设计 论文 题 目 六脚柱状甲虫机器人控制系统设计 高职院 院 系部 机械制造及其自动化 专业 学生姓名 杨 磊 学号 G095152030 指导老师 康 杰 职称 助 教 指导老师工作单位 三 江 学 院 起讫日期 2012 年 12 月 17 日 2013 年 4 月 5 日 摘 要 机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的具有高新技术的智能化产品 一般都 有某种独特的功能 在发达国家 工业机器人己经被广泛使用到生产等领域中 本文设计六足机器人控制系统 每个腿安装有水平和垂直方向运动的电机 共需要 12 个电机 论文对控制系统的硬件电路和软件流程给出详细的介绍 硬 件部分主要设计单片机的控制系统 使用的是单片机是 AT89S52 芯片 外围电路 增加了时钟电路 复位电路和串行通信电路 软件部分主要是 12 路舵机控制信 号的产生算法 本文主要采用硬件定时软件计数的方法 用一个定时器控制 12 路 PWM 信号 同时还根据动物的行走方式 确定了六足机器人的行走步态 并绘 制流程图 编写控制程序 然后用 Keil C51 软件运行程序并仿真 在论文最后 对全文进行总结 并提出了进一步的研究展望 关键词 六足步行机器人 单片机控制系统 多路舵机 步态 AT89S52 Abstract Robot an intelligent product which has the high and new technology it has been being developed rapidly since the middle of last century Generally speaking it has some kinds of unique functions In developed countries industry robots have been widely used in the production and other fields The thesis is about the design of control system of a hexapod robot each leg fitted with horizontal and vertical movement of the motor a total of 12 motors The thesis on the control system hardware and software gives a detailed introduction Design of hardware is the control system using a microcontroller is the AT89S52 chip peripheral circuits to increase the clock circuit clock circuit and the serial communication circuit Software component is about 12 servos control signal generation algorithms This paper uses the method of hardware timer counter software with a timer control 12 Road PWM signal It also means walking according to the animal determined gait hexapod walking robot And we need to draw flow chart write programs and simulate it The paper is ended by summarizing the main points and proposing further research prospect Key words Hexapod robot MCU control system Multi steering gear Gait AT89S52 目 录 第一章 绪论 1 1 1 课题的背景和意义 1 1 2 机器人的由来及发展历程 2 1 3 机器人的定义及分类 2 1 3 1 机器人的定义 2 1 3 2 机器人的分类 3 1 4 本课题研究的内容 4 第二章 六脚柱状甲虫机器人硬件模块设计 5 2 1 外部驱动模块 5 2 1 1 驱动电机 5 2 1 2 舵机 5 2 2 单片机 8 2 2 1 单片机概述 8 2 2 2 单片机的发展趋势 9 2 2 3 单片机的特点 9 2 2 4 AT89S52 单片机简介 9 2 3 单片机外围电路 11 2 3 1 电源电路设计 12 2 3 2 单片机最小系统设计 12 2 3 3 串口通信电路设计 14 2 4 硬件的可靠性设计 15 2 4 1PCB 板的布局 15 2 4 2PCB 板的布线 16 2 4 3 调试 17 第三章 六脚柱状甲虫机器人软件设计 18 3 1 PWM 信号 18 3 1 1 单定时器多舵机分时控制的思想 18 3 1 2 机器人行走步态规划 19 3 1 3 六脚机器人步态行走的原理以及如何实现 20 3 2 六足步行机器人运动控制器软件设计 21 3 2 1 主程序 21 3 2 2 中断服务程序 21 第四章 总 结 23 4 1 论文总结 23 4 2 工作展望 23 致 谢 24 参考文献 25 附 录 26 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 1 第一章 绪论 机器人在人类社会经济 文化 生产 生活等众多方面忠诚地为人类服务 做出了巨大的贡献 机器人技术是综合计算机 控制论 机构学 信息和传感技 术 人工智能 仿生学等多学科而形成的高新技术 集成了多学科的发展成果 代表高科技的发展前沿 是当前科学研究的热点 机器人技术的发展是一个国家 高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现 随着国内外研究不断深入 机 器人已经从早期的工业机器人逐渐发展为具有感知 决策 行动和交互能力的自 主机器人 1 1 课题的背景和意义 目前 用于在人类不宜 不便或不能进入的地域进行独立探测的机器人主要 分两种 一种是由轮子驱动的轮行机器人 另一种是基于仿生学的步行机器人 轮行机器人的不足之处在于对于未知的复杂自然地形 其适应能力很差 而步行 机器人可以在复杂的自然地形中较为容易的完成探测任务 因此多足步行机器人 有广阔的应用前景 如军事侦察 矿山开采 核能工业 星球探测 消防及营救 建筑业等领域 在步行机器人中 多足机器人是最容易实现稳定行走的 在众多步行机器人 中 模仿昆虫以及其他节肢动物门动物的肢体结构和运动控制策略而创造出的六 足机器人是极具代表性的一种 六足机器人与两足和四足步行机器人相比 具有 行走平稳 肢体冗余等特点 这些特点使六足机器人更能胜任野外侦查 水下搜 寻以及太空探测等对独立性 可靠性要求比较高的工作 国内外对六足机器人进 行了广泛的研究 现在已有 70 多种六足机器人问世 而控制系统的研究一直是 六足机器人的研究重点和热点 由于六足机器步行人多工作在非结构化 不确定 的环境内 人们希望其控制系统更加灵活 并且具有更大的自主性 同时六足机 器人肢体较多 运动过程中需要实现各肢体之间的协调工作 如何方便可靠的实 现这种协调 也是六足机器人控制系统研究的一个热点 本次研究的对象是六脚柱状甲虫机器人的控制系统 步行机器人作为移动机 器人的一个重要分支 以其具备的特性 在机器入学研究中 越来越引人注目 研究多足行机器人的运动和控制具有较高理论意义和巨大的潜在应用价值 因此 本文以现有机器人为对象 研究其步态规划 设计机器人控制系统 为进一步研 究多足仿生机器人的控制技术 实现先进控制算法奠定基础 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 2 1 2 机器人的由来及发展历程 机器人的名字是来自于 1920 年捷克作家卡雷尔 卡佩克发表的科幻舞台剧 罗萨姆的万能机器人 在该剧中 机器人没有感觉和感情 以呆板的方式代 替了人类在车间里的工作 这是第一次出现 机器人 的名字 卡佩克把捷克语 Roboa 写成了 Robot Roboat 是奴隶的意思 机器人集中了机械工程 电子技术 计算机技术 自动控制理论以及人工智 能等多学科的最新研究成果 代表了机电一体化的最高成就 是当代科学技术发 展最活跃的领域之一 机器人是多学科技术综合的产物 它不像有些产品经历孕育 成长 成熟到 衰亡的过程 而是将随着人类的进步 发展而不断完善 人类的进化经历了百万 年 而第一台机器人诞生到现在不到 40 年 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已经被大大地扩展了 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 3 机器人的定义及分类 1 3 1 机器人的定义 机器人的出现就是用来代替人类劳动者 执行那些需要精确性高 同时又具 有重复性的工作任务 它体现了人类长期以来的一种愿望 即创造出一种像人一 样的机器或人造人 以便能够代替人去进行各种工作 自机器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 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的操作和移动功能 能完成各种作业的可编程 操作机 1988 年 法国的埃斯皮奥将机器人学定义为 机器人学是指设计能 根据传感器信息实现预先规划好的作业系统 并以此系统的使用方法作为研究对 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 3 象 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 这种机器具备一些与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的自动化机器 国际上针对机器人有不同的定义 一般地说 机器人可以定义为 由程序制 的 具有人或者生物的某些功能 可以代替人进行工作的机器 经过人类几十年 的探索研制 机器人已经由幻想变成了现实 1 3 2 机器人的分类 机器人根据不同的标准可以分成不同的类型 从应用环境出发 将机器人分为两大类 即工业机器人和特种机器人 所谓 工业机器人就是面向 1 业领域的多关节机械手或多自由度机器人 而特种机器 人则是除工业机器人之外的 非制造业并服务于人类的各种先进机器人 包括 服务机器人 水下机器人 娱乐机器人 军川机器人 农业机器人 机器人化机 器等 从控制方式上 可以把机器人分为非伺服机器人和伺服控制机器人 非伺服 机器人按照预先编好的程序顺序进行工作 使用终端限位开关 制动器 插销板 和定序器来控制机器人的运动 当机器人移动到有终端限位开关所规定的位置时 限位开关切换工作状态 给定序器送去一个 工作任务已完成 的信号 并使终 端制动器动作 切断驱动器能源 使机器人停止运动 伺服控制机器人 采用闭 环控制系统 通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置的信号 用加法器 加以比较 得到误差信号 经过放大后用以激发机器人的驱动装置 进而带动末 端的执行装置以一定规律运动 到达规定的位置或速度 伺服控制机器人又可分 为点位控制和连续路径伺服控制两种 从技术进步的角度看 机器人又可以分为 示教再现 型机器人 感觉型机器人和智能机器人 示教再现 型机器人的 作业路径 运动参数需要操作者手把手示教或者通过编制程序来设定 机器人重 复再现示教的内容 对环境有一定感知能力的机器人 在机器人上加有反馈系统 能够对 示教 的位置进行修正 智能机器人具有多种内外传感器组成的感觉系 统 既可以感知内部关节的运行速度 力的大小等参数 又可以通过外部传感器 如视觉传感器 触觉传感器等 对外部环境进行感知 提取 处理并进行相应的 决策 在结构或半结构化环境中自主完成某项任务 按机器人的移动性可以分为固定式机器人和移动机器人 固定式机器人是指 固定在某个 按机器人的移动性可以分为固定式机器人和移动机器人 固定式机 器人是指 l 捌定在某个底座上 整台机器人不能够移动 只能移动各个关节 而 根据移动方式的不同义可以将移动器人分为 轮式 履带式以及足式机器人 轮 式机器人行走机构为轮子 特点是承载能力大移动速度快 能耗较少 按轮数的 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 4 多少又可分为二轮 三轮 四轮式三种 履带式移动机器人的移动机构支撑面积 大 接地比压小 适合松软或泥泞场地作业 下陷度小 滚动阻力小 对路况具 有较强的适应性 同时具有较强的爬坡能力和负载能力 足式移动方式的机器人 可以相对较易地跨过比较大的障碍如沟坎等 并且机器人的足所具有的大量的自 由度可以使机器人的运动更加灵活 对凹凸不平的地形的适应能力更强 1 4 本课题研究的内容 本课题要研究六足机器人的控制方法 并设计一个六足机器人的控制系统 具体研究的内容包括 l 设计机器人控制系统硬件 包括舵机控制器的设计 舵机的驱动电路设 计 2 研究 PWM 控制信号的算法的实现与分析及 PWM 的产生方法 3 对单片机系统进行设计 主要用 protel 软件画出原理图和 PCB 图 这主 要包括电源电路 单片机时钟电路 复位电路 串口通信电路 4 财六足动物的步态进行研究 为六足步行机器人进行步态规划 绘制流 程图 编写相应的程序 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 5 第二章 六脚柱状甲虫机器人硬件模块设计 硬件系统是软件开发的前提 六足机器人必然需要一个良好的硬件平台 本 章从硬件的设计入手 详细介绍了功能模块的硬件设计以及单片机 外部功能模 块是六足机器人的重要组成部分 在系统扩展 功能多样化方面起到了重要作用 单片机是六足机器人的大脑 运行着系统的软件程序 2 1 外部驱动模块 2 1 1 驱动电机 本课题研究的对象是六足步行机器人 如图 2 1 所示 它有 12 个自由度 由 12 个电机提供 使用的电机是舵机 每条腿上有 2 个 分别控制腿的抬起和 摆动 图2 1 六足机器人 2 1 2 舵机 除了直流电机和步行电机外 舵机也是一种很好的选择 舵机是为航模设计 的 可以精确控制飞机 车船模型的舵面 为其提供动力与运动的设备 在机器 人中 可以提供和保持更为精确的角度控制 机器人的驱动舵机型号为 HS 322HD 舵机的实物图如图 2 2 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 6 图2 2 舵机的实物图 2 1 2 12 1 2 1 舵机的结构及工作原理舵机的结构及工作原理 从图 2 3 可看出舵机主要是由外壳 一个小型直流电动机 一组减速齿轮 一个用于转角位置检测的电位器和一块控制电路板所构成 其中 高速转动的直 流电动机提供了原始动力 经减速齿轮组减速后 通过输出轴对外提供高的力矩 齿轮组的减速比愈大 伺服电动机的输出力矩也就愈大 图2 3 舵机的内部结构 图 2 4 给出了舵机工作原理 图中可以看出 减速齿轮组由电动机驱动 其 输出端带动一个线性的电位器作位置检测 该电位器把转角位置转换为一个与转 角成正比的电压反馈给控制电路 控制电路将其与输入的控制脉冲信号作比较 产 生偏差并驱动直流电动机正向或反向转动 使齿轮组的输出位置与期望值相符 当输入脉冲发生变化时 输出再次调整 直到偏差为零到一个新的位置为止 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 7 图2 4 舵机的工作原理图 2 1 2 22 1 2 2 舵机的主要参数舵机的主要参数 舵机的主要参数主要包括 转角范围 拉力 转速 消耗电流等 我选用的 舵机型号是 HS 322HD 其主要参数如下 转角 90 90 重量 43g 尺寸 40 20 36 5mm 拉力 4 8V 3Kg cm 拉力 6 0V 3 7Kg cm 转速 4 8V 0 19sec 60 转速 6 0V 0 15sec 60 消耗电流 4 8V 停转状态 7 4mA 空转 160mA 2 1 2 32 1 2 3 舵机的控制舵机的控制 直流电机的速度和方向控制使用 H 桥 其中使能端控制转动方向 而 PWM 端 控制转动速度 而舵机的转角控制使用的是脉冲位置调制 它和 PWM 容易混淆 但意义完全不同 两者比较如下 1 PWM 的周期可以在一定范围内选择 而 PWM 只能是固定的 20ms 2 PWM 在周期内的脉宽比耶可从 0 100 而 PWM 的脉宽只能在 20ms 周 期中的 0 2 5ms 之间的部分对信息编码 对应的舵机角度再 0 180 度之间变化 3 为保持直流电机某一转动速度 PWM 必须保持脉冲宽度的调制比不变 为保持舵机在某一角度不变 必须保持输入舵机的控制信号 PWM 脉冲的位置调制 值不变 舵机的控制时序如图 2 5 控制电机时由控制线输入周期性的正向脉冲信号 该信号的高电平时间介于 0 5 2 5ms 之间 低电平时间介于 15 5 19 5ms 之间 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 8 并不是很严格 不同的高电平时间对应着电机不同的速度 本次设计使用的舵机 性能如下 高电平时间为 0 5 1 5sms 时 舵机反转 高电平时间为 1 5 2 5ms 时 舵 机正转 舵机的的电源是 4 8V 或 6V 控制信号是周期性脉冲信号 所以控制器与舵 机的接口要有 4 8V 或 6V 的电源 地信号 还要有对应的控制信号 其中 0 5ms 脉冲右转极限位置 1 5ms 舵机停止 2 5 脉冲左转极限位置 图2 5 舵机的时序控制图 2 1 2 42 1 2 4 驱动电路驱动电路 常见的舵机的驱动方法有 控制器的 PWM 信号经过光耦 送到舵机信号输 入端 经过光耦 施密特反相器隔离放大后送到舵机信号输入端 直接控制电机 本课题控制电机数 12 个 可以考虑将 PWM 信号直接送到舵机信号输入端 这样 电路比较简单 2 2 单片机 2 2 1 单片机概述 单片机从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点而专门设计的 它能 最好地满足面向控制对象 应用系统的嵌入 现场的可靠运行以及非凡的控制品 质等要求 因此 单片机是发展最快 品种最多 数量最大的嵌入式系统 单片机也被称作 单片微型计算机 微控制器 嵌入式微控制器 单 片机一词最初是源于 Single Chip Microcomputer 简称 SCM 随着单片机技 术的不断发展 单片机 已经无法确切地表达其内涵 国际上已逐渐采用 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 9 MCU Micro Controller Unit 来代替 形成了单片机界公认的 最终统一的 名词 为了与国际接轨 以后应将中文 单片机 一词和 MCU 唯一对应解释 在国内因为 单片机 一词已约定俗成 故而可继续沿用 2 2 2 单片机的发展趋势 目前 单片机正朝着高性能和多品种方向发展 今后单片机的发展趋势将是 进一步向着 CMOS 化 低功耗化 低电压化 低噪声与高可靠性 大容量化 高 性能化 小容量 低价格化 外围电路内装化和串行扩展技术 随着半导体集成 工艺的不断发展 单片机的集成度将更高 体积将更小 功能将更强 2 2 3 单片机的特点 集成度高 体积小 功能强 速度快 单片机把各功能部件集成在一块芯片上 内部采用总线结构 减少了各芯片 之间的连线 大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力 另外 其体积小 对于 强磁场环境易于采取屏蔽措施 适合在恶劣环境下工作 功耗低 抗干扰能力强 使用方便 性能价格比高 单片机有工业级芯片 可靠性高 容易产品化 2 2 4 AT89S52 单片机简介 AT89S52 是 51 系列的一个型号 它是 ATMEL 公司生产的 AT89S52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 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 功能强大的 AT89S52 单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合 AT89S52 有 40 个引脚 32 个外部双向输入 输出 I O 端口 同时内含 2 个外中断口 3 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 2 个 读写口线 AT89S52 可以按照常规方法进行编程 但不可以在线编程 S 系列 的才支持在线编程 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起 特别 是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本 AT89S52 有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等三种封装形式 以适应不同 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 10 产品的需求 图2 6 单片机AT89S52引脚图 2 2 4 12 2 4 1 主要功能特性主要功能特性 1 兼容 MCS51 指令系统 8k 可反复擦写 1000 次 Flash ROM 2 32 个双向 I O 口 256x8bit 内部 RAM 3 3 个 16 位可编程定时 计数器中断 时钟频率 0 24MHz 4 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 5 2 个外部中断源 共 6 个中断源 6 2 个读写中断口线 3 级加密位 7 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 2 2 4 2AT89S522 2 4 2AT89S52 各引脚功能及管脚电压各引脚功能及管脚电压 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 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 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 EA 对于 AT89C51 AT89S52 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 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 11 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 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PSEN 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 信号处于无效状PSEN 态 ALE 地址锁存允许信号 ALE 在每个机器周期内输出两个脉冲 PROG 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 MOVX DPTR 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 MOVX RI 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 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 12 2 3 单片机外围电路 根据六足机器人的控制系统结构 设计控制系统硬件结构如图 2 7 所示 外 围电路主要包括中央控制模块 时钟电路 复位电路以及串行接口电路 图2 7 控制系统硬件结构图 2 3 1 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 六脚柱状甲虫机器人控制系统电源电路原理图如图 2 7 所示 稳压电路采用的是 TL780 05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 可以将两个稳压器输出并联起来使用 图2 8 电源电路 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 13 2 3 2 单片机最小系统设计 单片机最小系统图 2 9 所示 单片机最小系统由 51 单片机和最少的外设组 成 包括复位电路和时钟电路 图2 9 MCS 51单片机最小系统 时钟电路如图 2 10 所示 单片机的 VCC 和 VPP 接 5V 高电平 EA X1 X2 接单片机的 XTAL1 和 XTAL2 图 2 10 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 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 14 图2 10 时钟电路 复位电路如图 2 11 所示 RESET 端接单片机引脚的 RST 复位是任何 单片机的初始操作 只要给 RESET 引脚加上 2 个机器周期以上的高电平信号 就可以使 MCS 51 单片机复位 单片机的复位大多靠外部电路 实现的 分为上电自动复位和手动按键复位 图 2 11 采用的是手动按键复位 在系统运行时有时还需要在不关闭电源情况 下对单片机进行复位操作 此时 一般是通过一个手动复位按钮 在需要复位 时只要按一下复位按钮即可使单片机复位 图2 11 复位电路 2 3 3 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 2 12 所示 在机器人系统中 把 UART 用来配置 ISP 下载 功能 如果使用 ISP 下载功能 就要把 UART 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 UART 进行通讯 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 15 图2 12 串口通信电路 2 4 硬件的可靠性设计 当电路原理图设计好后 就要进行印制电路板的设计 印制电路板的设计是 电路原理实现的一个重要环节 其设计的好坏直接影响到产品的质量 这里着重 介绍 PCB 设计中板的布局 布线 以及调试 2 4 1PCB 板的布局 板的布局首先要考虑 PCB 的尺寸大小 PCB 尺寸过大时 印制线条长 阻 抗增加 抗噪声能力下降 成本也增加 过小 则散热不好 且邻近线条易受干 扰 然后放置与结构有紧密配合的固定位置的元器件 如电源插座 指示灯 开 关 连接件之类 这些器件放置好后用软件的 LOCK 功能将其锁定 使之以后不 会被误移动 再放置线路上的特殊元件和大的元器件 如发热元件 变压器 IC 等 最后 根据电路的功能单元 对电路的全部元器件进行布局 一 在确定特殊元件的位置时要遵循的原则 1 尽可能缩短高频元器件之间的连线 设法减少它们的分布参数和相互间 的电磁干扰 易受干扰的元器件不能相互挨得太近 输入和输出元件应尽量远离 2 在许多印制电路板上同时有高压电路和低压电路 高压电路部分的元器 件与低压部分要分隔开放置 隔离距离与要承受的耐压有关 通常情况下在 2 000 V 时板上要距离 2 mm 带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的 地方 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 16 3 那些又大又重 发热量多的元器件 不宜装在印制板上 而应装在整机 的机箱底板上 且应考虑散热问题 4 在水平方向上 大功率器件尽量靠近印制板边沿布置 以便缩短传热路 径 在垂直方向上 大功率器件尽量靠近印制板上方布置 以便减少这些器件工 作时对其它器件温度的影响 5 热敏元件应远离发热元件 对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低 的区域 如设备的底部 千万不要将它放在发热器件的正上方 多个器件最好 是在水平面上交错布局 6 对于电位器 可调电感线圈 可变电容器 微动开关等可调元件的布局 应考虑整机的结构要求 若是机内调节 应放在印制板上方便于调节的地方 若 是机外调节 其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应 7 应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置 二 布局电路的全部元器件时要遵循的原则 1 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置 使布局便于信号流通 并使信号尽可能保持一致的方向 2 以每个功能电路的核心元件为中心 围绕它来进行布局 元器件应均匀 整齐 紧凑地排列在 PCB 上 尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接 3 在高频下工作的电路 要考虑元器件之间的分布参数 一般电路应尽可 能使元器件平行排列 这样 不但美观 而且装焊容易 易于批量生产 4 位于电路板边缘的元器件 离电路板边缘一般不小于 3mm 这是由于在 大批量生产的流水线插件和进行波峰焊时 要提供给导轨槽使用 同时也为了防 止由于外形加工引起边缘部分的缺损 如果印制电路板上元器件过多 不得已要 超出 3mm 范围时 可以在板的边缘加上 3mm 的辅边 辅边开 V 形槽 在生产时 用手掰断即可 2 4 2PCB 板的布线 在 PCB 设计中 布线是完成产品设计的重要步骤 工作量最大 PCB 布线 有单面布线 双面布线及多层布线 布线的方式也有两种 自动布线及交互式布 线 在自动布线之前 可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线 印制电路板走线总的原则可归纳如下 1 印制导线的布设应尽可能的短 在高频回路中更应如此 2 印制导线的拐弯应用钝角折线或圆角 而直角或尖角在高频电路和布线 密度高的情况下会影响电气性能 3 双面板布线时 两面的导线宜相互垂直 斜交 或弯曲走线 避免相互 平行 以减小寄生耦合 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 17 4 作为电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行 以免产生反 射干扰 必要时可在这些导线之间加接地线 2 4 3 调试 电源电路和单片机最小系统焊接好以后 就可以进行简单的测试 上电后先 测试电压是否正常 然后编写简单的程序通过串口下载就可以知道单片机最小系 统是否能正常工作了 若出问题应停下来查找原因 下面每焊接一个芯片就针对 该芯片进行简单的测试 以保证系统的正常 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 18 第三章 六脚柱状甲虫机器人软件设计 3 1 PWM 信号 3 1 1 单定时器多舵机分时控制的思想 舵机的控制信号为脉宽位置调制 PWM 信号 周期为 20 ms 脉冲宽度为 0 5 2 5 ms 相对应舵盘的位置为 0 180 呈线性变化 如图 3 1 所示 在控 制信号线提供一定脉宽的脉冲时 舵机输出轴保持在相对应的角度上 单个舵机 控制信号如图 3 2 所示 周期 T 为 20 ms 其中变化的时间为 t 变化范围为 0 5 2 5 ms 每一个舵机的控制信号至少有 17 5 ms 是低电平且不会发生变化 图3 1 舵机转动角度与高电平持续时间关系 图3 2 单个舵机控制信号示意图 本课题研究的对象是六足爬行机器人 它有 12 个自由度 由 12 个电机提供 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 19 因此采用定时器 0 对多舵机进行分时控制的 实现对 12 个舵机的协调控制 采 用定时器 0 控制 12 路舵机控制脉冲如图 3 3 所示 图3 3 12路舵机控制脉冲图 3 1 2 机器人行走步态规划 六足步行机器人的运动是按照步态规划进行的 通过对步态的分析 可以得 到控制器对多路舵机旋转运动驱动的规律 六足步行机器人腿部分组示意图如图 3 4 所示 定义地面坐标系 o zoy 与机身平行 z 轴与机身垂直 机身坐标系 c 坐标原点与机器质心重合 定义腿间距为 n Ai Bi 为腿的站立点 Ai1 Bi1 为腿与髋关节连接点 i 1 2 3 六足步行机器人的步态是多样的 其中三角步态是六足步行机器人实现步行 的典型步态 该步态是将机器人的 6 条腿分为 2 组 腿 1 3 5 为 A 组 分别为 A1 A3 A2 2 4 6 为 B 组 分别为 B2 B3 B1 步行过程中 2 组腿交替运动 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 20 图3 4 六足步行机器人腿部分组示意图 舵机的编号如下表3 1 表3 1 舵机的分布 123456腿的编号 垂直水平垂直水平垂直水平垂直水平垂直水平垂直水平 舵机编号J2J3J4J5J6J7J8J9J10J11J12J13 控制口P10P11P12P13P20P21P22P23P24P25P26P27 3 1 3 六脚机器人步态行走的原理以及如何实现 步态是行走系统的迈步方式 即行走系统抬腿和放腿的顺序 步态的设计和 机构的类型是分不开的 步态必须依照足的数量 机构自由度的个数和方向 机 构的形态进行设计 图3 5 六足机器人的步态 下面通过图解介绍三角步态运动的原理 如图 3 5 所示 机器人开始运动时 左侧的 2 号腿和右侧的 4 6 号腿抬起准备向前摆动 另外三条腿 1 3 5 处于 支撑状态 支撑机器人本体确保机器人的原有重心位置处于三条支腿所构成的三 角形内 使机器人处于稳定状态不至于摔倒 见上图 a 摆动腿 2 4 6 向前跨 步 见上图 b 支撑腿 1 3 5 在支撑机器人本体的基础下做一定角度的摆动 使机器人机体向前运动一个半步长 S 见上图 c 在机器人机体移动到位时 摆 动腿 2 4 6 立即放下 呈支撑态 使机器人的重心位置处于 2 4 6 三条支撑 腿所构成的三角形稳定区内 原来的支撑腿 1 3 5 己抬起并准备向前跨步 见 上图 d 摆动腿 1 3 5 向前跨步 见上图 e 支撑腿 2 4 6 此时驱动机器人 机体使其向前运动一个步长 S 见上图 f 如此不断从步态 a b e d e f a 循环往复 周而复始实现器人不断向前运动 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 21 3 2 六足步行机器人运动控制器软件设计 3 2 1 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3 6 所示 图3 6 主程序流程图 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 22 3 2 2 中断服务程序 定时器中断时间为 50us 一大步指机器人走过一个步态周期 一小步指步态 周期中的一步 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 并且将 i 置零 开始下一步 态周期 2 如果 Step Delay 大于 0 减 1 下面是 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 P10 置高电平 又一次的 PWM 周期开始 2 若未计满 20ms Circle 减 1 接下来就是在一个脉冲周期内依次输出 12 个舵机的控制信号 用 Flag 标志 12 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 pulse j 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 11 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 程序流程图如图 3 7 所示 全部程序见附录 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 23 图 3 7 中断服务程序流程图 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 24 第四章 总 结 4 1 论文总结 六足步行机器人具有一些突出的优点 如地形适应能力强 肢体冗余度高 容错能力强等 因此具有重要的研究价值 本文的主要任务是对六足步行机器人的控制系统进行设计 设计工作主要分 为硬件和软件两部分 硬件部分主要介绍了舵机 单片机以及单片机的外围电路 并用 Protel 软件画出电路原理图及 PCB 板图 软件主部分要是根据机器人步态 绘制流程图和编制 C 语言程序 实现其行走 由于时间关系 最终没有做出实物 来 4 2 工作展望 虽然已经完成了六足控制系统设计 并实现了其直线行走的功能 但有关六 足步行机器人的研究才刚刚开始 在高技术发展的推动下 针对多功能的应用情 况和复杂的工作环境 对机器人控制系统设计和研究应该更加深入和全面 只有 在良好的机械平台上 结合合理 有效地控制策略 才能更好的规划机器人的步 行 体现其作为足式机器人的优点和特点 随着机器人技术的研究的深入 步态 规划控制问题作为多足步行机器人技术的关键之一 必将得到快速的发展 控制系统实现了较好的性能 但该课题仍然需要进行更深入的研究 具体方 面有 1 为机器人增加传感器 并将传感器纳入节律性神经网络当中 增强机器人 的环境适应能力 譬如可以增加红外传感器实现机器人的避障功能 还可以增加 语音传感器 增加语音控制功能 2 在该课题主要实现机器人的行走功能 然而在实际中 还可以考虑增加侧 行 转弯等功能 冈此需要研究更加普遍适用的控制算法 以实现机器人的随意 运动 3 可以考虑建立无线通信 用遥控的方式控制机器人行走 或者与上位机进 行数据交换 便于控制者掌握机器人的状态与环境 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 25 致 谢 毕业论文暂告收尾 这也意味着我在三江学院的大学学习生活即将结束 回 首既往 自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中 能在众多学富五车 才华 横溢的老师们的熏陶下度过 实是荣幸之极 我在学习上和思想上都受益非浅 这除了自身努力外 与各位老师 同学和朋友的关心 支持和鼓励是分不开的 毕业论文的写作是枯燥艰辛而又富有挑战的 老师的谆谆教导 同学的出谋 划策及家长的支持鼓励 是我坚持完成论文的动力源泉 在此 我要感谢康杰老 师的帮助 康老师严谨的学术态度 一丝不苟的工作作风 忘我的工作精神都深 深地感染着我 从论文的选题 文献的采集 框架的设计 结构的布局到最终的 论文定稿 从内容到格式 从标题到标点 他都费尽心血 没有康老师的辛勤栽 培 孜孜教诲 就没有我论文的顺利完成 康老师广博的学识 严谨求实创新的 治学风范 敏锐深刻的洞察力 开放性思维方式 平易近人的作风 和诲人不倦 的精神 无不使学生备受启迪 奋发向上 勇往直前 在这里还要感谢感谢 G09 机械班的各位同学 与他们的交流使我受益颇多 最后要感谢我昀家人以及我的朋友们对我的理解 支持 鼓励和帮助 正是因为 有了他们 我所做的一切才更有意义 也正是因为有了他们 我才有了追求进步 的勇气矛口信心 时间的仓促及自身专业水平的不足 整篇论文肯定存在尚未发现的缺点和错 误 恳请阅读此篇论文的老师 同学 多予指正 不胜感激 谢谢 三江学院 2013 届本科生毕业设计 论文 26 参考文献 1 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 2007 2 蔡自兴 机器入学 M 北京 清华大学出版社 2000 3 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 258 260 4 李强 任美荣 郭晓东 赵涓涓 李晓飞 六足仿生机器人运动控制系统的设计 J 机 电工程技术 2008 37 12 44 45 5 储忠 阮坚实 虞刚明 基于 AT89S52 的六足机器人运动控制器的设计 J 工矿自动化 2008 4 62 65 6 晁阳 单片机 MCS 51 原理及应用开发教程 M 北东 清华大学出版社 2007 7 徐爱钧 彭秀华 Keil Cx51 V7 O 单片机高级语言编程与 p Vision2 应用实践 M 北 京 电子工业出版社 2004 1 72 214 250 8 曹建树 夏云生 曾林春 51 单片机实用教程 M 北京 中国石化出版 2008 9 张义和 王敏男 许宏昌 余春长编著 袁彩霞改编 例说 51 单片机 C 语言版 M 北京人民邮电出版社 2008 10 沙占友 孟志永 王彦朋 单片机外围电路设计 M 第 2 版 北京 电子工业出版社 2006 11 朱定华 黄松 蔡苗 Protel 99 SE 原理图和印制板设计 M 北京 清华大学出版