六组机器人设计

1、一 引言1.1 应用背景和意义 如今，机器人越来越走近人们的现实生活，给人们带来了欢乐与便利，其中六足机器人以它模仿六足昆虫的肢体结构而独特，打破了人们对机器人双足的思维限制。本课题研究的六足机器人，实际应用其一是在科研方面，例如地质勘探，六足机器人能够深入到人类不能直接到达的领域；其二在灾难现场，例如火灾，通过用特殊材料来制成六足机器人，可以进入到火灾现场采集数据和对被困人员进行位置定位，既可以及时提供准确信息，也保证了消防人员的安全，给人类提供极大便利。采用肢体结构，可以方便到达履带式和轮式机器人无法到达的地方，例如崎岖的山路，节省了人力、物力，甚至有些领域危害到人类的生命，一定程度上也保

2、护了人类的生命安全。作品的现实意义是，可以进行二次开发，生产出适应于科研和救灾等不同领域的的专门的六足机器人，批量生产，真正应用到这些领域，去代替人类完成一些繁琐或者危及生命的任务，给科研的发展以及人类的生活带来便利。 1.2 设计目标设计一款简单实用，可以由人为控制实现预期要求的仿生类六足机器人，具有体积小，灵活性高，简单便利等特点，可应用于地质探测和灾区灾情探测等方面。1.3 工作原理六足机器人使用PWM（脉冲宽度调制）信号来调整舵机的转动角度，实现机器人的运动。通过C8051F021单片机对步态数据进行编程，进而单片机与 CPLD通信传送18路步态，由CPLD根据步态脉宽产生相应的18路

3、PWM信号，PWM控制舵机的转动实现预先设计好的步态动作，来完成机器人的各项动作。1.4 特点作品的独特之处是采用学科交叉，集仿生学，机械学与电学于一体，模仿六足昆虫的肢体结构打破了原有履带式和轮式机器人的限制，更加灵活方便。作品的科学性和先进性体现在六足机器人利用了当今电子设计方面的集成电路技术，电路设计精巧高效，从而缩小了机器人的体积；芯片的资源丰富，可以拓展各种应科研要求而生的功能，例如温湿度测量，无线操控，视频摄像，数据采集等。1.5国内外研究现状我们通过在报刊杂志网络等多种途径的搜寻，发现当前国内外对这一领域研究颇多，但是基于的原理和平台不同，相应的应用领域也不相同，譬如我们查到的六

4、足农业机器人并联腿构型分析与结构参数设计是燕山大学机械工程学院用于农业领域，我们最初的参考也是国外的一个兴趣小组在做六足机器人的模型。等等这些多方面的实例以及不同的研究领域都说明了六足机器人的广泛应用性以及未来不可小觑的工作空间。二 方案概述及选材2.1.方案设计、论证方案1：只采用传统51系列的单片机作为主控芯片图2-1方案一框图此方案通过C语言编程，在单片机开发板上可以实现PWM波的输出，并能驱动舵机转动。由于传统51系列的单片机内部资源有限，不能一次性同步输出18路的PWM波，且由于各路之间延时不同PWM的输出会有影响，另外不能实现进一步的外部扩展。在编程过程中需用到中断，产生的PWM波

5、的占空比由于时间误差，达不到需求的精确度，如果多片单片机联合使用不能达到同步输出的要求。方案2：只采用CPLD或者FPGA可编程逻辑器件作为主控芯片图2-2方案二框图 此方案通过运用Verilog语言编程，在CPLD或FPGA开发板上可以实现输出不同占空比的PWM波，并且精确度很高，以实现对舵机的精准控制。CPLD或FPGA虽然可以对舵机实现精度很高的控制，但是由于步态数据复杂且需要时常变化，利用Verilog语言编程，数据量大，调试程序修改步态都不方便，很难实现对舵机数据的实时更改，外部扩展的程序很难加到其中，若采用CPLD和内嵌CPU内核，从成本来说，相对要高。 方案3：采用51系列单片机

6、+CPLD，51单片机作为主控芯片，CPLD作为数据处理芯片产生PWM波。图2-3方案三框图用单片机作为核心控制，CPLD来产生PWM信号，这样用C语言编写控制命令具有程序的灵活性，易于更改动作，而且这时仅用51单片机就可以实现对机器人的控制。同时考虑到C8051F单片机可在线调试功能的优点，我们选用其替代传统的51单片机。CPLD可以并行输出，这样18路的PWM信号不会干扰。从成本上来说，一个单片机十元左右，一个CPLD 20-30元，成本上也是首选，资源上CPLD也较为丰富，后期扩展也很方便，此方案既可以产生精确地PWM波来控制舵机，也能够很方便的修改步态程序来实现不同的动作。通过以上方案

7、论述和比较，第三种方案更适合本设计，所以选择第三种方案。详细总体框图如图2-4.图2-4总体框图2.2器件的选择2.2.1电机选择执行机构可以采用普通电机、步进电机及舵机等。普通电机在上电以后就会不停的转动，而且普通电机不能实现对角度的控制，本设计中对角度的要求高，而且需要角度之间的变化，普通电机不适合。步进电机虽能实现角度的控制，但控制信号复杂，当需要信号越精准时信号线越多，操作起来不方便。步进电机的成本相对较高，这样本设计的18路舵机在经济可行性上就不具有优势。舵机内部有位置反馈电路，能够在信号控制下转动不同的角度，并且能够锁定角度，舵机的引线也简单方便，另外舵机的扭矩也比较大，足够带动机

8、器人的运动。成本上性价比高，性能上足够设计的需求。综上，本课题采用9g的舵机。2.2.1.1引线示意图、实物图、参数（1）引线示意图 （2）实物图图2-5舵机引线 图2-6舵机实物图（3）参数 1.重量：9g 2.尺寸：23x12.2x29mm 3.无负载操作速度：0.12秒/60度（4.8V）；0.10秒/60度（6.0V） 4.扭矩：1.6kg.cm(4.8V) 5.使用温度：-30至+60摄氏度 6.死区设定：5微秒 7.工作电压：3.5V到6V 8附件：三种功能舵角、固定螺钉，线长25CM2.2.1.2工作原理在舵机系统中，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。舵机

9、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和电位器的电压比较，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，使得电压差为0，电机停止转动。2.2.1.3控制原理舵机的控制信号是PWM波，利用占空比的变化改变舵机的位置。下图为舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系，其脉冲宽度在0.52.5ms之间变化，舵机输出轴转角在0°180°之间变化。图2-7舵机转角与输入信号脉冲2.2.2材料选择机身采用较为坚硬且质轻的覆铜板，支撑力大。 肢体采用PVC线槽，便于裁割和装

10、饰，硬度合适，成本低。2.3电源选择此设计采用输出电压为7.4V的可充电的锂电池供电，由于舵机的正常工作电压在5V左右，但是主控芯片以及数据处理芯片的工作电压为3.3V，所以需要加上降压模块，在这里我们采用DC-DC降压模块和AMS1117-3.3降压芯片，由DC-DC模块将电压稳定在5V，为舵机供电，再通过AMS1117-3.3芯片将5V电压降为3.3V，为单片机和CPLD供电，这样可以让锂电池能够为主控板提供合适电压的同时，也能够正常的为舵机供电。AMS1117-3.3芯片是低压差的线性稳压电源，当电路中电流为几十毫安时，线性电源在线性状态下的晶体管损耗会相对较小，所以用线性电源降压很方便

11、，而且整个电路没有开关器件，所以没有开关噪声，电源输出非常干净。舵机的工作电压是5V，舵机在工作时最大电流能达到0.53A，当使机器人行走时多个舵机同时工作，使得回路中电流能达到6A，所以这个时候若再用线性电源来降压，效率极低，而且芯片会因为功率大部分产热而烧坏，所以需要使用开关电源，使用Buck类型 DC-DC降压模块，理想状态下电源没有功率损耗，实际的效率也很高，本课题采用的DC-DC降压模块，经测试有三组数据参考，IinVinIoutVout效率第一组0.68A15V1.87A5.1V93.5%第二组2.61A15V6.7A5.1V87.3%第三组4.36A15V10.6A5.1V82.

12、7%表2-1 综上，DC-DC降压模块的效率高，能提供恒压调节、过流保护，适合舵机的电源驱动。三.设计和实现3.1硬件电路设计3.1.1 控制板图3-1舵机控制板PCB制板3.1.1.1 C8051F021（1）芯片介绍C8051F021器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，51内核，与传统的51单片机兼容；具有32个数字I/O引脚；有12位的8通道ADC，两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；片内有全速、非侵入式（不占用片内资源）的在系统调试接口，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令；4352（4096+256）字节的片内RAM；可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口；有两个

13、UART串行接口；为64脚TQFP封装。在工业温度范围内用2.7V-3.6V的电压工作，本课题选择3.3V。芯片的环境温度是-55到125。（2）原理图图3-2 C8051F021采用C8051F021为主控，负责机器人顶层控制，通过存储步态，生成相应的脉宽值，通过I/O口的信号输出，给CPLD传送控制命令，由脉宽值生成不同占空比的PWM信号，决定各舵机的转动角度，控制着整个机器人的动作。C8051F021通过外接电源检测、复位电路等可以对电路进行检测保护和重置。图3-2的左上角是单片机的复位电路，C8051F021的复位电路不同于传统常见的51单片机，C8051F采用低电平复位，而传统51单

14、片机采用高电平复位，如图3-3reset复位比较。 传统51单片机 C8051F021图3-3 reset复位比较 图3-2的右上角是JTAG接口，按照C8051F021的JTAG接口画出插排，对应芯片上的TCKTMSTDOTDI连接，可以下载程序。 图3-2的左下角是单片机的外接晶振，11.0592MHz，此处接的是无源晶振，有两个引脚，接单片机的XTAL1、XTAL2引脚，需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来。图3-2的右下角是电源检测电路，电源检测电路采用了AD转换功能，通过R11和R12的分压比传送给AIN0.0，经过AD的逐次比较计算来确定此时锂电池的电量，当电量过低

15、不能提供动力时板子的蓝色指示灯会亮发出警告，确保电池的即时供电，保证机器人的动力来源。C8051F021有32个数字I/O口，通过I/O口可以传送命令给CPLD，有两个UART串行口，通过初始化串行口，同步移位脉冲TX1由P10发出clock信号，数据RX1由P11输出din，即用于步态设置的舵机的脉宽，单片机P14输出对CPLD控制的lock信号用于数据锁存，发送数据后对数据更新，单片机的P15输出reset用于对CPLD复位，即时保护CPLD。 图3-4单片机和CPLD通信3.1.1.2 CPLD （1）芯片介绍EPM1270T144C5N的EPM1270是基本型号，内部资源丰富，T144

16、为封装是144脚TQPF,C是商业级别，5是速度等级，N是符合无铅标准，其编程方式是ISP，存储器类型是FLASH，外部电压是2.5V，3.3V，本课题选用3.3V，工作温度是0到90。（2）原理图图3-5 EPM1270T144C5N采用CPLD芯片为EPM1270T144C5N，主要负责接收单片机的控制执行18路PWM的并行输出，同时，CPLD提高了PWM波的精度，可以实现舵机小角度的转动。另外，剩余的资源尚有很大的拓展潜力。图3-5的最上面是CPLD的数字I/O口，主要用于18路PWM的输出，CPLD具有可并行输出的优点，这样就可以独立地输出各种占空比的PWM信号，实现18路舵机同时可转

17、动不同的角度，完成各种动作。图3-5的中间是JTAG接口，CPLD的JTAG接口与单片机的不一样，TCKTMSTDITDO对应不同，根据下载器的接口来对应画出。图3-5的中间左下角是有源晶振的原理图，有源晶振有四个引脚，一脚悬空二脚GND、三脚OUT输出和四脚VCC，这样就能给CPLD提供1MHz的时钟。图3-5的下面是CPLD芯片的VCC、GND部分，电源要加滤波电容，电容能保证数字电路正常稳定的工作。3.1.1.3电源部分图3-6电源部分电源部分采用了AMS1117-3.3降压芯片，把5V电源电压降至3.3V，给C8051F021和CPLD提供稳定且合适的电压，保证电源供应，使电路正常工作

18、。AMS1117是一款低压差的线性稳压电源，因为C8051F021和CPLD工作时的电流只有几十毫安，经计算在内部三极管上消耗的功率依然在可承受范围之内，所以电流小时采用线性稳压电源依然可以。AMS1117提供完善的过流保护和过热保护功能，确保芯片和电源系统的稳定性，所以可以采用AMS1117-3.3对电路进行降压转换。3.1.2 驱动板 舵机的VCC GND 信号线图3-7舵机驱动板原理图图3-8舵机驱动板PCB制板3.1.3 蓝牙模块HC-06 参数介绍：1. 无线收发2.完整的蓝牙解决方案3.低电压3.3V 工作4.低功耗5.高性能无线收发系统6.低成本7.内置 2.4GHz 天线, 用

19、户无需调试天线图3-9蓝牙实物图本课题采用蓝牙无线通信，通过电脑上位机对蓝牙发送命令，蓝牙接收到信号后指示机器人如何运作。所以，蓝牙作为控制命令的接收端以及执行命令的发送端，起到了信息传递的作用，同时蓝牙具有无线接收的优点，避免了有线接收电路的繁琐。3.2软件设计3.2.1 C8051F021对C8051F021编程采用C语言，简洁紧凑，灵活方便，数据类型丰富，可以在线调试程序，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令，能即时更改步态观察机器人的动作，效率高。步态设计：如下图对机器人编号：舵机的1-18号分布在1-6脚。图3-10舵机分布首先是需要对舵机位置的校准，统一对舵机设置标称值，借用工具

20、对舵机位置校准，设置好机器人的初始状态。在初始状态的基础上，对机器人进行步态设置，本课题对机器人设计了前进步态，后退步态，左转步态，右转步态，上下伸展步态，扭动步态，以及跳舞步态等等，以下详细分析前进步态。前进步态是采用常见的三角步态，六足类的昆虫行走时，一般不是六组同时直线前进，而是将三对足分成两组，身体左侧的前后足及右侧中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架，以三角形支架结构交替前进，例如前进步态的六步是1、3、5脚抬起1、3、5脚前移1、3、5脚放下2、4、6脚抬起2、4、6脚前移2、4、6脚放下。3.2.2 CPLD图3-11内部电路 CPLD部分是采用

21、Verilog编程，在Quartus II中，要想产生PWM波形可以通过编程实现。每路PWM发生器由一个脉宽值寄存器register和一个比较器compare组成。有一个公用计数器，以20ms为复位周期进行重复计数，采用1MHz的时钟，即计数从019999。把计数器和脉宽值输入到比较器进行比较，当计数器的值小于此路PWM脉宽值寄存器的数值时，比较器输出高电平，当计数器的值大于此路脉PWM宽值寄存器的数值时，比较器输出低电平。这样，对应不同的脉宽值，就生成了不同占空比的PWM信号，决定着舵机转动不同的角度。同时，不同路PWM的脉宽值是互相独立输入的，所以不同路PWM信号也是相互独立输出的，所以，

22、机器人可实现不同的动作。3.2.3 蓝牙上位机 采用VB设计机器人步态选择界面，通过与蓝牙模块通信，当电脑与蓝牙连接上之后，从上位机发送步态命令，例如前进、后退，同时前进也可由滚动条调速，利于观察三角步态。3.3机械部分设计 (1)选材选用PVC线槽,PVC下脚料,PCB废弃板,覆铜板,显影铜板(2)裁剪所用工具a.钻孔机b.电烙铁c.其他工具(3)裁剪a.PVC线槽和PVC下脚料及其尺寸b.PCB废弃板裁剪及其尺寸c.覆铜板裁剪尺寸（4） PCB制板四测试方法与测试结果4.1 测试仪器DS1052数字示波器APS3003S稳压电源数字万用表VC9807ALCR数字电桥DF2812A

23、4.2 测试方法及结果4.2.1 测试舵机的工作电流  用稳压电源为舵机提供5V的工作电压，在回路中串联一个测试电阻，经直流电桥精确测量电阻值为1.2欧，用示波器观察电阻两端电压的输出波形，通过程序控制舵机角度不断变化，经观察电压波形也依次变化，并且在舵机角度变化的瞬间，由于机械惯性呈现出电压的最大值，读出示波器的电压值为0.64V，转换回路的电流为0.53安，即舵机工作时的最大电流为0.53安。4.2.2测试电源效率  利用稳压电源来模拟锂电池输出，进行初始设定一个电压值，将稳压电源与DC-DC降压模块正确连接，调节降压模块上的恒压调节电位器

24、使得输出电压为5V,将输出电压接到滑动变阻器上，调节电阻值，测量回路中的电流值，计算电源的效率。详见下表三组测试数据：表4-1IinVinIoutVout效率第一组0.68A15V1.87A5.1V93.5%第二组2.61A15V6.7A5.1V87.3%第三组4.36A15V10.6A5.1V82.7%由表格也可得出DC-DC降压模块电源转换效率高。4.2.3 输出波形的测试 （1）前期首先用软件进行仿真，并实际下载到FPGA开发板上，通过Signal Tap II嵌入式逻辑分析仪进行内部信号的抓取，图3-10内部信号抓取验证波形正确，即程序正确，进行下一步。（2）然后将C程序和Verilo

25、g程序分别下载到C51单片机开发板和CPLD开发板上，并将两个板子通信部分连接好，给板子上电后用数字示波器测量输出引脚所输出的PWM波形，对比输出波形与输入数据。（3）后期电路的控制板和驱动板制作完成后，分别下载程序后进行检测。用数字示波器测量输出波形。五结论5.1完成的情况（1）通过从全局来看，我们已经完成对六足机器人的机械结构的设计，初步采用硬纸板模拟，最终利用PVC线槽和铜板来搭建外形，一方面运动稳定，承重性能好，另一方面节省成本，简单易操作。（2）完成电路板的设计：参照已学的知识和查询网络资料，从控制板和驱动板的原理图设计，到PCB图的手工布线，都是我们独立完成，控制板采用单面布板，贴

26、片封装，驱动板采用单面布板，直插封装，经检验，板子都合格适用。（3）成功编程设置步态：编程调节舵机转过的角度控制六足机器人的多种状态，准备阶段、前进后退、左转右转、跳舞、扭动等，实现了六足机器人的行走，掌握了六足机器人的运动原理，为它的后期拓展奠定了基础。5.2功能拓展 六足机器人应用广泛，在各方面的应用可以根据不同的要求，增加不同的功能模块，且制作材料用防火材料可以应用在火灾现场等，在现有功能的基础上拓展六足机器人的功能，例如，测温，无线传输，红外避障，数据传输等。由此可见六足机器人的功能扩展很可观。 5.3心得体会 （1）通过学科交叉完成六足机器人的设计，我们领悟到仿生学的重要意义，六足昆

27、虫的运动便利性与现实生活的需求相结合更加巧妙。运用所学的电子方面的知识，一方面提高了我们的动手操作能力，另一方面边实践边学习巩固了理论知识。（2）考验了团队的协作能力,分工明确，合作共赢。在遇到设计结果与预想不符时，能够共同讨论，分析，提出各自的观点，找到解决的方案，在实践中培养了合作的能力。（3）培养了耐心，严谨，求真务实的态度，能够做到处处设计都有它的依据，能从根本上去理解电路的原理，工作的原理，并且去测试去调试来达到预期的设想。（4）综上,加强了对理论知识的学习，实践与理论结合，提高了动手能力，对课本知识的巩固和加强，加深了理解，也提高了信心，增添了电子设计方面的兴趣，兴趣是最好的老师，

28、也指引着我们在电子方面进行更高的追求。参考文献1.新概念51单片机C语言教程 作者：郭天祥2.Verilog数字系统设计教程 作者：夏宇闻3.模拟电子技术基础 作者：童诗白 华成英4.Altium Designer入门与PCB设计实例 作者：王建农 附件：附件一：原理图附件二: 成品图附件三：程序代码参考 CPLD代码清单：module serialpwm18(din,clock,reset,clk_8M,lock,clk_1M_out,pwm1,pwm2,pwm3,pwm4,pwm5,pwm6,pwm7,pwm8,pwm9,pwm10,pwm11,pwm12,pwm13,pwm14,pwm1

29、5,pwm16,pwm17,pwm18 );input lock;input din;input clock,reset,clk_8M;output clk_1M_out;output pwm1,pwm2,pwm3,pwm4,pwm5,pwm6,pwm7,pwm8,pwm9,pwm10,pwm11,pwm12,pwm13,pwm14,pwm15,pwm16,pwm17,pwm18;参考 单片机代码清单：#include <c8051F020.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid Init_Device(void)；void init();void delay