仿人机器人设计

仿人机器人设计（机械结构与电气结构）Designofhumanoidrobots(mechanicalandelectricalstructures)绪论课题研究的背景及意义机器人技术与系统，自60年代初问世以来，发展了将近半个多世纪的时间，目前取得了丰硕的成果和长足的进步。它融合了现代科学的多方面技术研究，现在机器人的发展是否先进也直接反映了这个国家的综合研究水平和科研实力。非常多的发达的国家把这个机器人技术列入了该国21世纪高技术发展计划。现在，机器人技术对于工农业、服务业、国防、太空和深海探索等领域具有广泛的潜在用途，特别是在军事、航天和服务等领域有着明确的应用前景和重大的经济价值。仿人机器人，也就是类人机器人。对于“仿人”的意义来说，就是让机器人从它的外形和作用上都与人相似。但是并不是仅仅只拥有着类人的外表，更重要的是要具有类人的感觉系统，决策能力以及智能思维方式。在各式各样的机器人中，类人机器人是最接近人类，并且它的集成度高，拥有着复杂的系统结构的一种机器人。所以，仿人机器人的研究在机器人研究领域中具有很大的理论价值和真实的应用价值。同其他类型的机器人来比较，仿人机器人具有着强优越性：因为拥有着比其他机器人更加灵活的行走能力，可以适应上下坡或者有台阶等各种复杂地形；拥有很大的工作空间，移动盲区较少；拥有着超强的避障功能，可以在复杂的环境工作。类人机器人，为一种机动的、智能的、多自由度的，能满足用户各种需求，可以为人类带来许多方便之处的新型机器人，它的广泛应用将成为机器人发展的主要方向。仿人机器人不单单可以在有辐射、多粉尘、而且在还有毒有高温的一些人类无法亲自工作的场合作业，甚至可以扩展到人类很难抵达的太空、海底等工作空间；还可以和我们人类和谐相处，帮助人类完成难以达到的工作，以及娱乐人类，如接待、跳舞等；甚至在高科技战场上也有它的一席之地。因为仿人机器人是一个将材料、机构、控制、计算机、传感技术、微电子技术、数学、通讯、人工智能、仿生学等多个领域的尖端技术，因此仿人机器人的发展需要各个领域的共同努力，因此我们仿人机器人设计这个课题在整个专业领域都有着非常重要的意义。仿人机器人国内外研究现状作为仿人机器人的前奏，国内外学者从20世纪60年代开始进行仿人机器人研究，迄今已成功研制出多种静态、动态步行的仿人机器人样机，并在理论研究上取得了丰富成果。从1960年至1970年间，类人双足机器人的样机初步研究取得巨大的成功，以及它的步行理论也获得成功。最先由1968年美国的通用电气公司揭开了小型仿人机器人的序幕，研究制作了一个叫“Rig”的操纵型双足机器人。日本早稻田大学在1973年间研制成功的WABOT-1是我们当前社会出现最早的仿人机器人，其外观如图1所示。20世纪80年代至90年代，仿人机器人的理论研究与样机研制得到了进一步的发展。1984年日本早稻田大学仿人机器人研究所研制出了WL-10RD仿人步行机器人，实现了每步周期1.5秒，步长40cm的动态行走，如图2所示。并于1985年在日本筑波科学展览会成功推出音乐家WABOT-2仿人机器人。从70年代到现在，早稻田大学一直专注于研制WABOT系列的仿人步行机器人，并取得了很大的进展。图1WABOT-1机器人图2WL-10RD机器人图3P3机器人图4ASIMO机器人90年代以来，随着科学技术的进步与成熟，仿人机器人的样机研制得到了迅猛发展。日本本田公司，经过10余年的秘密研究于1996年推出了仿人机器人P2，随后又陆续推出P3和ASIMO，分别如图3、图4所示。其中，ASIMO代表了当今仿人机器人样机技术的最高水平，它具有识别障碍后自动避让，跑步，抓取物品等功能。2005年，美国波士顿动力公司推出了机器人大狗BigDog，其拥有一个自我检测、控制和调整的强大稳定控制系统回路，具有很强的抗干扰性。随后，波士顿动力公司开始研究仿人双足机器人，于2009年成功研发出双足步行机器人--Petman。该机器人有着与人类腿的结构和外形都很相似的两条细长腿，同时Petman有着极强的平衡控制能力，最大行走速度可达7km/h。Petman能很好的模拟人类的真实感觉。美军主要凭借其一些仿生功能来代替人类测试实验防护服装，及装备的可靠性。2011年，波士顿动力公司推出了新版Petman，加上了上身躯干和手臂，外形和行动都更像人类，可以自行完成单脚支撑跨越、下蹲、单膝下跪、奔跑等动作、甚至还能做俯卧撑。课题来源及研究内容本课题来源于指导老师的科研课题拆分，针对课题的要求，本人以STC89C52为控制芯片，来给舵机发出信号，驱使仿人机器人动作，完成课题的基础研究部分。论文的主要内容如下：（1）通过对仿人机器人的基本介绍，来对其进行具体的结构分析，分析可能会产生的问题，并解决机器人机械结构上的问题。（2）由机器人的零部件结构分析，从而进一步整合，对仿人机器人的整体结构设计进行完善。（3）概括介绍了仿人机器人的驱动，以及控制驱动装置动作的芯片的工作原理等。（4）对仿人机器人行走过程中障碍物的检测装置超声波传感器工作的分析。

1仿人机器人的简介1.1仿人机器人的基本概念作为我们二十世纪最伟大的发明之一，机器人从1960年左右问世以来，发展了将近五十年左右，目前已经收获了巨大的成功与进步。在目前现有的各式各样的机器人之间，仿人机器人是一个结构复杂并且和人类构造最像，而且集成度高，外形最接近人的机器人。正因为它的外形和作用和人类相近，所以超级适合在一些与我们工作空间相似的环境一起工作，根本没必要专门为机器人提供专有的工作环境。其中一些仿人机器人甚至可以取代人去到对于人类来说是非常不安全的工作空间作业，拓宽人类的活动空间。从机器人的外形功能上来说，仿人机器人是最佳的模拟人类的平台。类人机器人，是从一个机器人的外形功能的方面来下定义的，一般不指工业机器人等大型机器人。但是一些机器人仅仅只有人类的上半部分，只有上肢或者头部等等，也可以叫做仿人机器人。然而双足机器人是从行走的方式这一方面来给机器人下定义的，一般用来把多个足移动或者轮式移动等方式区分开，我们设计的仿人机器人就是小型仿人双足机器人。在全部的模拟人类动作中，步行则是大部分的哺乳动物加上人类的移动方法，所以是否能够达到真正的仿人机器人，步行则是评判是否成为仿人机器人的重要标准。于是完成稳定的行走就是我们仿人机器人设计中的主要目标。仿人机器人机械的制作是，开始根据需要目标的规格尺寸，再来决定自由度的组成；与此同时，敲定我们机器人上各个关节的驱动方式，然后选择哪种驱动；最后我们依据步行的方法来设计脚部机构，然后再选择需要的传感器。仿人机器人的构建由以下几个部分组成：（1）自由度配置；（2）驱动方式；（3）脚部结构；（4）传感器。1.2机器人结构需考虑的问题我们设计小型仿人机器人结构，它的整体性能由结构的合不合理、是否优化以及是否适用来决定，所以我们在仿人机器人机械结构设计过程中，最主要的就是考虑机器人的自由度、驱动器、结构的设计、机器人材料的选择等方面的问题，在此之外还需要考虑整体的安装问题。在仿人机器人结构设计中，我们需要达到以下的几个要求：（1）可靠性：拥有一个可靠的结构是机器人的基础；（2）稳定性：只有拥有一个稳定的结构，机器人动作才有保障；（3）方便性：在装配机器人的时候越是方便越是可以体现设计者的水平；（4）维护性：设计者的水平也可以根据维护性能的好与坏来体现；（5）经济性：可以根据设计机器人是否达到经济上的优势来判断设计者水平的高低。

2仿人机器人的机械结构设计2.1机器人自由度分配我们根据人类的体型结构来设计需要的小型仿人机器人，如同人类一样，机器人拥有头部、身体、四肢，机器人的运动主要由多自由度的主动关节来实现，可以通过四肢的配合执行一定的任务，因此对于机器人来说，自由度的分配至关重要。首先看人体的结构，头这部分有颈部，身体这部分有腰部，四肢这部分有肩膀、手腕、手指还有腿上的髋、膝、脚踝和脚趾等。因为人体结构组成的自由度数量较多，运动系统相较复杂，所以并不能完完全全的把人体结构实现在机器人身上。接下来我们将会用关节和自由度分配简化的方法来设计，即：头部分配一个自由度，来实现机器人头部的左右转动；上肢分配三个自由度，分别为肩膀、手肘、手腕这三个位置，来实现机器人手前后摆动、大小臂弯曲或者伸直等动作；下肢分配六个自由度，分别在髋、膝、踝这三个关节处，其中髋关节有三个、膝关节有一个、踝关节有两个自由度。通过以上分配可以使机器人完成基本的行走动作。整个机器人的自由度分配如表2-1所示。表2-1仿人机器人自由度分配关节自由度颈部1个肩部2个肘部2个腕部2个髋部6个膝部2个踝部4个在我们机器人系统中，各个自由度的连接分为两种：一种是串行连接、另一种是并行连接。两种都有各自的优点，第一种拥有着体积小，但是运动空间大的优点；第二种尽管占用的空间提交较大，但是运动比较灵活、承载力比较大的优点。两种连接适用的位置也不太一样，第一种适合颈部关节、肘部关节以及膝部关节；第二种更加适用于肩关节、髋关节以及踝关节。明确了自由度的分配以及连接形式之后，可以更清楚地看出其结构分布，如图2-1所示。图2-1自由度结构分布图2.2机器人实体结构设计进行小型仿人机器人的实体结构设计，首先我们将一个整体分为三个大块，其中上肢结构设计为一块、身体结构设计为一块、下肢结构设计为一块。根据个人爱好，我将设计一个小型的仿人机器人，高度大约为320毫米。通过比较人体的黄金比例再结合社会上现有的仿人机器人的大致尺寸，可以分配自己的机器人各个关节之间的尺寸，大致数据如表2-2所示。表2-2机器人结构尺寸表各个部位名称人体结构尺寸机器人结构尺寸头部250mm颈部125mm大臂375mm小臂250mm躯干5125mm大腿4100mm小腿375mm肩宽4100mm脚长250mm接下来将讲解说明各个部分的结构设计情况。

2.2.1手部结构设计首先，参考人体的结构，人类的肩膀可以实现整个手臂抬起、放下，手肘也可以向内侧弯曲并伸直，于是结合我们分配的自由度，可以得出整个手臂的自由度结构如图2-2（a）所示；其次，计算出舵机需要的尺寸留有空间，再拼装各个关节间的连接件，如图2-2（b）所示；最后，我们将先前留好的空间装上我们选择的舵机，可以得到机器人整只手臂的结构如图2-2（c）所示。图2-2手部结构设计图2.2.2躯干结构设计相同于上述手部结构设计一样，首先还是参考人体的结构，整个躯干连接着四肢，于是得到整个躯干的结构如图2-3（a）所示；然后计算出舵机需要的尺寸留有空间，再拼装各个关节之间的连接件，得到图2-3（b）中所示模样；最后再将舵机装进先前留好的空间里就可以得到完整的躯干结构如图2-3（c）所示。图2-3躯干结构设计图2.2.3腿部结构设计腿部设计有一个需要考虑的问题：怎样设计才可以使仿人机器人能够平稳的站立不会倒地。经过一些受力的分析以及观察，我们发现脚部最底下的这块板子面积越大，机器人站立就越平稳，于是在这块板子的尺寸上就合理范围内增大了面积，使得仿人机器人能够平稳的站立，解决了机器人站立不平稳的问题。整个下肢的自由度结构也同上肢、躯干一样，位于髋、膝、踝关节处，自由度结构如图2-4（a）所示；然后计算出舵机需要的尺寸留有空间，再拼装各个关节之间的连接件，得出图2-4（b）中所示的模样；最后将各个零件和舵机组装起来，图2-4（c）中就展示出了完整的下肢结构。图2-4腿部结构设计图2.2.4整体结构设计我们将上面设计好的上肢结构、躯干结构、腿部结构这三大结构，整个拼装起来就可以得到完整的机器人结构，机器人的整体自由度在图2-5（a）中展示的清晰无误，整体的模型以及整个安装完成的机器人实体结构分别如图2-5（b）、图2-5（c）中所示。图2-5仿人机器人整体结构设计图

3仿人机器人的电气结构设计3.1机器人的驱动选择仿人机器人的驱动主要选择的是电机驱动，而电机的选型是电气结构设计的重点，电机驱动具有成本低、准确性高、可信度高、维护便利等特点，易于与计算机控制系统相连接，大多数双足机器人都采用这种方式，但在电机驱动中大致分为三种不同的电机驱动：方案一：直流伺服电机驱动；方案二：交流伺服电机驱动；方案三：舵机电机驱动。比较这三种方案，方案一选用直流伺服电机，启动转矩大，机械特性线性度好，功率损耗小，可是如果要达到在额定负载下，转矩可以恒定的性能的情况下，电枢以及转子磁场需要一直保持90°，还需要加上电刷以及整流子的帮助，然而正是因为电刷和换向器这两个器件，大大增加了摩擦转矩，产生的换向火花给无线电造成了干扰，并且其使用寿命低，定期需要人工维修、维护，实际比较麻烦。方案二选用交流伺服电机，其控制方式大多选取的是磁场矢量控制，优点是在整个系统处于低速运行状态时依旧响应快、正常运作；在高速区也能达到良好的转矩特性，输出特性硬度好；在驱动单元上，大多选取的是专用集成电路，其规模大、体积小，使系统的可靠性高、结构好。因此，交流伺服电机驱动一般应用于数控机床等方向。方案三选用舵机驱动，舵机是一种很久以前在船舶运动中使用的驱动器，其控制信号是方波脉冲，这种信号的宽度是可以调整的，是一种微型伺服电机，任何产生标准控制信号的数字装置都能够用于控制舵机，因此，舵机在双足仿人机器人行走系统中得到了广泛的应用。综合上述三种方案，我们选择用舵机作为驱动装置。经过选型分析，我们采用型号为AX-12A的数字舵机，作为本文机器人设计的驱动器。这个舵机的优点在于体积小，但是扭矩大，并且精度高。与此同时，AX-12A是一款总线数字舵机，与其它的舵机相比较发现其主要优势有许多。舵机与舵机之间用总线连接，而且它的布线方法简单，整个的可靠性较高；同时这个舵机还可以自我保护，防止因为输入电压太高或者人为的控制指令出错以及输出过大的力矩而导致舵机毁坏；其次，这款舵机还拥有自动校准的功能，具备了反馈机制，并且可以将控制精度提升到较高的标准。3.2舵机的简介其实舵机也可以称为伺服电机，它的控制方式是通过改变电机角度的位置，从而实现转向的动作，舵机可以运用在许多领域，例如智能小车、小型仿人机器人以及航模等等领域。如图3-1所示，我们可以清楚的看到舵机的内部结构，一般包含着小型的直流电机、变速齿轮组、上中下壳、位置反馈电位计、控制电路以及控制线等，可以构建一个紧凑但又完整的闭环位置伺服系统。图3-1舵机内部结构图3.2.1AX-12A舵机我们选取的这款型号为AX-12A的舵机，是一款非常智能的模块化动力装置，其组成由齿轮减速箱加上一个小型的直流电机以及一个控制芯片（可以通讯）组装而成。这款舵机能够产生较大的扭矩，又因其制作材料硬度高，可以保证承受较大的强度和韧性，并且在其工作时可以反馈内部温度或者输入电压等数据。这个AX-12A舵机如图3-2所示。图3-2AX-12A舵机外形图AX-12A的舵机拥有着许多优点，例如精确控制：位置和速度可设为1024等分控制；柔性驱动：控制舵机位移过程中，柔性转动的角度可调；反馈：反馈值包括角位移、角速度、和负载扭矩；报警系统：当舵机内部参数（例如内部电压、扭矩和电压等）偏离工作值过大时，系统将警告用户，也可以自动处理该问题（例如撤销扭矩）；通讯：支持通讯速度最高达1Mbps；分布式控制：位置、速度、伺服性和扭矩可以通过一个指令包设定，这样主控制器即使资源很少，也可以控制很多舵机；工程塑料：壳体由高质量工程塑料制成，可承受大扭矩负载；LED指示灯：显示用户是否操作错误。主要参数如表3-1所示，其余参数如下所示：表3-1AX-12A舵机参数型号AX-12A重量55g减速比1/254输入电压7V10V最大扭矩（kgf·cm）1216.5转速（s/60°）0.2690.196通讯：半双工异步串口通讯（8bit、1中断位，无奇偶校验）最小角度：0.35°波特率：7343bps~1MbpsID扩展：0~253工作电压：7VDC~10VDC（推荐9.6V）工作温度：-5℃~+85℃最大电流：900mA指令包：数字信号位移角度：0°~300°，无限旋转物理连接：TTL多通道（带菊花链传输线）反馈：位置、温度、负载和输入电压等外壳材料：工程塑料3.2.2舵机的工作原理通常情况下，舵机的结构大概由下面几个部分构成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、小型直流电机、控制电路板等。工作原理：信号线发出控制信号去控制电路板，然后控制电机转动，马达将会带动一系列齿轮组，减速后传动到了输出机械齿轮处。在舵机上，输出轴和位置反馈电位计是紧密相关联的，机械齿轮在转动的同时，会带动位置反馈电位计，然后会通过电位计输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据电位计所在的位置来决定电机的转动方向和转动速度，最终目标将会停止转动。基本来看，舵机的结构如上所述，但具体的分起来有很多不同的分类。好比电机就会有是无刷还是有刷的区别，齿轮的材质就会有塑料和金属的区别，输出轴就会有是滑动还是滚动的区别，壳体也会有是塑料还是铝合金的区别，速度是快速还是慢速的区别，体积有大中小三种不同的体积区别等，根据每种组成材料的不同，价格也随之改变。比如，一般小舵机我们称之为微舵，在使用材料相同的情况下微舵是中型舵机的一倍还要多；在齿轮上，金属的则是塑料的一倍多。舵机的输入信号线一共有三条，中间的是电源线，为红色；一边是地线，为黑色，这两根线保证了舵机可以获得最基本的电源，主要是电机的功耗。然而电源则是有两种规格，分别是4.8V的一种和6.0V的一种，因为转矩不一样，所以其输出力矩也不一样，6.0V的输出力矩要更大一些，具体根据实际情况进行分析；最后一边是控制信号线，白色的大多数是Futaba的，橘黄色的大多数是JR的。同时还需要注意一点，在SANWA的舵机中，有一些型号的舵机并不是电源线在中间，有可能在两边，需要仔细观察。但是有个小技巧，电源线为红色，地线为黑色，牢记就不会错。舵机的控制信号一般是一种周期为20ms的脉宽调制信号，即（PWM波）。它的脉冲宽度在0.5ms~2.5ms之间，对应舵机转动的角度则在0~180°之间，呈线性变化。也就是给它一个固定宽度的脉宽，舵机的输出轴就可以在一个相对应的转动角度上保持，不管外界转矩将怎样改变，必须给它一个新的固定宽度的脉宽，舵机才会改变原先的角度到一个新的角度上。在舵机的内部存在着基准电路，可以发出一个基准信号，其宽度1.5ms，并且周期为20ms。同时还存在比较器，可以将认为添加的信号与最开始的基准信号进行比对，找出方向和大小，同时发出舵机的转动信号。综上所述可以发现舵机为一个位置伺服电机，虽然它的活动空间不会超过180°，但是非常适合那些角度需要一直变换并且还需要能够保持的驱动，就如同机器人的关节处还有一些飞机的舵面等等。发射机编码的作用是把模拟信号经AD转换为数字信号，并把这个数字信号转换为脉冲位置变化的脉冲信号（PPM信号），又叫脉冲位置调制信号，经载频放大器的调制（把低频数字信号装载到载频信号上）向空中辐射。注意低频信号不能在空中传播，高频信号可以空中传播，所以在这里使用了看似没用的载频（高频）。接收机通过高频选频电路把这个信号接收下来，并剔除载频（高频）信号，选出低频信号（指令信号）这个PPM（脉冲位置调制信号）经译码器把它变为脉宽变化的PWM信号（脉冲占空比信号），这个PWM信号就是舵机的输入信号。其中这个PWM信号宽度变化范围是1~2ms，1.5ms处就是中点，也就是舵机的中立位置。上面提到舵机本身就有一个信号源，它会发出宽度为1~2ms的脉冲信号，同时舵机的输入信号也是一个宽度为1~2ms的脉冲信号，是由接收机译码器来输出的，但是通过两种信号的比对，会发现两者的极性是互为相反的，于是就会出现一个差值，一种为正差、一种为负差，所以这个差值可以作为电机正反转的凭据。同时舵机还连着一个电位器，当这个电位器发生变化时，自己的发出的1~2ms的脉冲信号也会随之改变，从而带动电机的转动发生变化，当输入和输出两者的脉冲信号的宽度相同时，舵机位置就会平衡，慢慢的停止转动。3.2.3舵机的控制常用舵机采用脉宽调试（PWM）信号控制，旋转角度范围为180°。PWM信号周期为20ms，脉冲宽度为0.5~2.5ms，对应舵盘0~180°转角，如图3-3所示。舵机的控制电路将PWM信号脉冲宽度作为指令，转化为电压信号，与位置反馈电位计的电压进行比较，获得偏差大小，放大后驱动电机向减少偏差的方向运动，实现定位。STM32系列单片机的定时器具有PWM工作模式，可以直接由硬件产生舵机的PWM控制波形。图3-3舵机PWM控制波形

3.3STC89C52的简介STC89C52是由深圳宏晶科技公司生产的与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机，表3-2中会给大家介绍STC89C52的一些主要的功能，同时STC89C52的PDIP封装图如图3-4所示。表3-2STC89C52主要功能STC89C52的主要功能兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0~24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能图3-4STC89C52PDIP封装图3.3.1STC89C52引脚介绍常见的52系列单片机如STC89C52共有40个引脚，采用的是PDIP封装，其中的40个引脚大致可以分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。（1）两根主要的电源引脚：一根作为电源输入，需要接入+5V的电源，即VCC（Pin40）；另一根需要接入地线，即GND（Pin20）；（2）两根外接的晶振引脚：一根作为片内振荡电路的输入端，即XTAL1（Pin19）；另一根则是片内振荡电路的输出端，即XTAL2（Pin20）；（3）四根控制的引脚第一根是复位引脚，从引脚上会产生两个机器周期的高电平把单片机复位，即RST/VPP（Pin9）；第二根是发出地址锁存允许信号的，即ALE/PROG（Pin30）；第三根是通过外部的存储器来读选通信号，即PSEN（Pin29）；第四根是根据程序的存储器来内外部选通，如果通入低电平，则是从外部的存储器来读取指令，如果接上高电平，就是从内部的程序存储器里来读取指令，即EA/VPP（Pin31）；（4）三十二根可编程的输入引脚或输出引脚此单片机分别有4个组，依次是P0口、P1口、P2口和P3口，每一个I/O口都是8位的，并且可编程的，每个I/O口都有8根引脚，一共是32根。P0口（Pin39~Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0~P0.7。P1口（Pin1~Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0~P1.7。P2口（Pin21~Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0~P2.7。P3口（Pin10~Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0~P3.7。3.3.2STC89C52最小系统能够独立进行正常工作的一个最简单的电路，我们称为一个最小系统。如图3-5所示，STC89C52的最小系统由这几个部分组成：电源电路、时钟电路、复位电路、片内外程序存储器选择电路、输入/输出接口电路。然而其中片内外程序存储器选择电路、输入/输出接口电路没有电源电路、时钟电路、复位电路这三种最基本电路重要，后三种电路是单片机系统工作的核心电路，没有其中任何一种电路，单片机都不能正常的运行。下面介绍一下这三种基本电路：电源电路：一般接入+5V的直流稳压电源的引脚是芯片引脚（VCC），一般接入+5V的直流稳压电源的负极的是引脚（GND），其电压范围在直流稳压+4V~+5.5V之间，即可使单片机进行正常的工作动作。如果有杂波串扰，通常我们将会在引脚（VCC）和引脚（GND）两个中间接入一个电解电容、一个陶片电容，分别是10uF和0.1uF，这样可以提高电路的抗干扰性能，从而有效的保证了电路的稳定性。时钟电路：接入位置为单片机的18号引脚和19号引脚处，也就是外接晶振与电容，我们单片机的工作频率主要是由晶振XT来决定的，由于型号为STC89C52的单片机的工作频率在2~33MHz之间，并且可以自主选择，于是选择11.0592MHz晶振。同时，为了保证时钟电路的稳定、快速性能，这里取值了两个3pF的电容。图3-5STC89C52最小应用系统电路图复位电路：通常情况下，单片机如需复位，仅需要给引脚（RST）上通一个高电平并且一直可以维持24个工作主频周期，就可以成功复位。如果为了确保复位系统的可靠性，复位电路则应该将引脚（RST）一直保持一个高电平，并且需要达到10ms以上。在图3-5中我们可以发现复位电路具备了通电即可自动复位的功能，原理是当复位电路通电的时候，因为C1两端的电压值不可以突然发生变化，于是+5V直流稳压电源将一直通过电容给引脚（RST）接入电流，所以在引脚（RST）处会发出一个高电平，从而达到复位的功能。并且因为C1的一直通电，C1电容两端的电压就会上升，从而使引脚（RST）的电位下降，最后可以让单片机退出复位的工作。在正常运行的时候，直接按下单片机的复位按钮使其复位。

3.4超声波传感器的简介超声波发射与接收在大自然中十分常见，20kHz以下声波可以被人耳辨识，由于背景比较复杂，所以不适合作为测试媒体。而20kHz以上声波，即超声波，波长较短，具有良好的方向性，而且能以射线的形式定向传播，所以可作为测距和定位的媒体。基于此，就产生了超声波传感器，它几乎能在任何行业领域的测距定位、障碍物检测中使用，机器人行走过程中也可以使用。3.4.1HC-SR04超声波传感器本文选取的是型号为HC-SR04的超声波传感器模块，它的性能十分稳定，而且精度高，拥有着精准的测度距离，并且盲区较小有着开阔的范围。HC-SR04超声波传感器的实物图如图3-6所示，它的产品应用领域包括一些物体的测距、停车时的检测、水位的检测以及机器人的避障等方面。图3-6HC-SR04实物图HC-SR04超声波传感器的一些主要技术参数如下所示：（1）电压：直流5V（2）电流：不高于2mA（静态电流）（3）电平输出：高5V（4）电平输出：低0V（5）检测角度：小于15°（6）检测距离：2cm–450cm（7）高精度：可达0.2cm3.4.2HC-SR04工作原理超声波传感器有很多不同的规格品种，在机器人障碍物检测系统方面，现在比较常用的为压电式超声波发生器。该传感器借助压电晶体谐振完成工作，属于可逆换能装置，除了可以把电振荡能量经过快速地转换成机械振荡能量，从而发出超声波之外，还可以把接收到的任何超声波都给它转换成电振荡能量。根据频率特性曲线，传感器的灵敏度和声压能级将在40kHz的频率下达到最大，即在实际的电路设计过程中，可将40kHz的频率视作传感器的最佳工作状态。如果脉冲电信号以40kHz的频率在传感器中输入，则在传感器的内部由激励换能器进行处理之后，能使电信号被转换为机械能，进而产生超声波，同时通过传感器自身辐射口，使超声波不断向外部稳定发射。超声波发射后，如果在传播路径上遇到障碍，则能发生反射。接收机将反射后的信号接收以后，在内部完成转换，使超声波信号被转换为电振荡，兼顾信号放大。机器人障碍物检测系统就是利用超声波传感器来获取控制信号，然后利用这些信号对系统自身的测距电路与报警电路进行控制。发射器朝着一个随机的方向发射出超声波后，立即开始计时，超声波能在空气介质中快速传播，如果途中遇到障碍，将立即反射，由接收器对反射波进行接收，并停止计时。反射传感器自身共振频率和接收传感器自身反共振频率需要做到相互匹配。

结论仿人机器人的设计制作主要是机械结构与电气结构的结合，它把我们学过的机械制造、计算机技术、电子通信、传感器、自动化等多个领域的前沿技术，使得仿人机器人成为机器人近几年来发展的热点。本文介绍了仿人机器人目前的发展状况以及各领域的应用前景，阐述了仿人机器人的结构设计，主要包括了机械以及电气部分。本设计的特点主要体现在：（1）采用了19自由度的机械结构设计，这种高自由度设计，能更大程度的模拟人类的肢体动作，外形美观且平稳。（2）采用了AX-12A数字舵机作为机器人的各个关节部位，AX-12A是机器人的专用舵机，有着控制精准，驱动柔性，电压低，体积小，重量轻，易于安装等特点。（3）采用了单片机STC89C52作为机器人的控制芯片，它具备了超强的处理能力，运算速度快，并且功耗低。（4）采用了型号为HC-SR04的超声波传感器，其拥有测度距离精准，模块的精度高，模块的盲区小等优点，可以为后期机器人能够避开障碍物提供巨大的帮助。当然，由于疫情的影响，时间的局限，本文设计的仿人机器人在机械结构还存在着有待改进的地方，在电气结构的选择上还可以选出更加适合小型仿人机器人行走及避障的模块，在今后的学习中，我会更加严谨，更加用心。还有不足的地方，请各位老师、专家批评指正。

致谢在短短半年的毕业设计的过程中，我学习到了许多之前没有接触到的知识，机器人的领域在我们做毕业设计之前，是完全没有接触到的一个全新的知识领域，对于机器人的了解也仅仅只是在一些电视以及周边同学的自我爱好中了解一些，我们上学读书就是为了能够学习社会上最先进的知识，所以我要感谢我们的指导老师雷老师以及我的室友们，没有他们我一个人完成不了这个课题，没有雷老师就没有这么好的课题。在这次毕业设计中，我从一开始对于机器人的陌生，随着雷老师的讲解，开始对机器人的理解逐渐加深，对于机器人的设计有了初步的了解，当我在设计机器人的电气结构的时候，出现严重的知识盲区，于是雷老师耐心的把我们叫去办公室，给我们一步一步的讲解我们每一个人任务书中的要求，以及我们各自的设计内容的大体思路。当我们遇到了设计上的问题，雷老师没有直接告诉我们应该怎么设计，而是告诉我们小组讨论得出结果，这样能够提高我们的学习上独立性，还培养了我们听取同组成员意见的好习惯。当我们想寻找一些专业上知识的资料时，我们不知道在哪里搜